JP6016132B2 - Self-referencing interferometer - 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のキャリアエンベロープオフセット周波数を検出する自己参照干渉装置に関するものである。   The present invention relates to a self-referencing interference apparatus that detects a carrier envelope offset frequency of an optical frequency comb used for measuring the frequency of light.

高精度な周波数標準として、光周波数コムの研究が盛んに行われている。光周波数コムは、図6に示すように、周波数軸上に等しい周波数間隔frepで櫛状に並ぶ多数の輝線スペクトルの集合体である。光周波数コムのスペクトル周波数fnは、周波数間隔frepとキャリアエンベロープオフセット周波数fCEOを用い、「fn=n×frep+fCEO(ただし、nは整数)」と表すことができる。 As a high-precision frequency standard, research on optical frequency combs has been actively conducted. As shown in FIG. 6, the optical frequency comb is an aggregate of a number of emission line spectra arranged in a comb shape at equal frequency intervals f rep on the frequency axis. The spectral frequency f n of the optical frequency comb can be expressed as “f n = n × f rep + f CEO (where n is an integer)” using the frequency interval f rep and the carrier envelope offset frequency f CEO .

また、光周波数コムを時間軸上で見ると、図7の「光搬送波包絡線」に示すようなパルスが、時間軸上に等しい間隔T(=1/frep)で並ぶパルスレーザ光である。光搬送波包絡線内には「光搬送波電界」が存在する。光搬送波包絡線と光搬送波電界のピークの差を「キャリアエンベロープ位相(CEP)」と呼び、時間軸上で隣り合うパルス間のCEPの差を「キャリアエンベロープ位相差(Δφ)」と呼ぶ。キャリアエンベロープ位相差(Δφ)は、レーザ共振器中の媒質を通過する光の群速度と位相速度の差に起因する。 Further, when the optical frequency comb is viewed on the time axis, the pulses as shown by “optical carrier envelope” in FIG. 7 are pulsed laser beams arranged at equal intervals T (= 1 / f rep ) on the time axis. . There is an “optical carrier electric field” in the optical carrier envelope. The difference between the optical carrier envelope and the peak of the optical carrier electric field is called “carrier envelope phase (CEP)”, and the difference in CEP between adjacent pulses on the time axis is called “carrier envelope phase difference (Δφ)”. The carrier envelope phase difference (Δφ) is caused by the difference between the group velocity and the phase velocity of light passing through the medium in the laser resonator.

このキャリアエンベロープ位相差(Δφ)と光周波数コムのキャリアエンベロープオフセット周波数(fCEO)の間には、「fCEO=(Δφ/2π)×frep」という関係がある。 There is a relationship “f CEO = (Δφ / 2π) × f rep ” between the carrier envelope phase difference (Δφ) and the carrier envelope offset frequency (f CEO ) of the optical frequency comb.

repは、数MHzから数GHzが一般的であり、fCEOは0<fCE<frepなので、これらはマイクロ波領域に存在する。マイクロ波領域に存在するfrep、fCEOを安定化させることによって、数百THz程度の光周波数コムを安定化させることが可能になる。 Since f rep is generally several MHz to several GHz and f CEO is 0 <f CE <f rep , these exist in the microwave region. By stabilizing f rep and f CEO existing in the microwave region, it becomes possible to stabilize an optical frequency comb of about several hundred THz.

光周波数コムの安定化には、位相同期回路(phase-locked loop回路,PLL回路)などが用いられる。frep,fCEOをフォトダイオードで検出し、外部から得られるマイクロ波参照周波数fref1,fref2と比較する。光周波数コムの安定化はfrepとfref1の差がゼロになるようにレーザ共振器長などにフィードバック制御し、fCEOとfref2の差がゼロになるようにレーザ共振器内媒質の非線形分散にフィードバック制御する。frepは光周波数コムの光をそのままフォトダイオードに当てると、パルスレーザ光の繰り返し信号として検出可能であり、fCEOは後述する自己参照干渉計によってビート信号を生成することで検出可能である。 For the stabilization of the optical frequency comb, a phase locked circuit (phase-locked loop circuit, PLL circuit) or the like is used. f rep and f CEO are detected by a photodiode and compared with microwave reference frequencies f ref1 and f ref2 obtained from the outside. The optical frequency comb is stabilized by feedback control to the laser resonator length so that the difference between f rep and f ref1 becomes zero, and the nonlinearity of the medium in the laser resonator so that the difference between f CEO and f ref2 becomes zero. Feedback control to dispersion. f rep can be detected as a repetitive signal of pulsed laser light when light of an optical frequency comb is directly applied to a photodiode, and f CEO can be detected by generating a beat signal by a self-reference interferometer described later.

ビート信号を用いたキャリアエンベロープオフセット周波数fCEOの最も代表的な検出方法としてf−to−2f自己参照干渉法がある(非特許文献1参照)。この方法では、まず、光周波数コムをフォトニック結晶ファイバーなどの高非線形性ファイバーに入射し、スーパーコンティニューム光(SC光)を生成する。 As a most typical detection method of the carrier envelope offset frequency f CEO using a beat signal, there is an f-to-2f self-referencing interference method (see Non-Patent Document 1). In this method, first, an optical frequency comb is incident on a highly nonlinear fiber such as a photonic crystal fiber to generate supercontinuum light (SC light).

次に、SC光低周波数成分(オフセット周波数:fCEO)を非線形媒質に入射して2倍波(オフセット周波数:2fCEO)を生成し、SC光高周波数成分(オフセット周波数:fCEO)と干渉させる。これら2つの光が周波数軸でオーバーラップする領域では、図8(a)に示すように周波数fCEOのビート信号が現れる。 Next, SC light low frequency components (offset frequency: f CEO) is incident to the nonlinear medium second harmonic (offset frequency: 2f CEO) generates, SC Mitsutaka frequency component (offset frequency: f CEO) and the interference Let In a region where these two lights overlap on the frequency axis, a beat signal of frequency f CEO appears as shown in FIG.

ここで、SC光低周波数成分の2倍波とSC光高周波数成分がオーバーラップするためには、SC光が周波数領域でfminからfmaxまで広がっているとするとfmax/fmin>2、すなわち1オクターブ以上広がっていなければならない。今度は、これを波長領域で見ると、波長と周波数とは逆数の関係にあるので、長波長側の2倍波がSC光内に含まれていることが必要になる。例えば、2100nmの2倍波の1050nmがSC光成分に含まれていることが、f−to−2f自己参照干渉法でビート信号を検出するための条件となる[図8(b)]。 Here, in order for the second harmonic of the SC light low frequency component and the SC light high frequency component to overlap, assuming that the SC light spreads from f min to f max in the frequency domain, f max / f min > 2. That is, it must be spread over one octave. This time, when this is seen in the wavelength region, the wavelength and the frequency have an inverse relationship, so it is necessary that the second harmonic on the long wavelength side is included in the SC light. For example, the fact that 1050 nm of the second harmonic of 2100 nm is included in the SC light component is a condition for detecting the beat signal by the f-to-2f self-referencing interferometry [FIG. 8B].

また、上述した方法の他に、SC光低周波数成分の3倍波と高周波数成分の2倍波を干渉させてfCEOを検出する2f−to−3f自己参照干渉法がある(非特許文献2参照)。例えば、1800nmの3倍波(600nm)と1200nmの2倍波(600nm)を干渉させる方法である[図8(c)]。 In addition to the above-described method, there is a 2f-to-3f self-referencing interference method in which f CEO is detected by interfering with the third harmonic of the SC light low frequency component and the second harmonic of the high frequency component (non-patent document). 2). For example, this is a method in which a third harmonic of 1800 nm (600 nm) interferes with a second harmonic of 1200 nm (600 nm) [FIG. 8C].

前述したf−to−2f自己参照干渉法の利点は、2倍波を生成するために1回だけ非線形過程を用いればfCEOを検出できる点にある。ただし、f−to−2f自己参照干渉法では、SC光を1オクターブ以上広げなければならない。 The advantage of the above-described f-to-2f self-referencing interferometry is that f CEO can be detected if a nonlinear process is used only once to generate a second harmonic. However, in the f-to-2f self-referencing interferometry, the SC light must be spread over one octave.

これに対し、2f−to−3f自己参照干渉法は、2/3オクターブ以上のSC光を生成すれば安定化可能である。一方、2f−to−3f自己参照干渉法は、3倍波生成に非線形光学結晶中の2次の非線形過程を2回用いるか、3次の非線形過程を用いるため出力が弱く、生成するビート信号のSN比が小さい点が問題となる。   On the other hand, the 2f-to-3f self-referencing interferometry can be stabilized by generating SC light of 2/3 octave or more. On the other hand, the 2f-to-3f self-referencing interferometry uses the second-order nonlinear process in the nonlinear optical crystal twice for the generation of the third harmonic wave, or uses the third-order nonlinear process to produce a beat signal that is weak. The problem is that the S / N ratio is small.

ここで、fCEO検出で用いる干渉計について説明する。例えば、図9に示すように光パスを分けるマッハツェンダー(Mach-Zehnder)型のf−to−2f自己参照干渉計がある。この装置は、周波数コム発生部301より得られる繰り返し周波数frepの光パルス列と、帯域1オクターブ以上のSC光発生用の非線形光学媒質302と、非線形光学媒質302を通過したSC光を長波長成分と短波長成分とに分離するダイクロイックミラー303を備える。 Here, an interferometer used for f CEO detection will be described. For example, as shown in FIG. 9, there is a Mach-Zehnder type f-to-2f self-referencing interferometer that divides an optical path. This apparatus uses an optical pulse train having a repetition frequency f rep obtained from a frequency comb generator 301, a nonlinear optical medium 302 for generating SC light in a band of 1 octave or more, and SC light that has passed through the nonlinear optical medium 302 as a long wavelength component. And a dichroic mirror 303 that separates into short wavelength components.

SC光は、広帯域なレーザパルス光であり、一般には、超短パルス光を非線形光学材料に入射した際、自己位相変調・相互位相変調・四光波混合・ラマン散乱などの非線形光学効果によって生成される。現在は、非線形材料である高非線形ファイバーを用いることで、1オクターブ以上の広帯域性を有するSC光生成が可能になっている。   SC light is broadband laser pulse light, and is generally generated by nonlinear optical effects such as self-phase modulation, cross-phase modulation, four-wave mixing, and Raman scattering when ultrashort pulse light is incident on a nonlinear optical material. The At present, it is possible to generate SC light having a broadband property of one octave or more by using a highly nonlinear fiber which is a nonlinear material.

またこの装置は、SC光長波長成分の2倍波を発生させる波長変換部304と、前述の2倍波とダイクロイックミラー303で分離されて遅延制御部310を通過したSC光短波長成分を合波させる偏光ビームスプリッタ305と、偏光ビームスプリッタ305より生成される光周波数コムのビート信号を読み取る検出部306を備える。波長変換部304は、非線形光学結晶により構成されている。   In addition, this apparatus combines the wavelength converter 304 that generates the second harmonic of the SC light long wavelength component, and the SC light short wavelength component that has been separated by the dichroic mirror 303 and passed through the delay control unit 310. A polarization beam splitter 305 to be waved and a detection unit 306 that reads a beat signal of an optical frequency comb generated by the polarization beam splitter 305 are provided. The wavelength conversion unit 304 is composed of a nonlinear optical crystal.

上述した装置を用い、まず、周波数コム発生部301で繰り返し周波数frepの光周波数コムを生成する。次に、光周波数コムを非線形光学媒質302に入射して広帯域なSC光を得る。次に、ダイクロイックミラー303により、得られたSC光を短波長成分(f1)と長波長成分(f2)とに空間的に分離する。次に、SC光長波長成分(f2)の2倍波(2f2)を波長変換部304で発生させる。 Using the apparatus described above, first, the frequency comb generator 301 generates an optical frequency comb having a repetition frequency f rep . Next, the optical frequency comb is incident on the nonlinear optical medium 302 to obtain broadband SC light. Next, the obtained SC light is spatially separated into a short wavelength component (f 1 ) and a long wavelength component (f 2 ) by the dichroic mirror 303. Next, the wavelength converter 304 generates a second harmonic wave (2f 2 ) of the SC light long wavelength component (f 2 ).

次に、上述で得られた長波長成分の2倍波(2f2)と短波長成分(f1)を、偏光ビームスプリッタ305により合波させ、2つの光の干渉により発生するビート信号を検出部306で読みとる。以上により、f1と2f2の周波数差としてキャリアエンベロープオフセット周波数(fCEO)を測定することができる。 Next, the double wave (2f 2 ) and the short wavelength component (f 1 ) of the long wavelength component obtained above are combined by the polarization beam splitter 305 to detect the beat signal generated by the interference of the two lights. Read in part 306. As described above, the carrier envelope offset frequency (f CEO ) can be measured as the frequency difference between f 1 and 2f 2 .

この測定により得られたキャリアエンベロープオフセット周波数(fCEO)と、外部から得られるマイクロ波参照周波数(frep2)を比較する。fCEOとfrep2の差がゼロになるように、周波数コム発生部301における共振器内の非線形分散の大きさにフィードバック制御をかけることで、光周波数コムのオフセット周波数(fCEO)を安定化することができる。また、光周波数コムの繰り返し周波数(frep)安定化は、検出部306で読みとられる繰り返し周波数(frep)とマイクロ波参照周波数(fref1)を比較し、frepとfrep1の差がゼロになるように周波数コム発生部301におけるレーザの共振器長などにフィードバックをかけることで実現できる。 The carrier envelope offset frequency (f CEO ) obtained by this measurement is compared with the microwave reference frequency (f rep2 ) obtained from the outside. The offset frequency (f CEO ) of the optical frequency comb is stabilized by applying feedback control to the magnitude of the nonlinear dispersion in the resonator in the frequency comb generator 301 so that the difference between f CEO and f rep2 becomes zero. can do. The repetition frequency (f rep ) stabilization of the optical frequency comb is performed by comparing the repetition frequency (f rep ) read by the detection unit 306 with the microwave reference frequency (f ref1 ), and the difference between f rep and f rep1 is obtained. This can be realized by applying feedback to the resonator length of the laser in the frequency comb generator 301 so as to be zero.

また、光パスを分けず、1つの波長変換部でSC光長波長成分の2倍波とSC光短波長成分を干渉させるコリニア(Collinear;共線状)型のf−to−2f自己参照干渉法もある。   In addition, a collinear type collinear f-to-2f self-reference interference that causes the SC light long wavelength component to interfere with the SC light short wavelength component with a single wavelength converter without dividing the optical path. There is also a law.

上述したマッハツェンダー型の利点は、分けられた2つの光路長が一致するように遅延制御部310などで合わせることができ、この構成により光の時間的なオーバーラップを最大化できる点にある。一方、マッハツェンダー型の不利な点は、周波数安定化した際に干渉計自身の揺らぎの影響を大きく受ける点にある。   The advantage of the Mach-Zehnder type described above is that the delay control unit 310 and the like can be adjusted so that the two divided optical path lengths coincide with each other, and the temporal overlap of light can be maximized by this configuration. On the other hand, a disadvantage of the Mach-Zehnder type is that it is greatly affected by fluctuations of the interferometer itself when the frequency is stabilized.

これに対し、コリニア型は干渉計自身の揺らぎがない点で有利である(非特許文献3参照)。さらに、コリニア型では2つのビームが同一直線上に出てくるため、マッハツェンダー型で必要となる難しいアラインメント作業が、コリニア型では不要になるという利点もある。一方で、コリニア型では時間的なオーバーラップを得るために、1つの波長変換部における位相速度遅延を調整する必要があるが、これが容易ではないという問題がある。   On the other hand, the collinear type is advantageous in that there is no fluctuation of the interferometer itself (see Non-Patent Document 3). Further, since two beams come out on the same straight line in the collinear type, there is an advantage that the difficult alignment work required in the Mach-Zehnder type becomes unnecessary in the collinear type. On the other hand, in the collinear type, in order to obtain temporal overlap, it is necessary to adjust the phase velocity delay in one wavelength conversion unit, but there is a problem that this is not easy.

過去の研究では、上述したf−to−2f型の自己参照干渉計が主流であり、マッハツェンダー型・コリニア型ともに、レーザの安定化技術として商用化されている。   In the past research, the above-described f-to-2f type self-referencing interferometer is the mainstream, and both the Mach-Zehnder type and the collinear type have been commercialized as laser stabilization techniques.

一方、2f−to−3f自己参照干渉計は、実験室レベルで実現されているが、一般的には3倍波の変換効率は小さいため、2f−to−3f自己参照干渉計で得られるビート信号のSN比は小さくなる。そのため商用化には至っていない。   On the other hand, although the 2f-to-3f self-referencing interferometer is realized at the laboratory level, since the conversion efficiency of the third harmonic is generally small, the beat obtained by the 2f-to-3f self-referencing interferometer is low. The signal-to-noise ratio of the signal is reduced. Therefore, it has not been commercialized.

これに対し、発明者らの研究により、2種類のピッチ長(Λ1,Λ2)をもつ擬似位相整合リチウムニオベート(periodically poled lithium niobate,PPLN)によるリッジ導波路を用いることで、3倍波を高効率に生成できることを実験的に示した(非特許文献4参照)。 On the other hand, by the inventors' research, by using a ridge waveguide by a quasi-phase-matched lithium niobate (PPLN) having two types of pitch lengths (Λ 1 , Λ 2 ), it is tripled. It was experimentally shown that waves can be generated with high efficiency (see Non-Patent Document 4).

B. R. Washburn et al. , "Phase-locked, erbium-fiber-laser-based frequency comb in the near infrared",OPTICS LETTERS, vol.29, no.3, pp.250-252, 2004.B. R. Washburn et al., "Phase-locked, erbium-fiber-laser-based frequency comb in the near infrared", OPTICS LETTERS, vol.29, no.3, pp.250-252, 2004. U. Morgner et al. , "Nonlinear Optics with Phase-Controlled Pulses in the Sub-Two-Cycle Regime",PHYSICAL REVIEW LETTERS, vol.86, no.24 ,pp.5462-5465, 2001.U. Morgner et al., "Nonlinear Optics with Phase-Controlled Pulses in the Sub-Two-Cycle Regime", PHYSICAL REVIEW LETTERS, vol.86, no.24, pp.5462-5465, 2001. M. Pawlowska et al. , "Collinear interferometer with variable delay for carrier-envelope offset frequency measurement",REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, vol.80, 083101, 2009.M. Pawlowska et al., "Collinear interferometer with variable delay for carrier-envelope offset frequency measurement", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, vol.80, 083101, 2009. K. Hitachi et al. , "Periodically poled lithium niobate ridge waveguides with high conversion efficiency for 2f-to-3f self-referencing interferometer",ELECTRONICS LETTERS, vol.49, no.2, 2013.K. Hitachi et al., "Periodically poled lithium niobate ridge waveguides with high conversion efficiency for 2f-to-3f self-referencing interferometer", ELECTRONICS LETTERS, vol.49, no.2, 2013. C. Langrock et al. , "Generation of octave-spanning spectra inside reverse-proton-exchanged periodically poled lithium niobate waveguides", OPTICS LETTERS, vol.32, no.17, pp.2478-2480, 2007.C. Langrock et al., "Generation of octave-spanning spectra inside reverse-proton-exchanged periodically poled lithium niobate waveguides", OPTICS LETTERS, vol.32, no.17, pp.2478-2480, 2007.

上述したように、2f−to−3f自己参照干渉法は、2/3オクターブ以上のSC光を生成すれば安定化できる点で、f−to−2f自己参照干渉法より有利である。一方で、周波数安定化の際に干渉計自身の揺らぎの影響を受けないコリニア型が実現されていないという問題がある。   As described above, the 2f-to-3f self-referencing interferometry is advantageous over the f-to-2f self-referencing interferometry in that it can be stabilized by generating SC light of 2/3 octave or more. On the other hand, there is a problem that a collinear type that is not affected by the fluctuation of the interferometer itself is not realized in frequency stabilization.

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、スペクトル帯域1オクターブ未満のSC光に対しても、干渉計の周波数揺らぎを受けることなく光周波数コムを安定化させることができる、コリニア型の2f−to−3f自己参照干渉装置を実現することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and stabilizes the optical frequency comb without being affected by the frequency fluctuation of the interferometer even with respect to SC light having a spectral band of less than 1 octave. An object of the present invention is to realize a collinear type 2f-to-3f self-referencing interference apparatus.

本発明に係る自己参照干渉装置は、等しい周波数間隔である複数の輝線スペクトルを有し、光スペクトル帯域が2/3オクターブ以上にわたって広がるSC光を生成するSC光生成手段と、SC光の短波長成分より2倍波である第1の変換光を生成し、かつSC光の長波長成分より3倍波である第2の変換光を生成し、生成した第1の変換光と第2の変換光とを干渉させる波長変換干渉手段と、第1の変換光と第2の変換光との干渉により発生する差周波成分を検出する検出手段とを少なくとも備え、波長変換干渉手段は、前段に位置する第1の周期分極反転配列結晶部および後段に位置する第2の周期分極反転配列結晶部を備え、第1の周期分極反転配列結晶部は、周期的に隣り合う領域で結晶の分極が反転し、各領域の配列方向の長さがSC光の長波長成分の2倍波発生に対応した1群の非線形光学結晶から構成され、第2の周期分極反転配列結晶部は、周期的に隣り合う領域で結晶の分極が反転し、各領域の配列方向の長さがSC光の短波長成分の2倍波発生に対応した1群の非線形光学結晶から構成され、第2の変換光は、第1の周期分極反転配列結晶部において生成されるSC光の第1の長波長成分の2倍波と、SC光の第2の長波長成分とが、第2の周期分極反転配列結晶部において和周波をとることで生成され、第1の変換光は、第2の周期分極反転配列結晶部においてSC光の短波長成分より2倍波を発生することで生成される。   The self-referencing interference apparatus according to the present invention includes SC light generating means for generating SC light having a plurality of emission line spectra having equal frequency intervals and having an optical spectrum band extending over 2/3 octave or more, and a short wavelength of the SC light. The first converted light having the second harmonic wave from the component is generated, and the second converted light having the third harmonic wave from the long wavelength component of the SC light is generated, and the generated first converted light and second converted light are generated. Wavelength conversion interference means for causing interference with light, and detection means for detecting a difference frequency component generated by interference between the first converted light and the second converted light. The wavelength conversion interference means is located in the preceding stage. A first periodically poled array crystal part and a second periodically poled array crystal part located in the subsequent stage, wherein the first periodically poled array crystal part inverts the polarization of the crystal in periodically adjacent regions. The length of each region in the array direction is The second periodic polarization inversion array crystal part is composed of a group of nonlinear optical crystals corresponding to the generation of the second harmonic wave of the long wavelength component of the C light. The length of the arrangement direction of the region is composed of a group of nonlinear optical crystals corresponding to the generation of the second harmonic wave of the short wavelength component of the SC light, and the second converted light is generated in the first periodically poled array crystal portion. The second harmonic of the first long wavelength component of the SC light and the second long wavelength component of the SC light are generated by taking the sum frequency in the second periodically poled array crystal portion, The converted light is generated by generating a second harmonic from the short wavelength component of the SC light in the second periodically poled array crystal part.

上記自己参照干渉装置において、第2の変換光を生成するためのSC光の第1の長波長成分とSC光の第2の長波長成分とは、異なる波長であればよい。   In the self-referencing interference apparatus, the first long wavelength component of the SC light and the second long wavelength component of the SC light for generating the second converted light may have different wavelengths.

上記自己参照干渉装置において、第2の周期分極反転配列結晶部は、結晶の分極が反転した隣り合う2つの領域からなる1組の配列方向の各々の長さが、後端にかけて漸次長くなる、あるいは短くなるようにしてもよい。また、第1の周期分極反転配列結晶部は、結晶の分極が反転した隣り合う2つの領域からなる1組の配列方向の各々の長さが、後端にかけて漸次長くなる、あるいは短くなるようにしてもよい。   In the self-referencing interference device, the second periodic polarization inversion array crystal portion has a length of each of a set of array directions composed of two adjacent regions where the polarization of the crystal is inverted gradually increases toward the rear end. Or you may make it shorten. In addition, the first periodically poled array crystal portion is configured so that the length of each of the set of two adjacent regions in which the polarization of the crystal is inverted gradually increases or decreases toward the rear end. May be.

上記自己参照干渉装置において、波長変換干渉手段は、対象とする光がマルチモードで伝搬される光導波路構造とされているとよい。   In the self-referencing interference apparatus, the wavelength conversion interference unit may have an optical waveguide structure in which target light is propagated in a multimode.

以上説明したことにより、本発明によれば、スペクトル帯域1オクターブ未満のSC光に対しても、干渉計の周波数揺らぎを受けることなく光周波数コムを安定化させることができる、コリニア型の2f−to−3f自己参照干渉装置が実現できるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, the collinear type 2f− that can stabilize the optical frequency comb without being affected by the frequency fluctuation of the interferometer even with respect to the SC light having a spectrum band of less than 1 octave. An excellent effect that a to-3f self-referencing interference apparatus can be realized is obtained.

図1は、本発明の実施の形態における自己参照干渉装置の構成を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a self-referencing interference apparatus according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態における自己参照干渉装置を構成する波長変換干渉部103の構成を示す構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram showing the configuration of the wavelength conversion interference unit 103 that constitutes the self-referencing interference apparatus according to the embodiment of the present invention. 図3は、波長変換干渉部103における、SC光基本波と2倍波および3倍波の周波数を模式的に示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing the SC light fundamental wave, the second harmonic wave, and the third harmonic wave in the wavelength conversion interference unit 103. 図4は、PPLNにおけるセルマイヤーの式から、Λ1=25.46μmのときの2倍波・3倍波の波長(λ2R・λ3L)、およびそれらを生成するために用いられる基本波の中心波長(λ1L'・λ1R)をΛ2の関数として計算した特性図である。FIG. 4 shows the wavelength of the second harmonic and the third harmonic when Λ 1 = 25.46 μm (λ 2R · λ 3L ) and the fundamental wave used to generate them from the Selmeier equation in PPLN. FIG. 6 is a characteristic diagram in which a center wavelength (λ 1L ′ · λ 1R ) is calculated as a function of Λ 2 . 図5は、PPLNリッジ光導波路から構成した波長変換干渉部103を用いた波長変換の実験結果を示す特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram showing experimental results of wavelength conversion using the wavelength conversion interference unit 103 composed of a PPLN ridge optical waveguide. 図6は、光パルスの周波数軸上における線スペクトルの状態を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing the state of a line spectrum on the frequency axis of an optical pulse. 図7は、光パルスにおける光搬送波のキャリアエンベロープ位相について示す説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram showing the carrier envelope phase of the optical carrier wave in the optical pulse. 図8は、光周波数コムのキャリアエンベロープオフセット周波数(fCEO)を検出する概念についての説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram of the concept of detecting the carrier envelope offset frequency (f CEO ) of the optical frequency comb. 図9は、キャリアエンベロープオフセット周波数(fCEO)検出で用いる干渉計の構成を示す構成図である。FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of an interferometer used in carrier envelope offset frequency (f CEO ) detection.

以下、本発明の実施の形態について図1および図2を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における自己参照干渉装置の構成を示す構成図である。図2は、本発明の実施の形態における自己参照干渉装置を構成する波長変換干渉部103の構成を示す構成図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIG. 1 and FIG. FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a self-referencing interference apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a configuration diagram showing the configuration of the wavelength conversion interference unit 103 that constitutes the self-referencing interference apparatus according to the embodiment of the present invention.

この自己参照干渉装置は、周波数コム発生部101,非線形光学媒質(帯域拡大手段)102,波長変換館勝負103,検出部104,および帰還制御部105を備える。   This self-referencing interference apparatus includes a frequency comb generation unit 101, a nonlinear optical medium (band expanding means) 102, a wavelength conversion hall game 103, a detection unit 104, and a feedback control unit 105.

周波数コム発生部101は、繰り返し周波数frepの光パルス列を生成する。このような光パルス列のスペクトルは、等しい周波数間隔frepである複数の輝線スペクトルとなる。すなわち、周波数コム発生部101は、周波数間隔frepの光周波数コムを出力する。周波数コム発生部101は、例えば、共振器長Lによって繰り返し周波数frepが決まる受動モード同期レーザであればよく、チタンサファイアレーザ・ファイバーレーザなどであればよい。 The frequency comb generator 101 generates an optical pulse train having a repetition frequency f rep . The spectrum of such an optical pulse train becomes a plurality of bright line spectra having the same frequency interval f rep . That is, the frequency comb generator 101 outputs an optical frequency comb with a frequency interval f rep . The frequency comb generator 101 may be, for example, a passive mode-locked laser whose repetition frequency f rep is determined by the resonator length L, and may be a titanium sapphire laser / fiber laser or the like.

あるいは、周波数コム発生部101は、連続(CW)光を発生するCW光源に対して外部から繰り返し周波数frepのマイクロ波を強度変調器・位相変調器などに印加することで、CW光源の強度および位相を変調し、繰り返し周波数(frep)一定の光パルス列に変換して出力する強度/位相変調方式によるパルスレーザ光源でもよい。 Alternatively, the frequency comb generator 101 applies the microwave of the repetition frequency f rep to the intensity modulator / phase modulator from the outside to the CW light source that generates continuous (CW) light, and thereby the intensity of the CW light source. In addition, a pulse laser light source of an intensity / phase modulation method that modulates the phase, converts the optical pulse train into a constant repetition frequency (f rep ), and outputs it may be used.

非線形光学媒質102は、周波数コム発生部101より発生する光周波数コムを入力し、この光周波数コムの光スペクトル帯域を2/3オクターブ以上に拡大させてSC光を生成する。非線形光学媒質102は、例えば、フォトニック結晶ファイバーから構成すればよい。あるいは、非線形光学効果を有する非線形光学結晶であってもよい。周波数コム発生部101と非線形光学媒質102とで、等しい周波数間隔frepである複数の輝線スペクトルを有し、光スペクトル帯域が2/3オクターブ以上にわたって広がるSC光を生成するSC光生成手段を構成する。 The nonlinear optical medium 102 receives the optical frequency comb generated from the frequency comb generator 101 and expands the optical spectrum band of this optical frequency comb to 2/3 octave or more to generate SC light. The nonlinear optical medium 102 may be composed of, for example, a photonic crystal fiber. Alternatively, a nonlinear optical crystal having a nonlinear optical effect may be used. The frequency comb generator 101 and the nonlinear optical medium 102 constitute SC light generating means for generating SC light having a plurality of emission line spectra having the same frequency interval f rep and having an optical spectrum band extending over 2/3 octave or more. To do.

波長変換干渉部103は、SC光短波長成分より2倍波である第1の変換光を生成し、かつSC光長波長成分より3倍波である第2の変換光を生成し、生成した第1の変換光と第2の変換光とを干渉させる。また、検出部104は、第1の変換光と第2の変換光との干渉により発生する、両変換光の差周波成分を含むビート信号を検出する。この差周波成分には、キャリアエンベロープオフセット周波数fCEOが含まれる。また、帰還制御部105は、検出部104で検出されたビート信号(fCEO)を外部から得られるマイクロ波参照周波数fref2と比較し、fCEOとfref2の差がゼロになるように、周波数コム発生部101におけるレーザ共振器内媒質の非線形分散にフィードバック制御する。また、光周波数コムの繰り返し周波数(frep)もマイクロ波参照周波数(fref1)と比較し、その差がゼロになるように、周波数コム発生部101におけるレーザ共振器長などにフィードバック制御する。 The wavelength conversion interference unit 103 generates a first converted light that is a second harmonic wave from the SC light short wavelength component, and generates a second converted light that is a third harmonic wave from the SC light long wavelength component The first converted light and the second converted light are caused to interfere with each other. In addition, the detection unit 104 detects a beat signal including a difference frequency component between both converted lights, which is generated due to interference between the first converted light and the second converted light. This difference frequency component includes a carrier envelope offset frequency f CEO . Further, the feedback control unit 105 compares the beat signal (f CEO ) detected by the detection unit 104 with the microwave reference frequency f ref2 obtained from the outside so that the difference between f CEO and f ref2 becomes zero. The frequency comb generator 101 performs feedback control on the nonlinear dispersion of the medium in the laser resonator. Further, the repetition frequency (f rep ) of the optical frequency comb is also compared with the microwave reference frequency (f ref1 ), and feedback control is performed on the laser resonator length in the frequency comb generator 101 so that the difference becomes zero.

波長変換干渉部103では、まず、周波数が(キャリアエンベロープオフセット周波数fCEO)×2+(繰り返し周波数frepの整数倍)の2倍波を発生する。また、波長変換干渉部103では、周波数が(キャリアエンベロープオフセット周波数fCEO)×3+(繰り返し周波数frepの整数倍)の3倍波を発生する。これらの2倍波と3倍波が干渉し、この結果得られるビート信号を測定することで、キャリアエンベロープオフセット周波数(fCEO)を検出することができる。従って、この自己参照干渉装置は、光パスを分けず、波長変換干渉部103で、SC光短波長成分の2倍波とSC光長波長成分の3倍波を干渉させるコリニア(Collinear;共線状)型の2f−to−3f自己参照干渉計である。 The wavelength conversion interference unit 103 first generates a double wave having a frequency of (carrier envelope offset frequency f CEO ) × 2 + (integer multiple of repetition frequency f rep ). Further, the wavelength conversion interference unit 103 generates a third harmonic whose frequency is (carrier envelope offset frequency f CEO ) × 3 + (integer multiple of repetition frequency f rep ). The second harmonic and the third harmonic interfere with each other, and by measuring the beat signal obtained as a result, the carrier envelope offset frequency (f CEO ) can be detected. Therefore, this self-referencing interference device does not divide the optical path, and the wavelength conversion interference unit 103 causes the second harmonic of the SC light short wavelength component and the third harmonic of the SC light long wavelength component to interfere with each other. Shape) type 2f-to-3f self-referencing interferometer.

また、上述した検出部104による測定値を、外部からのマイクロ波基準周波数と比較し、マイクロ波基準周波数fref2との差がゼロになるように、帰還制御部105で周波数コム発生部101にフィードバック制御を行うことで、出力される光周波数コムのオフセット周波数(fCEO)を安定化することができる。 Further, the measurement value obtained by the detection unit 104 described above is compared with an external microwave reference frequency, and the feedback control unit 105 causes the frequency comb generation unit 101 to make a difference from the microwave reference frequency f ref2 zero. By performing feedback control, the offset frequency (f CEO ) of the output optical frequency comb can be stabilized.

例えば、帰還制御部105は、周波数コム発生部101を構成している共振器内の非線形分散の大きさにフィードバックを行えばよい。また、レーザの繰り返し周波数(frep)は、検出部104からの繰り返し周波数信号を元に、周波数コム発生部101を構成しているレーザの共振器長などにフィードバックすることにより安定化することが可能である。 For example, the feedback control unit 105 may perform feedback on the magnitude of nonlinear dispersion in the resonator that constitutes the frequency comb generation unit 101. The laser repetition frequency (f rep ) can be stabilized by feeding back to the resonator length of the laser constituting the frequency comb generation unit 101 based on the repetition frequency signal from the detection unit 104. Is possible.

上述した実施の形態によれば、まず、光のパスを分けないので、周波数安定化をする際に干渉計自身の揺らぎが抑えられるという利点がある。この点で、光のパスを分けるマッハツェンダー型のような方式よりも優れている。さらに、コリニア型では2つのビームが同一直線上に出てくるため、マッハツェンダー型で必要となる難しいアラインメント作業が、コリニア型では不要になるという利点もある。また、実施の形態によれば、f−to−2f型のコリニアな自己参照干渉計と比較すると、2/3オクターブ以上広がったSC光を用いれば良い点で優れている。   According to the embodiment described above, since the optical path is not divided, there is an advantage that fluctuation of the interferometer itself can be suppressed when the frequency is stabilized. In this respect, it is superior to a Mach-Zehnder type system that divides the light path. Further, since two beams come out on the same straight line in the collinear type, there is an advantage that the difficult alignment work required in the Mach-Zehnder type becomes unnecessary in the collinear type. Further, according to the embodiment, compared with an f-to-2f type collinear self-referencing interferometer, it is excellent in that it is sufficient to use SC light that is spread by 2/3 octave or more.

次に、波長変換干渉部103について、より詳細に説明する。波長変換干渉部103は、図2に示すように、前段の第1の周期分極反転配列結晶部103a、および後段の第2の周期分極反転配列結晶部103bを備える。非線形光学媒質102より生成したSC光は、第1の周期分極反転配列結晶部103aの先端(入射端)より入射し、第2の周期分極反転配列結晶部103bの後端(出射端)より出射する。本例では、第1の周期分極反転配列結晶部103aと第2の周期分極反転配列結晶部103bとが一体である。   Next, the wavelength conversion interference unit 103 will be described in more detail. As shown in FIG. 2, the wavelength conversion interference unit 103 includes a first periodic domain-inverted array crystal unit 103a at the front stage and a second period domain-inverted array crystal unit 103b at the rear stage. The SC light generated from the nonlinear optical medium 102 is incident from the tip (incident end) of the first periodically poled array crystal portion 103a and is emitted from the rear end (emitter end) of the second periodically poled array crystal portion 103b. To do. In this example, the first periodically poled array crystal part 103a and the second periodically poled array crystal part 103b are integrated.

第1の周期分極反転配列結晶部103aは、複数の領域131が直列に配列した1群の非線形光学結晶から構成され、隣り合う領域131で結晶の分極が反転している。また、各々の領域131の配列方向の長さが、SC光長波長成分の2倍波発生に対応している。なお、図2では、互いに分極が反転している隣り合う2つの領域131の長さを、ピッチ長Λ1としている。 The first periodically poled array crystal portion 103a is composed of a group of nonlinear optical crystals in which a plurality of regions 131 are arranged in series, and the polarization of the crystals is inverted in adjacent regions 131. The length of each region 131 in the arrangement direction corresponds to the second harmonic generation of the SC light long wavelength component. In FIG. 2, the length of two adjacent regions 131 whose polarizations are reversed is the pitch length Λ 1 .

第2の周期分極反転配列結晶部103bは、複数の領域132が直列に配列した1群の非線形光学結晶から構成され、隣り合う領域132で結晶の分極が反転している。また、各々の領域132の配列方向の長さが、SC光短波長成分の2倍波発生に対応している。なお、図2では、互いに分極が反転している隣り合う2つの領域132の長さを、ピッチ長Λ2としている。 The second periodic domain-inverted array crystal part 103 b is composed of a group of nonlinear optical crystals in which a plurality of regions 132 are arranged in series, and the polarization of the crystals is inverted in adjacent regions 132. The length of each region 132 in the arrangement direction corresponds to the second harmonic generation of the SC light short wavelength component. In FIG. 2, the length of two adjacent regions 132 whose polarizations are reversed is the pitch length Λ 2 .

上述した構成の波長変換干渉部103において、第1の周期分極反転配列結晶部103aにおいて生成されるSC光の第1の長波長成分の2倍波と、SC光の第2の長波長成分とが、第2の周期分極反転配列結晶部において和周波(3倍波)をとることで第2の変換光が生成される。また、第2の周期分極反転配列結晶部103bにおいては、SC光短波長成分の2倍波をとることで第1の変換光が生成される。   In the wavelength conversion interference unit 103 configured as described above, the second harmonic of the first long wavelength component of the SC light generated in the first periodically poled array crystal unit 103a, and the second long wavelength component of the SC light, However, the second converted light is generated by taking the sum frequency (third harmonic wave) in the second periodically poled array crystal part. Further, in the second periodically poled array crystal unit 103b, the first converted light is generated by taking the second harmonic wave of the SC light short wavelength component.

上述したように、波長変換干渉部103の第1の周期分極反転配列結晶部103aで、SC光のある基本光(波長λ1L;第1の長波長成分)の2倍波(λ2L=λ1L/2)を生成し、第2の周期分極反転配列結晶部103bで、この2倍波(λ2L)とSC光のある基本光(波長λ1L';第2の長波長成分)との和周波(波長λ3L;第2の変換光)を生成する(ここで、1/λ3L=1/λ2L+1/λ1L'である)。 As described above, the second periodic wave (λ 2L = λ) of the fundamental light with the SC light (wavelength λ 1L ; first long wavelength component) is generated in the first periodically poled array crystal unit 103 a of the wavelength conversion interference unit 103. 1L / 2), and the second periodic polarization inversion array crystal part 103b generates the second harmonic wave (λ 2L ) and the fundamental light with the SC light (wavelength λ 1L ′; second long wavelength component). A sum frequency (wavelength λ 3L ; second converted light) is generated (where 1 / λ 3L = 1 / λ 2L + 1 / λ 1L ′).

また、これと同時に、第2の周期分極反転配列結晶部103bで、SC光のある基本光(波長λ1R;短波長成分)の2倍波(λ2R=λ1R/2;第1の変換光)を生成する。生成した3倍波(λ3L;第2の変換光)と2倍波(λ2R;第1の変換光)が波長領域でオーバーラップすると、両者が干渉し、ビート信号を検出することが可能になる。 At the same time, the second periodic polarization-reversed array crystal unit 103b uses the second harmonic wave (λ 2R = λ 1R / 2) of the fundamental light with the SC light (wavelength λ 1R ; short wavelength component); first conversion Light). When the generated third harmonic (λ3L; second converted light) and second harmonic (λ2R; first converted light) overlap in the wavelength region, they interfere with each other, making it possible to detect a beat signal. .

ここで、SC光の第1の長波長成分(λ1L)と第2の長波長成分(λ1L')とは、同じ波長であっても異なる波長であっても、原理的には本発明に係る自己参照干渉装置を構成することが可能である。ただし、後述する理由により、これらの波長が異なる場合のほうが、より効率的に第1の変換光ないしは第2の変換光を生成できることから、検出部104ではよりSN比の大きいビート信号を検出することができるようになる。 Here, in principle, the first long wavelength component (λ 1L ) and the second long wavelength component (λ 1L ′) of the SC light may be the same wavelength or different wavelengths. It is possible to configure a self-referencing interference apparatus according to the above. However, for the reason described later, when these wavelengths are different, the first converted light or the second converted light can be generated more efficiently. Therefore, the detection unit 104 detects a beat signal having a larger SN ratio. Will be able to.

次に、上述した2倍波(第1の変換光)と、3倍波(第2の変換光)との中心波長を近づけるような、2種類(第1の周期分極反転配列結晶部103a,第2の周期分極反転配列結晶部103b)の擬似位相整合長(Λ1,Λ2)の決定方法について説明する。 Next, there are two types (first periodically poled array crystal parts 103a, 103a, 103a, 103a, 103a, 103b, which make the center wavelengths of the second harmonic wave (first converted light) and the third harmonic wave (second converted light) closer to each other. A method for determining the quasi phase matching lengths (Λ 1 , Λ 2 ) of the second periodically poled array crystal portion 103b) will be described.

2種類の擬似位相整合デバイスにおける3倍波生成過程は、前段である第1の周期分極反転配列結晶部103aで、SC光基本波(波長λ1L)の2倍波を取り、後段である第2の周期分極反転配列結晶部103bで、2倍波とSC光基本波(波長λ1L')の和周波を取る2段階の2次非線形過程から構成され、λ1Lとλ1L'が等しいことが一般的である。 The third harmonic generation process in the two types of quasi-phase matching devices takes the second harmonic of the SC fundamental wave (wavelength λ 1L ) at the first periodic domain-inverted array crystal part 103a, which is the first stage, and the second stage. 2 periodic polarization-reversed array crystal part 103b is composed of a two-stage second-order nonlinear process that takes the sum frequency of the second harmonic and the SC fundamental wave (wavelength λ 1L ′), and λ 1L and λ 1L ′ are equal Is common.

波長領域でのオーバーラップを大きくするためには、意図的にλ1L’をλ1Lよりも短くする方が、等しい場合(λ1L=λ1L’)と比べると有利であり、このようにピッチ長(Λ1,Λ2)を決定することが重要である。実際には、SC光が広がっている範囲内でλ1Lをできるだけ大きくとり、λ1L’を小さくとるように2種類のピッチ長を設計すれば、これらのオーバーラップが大きくなる。 In order to increase the overlap in the wavelength region, it is advantageous to intentionally make λ 1L 'shorter than λ 1L compared to the case where λ 1L ' is equal (λ 1L = λ 1L '). It is important to determine the length (Λ 1 , Λ 2 ). In practice, if two types of pitch lengths are designed so that λ 1L is as large as possible and λ 1L ′ is small within the range in which the SC light spreads, these overlaps will increase.

擬似位相整合デバイスである波長変換干渉部103のピッチ長(Λ1,Λ2)の決め方について説明するために、まず、ピッチ長をいくつに定めると、どの波長の光がどの波長に変換されるのかについて述べる。 In order to explain how to determine the pitch length (Λ 1 , Λ 2 ) of the wavelength conversion interference unit 103 which is a quasi-phase matching device, first , how many pitch lengths are determined and which wavelength of light is converted to which wavelength I will state.

通常の非線形光学結晶媒質では、基本波光と波長変換光の位相速度が異なることにより、結晶中のどの位置で波長変換するかによって位相が異なる。このため、波長変換光の位相はバラバラで互いに打ち消しあい、この結果、変換効率が大幅に低下する。これが、擬似位相整合デバイスにより解消可能である。擬似位相整合デバイスでは、基本波光と波長変換光との位相がπずれたところで、非線形結晶の分極を反転させ、波長変換光の位相をπずらして高効率に波長変換を行う。このことを言い換えると、基本波光と波長変換光の位相がπずれるときの距離が、擬似位相整合のピッチ長の半分(Λ/2)と一致するような基本波光と波長変換光の組み合わせのときに、高効率に波長変換が行われる。この条件を、擬似位相整合条件と呼ぶ。   In a normal nonlinear optical crystal medium, the phase speed differs between the fundamental wave light and the wavelength-converted light depending on which position in the crystal the wavelength conversion is performed. For this reason, the phases of the wavelength-converted light are scattered and cancel each other, and as a result, the conversion efficiency is greatly reduced. This can be solved by the quasi phase matching device. In the quasi-phase matching device, when the phase of the fundamental wave light and the wavelength converted light is shifted by π, the polarization of the nonlinear crystal is inverted, and the wavelength of the wavelength converted light is shifted by π to perform wavelength conversion with high efficiency. In other words, when the combination of the fundamental wave light and the wavelength converted light is such that the distance when the phase of the fundamental wave light and the wavelength converted light is shifted by π coincides with half of the quasi phase matching pitch length (Λ / 2). Furthermore, wavelength conversion is performed with high efficiency. This condition is called a quasi phase matching condition.

非線形光学結晶中に入射した光の波長がλのときの屈折率をn(λ)とすると、基本波(λs,λi)から和周波(λf)を高効率に生成するように、擬似位相整合のピッチ長Λを決めるためには、「1/Λ={n(λf)}/λf−{n(λs)}/λs−{n(λi)}/λi・・・(1)」を満たせばよい。ここで、和周波の波長λfと基本波λs,λiの間には、「1/λf=1/λs+1/λi・・・(2)」の関係式が成り立つ。 Assuming that the refractive index when the wavelength of light incident on the nonlinear optical crystal is λ is n (λ), the sum frequency (λ f ) is generated with high efficiency from the fundamental wave (λ s , λ i ). In order to determine the pitch length Λ of quasi phase matching, “1 / Λ = {n (λ f )} / λ f − {n (λ s )} / λ s − {n (λ i )} / λ i ... (1) ”may be satisfied. Here, the relational expression “1 / λ f = 1 / λ s + 1 / λ i (2)” holds between the wavelength λ f of the sum frequency and the fundamental waves λ s and λ i .

特に、2倍波の場合は、λsとλiが等しいので、式(2)よりλf=λs/2となり、式(1)の擬似位相整合条件は、「1/Λ={n(λf)−n(2λf)}/λf・・・(3)」となる。 In particular, in the case of the second harmonic, λ s and λ i are equal to each other, so that λ f = λ s / 2 from Equation (2), and the quasi phase matching condition of Equation (1) is “1 / Λ = {n (Λ f ) −n (2λ f )} / λ f (3) ”.

次に、上述した3つの関係式を用い、2つのピッチ長(Λ1,Λ2)を有するときの波長変換干渉部103の動作を、図3を用いて説明する。波長変換干渉部103の第1の周期分極反転配列結晶部103aおよび第2の周期分極反転配列結晶部103bで、どのSC光成分(λ1L,λ1L',λ1R)が波長変換に用いられ、どの2倍波(λ2L,λ2R)が生成し、第1の周期分極反転配列結晶部103aで生成する2倍波(λ2L)とSC光成分(λ1L')の和周波の波長(λ3L)がいくつになるのかについて説明する。 Next, the operation of the wavelength conversion interference unit 103 when there are two pitch lengths (Λ 1 , Λ 2 ) using the above three relational expressions will be described with reference to FIG. Which SC light component (λ 1L , λ 1L ′, λ 1R ) is used for wavelength conversion in the first periodic polarization inversion array crystal portion 103 a and the second periodic polarization inversion array crystal portion 103 b of the wavelength conversion interference unit 103. Which harmonic (λ 2L , λ 2R ) is generated, and the wavelength of the sum frequency of the second harmonic (λ 2L ) and the SC light component (λ 1L ′) generated by the first periodically poled crystal unit 103a The number of (λ 3L ) will be described.

第1の周期分極反転配列結晶部103a(ピッチ長Λ1)で発生する2倍波(λ2L)と波長変換に用いられる基本波(λ1L)との関係式は、式(3)より「1/Λ1={n(λ2L)−n(2λ2L)}/λ2L・・・(4)」であり、また「λ2L=λ1L/2・・・(5)」である。式(4)より、図3の(a)に示すSC光の2倍波(波長:λ1L/2)が生成する[図3(b)] The relational expression between the second harmonic wave (λ 2L ) generated in the first periodically poled array crystal part 103a (pitch length Λ 1 ) and the fundamental wave (λ 1L ) used for wavelength conversion is expressed by “ 1 / Λ 1 = {n (λ 2L ) −n (2λ 2L )} / λ 2L (4) ”, and“ λ 2L = λ 1L / 2 (5) ”. From the equation (4), the second harmonic wave (wavelength: λ 1L / 2) of the SC light shown in FIG. 3A is generated [FIG. 3B].

次に、第2の周期分極反転配列結晶部103b(ピッチ長Λ2)では、第1の周期分極反転配列結晶部103aで生成した2倍波(λ2L)と、SC光のある成分(λ1L')との和周波が生成される。ピッチ長Λ2を固定すると、用いられるSC光成分(λ1L')と生成する和周波の波長(λ3L)が決まり、これらの関係式は、各々「1/Λ2={n(λ3L)}/λ3L−{n(λ2L)}/λ2L−{n(λ1L ')}/λ1L'・・・(6)」、「1/λ3L=1/λ2L+1/λ1L '・・・(7)」である。 Next, in the second periodically poled array crystal part 103b (pitch length Λ 2 ), the second harmonic wave (λ 2L ) generated in the first periodically poled array crystal part 103a and a certain component (λ The sum frequency with 1L ') is generated. When the pitch length Λ 2 is fixed, the SC light component (λ 1L ′) to be used and the wavelength of the sum frequency to be generated (λ 3L ) are determined. These relational expressions are “1 / Λ 2 = {n (λ 3L )} / Λ 3L − {n (λ 2L )} / λ 2L − {n (λ 1L ′)} / λ 1L ′ (6) ”,“ 1 / λ 3L = 1 / λ 2L + 1 / λ 1L '(7) ".

最後に、第2の周期分極反転配列結晶部103bのピッチ長Λ2と発生する2倍波(λ2R)、および波長変換に用いられるSC光成分(λ1R)との関係式は、「1/Λ2={n(λ2R)−n(2λ2R)}/λ2R・・・(8)」であり、また「λ2R=λ1R/2・・・(9)」である。結果として、図3の(c)では、ビート信号を取るための2倍波(波長:λ2R)と3倍波(波長:λ3L)が決定される。 Finally, the relational expression between the pitch length Λ 2 of the second periodically poled array crystal part 103b, the generated second harmonic (λ 2R ), and the SC light component (λ 1R ) used for wavelength conversion is “1”. / Λ 2 = {n (λ 2R ) −n (2λ 2R )} / λ 2R (8) ”, and“ λ 2R = λ 1R / 2 (9) ”. As a result, in FIG. 3C, a second harmonic (wavelength: λ 2R ) and a third harmonic (wavelength: λ 3L ) for taking a beat signal are determined.

波長変換干渉部103は、例えば、リチウムニオベート(LiNbO3;LN)を結晶材料とする周期分極反転LN(Periodically Poled lithium niobate;PPLN)から構成すればよい。ただし、結晶材料は、LNに限定されるものではなく、和周波や2倍波などが生成可能な非線形光学結晶であればよい。例えば、MgLN、MgSLTなどを用いればよい。 The wavelength conversion interference unit 103 may be composed of, for example, periodically poled lithium niobate (PPLN) using lithium niobate (LiNbO 3 ; LN) as a crystal material. However, the crystal material is not limited to LN, and may be any nonlinear optical crystal that can generate a sum frequency, a second harmonic, or the like. For example, MgLN, MgSLT, etc. may be used.

以下、PPLNから構成した波長変換干渉部103について、ピッチ長がΛ1,Λ2のときの3倍波(λ3L)および2倍波(λ2R)の波長を計算する。PPLNの屈折率n(λ)は、セルマイヤーの式 「n(λ)=[5.35583+4.629×10-7f+(0.100473+3.862×10-8f)/{λ2−(0.20692−0.89×10-8f)2}+(100+2.657×10-5f)/(λ2−11.349272)−1.5334×10-2λ2]1/2・・・(10)」により計算した。ここでfは、温度T(℃)の関数であり、「f=(T−24.5)×(T+570.82)・・・(11)」である。ここでは、T=25℃とした。 Hereinafter, the wavelength of the third harmonic (λ 3L ) and the second harmonic (λ 2R ) when the pitch lengths are Λ 1 and Λ 2 are calculated for the wavelength conversion interference unit 103 composed of PPLN. The refractive index n (λ) of PPLN is given by Selmeier's equation “n (λ) = [5.35583 + 4.629 × 10 −7 f + (0.100473 + 3.862 × 10 −8 f) / {λ 2 − (0 20692-0.89 × 10 −8 f) 2 } + (100 + 2.657 × 10 −5 f) / (λ 2 -11.34927 2 ) −1.5334 × 10 −2 λ 2 ] 1/2 .. (10) ". Here, f is a function of the temperature T (° C.) and is “f = (T−24.5) × (T + 570.82) (11)”. Here, T = 25 ° C.

以下、レーザ光源としてエルビウムドープファイバーレーザ(中心波長1556nm)を用い、高非線形性ファイバーによってSC光を1100〜1800nm程度まで広げた場合を考える。   Hereinafter, a case will be considered in which an erbium-doped fiber laser (center wavelength: 1556 nm) is used as the laser light source, and the SC light is expanded to about 1100 to 1800 nm by a highly nonlinear fiber.

基本波として、λ1L=1800nmを用いるようにピッチ長Λ1を決定すると、式(4)より、Λ1=25.46μmである。 When the pitch length Λ 1 is determined so that λ 1L = 1800 nm is used as the fundamental wave, Λ 1 = 25.46 μm from Equation (4).

次に、式(6),(7)を用いてΛ2を指定したときのλ3Lとλ1L’を求め、式(8)を用いてλ2Rを求める。 Next, λ 3L and λ 1L ′ when Λ 2 is specified are obtained using equations (6) and (7), and λ 2R is obtained using equation (8).

図4は、Λ1=25.46μmのときの2倍波(λ2R)・3倍波(λ3L)の波長[図4(a)]および、それらを生成するために用いられるSC光の中心波長(λ1L’,λ1R)[図4(b)]をΛ2の関数としてプロットしている。 FIG. 4 shows the wavelength of the second harmonic (λ 2R ) and third harmonic (λ 3L ) when Λ 1 = 25.46 μm [FIG. 4 (a)] and the SC light used to generate them. The center wavelength (λ 1L ′, λ 1R ) [FIG. 4B] is plotted as a function of Λ 2 .

図4の(b)に示すように、λ1L=λ1L’すなわち波長変換干渉部103の第1の周期分極反転配列結晶部103aと第2の周期分極反転配列結晶部103bとで作られる和周波(λ3L)が、λ1Lの1/3であるとき(点A)には、対応する2倍波・3倍波の波長は、図4(a)中の点B,Cよりλ2R=618,λ3L=600nmであり、これらの差は18nmである。 As shown in FIG. 4B, λ 1L = λ 1L ′, that is, the sum formed by the first periodically poled array crystal part 103 a and the second periodically poled array crystal part 103 b of the wavelength conversion interference unit 103. When the frequency (λ 3L ) is 1/3 of λ 1L (point A), the wavelength of the corresponding second harmonic / third harmonic is λ 2R from points B and C in FIG. = 618, λ 3L = 600 nm, and the difference between these is 18 nm.

中心波長がλ2R,λ3Lである倍波・3倍波が、互いに波長領域でオーバーラップするかどうかは、生成された2倍波・3倍波の線幅と2倍波・3倍波の中心波長の差との大小関係によって決まる。2倍波の線幅をΔ2Rとし、3倍波の線幅をΔ3Lとすれば、2つのスペクトルがオーバーラップする条件は、「|λ2R−λ3L|<(Δ2R+Δ3L)/2・・・(12)」である。 Whether the harmonics and third harmonics with central wavelengths λ 2R and λ 3L overlap each other in the wavelength region depends on the line width of the generated second and third harmonics and the second and third harmonics. It is determined by the magnitude relationship with the difference in the center wavelength. If the line width of the second harmonic wave is Δ 2R and the line width of the third harmonic wave is Δ 3L , the condition that the two spectra overlap is “| λ 2R −λ 3L | <(Δ 2R + Δ 3L ) / 2 ... (12) ".

後述する実験結果より、PPLNによるリッジ導波路における波長変換干渉部103では、λ1Lとλ1L’とがほぼ等しい場合でも、2倍波・3倍波がオーバーラップし、ビート信号が取れることがわかる。 From the experimental results to be described later, in the wavelength conversion interference unit 103 in the ridge waveguide by PPLN, even when λ 1L and λ 1L ′ are substantially equal, the second and third harmonics overlap and a beat signal can be obtained. Recognize.

ビート信号のSN比を大きくするためには、2波長λ2R,λ3Lを近づけ、2倍波と3倍波のオーバーラップを大きくする必要がある。図4の(b)の計算から、これを実現するためには、λ1L’はλ1Lよりも短くなるようにピッチ長Λ2を決めればよい。例えば、λ1L’=1417nmとすると(D点)2波長の差を小さくすることができ、このときのピッチ長はΛ2=7.851μm、2波長はそれぞれλ2R=557.8,λ3L=550.4nm(E点,F点)であり、これらの差は7.4nmである。なおこのときには、λ1R=1115.6nm(G点)は、SC光成分1100〜1800nmに含まれているため、2倍波も生成可能である。もしSC光成分がより短波長側に広がっているのであれば、ピッチ長Λ2をさらに短くして、2倍波・3倍波の波長を近づけることも可能である。 In order to increase the SN ratio of the beat signal, it is necessary to bring the two wavelengths λ 2R and λ 3L closer to each other and increase the overlap between the second harmonic and the third harmonic. In order to realize this from the calculation in FIG. 4B, the pitch length Λ 2 may be determined so that λ 1L ′ is shorter than λ 1L . For example, if λ 1L ′ = 1417 nm (point D), the difference between the two wavelengths can be reduced, and the pitch length at this time is Λ 2 = 7.851 μm, and the two wavelengths are λ 2R = 557.8 and λ 3L , respectively. = 550.4 nm (E point, F point), and the difference between them is 7.4 nm. At this time, since λ 1R = 1115.6 nm (point G) is included in the SC light components 1100 to 1800 nm, a second harmonic can also be generated. If the SC light component spreads to the shorter wavelength side, the pitch length Λ 2 can be further shortened to make the wavelengths of the second and third harmonics closer.

λ1L'とλ1Lとで異なる値を取るべきもう1つの理由は、SC光波長成分λ1L'が第1の周期分極反転配列結晶部103aの2倍波生成に使われていないために、結果として高いパワーの3倍波が生成可能な点にある。反対に、λ1L'とλ1Lが完全に等しい場合には、和周波生成の際にSC光波長成分λ1L'の強度が落ちているので、その結果3倍波の強度が低下する。 Another reason that λ 1L ′ and λ 1L should take different values is that the SC light wavelength component λ 1L ′ is not used for the second harmonic generation of the first periodically poled array crystal part 103a. As a result, a high power triple wave can be generated. On the other hand, when λ 1L ′ and λ 1L are completely equal, the intensity of the SC light wavelength component λ 1L ′ is reduced during the generation of the sum frequency, and as a result, the intensity of the third harmonic is reduced.

以上の過程は、2/3オクターブ以上広がっているSC光に対して適用できる。SC光が例えば1100〜1900nmまで広がっているときは、例えばλ1L=1900,λ1L’=1307nmとなるように擬似位相整合長を決めると、2波長のオーバーラップを最も大きくすることができる。このとき、Λ1=27.70,Λ2=7.68μmであり、λ2R=553.8,λ3L=550.1で、これらの差は3.7nmである。なおλ2Rとλ3Lが一致するのは、λ1L=λ1L’/2のときであるが、この条件を満たすためには1オクターブ以上のSC光を広げなければならず、1オクターブ広げなくてもfCEOが検出可能であるという利点を生かしていない。 The above process can be applied to SC light spreading over 2/3 octave. For example, when the SC light extends from 1100 to 1900 nm, the overlap of two wavelengths can be maximized by determining the quasi-phase matching length so that, for example, λ 1L = 1900 and λ 1L ′ = 1307 nm. At this time, Λ 1 = 27.70, Λ 2 = 7.68 μm, λ 2R = 553.8, λ 3L = 550.1, and the difference between them is 3.7 nm. Note that λ 2R and λ 3L coincide with each other when λ 1L = λ 1L '/ 2. In order to satisfy this condition, SC light of one octave or more must be expanded, and one octave is not expanded. However, it does not take advantage of f CEO detection.

上述では、波長変換干渉部103を、2つの異なるピッチ長で構成することを説明してきたが、第1の周期分極反転配列結晶部103aあるいは第2の周期分極反転配列結晶部103bのピッチ長を、後端に向けて漸次変化させた(長くするあるいは短くする)構成としても、2つのスペクトルをオーバーラップさせることが可能である。なお、前述したように、ピッチ長は、結晶の分極が反転した隣り合う2つの領域からなる1組の配列方向の長さである。   In the above description, it has been described that the wavelength conversion interference unit 103 is configured with two different pitch lengths. However, the pitch length of the first periodic polarization inversion array crystal unit 103a or the second periodic polarization inversion array crystal unit 103b is set as follows. Even if the configuration is gradually changed (lengthened or shortened) toward the rear end, the two spectra can be overlapped. As described above, the pitch length is a length in the arrangement direction of a pair of two adjacent regions where the polarization of the crystal is inverted.

以下では、第2の周期分極反転配列結晶部103bの擬似位相整合長をΛ20からΛ21まで線形に変化させるときの設計を例に説明する。また、以下では、波長変換干渉部103をPPLNから構成した場合について説明する。第1の周期分極反転配列結晶部103aのピッチ長を25.46μm(900nmの2倍波が生成)と固定し、第2の周期分極反転配列結晶部103bのピッチ長Λ2を7.851〜8.227μmまで徐々に変化させる。 Hereinafter, a description will be given of an example of a design in which the pseudo phase matching length of the second periodically poled array crystal portion 103b is linearly changed from Λ 20 to Λ 21 . In the following, a case where the wavelength conversion interference unit 103 is composed of PPLN will be described. The pitch length of the first periodically poled array crystal part 103a is fixed to 25.46 μm (a second harmonic of 900 nm is generated), and the pitch length Λ 2 of the second periodically poled array crystal part 103b is set to 7.851 8. Gradually change to 227 μm.

第2の周期分極反転配列結晶部103bでは、7.851〜8.227μmのいずれかのピッチのところで、3倍波あるいは2倍波が生成される。このとき、擬似位相整合条件にマッチする波長は、λ3L=550.4〜557.8nm,λ2R=557.8〜566.4nmである。ピッチ長で決まる波長範囲で、擬似位相整合条件を満たすことができるようになる。これに加え、2倍波はΔ2R,3倍波はΔ3Lだけスペクトル線幅が広くなので、2倍波と3倍波のオーバーラップが大きくなる。 In the second periodically poled array crystal portion 103b, a third harmonic or a second harmonic is generated at any pitch of 7.851 to 8.227 μm. At this time, the wavelengths that match the quasi-phase matching condition are λ 3L = 550.4 to 557.8 nm and λ 2R = 557.8 to 566.4 nm. The quasi phase matching condition can be satisfied in the wavelength range determined by the pitch length. In addition, since the spectral line width is wide by Δ 2R for the second harmonic and Δ 3L for the third harmonic, the overlap between the second harmonic and the third harmonic is increased.

なお、このような構成とした場合、ある1波長の変換光に対してのピークパワーが弱くなる。このように、可変するピッチ長の長さと1波長に対してのピークパワーとは、トレードオフの関係にある。実際の設計では、このトレードオフを考慮してピッチ長を設定する必要がある。なお、上述同様にすることで、第1の周期分極反転配列結晶部103aを、結晶の分極が反転した隣り合う2つの領域からなる1組の配列方向の各々の長さが、後端にかけて漸次長くなる(あるいは短くする)状態とすることも可能である。   In addition, when it is set as such a structure, the peak power with respect to the conversion light of a certain 1 wavelength becomes weak. Thus, the length of the variable pitch length and the peak power for one wavelength are in a trade-off relationship. In actual design, it is necessary to set the pitch length in consideration of this trade-off. By performing the same as described above, the first periodically poled array crystal portion 103a is formed so that the length of each of the set of two adjacent regions in which the polarization of the crystal is inverted gradually increases toward the rear end. It is also possible to make the state longer (or shorter).

2倍波と3倍波の波長領域でのオーバーラップを大きくする別の方法として、波長変換干渉部103を光導波路構造にすることが挙げられる。光導波路構造とする場合、波長変換干渉部103が扱う光の波長帯において、マルチモードで伝搬可能な光導波路構造とすることが望ましい。マルチモード光導波路構造とすることで、光導波路内にはさまざまな光の伝搬モードが存在する。伝搬モードによって実効的な屈折率が異なるので、その結果変換される波長が異なり、その結果2倍波および3倍波の線幅を大きくすることができる。   Another method for increasing the overlap in the wavelength region of the second harmonic and the third harmonic is to make the wavelength conversion interference unit 103 into an optical waveguide structure. In the case of an optical waveguide structure, it is desirable to have an optical waveguide structure capable of multimode propagation in the wavelength band of light handled by the wavelength conversion interference unit 103. By adopting a multi-mode optical waveguide structure, various light propagation modes exist in the optical waveguide. Since the effective refractive index differs depending on the propagation mode, the wavelength converted as a result is different, and as a result, the line widths of the second harmonic and the third harmonic can be increased.

光導波路のモード数が大きくなると、光導波路内を全反射する角度が大きくなり、光が波長変換干渉部103に対して斜めに進むため、実効的な擬似位相整合長が長くなる。このことにより、変換波長は、長波長側にずれる。従って、光導波路の伝搬モードをマルチモードにすると、変換光の線幅が大きくなり、2倍波・3倍波の線幅を大きくすることができる。光導波路に存在するモード数は、光導波路幅を変えることにより制御することが可能である。また、光の入射角度やレンズのNAを変えることにより、光導波路の各々のモードにおける光強度を変えることができる。   As the number of modes of the optical waveguide increases, the angle at which light is totally reflected in the optical waveguide increases, and the light travels obliquely with respect to the wavelength conversion interference unit 103, so that the effective pseudo phase matching length increases. As a result, the conversion wavelength shifts to the long wavelength side. Therefore, when the propagation mode of the optical waveguide is set to the multimode, the line width of the converted light is increased, and the line widths of the second harmonic and the third harmonic can be increased. The number of modes present in the optical waveguide can be controlled by changing the width of the optical waveguide. Further, the light intensity in each mode of the optical waveguide can be changed by changing the incident angle of the light and the NA of the lens.

シングルモードのみが存在するようなバルクの波長変換干渉部103と比べると、光導波路構造にする方が有利である。バルクの波長変換干渉部103の変換波長幅は、擬似位相整合条件のずれ「Δβ={n(λf)/λf−n(λi)/λi−n(λs)/λs−1/Λ}・・・(13)」で決まる。ここで、変換効率ηは最大変換効率ηmaxを用いて、次式で与えられる。 Compared with a bulk wavelength conversion interference unit 103 in which only a single mode exists, it is more advantageous to use an optical waveguide structure. The conversion wavelength width of the bulk wavelength conversion interference unit 103 is expressed as follows: “Δβ = {n (λ f ) / λ f −n (λ i ) / λ i −n (λ s ) / λ s − 1 / Λ} (13) ”. Here, the conversion efficiency η is given by the following equation using the maximum conversion efficiency η max .

式(14)において、Lは波長変換干渉部103の長さである。   In Expression (14), L is the length of the wavelength conversion interference unit 103.

式(14)において、ηがηmax/2以上となるようなΔβを与える基本波(λi,λs)、および波長変換光(λf)の組み合わせが存在し、これを満たすλfの(最大値)−(最小値)が、変換波長のスペクトル線幅として与えられる。 In the formula (14), eta is eta fundamental give max / 2 or more to become such Δβ (λ i, λ s) , and there the combination of the wavelength converted light (lambda f) is, satisfy this lambda of f (Maximum value) − (Minimum value) is given as the spectral line width of the converted wavelength.

一般に、単一波長光源をシグナル光およびアイドラー光とする場合では、ピッチ長(Λ)を少しずつ変えることでΔβ=0にし、変換効率を最大化させることができる。また、その線幅は、光導波路の長さLに大きく依存し、長さが長くなればなるほど、線幅は狭くなる。   In general, when the single wavelength light source is the signal light and idler light, Δβ = 0 can be obtained by gradually changing the pitch length (Λ), and the conversion efficiency can be maximized. Further, the line width greatly depends on the length L of the optical waveguide. The longer the length, the narrower the line width.

一方で、光源がSC光の場合には、λi,λsをSC光が広がっている範囲で自由にとることができるため、結果として線幅は広がる。おおよその見積もりでは、L=20mmで1100−1900nmくらいまでSC光が広がっているとすると、1200nmを基本波とした2倍波では、線幅(スペクトル幅)は10nm程度である。従って、2倍波・3倍波の中心波長のずれがこれより大きくなった場合には、ビート信号の検出は難しい。この点、波長変換干渉部103を光導波路構造にすると、マルチモードの伝搬効果によって線幅を広げる役割があるため、2つの変換波長のオーバーラップを確保することができる。 On the other hand, when the light source is SC light, λ i and λ s can be freely set within a range where the SC light is spread, and as a result, the line width is widened. As a rough estimate, if L = 20 mm and the SC light spreads to about 1100 to 1900 nm, the double wave having a fundamental wave of 1200 nm has a line width (spectrum width) of about 10 nm. Therefore, when the shift of the center wavelength of the second harmonic and the third harmonic is larger than this, it is difficult to detect the beat signal. In this regard, when the wavelength conversion interference unit 103 has an optical waveguide structure, it has a role of widening the line width due to the multimode propagation effect, so that it is possible to ensure an overlap between the two conversion wavelengths.

次に、実験結果について説明する。実際に2つの異なる擬似位相整合条件をもつPPLNリッジ光導波路において、2倍波と3倍波がオーバーラップした結果について、図5を用いて説明する。エルビウムドープファイバーレーザ(平均パワー300mW、繰り返し周波数frep=250MHz、パルス幅100fs)の光を高非線形性ファイバーに入射し、SC光(1100〜1900nm)を発生させ、この後2つの異なる擬似位相整合条件を持つPPLNリッジ光導波路に入射させた。 Next, experimental results will be described. The result of the overlap of the second harmonic and the third harmonic in the PPLN ridge optical waveguide actually having two different quasi-phase matching conditions will be described with reference to FIG. An erbium-doped fiber laser (average power 300 mW, repetition frequency f rep = 250 MHz, pulse width 100 fs) is incident on a highly nonlinear fiber to generate SC light (1100-1900 nm), followed by two different pseudo-phase matchings The light was incident on a PPLN ridge optical waveguide having conditions.

実験で用いたPPLNリッジ光導波路の各ピッチ長は、Λ1=23.75,Λ2=10.16μmであり、リッジ光導波路においてλ1Lとλ1L’の大きさはほぼ等しくなるように設計している。生成された可視光のスペクトル[図5(a)]の2倍波・3倍波成分がどのくらいあるのかを調べるために、PPLNリッジ光導波路の前に、1600nmのショートパスフィルター[図5(c)グレー点線:2倍波に対応]、1300nmのロングパスフィルター[図5(b)グレー実線:3倍波に対応]を入れてSC光を制限したときの可視光のスペクトルも同時に示す。図5(a)黒実線は、フィルターを入れていないときの可視光のスペクトルである。 The pitch lengths of the PPLN ridge optical waveguide used in the experiment are Λ 1 = 23.75 and Λ 2 = 10.16 μm, and the sizes of λ 1L and λ 1L ′ are designed to be almost equal in the ridge optical waveguide. doing. In order to examine how much the second and third harmonic components of the generated visible light spectrum [FIG. 5A] are present, a 1600 nm short-pass filter [FIG. 5C is placed in front of the PPLN ridge optical waveguide. ) Gray dotted line: corresponding to 2nd harmonic] The spectrum of visible light when a long-pass filter of 1300 nm [FIG. 5 (b) gray solid line: corresponding to 3rd harmonic] is limited to limit the SC light is also shown. The solid black line in FIG. 5A is a visible light spectrum when no filter is inserted.

このデータでは、3倍波の中心波長がλ3L=599.52、2倍波の中心波長がλ2R=611.93nmであり、スペクトル中心は12.41nmだけ離れているが、グレー点線とグレー実線のスペクトル波長幅が大きいため、波長領域でオーバーラップしている。実際にこの光を、検出部となるフォトディテクターに入射させると、平均してSN比35dB以上でビート信号を観測することができた。このことは、1つの波長変換干渉部で2倍波と3倍波を同時に生成することが可能であり、なおかつ2つの光を波長領域でオーバーラップさせることができることを示している。 In this data, the center wavelength of the third harmonic is λ 3L = 599.52, the center wavelength of the second harmonic is λ 2R = 611.93 nm, and the spectrum center is separated by 12.41 nm. Since the spectral wavelength width of the solid line is large, they overlap in the wavelength region. When this light was actually incident on a photodetector serving as a detector, a beat signal could be observed with an SN ratio of 35 dB or more on average. This indicates that it is possible to simultaneously generate a second harmonic and a third harmonic with a single wavelength conversion interference unit, and to overlap two lights in the wavelength region.

以上説明したように、本発明によれば、コリニア型で2f−to−3f自己参照干渉法が実現できるようになる。また、ワンチップで自己参照干渉計を組むことができ、光学部品の点数が極力抑えられ、その結果、光のロスを抑制できる。   As described above, according to the present invention, the collinear 2f-to-3f self-referencing interferometry can be realized. In addition, a self-referencing interferometer can be assembled with one chip, and the number of optical components can be suppressed as much as possible.

また、2倍波・3倍波が同時に出てくるコリニアな系であるので、光のパスを分けるマッハツェンダー型と比べると干渉計自身の揺らぎを抑えることができる。さらに、コリニア型では2つのビームが同一直線上に出てくるため、マッハツェンダー型で必要となるアラインメント作業が、コリニア型では不要になるという利点もある。また、2f−to−3f干渉計であるため、1オクターブ広がらないSC光に対しても周波数安定化をすることができる。   In addition, since it is a collinear system in which the second harmonic and the third harmonic are emitted simultaneously, the fluctuation of the interferometer itself can be suppressed as compared with the Mach-Zehnder type that divides the light path. Further, since the two beams come out on the same straight line in the collinear type, there is an advantage that the alignment work required in the Mach-Zehnder type is unnecessary in the collinear type. In addition, since it is a 2f-to-3f interferometer, the frequency can be stabilized even for SC light that does not spread by one octave.

ところで、1種類の擬似位相整合デバイスにより、2倍波と3倍波がオーバーラップし、ビート信号が出ている例も報告されている(非特許文献5参照)。この例と比較すると、われわれの系では、波長変換干渉部の第1の周期分極反転配列結晶部および第2の周期分極反転配列結晶部の両方を用いて、2段の2次非線形効果を利用して高効率な3倍波を生成しているため、高いSN比のビート信号を得ることができる。   By the way, an example in which the second harmonic and the third harmonic are overlapped by one type of quasi phase matching device and a beat signal is output has been reported (see Non-Patent Document 5). Compared with this example, our system uses a two-stage second-order nonlinear effect using both the first periodically poled array crystal part and the second periodically poled array crystal part of the wavelength conversion interference part. Since a highly efficient third harmonic is generated, a beat signal with a high S / N ratio can be obtained.

さらに、本発明によれば、波長領域における2倍波・3倍波のオーバーラップを大きくすることができる。オーバーラップを大きくすることにより、2倍波・3倍波の出力がたとえ同じでも、ビート信号の強度を大きくすることができる。さらに、3倍波生成に大きく異なるSC光の2波長(λ1L,λ1L')を基本波とすることで、単純な3倍波生成過程と比較すると、3倍波生成の際の基本波(λ1L')が2倍波生成過程によって減少していない分、より高効率に光を出力することが可能になり、その結果ビート信号のSN比を大きくすることができる。 Furthermore, according to the present invention, it is possible to increase the overlap of the second harmonic and the third harmonic in the wavelength region. By increasing the overlap, it is possible to increase the intensity of the beat signal even if the output of the second harmonic and the third harmonic is the same. Furthermore, by using two fundamental wavelengths of the SC light (λ 1L , λ 1L ′) as fundamental waves for generating the third harmonic wave, the fundamental wave at the time of the third harmonic generation is compared with a simple third harmonic generation process. Since (λ 1L ′) is not reduced by the second harmonic generation process, it becomes possible to output light with higher efficiency, and as a result, the SN ratio of the beat signal can be increased.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.

101…周波数コム発生部、102…非線形光学媒質(帯域拡大手段)、103…波長変換干渉部、103a…第1の周期分極反転配列結晶部、103b…第2の周期分極反転配列結晶部、104…検出部、105…帰還制御部、131,132…領域。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Frequency comb generation part, 102 ... Nonlinear optical medium (band expansion means), 103 ... Wavelength conversion interference part, 103a ... 1st periodic polarization inversion array crystal part, 103b ... 2nd periodic polarization inversion array crystal part, 104 ... detection unit, 105 ... feedback control unit, 131,132 ... area.

Claims (5)

等しい周波数間隔である複数の輝線スペクトルを有し、光スペクトル帯域が2/3オクターブ以上にわたって広がるSC光を生成するSC光生成手段と、
前記SC光の短波長成分より2倍波である第1の変換光を生成し、かつ前記SC光の長波長成分より3倍波である第2の変換光を生成し、生成した前記第1の変換光と前記第2の変換光とを干渉させる波長変換干渉手段と、
前記第1の変換光と前記第2の変換光との干渉により発生する差周波成分を検出する検出手段とを少なくとも備え、
前記波長変換干渉手段は、前段に位置する第1の周期分極反転配列結晶部および後段に位置する第2の周期分極反転配列結晶部を備え、
前記第1の周期分極反転配列結晶部は、周期的に隣り合う領域で結晶の分極が反転し、各領域の配列方向の長さが前記SC光の長波長成分の2倍波発生に対応した1群の非線形光学結晶から構成され、
前記第2の周期分極反転配列結晶部は、周期的に隣り合う領域で結晶の分極が反転し、各領域の配列方向の長さが前記SC光の短波長成分の2倍波発生に対応した1群の非線形光学結晶から構成され、
前記第2の変換光は、前記第1の周期分極反転配列結晶部において生成される前記SC光の第1の長波長成分の2倍波と、前記SC光の第2の長波長成分とが、前記第2の周期分極反転配列結晶部において和周波をとることで生成され、
前記第1の変換光は、前記第2の周期分極反転配列結晶部において前記SC光の短波長成分より2倍波を発生することで生成される
ことを特徴とする自己参照干渉装置。
SC light generating means for generating SC light having a plurality of emission line spectra having equal frequency intervals and having an optical spectrum band extending over 2/3 octave or more;
The first converted light that is the second harmonic wave from the short wavelength component of the SC light is generated, and the second converted light that is the third harmonic wave is generated from the long wavelength component of the SC light, and the generated first light is generated. Wavelength conversion interference means for causing the converted light and the second converted light to interfere with each other,
And at least detecting means for detecting a difference frequency component generated by interference between the first converted light and the second converted light,
The wavelength conversion interference means includes a first periodic polarization reversal array crystal part located in the front stage and a second periodic polarization reversal array crystal part located in the rear stage,
In the first periodically poled array crystal part, the polarization of the crystal is periodically reversed in adjacent regions, and the length in the array direction of each region corresponds to the generation of the second harmonic wave of the long wavelength component of the SC light. It consists of a group of nonlinear optical crystals,
The second periodically poled array crystal part has a periodically inverted crystal polarization in a region adjacent to each other, and the length in the array direction of each region corresponds to the generation of the second harmonic wave of the short wavelength component of the SC light. It consists of a group of nonlinear optical crystals,
The second converted light has a second harmonic wave of the first long wavelength component of the SC light generated in the first periodically poled array crystal portion and a second long wavelength component of the SC light. , By taking a sum frequency in the second periodically poled array crystal part,
The first converted light is generated by generating a second harmonic wave from a short wavelength component of the SC light in the second periodically poled array crystal part.
請求項1記載の自己参照干渉装置において、
前記第2の変換光を生成するための前記SC光の第1の長波長成分と前記SC光の第2の長波長成分とは、異なる波長であることを特徴とする自己参照干渉装置。
The self-referencing interferometer according to claim 1,
The self-referencing interference apparatus, wherein the first long wavelength component of the SC light and the second long wavelength component of the SC light for generating the second converted light have different wavelengths.
請求項1または2記載の自己参照干渉装置において、
前記第2の周期分極反転配列結晶部は、結晶の分極が反転した隣り合う2つの領域からなる1組の配列方向の各々の長さが、後端にかけて漸次長くなる、あるいは短くなることを特徴とする自己参照干渉装置。
The self-referencing interference apparatus according to claim 1 or 2,
In the second periodic domain-inverted array crystal portion, the length of each of a pair of array directions composed of two adjacent regions in which the polarization of the crystal is inverted gradually increases or decreases toward the rear end. A self-referencing interference device.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の自己参照干渉装置において、
前記第1の周期分極反転配列結晶部は、結晶の分極が反転した隣り合う2つの領域からなる1組の配列方向の各々の長さが、後端にかけて漸次長くなる、あるいは短くなることを特徴とする自己参照干渉装置。
The self-referencing interference apparatus according to any one of claims 1 to 3,
The first periodically poled array crystal portion is characterized in that the length of each of a pair of array directions composed of two adjacent regions in which the polarization of the crystal is inverted becomes gradually longer or shorter toward the rear end. A self-referencing interference device.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の自己参照干渉装置において、
前記波長変換干渉手段は、対象とする光がマルチモードで伝搬される光導波路構造とされていることを特徴とする自己参照干渉装置。
The self-referencing interference apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The self-referencing interference apparatus, wherein the wavelength conversion interference means has an optical waveguide structure in which target light is propagated in a multimode.
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