JP7842316B1 - 光コム発生装置及び光コム分光測定装置 - Google Patents

光コム発生装置及び光コム分光測定装置

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Abstract

光コム発生装置（１）は、周波数軸上で櫛状に並ぶ複数の周波数モードを有する第１光コム（Ｌ１）及び第２光コム（Ｌ２）を出力する光コム出力部（１０）と、光コム出力部（１０）から出力された第１光コム（Ｌ１）及び第２光コム（Ｌ２）の波長を、ソリトン自己周波数シフトを利用して変換する波長変換部（３）と、を備える。

Description

本開示は、光コム発生装置及び光コム分光測定装置に関する。
周波数軸上で櫛状に等間隔に並んだ複数の周波数モード（縦モード）を有する超短パルスレーザ光である光コムが知られている。光コムは、精密な分光計測等に利用され得る。例えば非特許文献１には、２つの光コム（第１光コム及び第２光コム）を用いることで高速な分光測定を実現する技術が記載されている。
Sho Okubo, et al、"Ultra-broadband dual-comb spectroscopy across 1.0-1.9μm"、 Applied Physics Express 082402 (2015) 、published online July 14, 2015、The Japan Society of Applied Physics
上述した技術では、広帯域な測定帯域の分光測定が望まれる場合がある。しかし、測定帯域と測定時間とはトレードオフの関係にあり、測定帯域を広帯域化すると、測定時間が遅くなってしまう。また、測定帯域を広帯域化すると、Ｓ／Ｎが劣化してしまう可能性があり、安定化制御が必要となる。この点、第１光コム及び第２光コムの波長を可変させ、異なる狭帯域のスペクトルを複数生成すれば、結果として、高速且つ広帯域な測定帯域の分光測定が可能となることが見出される。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、第１光コム及び第２光コムの波長が可変な光コム発生装置及び光コム分光測定装置を提供することを目的とする。
本開示の光コム発生装置は、［１］「周波数軸上で櫛状に並ぶ複数の周波数モードを有する第１光コム及び第２光コムを出力する光コム出力部と、前記光コム出力部から出力された前記第１光コム及び前記第２光コムの波長を、ソリトン自己周波数シフトを利用して変換する波長変換部と、を備える、光コム発生装置」である。
この光コム発生装置では、ソリトン自己周波数シフトを利用して、第１光コム及び第２光コムの波長変換が可能である。すなわち、第１光コム及び第２光コムの波長が可変な光コム発生装置を実現することができる。
本開示の光コム発生装置は、［２］「前記光コム出力部は、前記第１光コムと前記第１光コムに対して時間間隔が異なる前記第２光コムとを出力するデュアルコムレーザ光源である、［１］に記載の光コム発生装置」であってもよい。この場合、デュアルコムレーザ光源を利用して、第１光コム及び第２光コムを発生させることが可能となる。
本開示の光コム発生装置は、［３］「前記光コム出力部から出力され前記波長変換部で波長が変換される前の前記第１光コム及び前記第２光コムのスペクトルを広帯域化する光増幅部を備える、［１］又は［２］に記載の光コム発生装置」であってもよい。本開示者らは鋭意検討を重ねた結果、ソリトン自己周波数シフトを利用した波長変換を行う前の光コムのスペクトルを広帯域化することで、マルチソリトン化を抑制できるという知見を得た。よって、本開示によれば、マルチソリトン化を抑制することが可能となる。
本開示の光コム発生装置は、［４］「前記光増幅部は、シミラリトン増幅により前記第１光コム及び前記第２光コムのスペクトルを広帯域化する、［３］に記載の光コム発生装置」であってもよい。この場合、光増幅部では、第１光コム及び第２光コムのストレッチを抑制でき、ソリトン自己周波数シフトを利用した波長変換を効果的に実現できる。
本開示の光コム発生装置は、［５］「前記光増幅部は、前記第１光コム及び前記第２光コムの強度を制御する、［３］又は［４］に記載の光コム発生装置」であってもよい。この場合、第１光コム及び第２光コムの強度を制御することにより、第１光コム及び第２光コムの波長を例えばパルス毎に可変することが可能となる。
本開示の光コム分光測定装置は、［６］「［１］～［６］の何れかに記載の光コム発生装置を備え、前記光コム発生装置により発生させた前記第１光コム及び前記第２光コムを用いて、サンプルの分光測定を行う分光測定装置であって、前記第１光コム及び前記第２光コムを合波させる合波部と、前記合波部で合波させた前記第１光コム及び前記第２光コムを検出する光検出部と、前記光検出部の検出結果に基づいて、分光測定に係る解析を行う解析部と、を備える、光コム分光測定装置」である。
この光コム分光測定装置は、上記光コム発生装置を備えることから、上記光コム発生装置で発生させる第１光コム及び第２光コムの波長を可変させることができる。第１光コム及び第２光コムの波長を可変させ、異なる狭帯域のスペクトルを複数生成することができ、高速且つ広帯域な測定帯域の分光測定が可能となる。
本開示の光コム分光測定装置は、［７］「前記サンプルは、前記合波部で合波させる前の前記第１光コム及び前記第２光コムの何れかの光路上に配置可能である、［６］に記載の光コム分光測定装置」であってもよい。この場合、サンプルの複素屈折率、つまり、吸収係数及び屈折率（複素透過率及び複素反射率）を把握することができる。
本開示の光コム分光測定装置は、［８］「前記サンプルは、前記合波部で合波させた後の前記第１光コム及び前記第２光コムの光路上に配置可能である、［６］に記載の光コム分光測定装置」であってもよい。この場合、装置構成を簡易化できる。
本開示の光コム分光測定装置は、［９］「前記第１光コム及び前記第２光コムの光路における前記光コム発生装置と前記合波部との間に配置され、所定帯域の波長の前記第１光コム及び前記第２光コムを透過させる波長選択部を備える、［６］～［８］の何れかに記載の光コム分光測定装置」であってもよい。この場合、分光測定の測定帯域を、例えばサンプルに合わせて波長選択部により適切に設定することができる。
本開示の光コム分光測定装置は、［１０］「前記波長選択部は、前記所定帯域以外の波長の前記第１光コム及び前記第２光コムを反射させ、前記波長選択部で反射させた前記第１光コム及び前記第２光コムの差周波光に基づいてトリガー信号を取得するトリガー信号取得部を更に備え、前記解析部は、前記トリガー信号取得部で取得した前記トリガー信号と前記光検出部の検出結果とに基づいて、前記解析を行う、［９］に記載の光コム分光測定装置」であってもよい。この場合、分光測定のための出力（所定帯域の波長の第１光コム及び第２光コム）を利用せずに、解析部の解析におけるトリガータイミングを得ることができる。また、差周波光を利用することから、第１光コム及び第２光コムの各パルスが重なったときを基準に分光測定できるため、Ｓ／Ｎを高めることができる。
本開示の光コム分光測定装置は、［１１］「前記波長選択部は、前記所定帯域以外の波長の前記第１光コム又は前記第２光コムを反射させ、前記波長選択部で反射させた前記第１光コム又は前記第２光コムに基づいてトリガー信号を取得するトリガー信号取得部を更に備え、前記解析部は、前記トリガー信号取得部で取得した前記トリガー信号と前記光検出部の検出結果とに基づいて、前記解析を行う、［９］に記載の光コム分光測定装置」であってもよい。この場合、分光測定のための出力を利用せずに、解析部の解析におけるトリガータイミングを得ることができる。また、装置構成を簡易化できる。
本開示の光コム分光測定装置は、［１２］「制御部を備え、前記制御部は、前記波長変換部において前記第１光コム及び前記第２光コムの波長を所定波長へ変換させる第１処理と、前記第１処理により前記第１光コム及び前記第２光コムの波長を前記所定波長へ変換させた場合に、前記光検出部で前記第１光コム及び前記第２光コムを検出することにより取得した干渉波形に基づいて、前記解析部においてスペクトルを取得させる第２処理と、前記第１処理及び前記第２処理を、前記所定波長を互いに異なる複数の波長の間で切り替えて繰り返し実行する第３処理と、を実行可能である、［６］～［１１］の何れかに記載の光コム分光測定装置」であってもよい。この場合、第１光コム及び第２光コムの波長を可変させて異なる狭帯域のスペクトルを複数生成する処理を、制御部の制御により実現できる。
本開示の光コム分光測定装置は、［１３］「前記制御部は、前記第３処理において、前記第１光コム及び前記第２光コムの波長を、１／Δｆｒｅｐの時間幅で切り替える、［１２］に記載の光コム分光装置」であってもよい。この場合、干渉波形の取得中に波長を切り替えてしまい、当該切替え前後の波長成分が干渉波形に混在してしまうことを抑制できる。
本開示によれば、第１光コム及び第２光コムの波長が可変な光コム発生装置及び光コム分光測定装置を提供することが可能となる。
図１は、第１実施形態に係る光コム分光測定装置の構成を示す図である。 図２は、時間軸上における第１光コム、第２光コム及び干渉波形を示すグラフである。 図３は、図１の光コム出力部の構成を示す図である。 図４（ａ）は、第１光コムの光路上にサンプルが配置された場合の合波部の周辺構成を示す図である。図４（ｂ）は、第１光コム及び第２光コムの光路上にサンプルが配置された場合における合波部の周辺の構成を示す図である。図４（ｃ）は、サンプルが配置されない場合における合波部の周辺の構成を示す図である。 図５は、図１の光コム分光測定装置による分光測定の一例を示すフローチャートである。 図６は、図１の光コム分光測定装置によりサンプルの透過率を測定する場合の一例を示すフローチャートである。 図７（ａ）は、取得したスペクトルの例を示すグラフである。図７（ｂ）は、算出した透過率の例を示すグラフである。 図８は、図１の光コム分光測定装置によりサンプルの複素透過率及び複素反射率を測定する場合の一例を示すフローチャートである。 図９は、第２実施形態に係る光コム分光測定装置の構成を示す図である。 図１０（ａ）は、波長選択部の周辺の他の構成を示す図である。図１０（ｂ）は、波長選択部の周辺の更に他の構成を示す図である。図１０（ｃ）は、波長選択部の周辺の更に他の構成を示す図である。
以下、実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］
図１に示されるように、第１実施形態に係る光コム分光測定装置１００は、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２を用いてサンプルＳの分光測定を行う装置である。光コム分光測定装置１００は、光コム発生装置１と、波長選択部４と、合波部５と、光検出部６と、トリガー信号取得部７と、解析部８と、制御部９と、を備える。サンプルＳは特に限定されず、種々の測定対象であってもよい。光コム分光測定装置１００は、例えば光原子時計の評価等に用いられる。
第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２は、周波数が制御された超短パルスレーザ光（モード同期レーザ光）である。第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２は、時間軸（時間領域）で見た場合、超短パルス列として表される（図２参照）。第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２を構成する超短パルス列をフーリエ変換することにより、等間隔に周波数モード（縦モード）が並んだ光スペクトルが得られる。すなわち、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２は、周波数軸（周波数領域）で櫛状に並ぶ複数の周波数モードを有する光スペクトルとして表される。第１光コムＬ１は、繰返し周波数ｆｒｅｐ１及びオフセット周波数ｆＣＥＯ１の２つのパラメータによって表される。第２光コムＬ２は、繰返し周波数ｆｒｅｐ２及びオフセット周波数ｆＣＥＯ２の２つのパラメータによって表される。第２光コムＬ２は、第１光コムＬ１に対して時間間隔が僅かに異なる。
光コム発生装置１は、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２を出力する光コム出力部１０、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２のスペクトルを広帯域化する光増幅部２、及び、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の波長をソリトン自己周波数シフトを利用して変換する波長変換部３と、を有する。
光コム出力部１０は、図３に示されるように、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２を出力する双方向発振型のデュアルコムレーザ光源である。光コム出力部１０は、時計回り（ＣＷ）に発振してなる第１光コムＬ１と反時計回り（ＣＣＷ）に発振してなる第２光コムＬ２とを出力する。光コム出力部１０では、例えばレーザダイオード等の光源１１からの光が、エルビウムドープファイバ等のドープファイバ１２に送られて増幅される。増幅された光は、ループ光路１３内において時計回りと反時計回りとの2つ異なる方向に循環す
る。ループ光路１３上には、光の偏光状態を変化させて光の強度及び位相を制御する非線形偏波回転部１５と、光のパルスを生成するためのデバイスである半導体飽和吸収ミラー１６と、が設けられている。ループ光路１３内において時計回りに循環する光の一部は、カプラ１７により取り出されて第１光コムＬ１として出力される。ループ光路１３内において反時計回りに循環する光の一部は、カプラ１８により取り出されて第２光コムＬ２として出力される。
図１に戻り、光増幅部２は、光コム出力部１０から出力され波長変換部３で波長が変換される前の第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２のスペクトルを広帯域化する。光増幅部２は、音響光学変調器２１，２２とファイバ増幅器２３，２４とを有する。
音響光学変調器２１，２２は、音響（音波）の力を利用して変調を行う装置であって、ＡＯＭ（Acousto Optic Modulator）と称される。音響光学変調器２１は、第１光コムＬ
１の強度をパルス毎に制御する。音響光学変調器２１は、第１光コムＬ１の光路における光コム出力部１０とファイバ増幅器２３との間に配置される。音響光学変調器２２は、第２光コムＬ２の強度をパルス毎に制御する。音響光学変調器２２は、第２光コムＬ２の光路における光コム出力部１０とファイバ増幅器２４の間に配置される。なお、音響光学変調器２１，２２は、光コム出力部１０と波長変換部３との間であれば、どの位置に配置されていてもよい。
ファイバ増幅器２３は、第１光コムＬ１のスペクトルを広帯域化する。具体的には、ファイバ増幅器２３は、シミラリトン増幅により、第１光コムＬ１のスペクトルを広帯域化すると共に、当該第１光コムＬ１を高出力化する。ファイバ増幅器２３は、第１光コムＬ１の光路における音響光学変調器２１と波長変換部３との間に配置される。ファイバ増幅器２４は、第２光コムＬ２のスペクトルを広帯域化する。具体的には、ファイバ増幅器２４は、シミラリトン増幅により、第２光コムＬ２のスペクトルを広帯域化すると共に、当該第２光コムＬ２を高出力化する。ファイバ増幅器２４は、第２光コムＬ２の光路における音響光学変調器２２と波長変換部３との間に配置される。
ファイバ増幅器２３，２４は、正常分散ファイバと励起光源とを含んで構成されている。正常分散ファイバは、エルビウム及びイッテルビウムの共添加のダブルクラッドファイバである。すなわち、ファイバ増幅器２３，２４は、ストレッチしないように正常分散のダブルクラッドファイバにより非線形効果を起こしつつ増幅を行い、広帯域のアンプ光としての第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２を取得する。正常分散ファイバは、分散パラメータＤ（ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）が負の状態のファイバである。ファイバ増幅器２３，２４に用いられる添加物は特に限定されず、種々の添加物を採用してもよい。ファイバ増幅器２３及びファイバ増幅器２４は、例えば第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２のスペクトル幅が１００ｎｍ以上となるようにスペクトルを広帯域化してもよい。
波長変換部３は、光コム出力部１０から出力された第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の波長を、ソリトン自己周波数シフトを利用して変換する。波長変換部３は、ラマンシフトファイバ３１，３２を有する。
ラマンシフトファイバ３１は、ファイバ増幅器２３でスペクトルを広帯域化しながら出力を高出力化した第１光コムＬ１の波長を、ソリトン自己周波数シフト（ラマンソリトンシフト）を利用して可変する。ラマンシフトファイバ３１は、第１光コムＬ１の波長を可変し、ソリトンを発生させる。ラマンシフトファイバ３１は、第１光コムＬ１の光路におけるファイバ増幅器２３と波長選択部４との間に配置される。ラマンシフトファイバ３２は、ファイバ増幅器２４でスペクトルを広帯域化しながら出力を高出力化した第２光コムＬ２の波長を、ソリトン自己周波数シフトを利用して可変する。ラマンシフトファイバ３２は、第２光コムＬ２の波長を可変し、ソリトンを発生させる。ラマンシフトファイバ３２は、第２光コムＬ２の光路におけるファイバ増幅器２４と波長選択部４との間に配置される。
ラマンシフトファイバ３１，３２は、例えばファイバ増幅器２３，２４で生成された第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の波長帯で異常分散を示す、シングルモード異常分散ファイバを用いることができる。ラマンシフトファイバ３１，３２は、例えば１６００ｎｍ～２０００ｎｍの波長帯域の第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２（ソリトン）を出力可能である。なお、ソリトン自己周波数シフトにより変調した第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２は、非ソリトン成分（ソリトンにならなかった成分）を含む。
波長選択部４は、所定帯域の波長の第１光コムＬ１１及び第２光コムＬ２１を透過させると共に、所定帯域以外の波長の第１光コムＬ１２及び第２光コムＬ２２を反射させる。所定帯域は、例えば１６００ｎｍ～２０００ｎｍである。所定帯域以外の波長は、例えば１５５０ｎｍ以下である。波長選択部４は、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の光路における光コム発生装置１と合波部５との間に配置される。波長選択部４は、反射型のロングパスフィルタ４１，４２を含む。
ロングパスフィルタ４１は、第１光コムＬ１の光路におけるラマンシフトファイバ３１と合波部５との間に配置される。ロングパスフィルタ４１は、第１光コムＬ１の長波長成分を透過させると共に、第１光コムＬ１の長波長成分以外を反射させる。ロングパスフィルタ４２は、第２光コムＬ２の光路におけるラマンシフトファイバ３２と合波部５との間に配置される。ロングパスフィルタ４２は、第２光コムＬ２の長波長成分を透過させると共に、第２光コムＬ２の長波長成分以外を反射させる。
合波部５は、第１光コムＬ１１及び第２光コムＬ２１を合波させる。合波部５は、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の光路における波長選択部４と光検出部６との間に配置される。図示する例では、合波部５は、ミラー５１，５２を有する。ミラー５１，５２は、第１光コムＬ１１と第２光コムＬ２１とが同一光軸上にて合波するように、第１光コムＬ１１を透過させると共に第２光コムＬ２１を反射させる。
光検出部６は、合波部５で合波させた第１光コムＬ１１及び第２光コムＬ２１を検出する。光検出部６は、例えば、フォトディテクタ等によって構成される。光検出部６は、合波部５で合波させた第１光コムＬ１１及び第２光コムＬ２１を検出することにより、第１光コムＬ１１と第２光コムＬ２１との干渉波形（以下、単に「干渉波形」ともいう）を取得する（図２参照）。光検出部６は、取得した干渉波形を解析部８へ出力する。
トリガー信号取得部７は、波長選択部４で反射させた第１光コムＬ１２及び第２光コムＬ２２の差周波光ＬＳに基づいてトリガー信号を取得する。図示する例では、トリガー信号取得部７では、所定帯域以外の波長の第１光コムＬ１２及び第２光コムＬ２２を、ミラー７１，７２で反射させてレンズ７３を介して非線形光学媒質７４に入射させる。これにより、差周波発生を利用して、差周波数に相当する差周波光ＬＳを発生させる。そして、トリガー信号取得部７では、当該差周波光ＬＳを光検出部７５で検出することにより、トリガー信号を取得する。
解析部８は、光検出部６の検出結果に基づいて、分光測定に係る解析を行う。解析部８は、物理的には、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、ＣＰＵ等のプロセッサ（演算回路）、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部を備えて構成されている。解析部８としては、例えばパーソナルコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス（スマートフォン、タブレット端末等）等が挙げられる。解析部８は、メモリに格納されるプログラムをコンピュータシステムのＣＰＵで実行することにより機能する。
解析部８は、トリガー信号取得部７で取得したトリガー信号と光検出部６で取得した干渉波形とに基づいて、分光測定に係る解析を行う。解析部８は、トリガー信号に同期して干渉波形（干渉波形の信号）を取り込む。解析部８は、取り込んだ干渉波形をフーリエ変換し、スペクトルを取得する。解析部８は、取得したスペクトルに基づいて、サンプルＳの透過率を算出する。解析部８は、取り込んだ干渉波形に基づいて、サンプルＳの複素透過率及び複素反射率を参照する。透過率、複素透過率及び複素反射率の算出について詳しくは後述する。
制御部９は、光コム分光測定装置１００の各種の動作を制御する。制御部９は、物理的には、解析部８と同様に構成されている。制御部９は、解析部８と一体で形成されていてもよいし、別体で形成されていてもよい。制御部９は、光コム出力部１０における第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の出力を制御する。
制御部９は、音響光学変調器２１，２２を制御して第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の強度を調整（つまり、光増幅部２の励起レーザ出力を調整）し、波長変換部３において第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の波長を所定波長へ変換させる第１処理と、第１処理により第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の波長を所定波長へ変換させた場合に、解析部８において干渉波形に基づいてスペクトルを取得させる第２処理と、第１処理及び第２処理を、所定波長を互いに異なる複数の波長の間で切り替えて繰り返し実行する第３処理と、を実行可能である。
制御部９は、第３処理において第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の波長を、１／Δｆｒｅｐの時間幅で変換させる。Δｆｒｅｐは、測定時間であって、第１光コムＬ１の繰返し周波数ｆｒｅｐ１と第２光コムＬ２の繰返し周波数ｆｒｅｐ２との差である（Δｆｒｅｐ=ｆｒｅｐ１－ｆｒｅｐ２）。制御部９は、より好ましいとして、干渉波形のピーク時
点から１／（２×Δｆｒｅｐ）が経過した時点にて波長を切り替えてもよい。なお、測定帯域Δνは（ｆｒｅｐ１×ｆｒｅｐ２）／（２×Δｆｒｅｐ）で表すことができることから、測定帯域ΔνからΔｆｒｅｐを算出してもよい。
図１及び図４（ａ）に示されるように、光コム分光測定装置１００では、サンプルＳは、合波部５で合波させる前の第１光コムＬ１の光路上に配置可能である。図４（ｂ）に示されるように、光コム分光測定装置１００では、サンプルＳは、合波部５で合波させた後の第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の光路上に配置可能である。なお、サンプルＳは、合波部５で合波させる前の第２光コムＬ２の光路上に配置可能であってもよい。図４（ｃ）に示されるように、光コム分光測定装置１００では、サンプルＳは、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の光路上に配置されない場合もある。
次に、光コム分光測定装置１００による分光測定の一例について、図５のフローチャートを参照して説明する。
まず、制御部９により光コム出力部１０を制御し、光コム出力部１０から第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２を出力し、光増幅部２に入射させる（ステップＳ１）。音響光学変調器２１，２２により第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の強度を調整し、ファイバ増幅器２３，２４により第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２のスペクトルを広帯域化させる。そして、波長変換部３により、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の波長を、ソリトン自己周波数シフトを利用して変換する（ステップＳ２）。
ステップＳ２では、制御部９により音響光学変調器２１，２２を制御し、波長変換部３により第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の波長が所定波長へ変換されるように、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の強度を調整する。所定波長は、例えば１６００～２０００ｎｍの範囲の波長であり、ここでは、１６００ｎｍである。
続いて、波長選択部４により、所定帯域の波長の第１光コムＬ１１及び第２光コムＬ２１を透過させ、所定帯域の波長の第１光コムＬ１１及び第２光コムＬ２１を取り出す（ステップＳ３）。これと共に、波長選択部４により、所定帯域以外の波長の第１光コムＬ１２及び第２光コムＬ２２を反射させ、所定帯域以外の波長の第１光コムＬ１２及び第２光コムＬ２２を取り出す（ステップＳ４）。
合波部５により、所定帯域の波長の第１光コムＬ１１及び第２光コムＬ２１を合波する（ステップＳ５）。合波した第１光コムＬ１１及び第２光コムＬ２１を光検出部６にて検出し、干渉波形を取得する（ステップＳ６）。一方、トリガー信号取得部７により、所定帯域以外の波長の第１光コムＬ１２及び第２光コムＬ２２について差周波発生を利用して別途に波長変換し、差周波光ＬＳを発生させる（ステップＳ７）。差周波光ＬＳを光検出部７５にて検出し、トリガー信号を取得する（ステップＳ８）。
解析部８により、トリガー信号に同期して干渉波形の信号を取り込む（ステップＳ９）。解析部８により、ステップＳ９で取り込んだ干渉波形をフーリエ変換し、スペクトルを得る（ステップＳ１０）。広帯域に渡る複数のスペクトルを取得済みか否かを判定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１では、例えば、１６００～２０００ｎｍに渡って５個のスペクトルが既に取得されているか否かを判定する。ステップＳ１１でＮＯの場合、ステップＳ２における波長変換の目標波長である所定波長を波長シフト量変えて（例えば１００ｎｍ増加して）、ステップＳ２の処理へ戻る（ステップＳ１２）。ステップＳ１１でＹＥＳの場合、ステップＳ１０で得た複数のスペクトルを接続し、広帯域なスペクトルが得られたとして処理を終了する。
次に、光コム分光測定装置１００によりサンプルＳの透過率を測定する場合の一例について、図６のフローチャートを参照して説明する。
まず、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の光路上にサンプルＳを配置しない（図４（ｃ）参照）。その状態において図５の示される上述した各処理を実施し、スペクトルＩｒｅｆ（λ）を取得する（ステップＳ２１：図７（ａ）参照）。続いて、合波部５で合波させた後の第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の光路上にサンプルＳを配置する（図４（ｂ）参照）。その状態において図５の示される上述した各処理を実施し、スペクトルＩｓａｍ（λ）を取得する（ステップＳ２２：図７（ａ）参照）。そして、スペクトルＩｒｅｆ（λ），Ｉｓａｍ（λ）の比から、サンプルＳの透過率を算出する（ステップＳ２３：図７（ｂ）参照）。
次に、光コム分光測定装置１００によりサンプルＳの複素透過率及び複素反射率を測定する場合の一例について、図８のフローチャートを参照して説明する。
まず、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の光路上にサンプルＳを配置しない（図４（ｃ）参照）。その状態において上述したステップＳ１～Ｓ９の処理を実施し、干渉波形ＩＧＭｒｅｆ（ｔ）を取り込む（ステップＳ３１）。合波部５で合波させる前の第１光コムＬ１又は第２光コムＬ２の光路上にサンプルＳを配置する（図４（ａ）参照）。その状態において上述したステップＳ１～Ｓ９の処理を実施し、干渉波形ＩＧＭｓａｍ（ｔ）を取り込む（ステップＳ３２）。そして、複素透過率Ｔ（ω）を下式（１）に従い取得すると共に、複素反射率Ｒ（ω）を下式（２）に従い取得する（ステップＳ３３）。以下において、Ｆ［］はフーリエ変換を意味し、ωは角周波数である。
Ｔ（ω）=Ｆ［ＩＧＭｓａｍ（ｔ）］／Ｆ［ＩＧＭｒｅｆ（ｔ）］…（１）
Ｒ（ω）=１－Ｔ（ω）…（２）
なお、Ｔ（ω）は下式（３）でも表すことができる。ここで、ｎ～（＝ｎ＋ｉｋ）はサンプルの複素屈折率、ｎａｉｒは空気の屈折率、ｉは虚数、ｄはサンプルＳの厚み、ｎはサンプルの屈折率、ｋは消衰係数である。下式（３）の実数及びおよび虚数成分に分離し、ｎ及びｋを得ることができる。
Ｔ（ω）＝（（４×ｎ～×ｎａｉｒ）／（ｎ～＋ｎａｉｒ）２）
ｅｘｐ［ｉ×（（ｎ～－ｎａｉｒ）×ｄ／ｃ）］…（３）
Ｒ（ω）は下式（４）でも表すことができる。ここで、Δ及びΨは、それぞれエリプソメトリックパラメータである。下式（４）の実数及びおよび虚数成分に分離し、Δ及びΨを得ることができる。ちなみに、上述したステップＳ３１～Ｓ３３を、上述したステップＳ２における波長変換の目標波長である所定波長を変えて繰り返し実施してもよい。
Ｒ（ω）＝ｔａｎΨ×ｅｘｐ（ｉΔ）…（４）
以上、光コム発生装置１では、ソリトン自己周波数シフトを利用して、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の波長変換が可能である。すなわち、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の波長が可変な光コム発生装置１を実現することができる。
また、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２を用いたデュアルコム分光測定では、測定時間（繰返し周波数の差）と測定帯域（ナイキストスペクトル帯域）とは、トレードオフの関係にある。もし測定時間を速くすると、測定帯域が狭くなる。また、測定帯域を変える場合、複数のバンドパスフィルタが必要となる。測定帯域を広げると、Ｓ／Ｎ劣化のために安定化制御も必要となる。この点、本実施形態では、狭帯域なスペクトル（帯域～１０ｎｍ）でありつつ波長可変できるため、高速且つ広帯域なデュアルコム分光測定を実現できる。
光コム発生装置１では、光コム出力部１０は、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２を出力するデュアルコムレーザ光源である。この場合、デュアルコムレーザ光源を利用して、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２を発生させることが可能となる。デュアルコムレーザ光源の第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２を用いることで、高速且つ高分解能な分光測定が可能となる。例えば、干渉波形がサブナノ秒でサンプリング可能であり、干渉波形を利用する計測を１ｍｓ未満で実行することが可能となる。特に本実施形態では、光コム出力部１０が双方向発振型のデュアルコムレーザ光源であることから、安価且つ簡便に光コム出力部１０を構成でき、煩雑な制御も不要である。
本開示者らは鋭意検討を重ねた結果、ソリトン自己周波数シフトを利用した波長変換を行う前の光コムのスペクトルを広帯域化することで、マルチソリトン化を抑制できるという知見を得た。マルチソリトン化は、例えば、変調により光コムが分裂して複数の光コムが形成されることである。複数の光コムの全てが所望の波長帯域として同時に利用されるような用途は非常に稀であるため、不要な光コムを除く必要がある等、実用上の観点からは、このようなマルチソリトン化は好ましくない場合が多い。そこで、光コム発生装置１では、光増幅部２により第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２のスペクトルを広帯域化する。これにより、マルチソリトン化を抑制することが可能となる。
光コム発生装置１では、光増幅部２は、シミラリトン増幅により第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２のスペクトルを広帯域化する。この場合、光増幅部２では、第１光コム及び第２光コムのストレッチを抑制でき、ソリトン自己周波数シフトを利用した波長変換を効果的に実現できる。
光コム発生装置１では、光増幅部２は、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の強度を制御する。第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の強度を制御することにより、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の波長を例えばパルス毎に可変することが可能となる。
光コム分光測定装置１００は、光コム発生装置１を備えることから、光コム発生装置１で発生させる第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の波長を可変することができる。第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の波長を可変させ、異なる狭帯域のスペクトルを複数生成することができ、高速且つ広帯域な測定帯域の分光測定が可能となる。
光コム分光測定装置では、サンプルＳは、合波部５で合波させる前の第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の何れかの光路上に配置可能である。この場合、サンプルＳの複素屈折率、つまり、吸収係数及び屈折率（複素透過率及び複素反射率）を把握することができる。
光コム分光測定装置１００では、サンプルＳは、合波部５で合波させた後の第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の光路上に配置可能である。この場合、装置構成を簡易化できる。また、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２が同じ波面で干渉することになるため、Ｓ／Ｎが劣化するのを抑制することができる。
光コム分光測定装置１００は、所定帯域の波長の第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２を透過させる波長選択部４を備える。この場合、分光測定の測定帯域を、波長選択部４により例えばサンプルに合わせて適切に設定することができる。
光コム分光測定装置１００では、波長選択部４で反射させた第１光コムＬ１２及び第２光コムＬ２２の差周波光ＬＳに基づいてトリガー信号を取得するトリガー信号取得部７を更に備える。解析部８は、トリガー信号取得部７で取得したトリガー信号と光検出部６の検出結果とに基づいて解析を行う。この場合、分光測定のための出力（所定帯域の波長の第１光コムＬ１１及び第２光コムＬ２１）を利用せずに、解析部８の解析におけるトリガータイミングを得ることができる。また、差周波光ＬＳを利用することから、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の各パルスが重なったときを基準に分光測定できるため、Ｓ／Ｎを高めることができる。
光コム分光測定装置１００では、制御部９は、波長変換部３において第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の波長を所定波長へ変換させる第１処理と、第１処理により第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の波長を所定波長へ変換させた場合に、解析部８において干渉波形に基づいてスペクトルを取得させる第２処理と、第１処理及び第２処理を、所定波長を互いに異なる複数の波長の間で切り替えて繰り返し実行する第３処理と、を実行可能である。この場合、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の波長を可変させて異なる狭帯域のスペクトルを複数生成する処理を、制御部９の制御により実現できる。
光コム分光測定装置１００では、制御部９は、第３処理において、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の波長を１／Δｆｒｅｐの時間幅で切り替える。この場合、干渉波形の取得中に波長を切り替えてしまい、当該切替え前後の波長成分が干渉波形に混在してしまうことを抑制できる。なお、干渉波形をｎ回積算する場合には、波長の切替えはｎ／Δｆｒｅｐとしてもよい。もしくは、１６００～２０００ｎｍまで波長可変した後に、測定をｎ回繰り返してもよい。
上記において、ステップＳ２が第１処理を構成し、ステップＳ３～Ｓ１０が第２処理を構成し、ステップＳ１１～Ｓ１２が第３処理を構成する。
［第２実施形態］
次に第２実施形態について説明する。図９に示される第２実施形態に係る光コム分光測定装置２００が第１実施形態と異なる点は、トリガー信号取得部７（図１参照）に代えてトリガー信号取得部２０７を備えた点である。
トリガー信号取得部２０７は、波長選択部４で反射させた第２光コムＬ２に基づいてトリガー信号を取得する。図示する例では、トリガー信号取得部２０７では、所定帯域以外の波長の第２光コムＬ２１を、ミラー７２で反射させて光検出部７５で検出することにより、トリガー信号を取得する。
以上、光コム分光測定装置２００においても、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の波長が可変な光コム発生装置１を実現することができる。また、光コム分光測定装置２００では、波長選択部４で反射させた第２光コムＬ２２に基づいてトリガー信号を取得するトリガー信号取得部２０７を更に備える。この場合、分光測定のための出力を利用せずに、解析部８の解析におけるトリガータイミングを得ることができる。また、光コム分光測定装置２００の装置構成を簡易化できる。なお、トリガー信号取得部２０７は、波長選択部４で反射させた第１光コムＬ１に基づいてトリガー信号を取得してもよい。
以上、本開示の一態様は、上記実施形態に限定されない。
上記実施形態では、図１０（ａ）に示されるように、ロングパスフィルタ４１の後流側に非線形光学結晶（第２高調波結晶）３４０が配置されていてもよい。非線形光学結晶３４０は、ＢＢＯ（Beta Barium Borate）、ＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium Niobate）、及びＫＴＰ（Potassium Titanyl Phosphate）を含む。この場合、例えば、波長が
１６００～２０００ｎｍの第１光コムＬ１２は、非線形光学結晶３４０を更に透過することにより、波長が８００～１０００ｎｍの第１光コムＬ１３へ波長変換（光パラメトリック発生）される。これにより、第１光コムＬ１の波長帯域を低波長側へ制御することができる。なお、このような波長帯域の制御について第２光コムＬ２に関しても同様である。
上記実施形態は、図１０（ｂ）に示されるように、ロングパスフィルタ４１（図１参照）に代えてショートパスフィルタ３４１を備えていてもよい。この場合、ショートパスフィルタ３４１は、例えば波長が８００～１０００ｎｍの第１光コムＬ１２を透過させる。これにより、第１光コムＬ１の波長帯域を低波長側へ制御することができる。なお、このような波長帯域の制御について第２光コムＬ２に関しても同様である。
上記実施形態では、図１０（ｃ）に示されるように、ショートパスフィルタ３４１の後流側に、例えばＧａＳｅ結晶等の非線形光学結晶３５０が配置されていてもよい。この場合、例えば、波長が８００ｎｍの第１光コムＬ１２は、非線形光学結晶３５０を更に透過することにより、波長が１０μｍの第１光コムＬ１３へ波長変換（光パラメトリック発生）される。これにより、第１光コムＬ１の波長帯域を高波長側へ制御し、例えば中赤外光を発生することができる。なお、このような波長帯域の制御について第２光コムＬ２に関しても同様である。
上記実施形態では、光コム出力部１０において、モード同期手法として非線形偏波回転部１５（図２参照）を用いたが、これに限定されない。例えば非相反位相シフタ、非線形ループミラー、及び、連続光のみを吸収し且つパルス光の透過率が高い可飽和吸収体の何れかをモード同期手法として用いてもよい。好ましくは、外乱に堅牢な偏波保持ファイバを用いる非相反位相シフタもしくは可飽和吸収体をモード同期手法として用いてもよい。光コム出力部１０におけるレーザ光のゲイン媒体は特に限定されず、例えばエルビウム、イットリビウム、ツリウム及びニオジウム等の何れであってもよい。
上記実施形態では、光コム出力部１０として双方向発振型のデュアルコムレーザ光源を採用したが、光コム出力部１０は、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２を出力できれば、その構成及び種類等は特に限定されない。例えば、光コム出力部１０は、２台同期型のデュアルコムレーザ光源であってもよい。この場合、ノイズを抑制することが可能となる。２台同期型のデュアルコムレーザ光源としては、例えば下記文献１に記載された技術を採用してもよい。
文献１：Sho Okubo, et al、“Ultra-broadband dual-comb spectroscopy across 1.0-1.9μm”、 Applied Physics Express 8, 082402 (2015)、published online July 14, 2015、The Japan Society of Applied Physics、 pp.082402-1-82402-05
また例えば、光コム出力部１０は、機械共有型のデュアルコムレーザ光源であってもよい。機械共有型のデュアルコムレーザ光源としては、例えば下記文献２に記載された技術を採用してもよい。
文献２：TAKUMI YUMOTO, et al、“All-polarization-maintaining dual-comb fiber laser with mechanically shared cavity configuration and micro-optic component”、Optics Continuum、Vol. 2, No. 8 / 15、Aug 2023、 pp.1867-1874
また例えば、光コム出力部は、多重偏光型のデュアルコムレーザ光源であってもよい。多重偏光型のデュアルコムレーザ光源としては、例えば下記文献３に記載された技術を採用してもよい。
文献３：YOSHIAKI NAKAJIMA, et al、“All-polarization-maintaining, polarization-multiplexed, dual-comb fiber laser with a nonlinear amplifying loop mirror
”、 OPTICS EXPRESS、Vol. 27, No. 10、13 May 2019、 pp.14648-14656
また例えば、光コム出力部は、マイクロコム型のデュアルコムレーザ光源であってもよい。マイクロコム型のデュアルコムレーザ光源としては、例えば下記文献４に記載された技術を採用してもよい。
文献４：Nikita Yu. Dmitriev, et al、“A hybrid integrated dual-microcomb source”、 physics.optics、arXiv:2112.07398v1、14 December, 2021、pp.1-5
上記実施形態では、ファイバ増幅器２３，２４として、正常分散ファイバであってダブルクラッドファイバのファイバアンプを用いたが、これに代えて、正常分散ファイバであってシングルクラッドファイバ（例えばエルビウム添加）のファイバアンプを用いてもよい。この場合でも、第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２のスペクトルの広帯域化は可能となる。
上記実施形態では、光増幅部２は、音響光学変調器２１，２２に代えて、電気光学変調器（Electro-Optic Modulato）を用いてもよいし、励起レーザの電流変調を介して強度を変調してもよい。上記実施形態では、波長変換部３において、アンチストークスを利用して第１光コムＬ１及び第２光コムＬ２の波長変更を行ってもよい。
上記実施形態及び上記変形例における各構成には、上述した材料及び形状に限定されず、様々な材料及び形状を適用することができる。また、上述した実施形態及び変形例における各構成は、他の実施形態又は変形例における各構成に任意に適用することができる。
１…光コム発生装置、２…光増幅部、３…波長変換部、４…波長選択部、５…合波部、６…光検出部、７…トリガー信号取得部、８…解析部、９…制御部、１０…光コム出力部、１００，２００…光コム分光測定装置、Ｌ１，Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３…第１光コム、Ｌ２，Ｌ２１，Ｌ２２…第２光コム、ＬＳ…差周波光、Ｓ…サンプル。

Claims (11)

  1. 周波数軸上で櫛状に並ぶ複数の周波数モードを有する第１光コム及び第２光コムを出力する光コム出力部と、
    前記光コム出力部から出力された前記第１光コム及び前記第２光コムのスペクトルを広帯域化する光増幅部と、
    前記光増幅部から出力された前記第１光コム及び前記第２光コムの波長を、ソリトン自己周波数シフトを利用して変換する波長変換部と、を備え、
    前記光増幅部は、シミラリトン増幅により前記第１光コム及び前記第２光コムのスペクトルを広帯域化する、光コム発生装置。
  2. 前記光コム出力部は、前記第１光コムと前記第１光コムに対して時間間隔が異なる前記第２光コムとを出力するデュアルコムレーザ光源である、請求項１に記載の光コム発生装置。
  3. 前記光増幅部は、前記第１光コム及び前記第２光コムの強度を制御する、請求項１又は２に記載の光コム発生装置。
  4. 請求項１又は２に記載の光コム発生装置を備え、前記光コム発生装置により発生させた前記第１光コム及び前記第２光コムを用いて、サンプルの分光測定を行う分光測定装置であって、
    前記第１光コム及び前記第２光コムを合波させる合波部と、
    前記合波部で合波させた前記第１光コム及び前記第２光コムを検出する光検出部と、
    前記光検出部の検出結果に基づいて、分光測定に係る解析を行う解析部と、を備える、光コム分光測定装置。
  5. 前記サンプルは、前記合波部で合波させる前の前記第１光コム及び前記第２光コムの何れかの光路上に配置可能である、請求項４に記載の光コム分光測定装置。
  6. 前記サンプルは、前記合波部で合波させた後の前記第１光コム及び前記第２光コムの光路上に配置可能である、請求項４に記載の光コム分光測定装置。
  7. 前記第１光コム及び前記第２光コムの光路における前記光コム発生装置と前記合波部との間に配置され、所定帯域の波長の前記第１光コム及び前記第２光コムを透過させる波長選択部を備える、請求項４に記載の光コム分光測定装置。
  8. 前記波長選択部は、前記所定帯域以外の波長の前記第１光コム及び前記第２光コムを反射させ、
    前記波長選択部で反射させた前記第１光コム及び前記第２光コムの差周波光に基づいてトリガー信号を取得するトリガー信号取得部を更に備え、
    前記解析部は、前記トリガー信号取得部で取得した前記トリガー信号と前記光検出部の検出結果とに基づいて、前記解析を行う、請求項７に記載の光コム分光測定装置。
  9. 前記波長選択部は、前記所定帯域以外の波長の前記第１光コム又は前記第２光コムを反射させ、
    前記波長選択部で反射させた前記第１光コム又は前記第２光コムに基づいてトリガー信号を取得するトリガー信号取得部を更に備え、
    前記解析部は、前記トリガー信号取得部で取得した前記トリガー信号と前記光検出部の検出結果とに基づいて、前記解析を行う、請求項７に記載の光コム分光測定装置。
  10. 制御部を備え、
    前記制御部は、
    前記波長変換部において前記第１光コム及び前記第２光コムの波長を所定波長へ変換させる第１処理と、
    前記第１処理により前記第１光コム及び前記第２光コムの波長を前記所定波長へ変換させた場合に、前記光検出部で前記第１光コム及び前記第２光コムを検出することにより取得した干渉波形に基づいて、前記解析部においてスペクトルを取得させる第２処理と、
    前記第１処理及び前記第２処理を、前記所定波長を互いに異なる複数の波長の間で切り替えて繰り返し実行する第３処理と、を実行可能である、請求項４に記載の光コム分光測定装置。
  11. 前記制御部は、前記第３処理において、前記第１光コム及び前記第２光コムの波長を、１／Δｆｒｅｐの時間幅で切り替える、請求項１０に記載の光コム分光測定装置。

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