(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
ｆrep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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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）］。
【００１０】
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）］。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２５】
【非特許文献１】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.
【非特許文献２】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.
【非特許文献３】M. Pawlowska et al. , "Collinear interferometer with variable delay for carrier-envelope offset frequency measurement",REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, vol.80, 083101, 2009.
【非特許文献４】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.
【非特許文献５】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.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【発明の効果】
【００３２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】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】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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）。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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）]
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
【数１】
0006016132.tif 000002
【００８２】
式（１４）において、Ｌは波長変換干渉部１０３の長さである。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【符号の説明】
【００９４】
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。
【図１】
0006016132.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図５】
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