JP7515859B2 - 光周波数コム生成のための変調信号源、光周波数コム装置、変調信号生成方法、及び光周波数コム生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、光周波数コムを生成するために用いられる変調信号を生成する技術に関する。

従来、図１（ａ）に模式的に示すように、安定化狭線幅レーザを、１つの信号源が生成する変調信号で、光変調器により変調することによって、光周波数コムを生成していた。このような光周波数コムは、図１（ｂ）に模式的に示すように、周波数軸上で、安定化狭線幅レーザの周波数を中心として等間隔に線スペクトル（光周波数コムの成分（コム成分）とも呼ぶ）が並ぶようになる。しかしながら、図１（ｂ）でも示すように、信号源の雑音により、高次成分の線幅（安定化狭線幅レーザの周波数から両脇方向の線スペクトルの線幅）が徐々に太くなってしまう。この様子を図１（ｃ）に模式的に拡大して示す。図１（ｃ）では、図１（ｂ）で示した全線スペクトルを重ねて示しており、安定化狭線幅レーザの周波数における線スペクトルａは細くなっているが、その隣の線スペクトルｂはやや広がり、さらに隣の線スペクトルｃはさらに広がり、さらに隣の線スペクトルｄはさらに広がってしまう。

このため、図２（ａ）に模式的に示すように、光周波数コム生成のための安定化狭線幅レーザ１に加えて、安定化狭線幅レーザ２を導入し、線幅が太くなってしまった、光周波数コムのコム成分と、安定化狭線幅レーザ２とからビート信号を生成し、当該ビート信号に基づき信号源の周波数を制御する、というような手法を採用していた。

このような手法では、線幅を細くする能力は、信号源における周波数の制御帯域に依存する。図２（ｂ）に模式的に示すように、点線が制御前の線スペクトルであるとすると、制御帯域内にある周波数成分については中心部分に集められるが、制御帯域外の成分については制御できずに残るため、完全には対応できない。

制御帯域外の成分を減らすには、フリーラン時に低位相雑音の信号源を用いるか、制御帯域を広げることが考えられる。前者の場合、低位相雑音には限界があり、後者の場合にも、変調信号の周波数が低ければある程度広い制御帯域の信号源を得られるが、変調信号の周波数が高くなると位相雑音の大きさに比して十分な制御帯域を有する信号源がない、という問題がある。

なお、以下に示す従来技術は、実質的に１つの信号源にて変調信号を生成しているので、線スペクトルの線幅を細くすることには限界がある。

特開２０１５－２２５３２８号公報 特開２０１９－３９９７２号公報

Ishizawa, A., Nishikawa, T., Goto, T., Hitachi, K., Sogawa, T., & Gotoh, H. (2016). Ultralow-phase-noise millimetre-wave signal generator assisted with an electro-optics-modulator-based optical frequency comb. Scientific Reports, 6(1), 24621 Carlson, D. R., Hickstein, D. D., Zhang, W., Metcalf, A. J., Quinlan, F., Diddams, S. A., & Papp, S. B. (2018). Ultrafast electro-optic light with subcycle control. Science, 361(6409), 1358-1363. Beha, K., Cole, D. C., Del’Haye, P., Coillet, A., Diddams, S. A., & Papp, S. B. (2017). Electronic synthesis of light. Optica, 4(4), 406. Kuse, N., Schibli, T. R., & Fermann, M. E. (2016). Low noise electro-optic comb generation by fully stabilizing to a mode-locked fiber comb. Optics Express, 24(15)

従って、本発明の目的は、一側面として、光周波数コム生成のために用いられる変調信号の周波数が高くなっても変調信号の信号源における制御帯域を広げられるようにするための技術を提供することである。

本発明において光周波数コム生成のための変調信号源は、（Ａ）第１の周波数の第１の信号を生成する第１の発振器と、（Ｂ）第１の周波数よりも低い第２の周波数の第２の信号を生成し、第２の周波数の調整が可能な第２の発振器と、（Ｃ）第１の信号と第２の信号とから、第１の周波数と第２の周波数との差又は和の周波数の変調信号を生成する変調信号生成部とを有する。

本発明において光周波数コム装置は、（Ａ）第１の周波数の第１の信号を生成する第１の発振器と、第１の周波数よりも低い第２の周波数の第２の信号を生成し、第２の周波数の調整が可能な第２の発振器と、第１の信号と第２の信号とから、第１の周波数と第２の周波数との差又は和の周波数の変調信号を生成する変調信号生成部とを有する変調信号源と、（Ｂ）変調信号源が生成した変調信号に基づき光周波数コムを生成する光周波数コム生成部と、（Ｃ）生成された光周波数コムに応じて、第２の発振器の第２の周波数の調整を行う制御部とを有する。

一側面によれば、光周波数コム生成のために用いられる変調信号の周波数が高くなっても変調信号の信号源における制御帯域を広げられるようになる。

図１は、従来技術の問題を説明するための図である。 図２は、従来技術の問題を説明するための図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る変調信号源の構成を示す図である。 図４は、実施の形態に係る変調信号源の効果を説明するための図である。 図５は、第１の実施の形態における光周波数コム装置の構成を示す図である。 図６は、第１の実施の形態における制御の概要を示す図である。 図７は、第２の実施の形態における光周波数コム装置の構成を示す図である。 図８は、分散付与部の作用を説明するための図である。 図９は、広帯域化部の作用を説明するための図である。 図１０は、第３の実施の形態における光周波数コム装置の構成を示す図である。 図１１は、第３の実施の形態における制御の概要を示す図である。 図１２は、第４の実施の形態における光周波数コム装置の構成を示す図である。 図１３は、第４の実施の形態における制御の概要を示す図である。 図１４は、第５の実施の形態におけるビート検出器の構成を示す図である。 図１５は、自己参照干渉を説明するための図である。 図１６は、第５の実施の形態における制御の概要を示す図である。 図１７は、第６の実施の形態における変調型光コム生成部の構成を示す図である。 図１８は、第６の実施の形態における制御の概要を示す図である。 図１９は、第７の実施の形態における変調型光コム生成部の構成を示す図である。 図２０は、第７の実施の形態における制御の概要を示す図である。 図２１は、本発明の実施例に係る光周波数コム装置の構成を示す図である。 図２２は、実施例におけるインループビート信号の幅を示すための図である。 図２３は、狭線幅ＬＤの出力と１５３５ｎｍにおける１９９次コム成分との間の、制御時におけるインループビート信号のスペクトラムを示す。

［本発明の実施の形態に係る基本的な考え方］
上でも述べたように、低周波数の信号源については低雑音で制御帯域が広い信号源が存在しているが、高周波数の信号源については低位相雑音で且つ制御帯域が十分に広いものが存在していない。そこで、高周波数の信号源と低周波数で制御帯域が広い信号源とを組み合わせることで、高周波数で制御帯域が広い信号源を構成する。より好ましくは、高周波数で低位相雑音の信号源と低周波数で制御帯域が広い信号源とを組み合わせることにより、高周波数で制御帯域が広い信号源を構成する。

具体的には、図３に示すように、本実施の形態に係る変調信号源１００は、高周波数である第１周波数の第１信号の信号源である第１発振器１１０と、第１周波数より低周波数である第２周波数の第２信号の信号源である第２発振器１２０と、第１発振器１１０からの第１信号と第２発振器１２０からの第２信号とを乗算する乗算器１３０と、乗算器１３０からの信号において所望の周波数の信号を抽出し、それ以外の周波数帯域の信号を除去するフィルタ１４０とを有する。なお、第１発振器１１０及び第２発振器１２０の位相雑音は低いほど好ましい。

本実施の形態では、第１発振器１１０については周波数の制御を行わず、第２発振器１２０については外部から周波数の調整のための制御ができるようになっている。

乗算器１３０は、第１周波数（ω₁）と第２周波数（ω₂）の和（ω₁＋（ω₂））及び差（ω₁－（ω₂））の信号を生成する。例えば、cos(ω₁ｔ）とcos（ω₂ｔ）とを乗ずると、１／２［cos（（ω₁＋ω₂）ｔ）＋cos（（ω₁－ω₂）ｔ）］が得られるためである。

このため、フィルタ１４０は、第１周波数と第２周波数との差の周波数の信号を利用する場合（すなわち第１周波数と第２周波数との和の周波数の信号が不要な場合）、当該差の周波数の信号を抽出してそれ以外の周波数帯域の信号を除去する。一方、第１周波数と第２周波数との和の周波数の信号を利用する場合（すなわち第１周波数と第２周波数との差の周波数の信号が不要な場合）、当該和の周波数を抽出してそれ以外の周波数帯域の周波数の信号を除去する。例えば、第１周波数が１０．９ＧＨｚで第２周波数が０．９ＧＨｚであるとすると、それらの差の周波数は１０．０ＧＨｚとなり、和の周波数は１１．８ＧＨｚとなる。１０．０ＧＨｚの変調信号を用いる場合には、第１周波数と第２周波数との差の周波数１０．０ＧＨｚの信号を抽出して、第１周波数と第２周波数との和の周波数１１．８ＧＨｚを含む他の周波数帯域の信号を除去する。なお、フィルタ１４０には、例えばバンドパスフィルタを用いるが、乗算器１３０の出力に応じて他の形態のフィルタであっても良い。

このようにすると、第２発振器１２０の制御帯域を保持したまま、高周波数の変調信号を生成することができる。模式的に示すと、図４の上段に示すように、第２発振器１２０の制御帯域は広く、第２周波数（＜第１周波数）の信号を出力するが、第１発振器１１０が出力する信号の周波数を制御できなくてもよい。第１信号と第２信号とを乗算器１３０にて乗算してフィルタ１４０で和周波のみ又は差周波のみを抽出することで、図４の下段のように、広い制御帯域を保持しつつ高周波の変調信号を生成することができる。これによって、第２発振器１２０の制御帯域を活用して周波数の調整制御を行うことで、光周波数コムにおける線スペクトルの細線化も実現される。

なお、以下では、光周波数コムを、光コムと略記する場合もある。

［実施の形態１］
図５に、本実施の形態に係る変調信号源を含む光周波数コム装置１０００の構成例を示す。

光周波数コム装置１０００は、変調信号源２００と、変調型光コム生成部３００と、ビート検出器４００と、変調信号安定化部５００とを有する。

変調信号源２００は、高周波数である第１周波数の第１信号を安定的に生成する第１発振器２１０と、第１周波数より低周波数である第２周波数の第２信号を生成する第２発振器２２０と、第１信号及び第２信号から変調信号を生成する変調信号生成部２３０とを有する。変調信号生成部２３０は、第１信号と第２信号との乗算を行う乗算器２３１と、乗算器２３１からの出力から所望の帯域の信号のみを抽出するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ：Band-Pass Filter）２３２とを有する。第２発振器２２０の制御帯域は広く、第１発振器２１０及び第２発振器２２０の位相雑音は小さい方が好ましい。

上で述べたように、第１発振器２１０については、周波数制御を行わず、第２発振器２２０については、広い制御帯域を有しており、変調信号安定化部５００からの制御出力に応じて周波数の調整が可能となっている。なお、第１発振器２１０は、例えばクライオサファイア発振器のような極低位相雑音で周波数が固定のものでも良い。また、第２発振器２２０は、電圧制御発振器であってもよい。

また、上でも述べたように、乗算器２３１は、第１周波数と第２周波数との差及び和の信号を生成するので、ＢＰＦ２３２によって、所望の周波数の信号を抽出し、それ以外の周波数の信号を除去する。これによって、第１周波数と第２周波数との差又は和の周波数を有する変調信号が生成され、変調型光コム生成部３００に出力される。

変調型光コム生成部３００は、連続発振（ＣＷ：Continuous Wave）レーザであるレーザ１を出力する第１レーザ発振器３１０と、第１レーザ発振器３１０の出力したレーザ１を、変調信号源２００からの変調信号で駆動する光変調器３２０とを有する。光変調器３２０は、複数の変調器を含む場合もある。このようにして、変調型光コム生成部３００は、変調信号の周波数間隔で線スペクトルが並ぶ光周波数コムを出力する。

ビート検出器４００は、高安定且つ高フィネスの光共振器４１０と、レーザ１の周波数とは離れた周波数のレーザ２を出力する第２レーザ発振器４２０と、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）４３０とを有する。第２レーザ発振器４２０は、光共振器４１０の急峻な透過スペクトルにレーザをロックして周波数の安定化を図っている。すなわち、レーザ２の周波数はレーザ１に比して安定化されている。ＰＤ４３０は、変調型光コム生成部３００が出力した光周波数コムにおける特定のコム成分とレーザ２とのビート信号（マイクロ波）を検出する。このビート信号は、変調信号源２００の逓倍化された位相雑音の情報を含んでおり、変調信号安定化部５００に出力される。

変調信号安定化部５００は、参照信号を生成する参照信号源５１０と、参照信号源５１０からの参照信号とＰＤ４３０からのビート信号とを比較して、その位相差が一定となるように第２発振器２２０を制御する制御回路５２０とを有する。

本実施の形態の制御の概要を図６を用いて説明する。図６は、コム成分の間隔が変調信号の周波数となっている光周波数コムを表しており、レーザ１の光周波数から離れているが、特定のコム成分の近傍にレーザ２の光周波数がある。本実施の形態におけるレーザ１は安定化されていないが、レーザ２の光周波数近傍の特定のコム成分とレーザ２とのビート信号に基づき、特定のコム成分が固定されるように、変調信号の周波数、すなわちコム成分の間隔が制御される。

本実施の形態に係る変調信号源２００を採用することで、変調信号の周波数が高周波数になっても、上記のような制御を十分に行うことができるような制御帯域を確保できる。

［実施の形態２］
図５に示した光周波数コム装置１０００よりも、光周波数が安定的で広帯域化された光周波数コムを生成するための構成を図７に示す。

本実施の形態に係る光周波数コム装置１０００ｂは、第１の実施の形態と同じ変調信号源２００と、光共振器３３０が追加された変調型光コム生成部３００ｂと、分散付与部６００と、広帯域化部７００と、第１の実施の形態と同じビート検出器４００と、第１の実施の形態と同じ変調信号安定化部５００とを有する。

本実施の形態に係る変調型光コム生成部３００ｂは、第１の実施の形態においても設けられていた第１レーザ発振器３１０及び光変調器３２０に対して、光共振器３３０が追加されている。この光共振器３３０は、光共振器４１０と同様に、高安定且つ高フィネスの光共振器であり、第１レーザ発振器３１０は、本光共振器３３０の急峻な透過スペクトルにレーザをロックして周波数が安定化されたレーザ１を出力する。

分散付与部６００は、後段の広帯域化部７００のために、周波数チャープを調整して、光パルスを短パルス化してピーク強度を強くする。分散付与部６００は、例えば、回折格子対、光ファイバ、フーリエ変換信号処理器などである。分散付与部６００の概要を図８を用いて説明する。図８の左側は、変調型光コム生成部３００ｂから出力された光パルスの強度（左の縦軸）を時間軸に沿って表している。光パルスを時間的に細くするためには、光周波数スペクトルでは広い帯域を持っており、且つ光スペクトルの成分（今回の場合には光コムの周波数成分）同士の位相が揃って重なるようにする。しかし、図８の左側のように、光パルス内に光周波数の時間的変化（光周波数チャープ）があると光周波数成分の位相がお互いにずれているため、光パルスに時間的な広がりができてしまう。図８の左側の右縦軸は、光周波数を表しており、その時点における光パルススペクトルの中心周波数は、この例では直線的に時間変化している。これに対して、分散付与部６００は、図８の右側に示すように、より短パルス化してピーク強度を高めるように作用する。すなわち、光パルス内の光周波数の時間変化が生じないようにしている。なお、変調型光コム生成部３００ｂからの出力された光パルスの強度が十分に高い場合には、分散付与部６００を設けない場合もある。

広帯域化部７００は、光増幅器７１０と、非線形素子７２０とを有する。光増幅器７１０は任意である。非線形素子７２０は、高非線形ファイバや細線光導波路といった、光の閉じ込めを強くしてエネルギーが集中する細い導波構造を有する素子であって、光強度に応じて屈折率が変化し、光パルス自身に変調がかかるものである。

模式的には、図９の左側に示すように、変調型光コム生成部３００ｂからの出力における光周波数コムの帯域が十分に広くない場合に、広帯域化部７００により、図９の右側に示すように、その帯域を広げるものである。これによって、レーザ１の光周波数から十分に離れたコム成分を生成して、レーザ２とのビート信号を生成できるようにする。これによって、変調信号の位相雑音が十分に逓倍されるようになる。

本実施の形態では、第１の実施の形態とは異なって、レーザ１は安定化されており、ほとんどふらつくことはないが、変調信号の周波数がふらつくと、コム成分の間隔が変化する。本実施の形態でも、レーザ２近傍の特定のコム成分とレーザ２とのビート信号に基づき、特定のコム成分が固定されるように、変調信号の周波数、すなわちコム成分の間隔が制御される。

本実施の形態に係る変調信号源２００を採用することで、変調信号の周波数が高周波数になっても、上記のような制御を十分に行うことができるような制御帯域を確保できる。さらに、上記のような制御を行うことで、変調信号の位相雑音を低減できるようになるので、光周波数コムの各コム成分の細線化が実現できる。

なお、制御のために参照するのは、中心の光周波数成分（レーザ１の周波数）から変調信号周波数の何倍も離れ、位相雑音も同倍された高次の光コム成分である。これを基に変調信号を制御するので、この制御によって、変調信号自体の位相雑音が低減される。よって、参照した高次のコム成分だけではなく、変調型光周波数コムの全てのコム成分の線幅を狭くできる。

［実施の形態３］
第２の実施の形態は、例えば、本実施の形態に係る光周波数コム装置１０００ｃのように変形できる。

図１０に、本実施の形態に係る光周波数コム装置１０００ｃの構成を示す。光周波数コム装置１０００ｃは、第１の実施の形態と同じ変調信号源２００と、変調型光コム生成部３００ｃと、第２の実施の形態と同じ分散付与部６００及び広帯域化部７００と、第１の実施の形態と同じビート検出器４００と、第１の実施の形態と同じ変調信号安定化部５００と、光源安定化部３４０とを有する。

第２の実施の形態では、光共振器３３０が第１レーザ発振器３１０の光源安定化部として機能していたが、本実施の形態では、第２レーザ発振器４２０とファイバコム３４１とが光源安定化部３４０として機能する。

ファイバコム３４１は、広帯域で制御性が良く、光共振器４１０で安定化された第２レーザ発振器４２０からのレーザ２を参照して安定化される。そして、このファイバコム３４１からの出力を参照して、第１レーザ発振器３１０が出力するレーザ１も安定化される。

このようなレーザ間の参照関係を図１１に模式的に示す。図１１の下段はファイバコム３４１が出力する光周波数コムのスペクトルを表し、図１１の上段は、本実施の形態に係る光周波数コム装置１０００ｃの出力である光周波数コムのスペクトルを表している。なお、ファイバコム３４１が出力する光周波数コムにおける繰り返し周波数をｆ_{rep_fiber}と表し、オフセットをｆ_{CEO_fiber}と表し、光周波数コム装置１０００ｃの出力である光周波数コムの繰り返し周波数をｆ_{rep_EOM}と表し、オフセットをｆ_{CEO_EOM}と表す。

本実施の形態では、ファイバコム３４１が出力する光周波数コムは、光共振器４１０を参照して安定化されたレーザ２に対して固定される。なお、図１１では示していないがファイバコム３４１のｆ_{CEO_fiber}は後に説明するｆ－２ｆ干渉により安定化される。さらに、レーザ１は、ファイバコム３４１から出力される光周波数コムの特定のコム成分に対して固定化される。そうすると、変調型光コム生成部３００ｃは、当該レーザ１に基づき光周波数コムを安定的に生成する。ビート検出器４００は、安定化されたレーザ２と、光周波数コム装置１０００ｃの出力である光周波数コムの特定のコム成分とのビート信号を検出する。そうすると、変調信号安定化部５００は、当該ビート信号に基づき、レーザ２との関係が固定化され、線スペクトルの細線化が実現されるように変調信号源２００を制御する。

このような光周波数コム装置１０００ｃにおいても、変調信号源２００が有効に作用するようになっている。

［実施の形態４］
第３の実施の形態では、第１レーザ発振器３１０の光共振器３３０の代わりにファイバコム３４１を導入する例を示したが、ビート検出器４００における光共振器４１０の代わりにファイバコムを導入することも可能である。

本実施の形態に係る光周波数コム装置１０００ｄの構成を図１２に示す。

光周波数コム装置１０００ｄは、第１の実施の形態と同じ変調信号源２００と、第２の実施の形態と同じ変調型光コム生成部３００ｂと、第２の実施の形態と同じ分散付与部６００及び広帯域化部７００と、ビート検出器４００ｂと、第１の実施の形態と同じ変調信号安定化部５００とを有する。

ビート検出器４００ｂは、第１レーザ発振器３１０からのレーザ１を参照するファイバコム４４０と、ファイバコム４４０の出力を参照する第２レーザ発振器４２０と、第２レーザ発振器４２０が出力するレーザ２と広帯域化部７００が出力する光周波数コムとのビート信号を検出するＰＤ４３０とを有する。

ファイバコム４４０は、第１レーザ発振器３１０からのレーザ１を参照して安定化された光周波数コムを第２レーザ発振器４２０に出力する。第２レーザ発振器４２０は、ファイバコム４４０からの光周波数コムを参照して、安定化されたレーザ２を出力する。

このようなレーザ間の参照関係を図１３に模式的に示す。図１３の下段はファイバコム４４０が出力する光周波数コムのスペクトルを表し、図１３の上段は、本実施の形態に係る光周波数コム装置１０００ｄの出力である光周波数コムのスペクトルを表している。なお、ファイバコム４４０の光周波数コムにおける繰り返し周波数をｆ_{rep_fiber}と表し、オフセットをｆ_{CEO_fiber}と表し、光周波数コム装置１０００ｄの出力である光周波数コムの繰り返し周波数をｆ_{rep_EOM}と表し、オフセットをｆ_{CEO_EOM}と表す。

ファイバコム４４０が出力する光周波数コムは、高安定な光共振器３３０を参照することで安定化されているレーザ１に対して固定化される。なお、図１３では示していないがファイバコム３４１のｆ_{CEO_fiber}は後に説明するｆ－２ｆ干渉により安定化される。さらに、レーザ２は、ファイバコム４４０が出力する光周波数コムの特定のコム成分に対して固定化される。そうすると、ビート検出器４００ｂは、このレーザ２と、光周波数コム装置１０００ｄの出力である光周波数コムの特定のコム成分とのビート信号を検出し、変調信号安定化部５００は、当該ビート信号に基づき、レーザ２との関係が固定化され、線スペクトルの細線化が実現されるように変調信号源２００を制御する。

このような光周波数コム装置１０００ｄにおいても、変調信号源２００が有効に作用するようになっている。

［実施の形態５］
第１及び第２の実施の形態におけるビート検出器４００については、例えば図１４に示すようなビート検出器４００ｃに変更することも可能である。

ビート検出器４００ｃは、自己参照干渉計４５０と、ＰＤ４３０とを含む。

自己参照干渉について図１５を用いて説明する。繰り返し周波数をｆ_rep、オフセット周波数をｆ_CEO＝ｖ₀としたとき、ｖ_N＝Ｎｆ_rep＋ｆ_CE0となる。また、ｖ_2N＝２Ｎｆ_rep＋ｆ_CEOとなる。一方、ｖ_Nの第２高調波を発生させると、その周波数２ｖ₂は、２ｖ_N＝２Ｎｆ_rep＋２ｆ_CEOとなる。これらのヘテロダイン干渉から、２ｖ_N－ｖ_2N＝ｆ_CEOが得られるようになる。これをｆ－２ｆ干渉と呼ぶ。

ｆ－２ｆ干渉では１オクターブ以上の帯域が必要となるが、２／３オクターブ以上あれば、２ｆ－３ｆ干渉によりｆ_CEOを得ることができる。このようなｆ－２ｆ干渉、２ｆ－３ｆ干渉を総じて自己参照干渉と呼ぶ。

図１６に示すように、ある周波数ｖ_Nのコム成分に対して第２高調波を生成し、周波数ｖ_2Nとのｆ－２ｆ干渉を生じさせて、そのビート信号をＰＤ４３０に検出させるようにする。

このような態様でも、変調信号安定化部５００は、当該ビート信号に基づき、線スペクトルの細線化が実現されるように変調信号源２００を制御する。

このような光周波数コム装置においても、変調信号源２００が有効に作用するようになっている。

なお、本実施の形態及び第２の実施の形態においても、第３の実施の形態のように、レーザ２を参照するファイバコムを用いてレーザ１を安定化させるようにしてもよい。

［実施の形態６］
第２の実施の形態における変調型光コム生成部３００ｂは、例えば図１７に示すような変調型光コム生成部３００ｄに変更することも可能である。

本実施の形態に係る変調型光コム生成部３００ｄは、直接変調型レーザ発振器３５０と、光源安定化部３４０ｂとを有する。直接変調型レーザ発振器３５０は、変調信号生成部２３０からの変調信号を参照して光周波数コムを生成する。

光源安定化部３４０ｂは、光のバンドパスフィルタ３４３と、光共振器３４２とを有する。バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３４３は、直接変調型レーザ発振器３５０からの光周波数コムの特定のコム成分のみを通過させ、他のコム成分を除去する。光共振器３４２は、高安定且つ高フィネスの光共振器であり、バンドパスフィルタ３４３から出力された光周波数コムの特定のコム成分を参照して、直接変調型レーザ発振器３５０の出力を安定化する。

図１８に示したように、直接変調型レーザ発振器３５０から出力された光周波数コムの１本のコム成分（中心でなくても良い）をバンドパスフィルタ３４３で抽出し、それを光共振器３４２で参照して光周波数コムの安定化を図ると共に、レーザ２と、広帯域化部７００の出力である光周波数コムの特定のコム成分とのビート信号に基づき、レーザ２との関係が固定化され、線スペクトルの細線化が実現されるように変調信号源２００を制御する。

また、光共振器３４２に代わって、ファイバコムを導入するようにしてもよい。この場合、このファイバコムは、第２の実施の形態におけるビート検出器４００に含まれる第２レーザ発振器４２０のレーザ２と、バンドパスフィルタ３４３から出力された光周波数コムの特定のコム成分とのビート信号に基づき、直接変調型レーザ発振器３５０を安定化させる。

［実施の形態７］
第２の実施の形態における変調型光コム生成部３００ｂは、例えば図１９に示すような変調型光コム生成部３００ｅに変更することも可能である。

本実施の形態に係る変調型光コム生成部３００ｅは、強制モード同期レーザ発振器３６０と、光源安定化部３４０ｂとを有する。強制モード同期レーザ発振器３６０は、変調信号生成部２３０からの変調信号を参照して光周波数コムを生成する。

光源安定化部３４０ｂは、光のバンドパスフィルタ３４５と、光共振器３４２とを有する。バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３４５は、強制モード同期レーザ発振器３６０からの光周波数コムの特定のコム成分のみを通過させ、他のコム成分を除去する。光共振器３４２は、高安定且つ高フィネスの光共振器であり、バンドパスフィルタ３４５から出力された光周波数コムの特定のコム成分を参照して、強制モード同期レーザ発振器３６０の出力を安定化する。

図２０に示したように、強制モード同期レーザ発振器３６０から出力された光周波数コムの１本のコム成分（中心でなくても良い）をバンドパスフィルタ３４５で抽出し、それを光共振器３４２で参照して光周波数コムの安定化を図ると共に、レーザ２と、広帯域化部７００の出力である光周波数コムの特定のコム成分とのビート信号に基づき、レーザ２との関係が固定化され、線スペクトルの細線化が実現されるように変調信号源２００を制御する。

また、光共振器３４２に代わって、ファイバコムを導入するようにしてもよい。この場合、このファイバコムは、第２の実施の形態におけるビート検出器４００に含まれる第２レーザ発振器４２０のレーザ２と、バンドパスフィルタ３４５から出力された光周波数コムの特定のコム成分とのビート信号に基づき、強制モード同期レーザ発振器３６０を安定化させる。

［その他の形態］
第２の実施の形態のように、光共振器３３０で第１レーザ発振器３１０から出力されたレーザ１を参照してレーザ１の安定化を図るようにしてもよいが、光周波数コム（変調型光コム生成部の出力または広帯域化部の出力）の特定のコム成分を参照してレーザ１の安定化を図るようにしてもよい。

［実施例］
図２１に、実施例に係る光周波数コム装置の構成を示す。変調信号生成部は、１０．０９ＧＨｚの信号を発振する発振器と、０．０９ＧＨｚの信号を発振する電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage-Controlled Oscillator）と、乗算器（例えば、ＤＢＭ（Double-Balanced Mixer）と、バンドパスフィルタとを含み、１０ＧＨｚの変調信号を変調型光コム生成部に出力する。１０．０９ＧＨｚの信号を発振する発振器については、発振周波数を変更できるが高速に周波数制御ができないものであり、電圧制御発振器は、広い制御帯域を有する。１０．０９ＧＨｚの信号を発振する発振器は水素メーザからの１０ＭＨｚの参照信号を用いている。

変調型光コム生成部は、１５５１ｎｍの波長のレーザを出力するレーザダイオードと、強度変調器と、位相変調器とを含み、強度変調器及び位相変調器とが変調信号生成部からの変調信号を用いてレーザダイオードからのレーザを変調する。

光源安定化部は、１５３５ｎｍの波長のＣＷレーザを出力する周波数安定化狭線幅ＬＤ（Laser Diode）と、Ｅｒファイバコム（Erbium-doped fiber based comb）と、周波数安定化狭線幅ＬＤからのレーザとＥｒファイバコムからの光周波数コムとのビート信号を検出するＰＤと、当該ＰＤの出力に基づきＥｒファイバコムの位相同期制御を行う位相同期制御回路と、Ｅｒファイバコムからの光周波数コムと変調型光コム生成部のレーザダイオードからのレーザとのビート信号を検出するＰＤと、当該ＰＤの出力に基づき、変調型光コム生成部のレーザダイオードの位相同期制御を行う位相同期回路とを有する。

これによって、Ｅｒファイバコムからの光周波数コムは、１５３５ｎｍの波長のＣＷレーザにロックされる。さらに、１５５１ｎｍの波長のレーザは、Ｅｒファイバコムからの光周波数コムにロックされる。図２１には示していないが、Ｅｒファイバコムは上で述べたｆ－２ｆ干渉によりｆ_CEOが安定化されている。

分散付与部及び広帯域化部は、第２の実施の形態で述べたものと同様であるが、広帯域化部の後段に光のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）が設けられている。このバンドパスフィルタは、ビート検出器用である。分散付与部では、２．５ピコ秒幅のパルスが生成される。広帯域化部では、erbium-doped fiber 増幅器により１２０ｍＷに増幅され、広帯域化のため３１０ｍの高非線形ファイバに入力される。

ビート検出器は、１５３５ｎｍの波長のＣＷレーザを出力する周波数安定化狭線幅ＬＤと、当該周波数安定化狭線幅ＬＤの出力とＢＰＦの出力とのビート信号を検出するＰＤとを含む。ＰＤは、０．１ＧＨｚのビート信号を出力する。

変調信号安定化部は、ＰＤの出力を１０分周する分周回路と、制御回路と、０．０１ＧＨｚの参照信号を出力する参照信号源とを有する。制御回路は、ＶＣＯに対して、変調信号の位相雑音を減ずるように出力電圧を決定し、ＶＣＯで周波数が調整される。

図２２に、広帯域化部（高非線形ファイバ）の出力と、位相変調器の出力（変調器出力）の周波数特性を示す。なお、周波数安定化狭線幅ＬＤの出力は、安定化レーザ２として示されている。分散付与部及び広帯域化部により広帯域化されていることが分かる。

また、図２３に、狭線幅ＬＤの出力と１５３５ｎｍにおける１９９次コム成分との間の、制御時におけるインループビート信号のスペクトラムを示す。このように、ビート信号の線幅は測定に使用したスペクトラムアナライザの測定分解能に制限されており、その線幅は１Ｈｚ以下であることが分かった。

以上のことから、実施例において光周波数コムにおける線スペクトルの細線化が図られた。

以上述べた実施の形態をまとめると以下のようになる。

本実施の形態において、光周波数コム生成のための変調信号源は、（Ａ）第１の周波数の第１の信号を生成する第１の発振器と、（Ｂ）第１の周波数よりも低い第２の周波数の第２の信号を生成し、第２の周波数の調整が可能な第２の発振器と、（Ｃ）第１の信号と第２の信号とから、第１の周波数と第２の周波数との差又は和の周波数の変調信号を生成する変調信号生成部とを有する。

このような構成を採用することで、第１の周波数よりも低い第２の周波数の第２の信号を生成する第２の発振器の制御帯域を、第１の周波数と第２の周波数との差又は和の周波数において活用できるようになる。低周波数の発振器の方が制御帯域が広いものを採用することが容易であるので、変調信号源全体としての制御帯域を容易に広げることができるようになる。

なお、上で述べた変調信号生成部は、（ｃ１）第１の信号と第２の信号との乗算を行う乗算器と、（ｃ２）第１の周波数と第２の周波数との差又は和の周波数の信号を抽出するフィルタとを有するようにしても良い。乗算器によって第１の周波数と第２の周波数との差の信号及び和の信号が生成されるので、変調信号として用いない一方の周波数の信号を除去して、変調信号として用いる他方の周波数の信号を抽出して出力するものである。

また、本実施の形態において、光周波数コム装置は、（Ａ）第１の周波数の第１の信号を生成する第１の発振器と、第１の周波数よりも低い第２の周波数の第２の信号を生成し、第２の周波数の調整が可能な第２の発振器と、第１の信号と第２の信号とから、第１の周波数と第２の周波数との差又は和の周波数の変調信号を生成する変調信号生成部とを有する変調信号源と、（Ｂ）変調信号源が生成した変調信号に基づき光周波数コムを生成する光周波数コム生成部と、（Ｃ）生成された光周波数コム（例えば、生成された光周波数コムの位相雑音。具体的には、あるコム成分の位相雑音、又はｆ_CEOの位相雑音。）に応じて、第２の発振器の第２の周波数の調整を行う制御部とを有する。

上で述べた変調信号源を用いることで、制御部による変調信号の調整が容易になり、光周波数コムのコム成分の細線化が容易に実現できるようになる。なお、周波数コム生成部の構成については、変調信号を用いるものであれば実施の形態で述べたように様々な態様を採用可能である。

また、制御部が、制御の基礎として用いる光周波数コムのコム成分は、光周波数コムの中心周波数から離れたものをものであるから、変調信号の位相雑音も大きくなっている。この大きくなった位相雑音を基に、制御部は第２の周波数の調整を行えば、光周波数コムの全コム成分の細線化が図られる。

本実施の形態における光周波数コム生成のための変調信号生成方法は、（Ａ）第１の周波数の第１の信号を生成し、（Ｂ）第１の周波数よりも低い第２の周波数の第２の信号を生成し、（Ｃ）第１の信号と第２の信号とから、第１の周波数と第２の周波数との差又は和の周波数の変調信号を生成する工程を含む。

第１の周波数よりも低い第２の周波数の第２の信号を用いることで、第２の信号を生成する発振器の制御帯域を、第１の周波数と第２の周波数との差又は和の周波数において活用できるようになる。第２の信号を生成する発振器に制御帯域が広いものを採用すれば、全体としての制御帯域を広げることができるようになる。

なお、上で述べた変調信号の生成が、（ｃ１）第１の信号と第２の信号との乗算を行い、（ｃ２）第１の周波数と第２の周波数との差又は和の周波数の信号を抽出する工程を含むようにしてもよい。

なお、本実施の形態における光周波数コム生成方法は、（Ａ）第１の周波数の第１の信号を生成し、（Ｂ）第１の周波数よりも低い第２の周波数の第２の信号を生成し、（Ｃ）第１の信号と第２の信号とから、第１の周波数と第２の周波数との差又は和の周波数の変調信号を生成し、（Ｄ）生成された変調信号に基づき光周波数コムを生成し、（Ｄ）生成された光周波数コムに応じて、第２の周波数の調整を行う工程を含む。

このようにすることで、変調信号の調整が容易になされるようになり、光周波数コムのコム成分の細線化が容易に実現できるようになる。

１００ 変調信号源
１１０ 第１発振器
１２０ 第２発振器
１３０ 乗算器
１４０ フィルタ

Claims (10)

1. 第１の周波数の第１の信号を生成する第１の発振器と、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数の第２の信号を生成し、前記第２の周波数の調整が可能な第２の発振器と、前記第１の信号と前記第２の信号とから、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差又は和の周波数の変調信号を生成する変調信号生成部とを有する変調信号源と、
   前記変調信号源が生成した変調信号に基づき光周波数コムを生成する光周波数コム生成部と、
   生成された前記光周波数コムに応じて、前記第２の発振器の前記第２の周波数の調整を行う制御部と、
   を有する光周波数コム装置。
2. 前記変調信号生成部が、
   前記第１の信号と前記第２の信号との乗算を行う乗算器と、
   前記第１の周波数と前記第２の周波数との差又は和の周波数の信号を抽出するフィルタと
   を有する請求項１記載の光周波数コム装置。
3. 第１の周波数の第１の信号を生成し、
   前記第１の周波数よりも低い第２の周波数の第２の信号を生成し、
   前記第１の信号と前記第２の信号とから、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差又は和の周波数の変調信号を生成し、
   生成された前記変調信号に基づき光周波数コムを生成し、
   生成された前記光周波数コムに応じて、前記第２の周波数の調整を行う
   工程を含む光周波数コム生成方法。
4. 前記変調信号の生成が、
   前記第１の信号と前記第２の信号との乗算を行い、
   前記第１の周波数と前記第２の周波数との差又は和の周波数の信号を抽出する
   工程を含む請求項３記載の光周波数コム生成方法。
5. 前記第２の発振器は、前記第１の発振器よりも発振周波数の制御帯域が広い
   請求項１又は２記載の光周波数コム装置。
6. 前記制御部が、
   前記第２の発振器の前記第２の周波数の調整を、生成された前記光周波数コムの位相雑音に応じて行う
   請求項１、２又は５記載の光周波数コム装置。
7. 前記第１の信号の生成が、第１の発振器により行われ、
   前記第２の信号の生成が、前記第１の発振器よりも発振周波数の制御帯域が広い第２の発振器により行われる
   請求項３又は４記載の光周波数コム生成方法。
8. 前記第２の周波数の調整を、生成された前記光周波数コムの位相雑音に応じて行う
   請求項３、４又は７記載の光周波数コム生成方法。
   
9. 前記制御部が、
   生成された前記光周波数コムの各コム成分を細線化するように前記第２の周波数を調整する
   請求項１、２又は５記載の光周波数コム装置。
10. 前記制御部が、
    前記変調信号の位相雑音を低減するように前記第２の周波数を調整する
    請求項１、２又は５記載の光周波数コム装置。

Images