(57)【要約】【課題】簡素な装置構成で光周波数コムの周波数を安定化する。【解決手段】オフセット信号検出部１３が、光スプリッター１２で分岐された一方の光パルス列Ｐ１から、光周波数コムのオフセット周波数ｆceoを示すオフセット信号ＳＣを検出し、基準信号生成部１４が、光スプリッター１２で分岐された他方の光パルス列Ｐ２から、光周波数コムの繰り返し周波数ｆrepを分周して得られた基準信号ＳＳを生成し、帰還制御回路１５が、これらオフセット信号ＳＣと基準信号ＳＳとの位相を比較し、得られた比較結果に基づいてオフセット周波数ｆceoをフィードバック制御するためのオフセット周波数制御信号Ｓceoをレーザーパルス光源１１へ出力する。【選択図】  図１
2019128399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のオフセット周波数および繰り返し周波数で光周波数コムを形成する光パルス列を発生させるレーザーパルス光源と、
前記光パルス列から、前記オフセット周波数を示すオフセット信号を検出するオフセット信号検出部と、
前記光パルス列から、前記繰り返し周波数を分周して得られた基準信号を生成する基準信号生成部と、
前記オフセット信号と前記基準信号との位相を比較し、得られた比較結果に基づいて前記オフセット周波数をフィードバック制御するためのオフセット周波数制御信号を、前記レーザーパルス光源へ出力する帰還制御回路とを備え、
前記基準信号生成部は、
前記光パルス列を光電変換し、当該光パルス列の繰り返し周波数を示す繰り返し信号を検出する光検出器と、
前記繰り返し信号をｎ（ｎは２以上の整数）分周することにより前記基準信号を生成するマイクロ波分周器とを含む
ことを特徴とする光周波数コム安定化装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光周波数コム安定化装置において、
所定の狭線幅周波数の狭線幅レーザー光と前記光パルス列とを合波して得られた光干渉信号から干渉周波数を示す干渉信号を検出する干渉信号検出部をさらに備え、
前記帰還制御回路は、前記干渉信号と前記基準信号との位相を比較し、得られた比較結果に基づいて前記繰り返し周波数をフィードバック制御するための繰り返し周波数制御信号を、前記レーザーパルス光源へ出力する
ことを特徴とする光周波数コム安定化装置。
【請求項３】
所定のオフセット周波数および繰り返し周波数で光周波数コムを形成する光パルス列を発生させるレーザーパルス光源と、
所定の狭線幅周波数の狭線幅レーザー光と前記光パルス列とを合波して得られた光干渉信号から干渉周波数を示す干渉信号を検出する干渉信号検出部と、
前記光パルス列から、前記繰り返し周波数を分周して得られた基準信号を生成する基準信号生成部と、
前記干渉信号と前記基準信号との位相を比較し、得られた比較結果に基づいて前記繰り返し周波数をフィードバック制御するための繰り返し周波数制御信号を、前記レーザーパルス光源へ出力する帰還制御回路とを備え、
前記基準信号生成部は、
前記光パルス列を光電変換し、当該光パルス列の繰り返し周波数を示す繰り返し信号を検出する光検出器と、
前記繰り返し信号をｎ（ｎは２以上の整数）分周することにより前記基準信号を生成するマイクロ波分周器とを含む
ことを特徴とする光周波数コム安定化装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の光周波数コム安定化装置において、
前記オフセット信号検出部は、前記光パルス列から、前記オフセット信号とともに、前記繰り返し周波数を示す繰り返し信号を検出し、
前記基準信号生成部は、前記オフセット信号検出部で検出された前記繰り返し信号をｎ（ｎは２以上の整数）分周することにより前記基準信号を生成するマイクロ波分周器を含む
ことを特徴とする光周波数コム安定化装置。
【請求項５】
請求項２または請求項３に記載の光周波数コム安定化装置において、
前記干渉信号検出部は、前記光パルス列から、前記干渉信号とともに、前記繰り返し周波数を示す繰り返し信号を検出し、
前記基準信号生成部は、前記干渉信号検出部で検出された前記繰り返し信号をｎ（ｎは２以上の整数）分周することにより前記基準信号を生成するマイクロ波分周器を含む
ことを特徴とする光周波数コム安定化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光周波数コムのオフセット周波数や繰り返し周波数を安定化するための光周波数コム安定化技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気的方法で測定可能なマイクロ波以下のマイクロ波基準周波数を元にして、光の周波数を直接測定する新しい技術が提案されている（非特許文献１−２参照）。
図１３は、光周波数コムを示す説明図である。一般に、モード同期レーザーにより発振されるパルスレーザー光は、図１３（ａ）に示すように、時間軸上では等しい時間間隔Ｔで並ぶ。一方、パルスレーザー光は、図１３（ｂ）に示すように、周波数軸上では等しい間隔の繰り返し周波数ｆrepで櫛状に並ぶ多数のモードの集合体となる。このように周波数軸上に櫛状に並ぶレーザー光の集合体が、光周波数コム（ＯＦＣ：Optical Frequency Comb）と呼ばれている。
【０００３】
ところで、パルスレーザー光の包絡線のピークと光搬送波電界のピークは常に一致しているわけではなく、時間的にシフトしていき、その変化も一定でない。図１３（ａ）に示した包絡線で示すパルスのピークの時間間隔Ｔと、図１３（ｂ）に示す光周波数コムのモードの間隔である繰り返し周波数ｆrepとの間には、ｆrep＝１／Ｔという関係があり、光周波数コムの各モードのスペクトル周波数ｆnは、ｆn＝ｆceo＋ｎ×ｆrep（ｎは整数）と表すことができる。また、包絡線のピークから計った光搬送波電界の位相であるキャリアエンベロープ位相をφとし、このφの隣り合うパルス（包絡線）の間のずれをΔφとすると、モードのオフセット周波数ｆceoと繰り返し周波数ｆrepとの間には、ｆceo＝ｆrep×Δφ／（２π）の関係が成り立っている。
【０００４】
これにより、レーザー繰返し周波数ｆrepとキャリアエンベロープ位相差Δφとを固定することができれば、光周波数コムの各モードの波長を安定化することができ、マイクロ波周波数を光の周波数領域にまでつなぐ周波数基準となる。各モードの波長が正確に定まった光周波数コムは高精度な周波数標準および関連する基礎物理だけでなく、通信、精密計測、量子情報通信などの分野へ応用されていくと考えられる。
【０００５】
非特許文献１に示されている、光周波数コムの光周波数を安定化する手法では、レーザー光源として、光共振器装置を備えた受動モード同期レーザーや電気光学変調器（ＥＯＭ：Electro-Optic Modulator）を用いた光周波数コム（以下、ＥＯＭコムという）が用いられている。これらのレーザー光源はパルスレーザー光を発振することができる。モード同期レーザーは、通常、光を増幅する利得媒質と、共振器長がＬの共振器を有する。この共振器の縦モードの共振周波数はｃ／２Ｌ（ｃは光速）の整数倍である。
【０００６】
このとき、レーザーが発振するレーザー光のスペクトルの幅よりも共振器の共振周波数の間隔が狭いと、共振器において複数のモード（周波数）で共振する。
したがって、各モードの位相を揃える（モード同期）ことにより、繰返し周波数ｆrep＝ｃ／（２Ｌ）でレーザー光が強められる。これにより、繰返し周波数ｆrepのパルスレーザー光、すなわち図１３に示したような光周波数コムが生成される。
【０００７】
モード同期レーザー発振器やＥＯＭコムのスペクトルとして、例えばフォトニック結晶ファイバーなどで生じる自己位相変調効果を用いて、帯域が１オクターブ以上の白色光を発生させる。この際、長波長成分ｎ×ｆrep＋ｆceoの第２高調波を発生させると、その周波数は、２×（ｎ×ｆrep＋ｆceo）となる。また、白色光の短波長成分は、２×ｎ×ｆrep＋ｆceoと表すことができる。したがって、長波長成分の第２高調波と短波長成分の２つの光を干渉させ、例えばフォトダイオードでこれら２つの光のうなり信号を検出すれば、これら２つの光の周波数差から繰返し周波数ｆceoの値を測定することができる。
【０００８】
その測定値を外部からのマイクロ波基準周波数（外部基準信号）と比較し、それからのずれの大きさを元に電子回路で共振器内の非線形分散の大きさにフィードバックを行うことで、キャリアエンベロープ位相差すなわちコムのオフセット周波数を安定化することができる。一方、レーザーの繰返し周波数は、フォトダイオードからの繰返し周波数信号を元に、レーザーの共振器長にフィードバックすることにより、ある有限の範囲内に固定することが可能である。
【０００９】
また、非特許文献２では、非特許文献１の手法のように外部基準信号を用いずに、ｆceoと繰り返し周波数ｆrep−ｆceoを用いて、ｆrep／ｎ（ｎは２以上の整数）の周波数にｆceoを安定化する手法が提案されており、外部基準信号を用いた場合と同程度の周波数安定性が確認されている。
なお、出願人は本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, "Carrier-Envelope Phase Control of Femtosecond Mode-Locked Lasers and Direct Optical Frequency Synthesis", Science 288, 635 (2000)
【非特許文献２】S. Okubo, et. al., "Novel phase-locking schemes for the carrier envelope offset frequency of an optical frequency comb", Appl. Phys. Express 8, 112402, The Japan Society of Applied Physics, (2015)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、このような非特許文献２に示されている従来技術では、外部基準信号を用いずに、ｆceoと繰り返し周波数ｆrep−ｆceoを用いて、ｆrep／ｎ（ｎは２以上整数）の周波数に、ｆceoを安定化することができるものの、ｎの値ごとにそれぞれ光スプリッター、バンドパスフィルター、逓倍器、バイアスコントローラー、および光増幅器等を用意する必要がある。
【００１２】
具体的には、例えば、ｎ＝２の場合、光スプリッター、バイアスコントローラー、およびバンドパスフィルターが必要となる。ｎ＝３の場合、２種類のバンドパスフィルター、２逓倍器、および光増幅器が必要となる。
このため、光周波数を安定化するための装置構成が大掛かりとなり、安定化に必要な設備コスト、所要時間、作業負担が増大するという問題点があった。
【００１３】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、簡素な装置構成で光周波数コムの周波数を安定化できる光周波数安定化技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このような目的を達成するために、本発明にかかる光周波数コム安定化装置は、所定のオフセット周波数および繰り返し周波数で光周波数コムを形成する光パルス列を発生させるレーザーパルス光源と、前記光パルス列から、前記オフセット周波数を示すオフセット信号を検出するオフセット信号検出部と、前記光パルス列から、前記繰り返し周波数を分周して得られた基準信号を生成する基準信号生成部と、前記オフセット信号と前記基準信号との位相を比較し、得られた比較結果に基づいて前記オフセット周波数をフィードバック制御するためのオフセット周波数制御信号を、前記レーザーパルス光源へ出力する帰還制御回路とを備え、前記基準信号生成部は、前記光パルス列を光電変換し、当該光パルス列の繰り返し周波数を示す繰り返し信号を検出する光検出器と、前記繰り返し信号をｎ（ｎは２以上の整数）分周することにより前記基準信号を生成するマイクロ波分周器とを含むものである。
【００１５】
また、本発明にかかる上記光周波数コム安定化装置の一構成例は、所定の狭線幅周波数の狭線幅レーザー光と前記光パルス列とを合波して得られた光干渉信号から干渉周波数を示す干渉信号を検出する干渉信号検出部をさらに備え、前記帰還制御回路は、前記干渉信号と前記基準信号との位相を比較し、得られた比較結果に基づいて前記繰り返し周波数をフィードバック制御するための繰り返し周波数制御信号を、前記レーザーパルス光源へ出力するようにしたものである。
【００１６】
本発明にかかる他の光周波数コム安定化装置は、所定のオフセット周波数および繰り返し周波数で光周波数コムを形成する光パルス列を発生させるレーザーパルス光源と、所定の狭線幅周波数の狭線幅レーザー光と前記光パルス列とを合波して得られた光干渉信号から干渉周波数を示す干渉信号を検出する干渉信号検出部と、前記光パルス列から、前記繰り返し周波数を分周して得られた基準信号を生成する基準信号生成部と、前記干渉信号と前記基準信号との位相を比較し、得られた比較結果に基づいて前記繰り返し周波数をフィードバック制御するための繰り返し周波数制御信号を、前記レーザーパルス光源へ出力する帰還制御回路とを備え、前記基準信号生成部は、前記光パルス列を光電変換し、当該光パルス列の繰り返し周波数を示す繰り返し信号を検出する光検出器と、前記繰り返し信号をｎ（ｎは２以上の整数）分周することにより前記基準信号を生成するマイクロ波分周器とを含むものである。
【００１７】
また、本発明にかかる上記光周波数コム安定化装置の一構成例は、前記オフセット信号検出部が、前記光パルス列から、前記オフセット信号とともに、前記繰り返し周波数を示す繰り返し信号を検出し、前記基準信号生成部は、前記オフセット信号検出部で検出された前記繰り返し信号をｎ（ｎは２以上の整数）分周することにより前記基準信号を生成するマイクロ波分周器を含むものである。
【００１８】
また、本発明にかかる上記光周波数コム安定化装置の一構成例は、前記干渉信号検出部が、前記光パルス列から、前記干渉信号とともに、前記繰り返し周波数を示す繰り返し信号を検出し、前記基準信号生成部は、前記干渉信号検出部で検出された前記繰り返し信号をｎ（ｎは２以上の整数）分周することにより前記基準信号を生成するマイクロ波分周器を含むものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、光周波数コム安定化装置の内部に設けられた、比較的簡素な構成の基準信号生成部で基準信号が生成されて、光周波数コムの周波数、すなわちオフセット周波数や繰り返し周波数の安定化に用いられることになる。このため、外部基準信号が不要となるとともに、外部基準信号を発生させるための水晶発振器ベースの信号発生器も不要となる。また、分周数ｎの値ごとにそれぞれスプリッター、バンドパスフィルター、逓倍器、バイアスコントローラー、光増幅器等のマイクロ波部品を用いる必要もなくなる。
【００２０】
また、光検出器や分周器という、極めて簡素で安価な構成で基準信号を生成することが可能となるとともに、いずれの分周数ｎであっても、同一構成で対応する基準信号を生成することが可能となる。
したがって、従来手法より簡素な構成で、従来手法と同程度の周波数安定度で光周波数コムの周波数を安定化することが可能となり、安定化に必要な設備コスト、所要時間、作業負担を大幅に削減することが可能となる。このように、本発明は、従来以上に光周波数コムの各モードを利用した通信分野や分光学分野の発展に寄与するものであり、本発明が従来技術よりも優れていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置の動作を示す説明図である。
【図３】第１の実施の形態にかかるオフセット周波数の位相雑音（Phase Noize）を示す測定結果を示すグラフである。
【図４】第１の実施の形態にかかるオフセット周波数のアラン分散値（Allan Deviation）を示す測定結果を示すグラフである。
【図５】第１の実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置の他の構成例である。
【図６】第１の実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置の他の構成例である。
【図７】第２の実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置の構成を示すブロック図である。
【図８】第２の実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置の動作を示す説明図である。
【図９】第２の実施の形態にかかるオフセット周波数の位相雑音（Phase Noize）を示す測定結果を示すグラフである。
【図１０】第２の実施の形態にかかるオフセット周波数のアラン分散値（Allan Deviation）を示す測定結果を示すグラフである。
【図１１】第２の実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置の他の構成例である。
【図１２】第３の実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】光周波数コムを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置１０について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置の構成を示すブロック図である。
この光周波数コム安定化装置１０は、レーザーパルス光源で発生させた光パルス列が形成する光周波数コムのオフセット周波数を、外部基準信号を用いることなく安定化するための装置である。
【００２３】
図１に示すように、本実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置１０は、主な構成として、レーザーパルス光源１１、光スプリッター１２、オフセット信号検出部１３、基準信号生成部１４、および帰還制御回路１５を備えている。
【００２４】
レーザーパルス光源１１は、所定のオフセット周波数ｆceoおよび繰り返し周波数ｆrepで、光周波数コムを形成する光パルス列Ｐを発生させるレーザー光源である。レーザーパルス光源１１の具体例としては、モード同期レーザー、ＥＯＭコム、あるいは、マイクロ共振器ベースの光カーコムがある。
光スプリッター１２は、レーザーパルス光源１１で発生させた光パルス列Ｐを、２つの光パルス列Ｐ１，Ｐ２に分岐して出力する機能を有している。
【００２５】
オフセット信号検出部１３は、光スプリッター１２で分岐された一方の光パルス列Ｐ１から、オフセット周波数ｆceoを示す、電気信号からなるオフセット信号ＳＣを検出する機能を有している。
具体的な構成例として、オフセット信号検出部１３は、非線形光学媒質１３Ａ、自己参照干渉計１３Ｂ、および第１の光検出器１３Ｃを備えている。
【００２６】
非線形光学媒質１３Ａは、光パルス列Ｐ１の光スペクトル帯域を拡大した広帯域光ＰＳＣを生成する機能を有している。
非線形光学媒質１３Ａにおいて、非線形感受率の大きい材料を使用すれば、高効率に所望の広スペクトル帯域光を発生でき、光周波数コム安定化に必要となるレーザーパルス光源１１からの供給エネルギーの最低閾値を低く抑制することが可能である。
【００２７】
自己参照干渉計１３Ｂは、非線形光学媒質１３Ａで生成された広帯域光ＰＳＣに含まれている、高周波成分と低周波成分との光干渉信号ＰＩを生成する機能を有している。
広帯域光ＰＳＣの帯域幅により、自己参照干渉計１３Ｂの種類を選択できる。例えば、広帯域光ＰＳＣの光帯域幅が１オクターブ以上あれば、広帯域光ＰＳＣに含まれる基本波の高周波成分と基本波の低周波成分の第２高調波との光干渉信号ＰＩを生成する、ｆ−２ｆ自己参照干渉計を用いればよい。また、光帯域幅が２／３オクターブ帯域であれば、広帯域光ＰＳＣに含まれる基本波の高周波成分の第２高調波と基本波の低周波成分の第３高調波との光干渉信号ＰＩを生成する、２ｆ−３ｆ自己参照干渉計を用いればよい。
【００２８】
第１の光検出器１３Ｃは、自己参照干渉計１３Ｂで生成された光干渉信号ＰＩを光電変換し、得られた電気信号から、オフセット周波数ｆceoを示すオフセット信号ＳＣを検出する機能を有している。
光電変換して得られた電気信号には、低周波数側からｆceo，ｆrep−ｆceo，ｆrepの順にそれぞれ対応した信号成分のほか、第１の光検出器１３Ｃで検出可能な周波数帯域に依存した高調波成分も含まれているため、フィルタ回路などを用いて、所望するオフセット周波数ｆceoに対応する信号成分をオフセット信号ＳＣとして検出すればよい。
【００２９】
基準信号生成部１４は、光スプリッター１２で分岐された他方の光パルス列Ｐ２から、繰り返し周波数ｆrepをｎ（ｎは２以上の整数）分周して得られた、電気信号からなる基準信号ＳＳを生成する機能を有している。
具体的な構成例として、基準信号生成部１４は、第２の光検出器１４Ａとマイクロ波分周器１４Ｂとを備えている。
【００３０】
第２の光検出器１４Ａは、光パルス列Ｐ２を光電変換し、当該光パルス列Ｐ２の繰り返し周波数ｆrepを示す、電気信号からなる繰り返し信号ＳＲを検出する機能を有している。
光電変換して得られた電気信号には、低周波数側からｆceoやｆrepに対応した信号成分のほか、第２の光検出器１４Ａで検出可能な周波数帯域に依存した高調波成分も含まれているため、フィルタ回路などを用いて、所望するｆrepに対応する信号成分を、繰り返し信号ＳＲとして検出すればよい。
【００３１】
マイクロ波分周器１４Ｂは、第２の光検出器１４Ａで検出された繰り返し信号ＳＲを、ｎ（ｎは２以上の整数）分周することにより、周波数がｆrep／ｎの基準信号ＳＳを生成する機能を有している。
【００３２】
帰還制御回路１５は、オフセット信号検出部１３で検出されたオフセット信号ＳＣと、基準信号生成部１４で生成された基準信号ＳＳとの位相を比較し、得られた比較結果に基づいてオフセット周波数ｆceoをフィードバック制御するためのオフセット周波数制御信号Ｓceoをレーザーパルス光源１１へ出力する機能を有している。
帰還制御回路１５の具体例としては、例えば高速でＰＩＤ制御を行う高速ＰＩＤ制御回路がある。
【００３３】
［第１の実施の形態の動作］
次に、図２を参照して、本実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置１０の動作について説明する。図２は、第１の実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置の動作を示す説明図である。
【００３４】
レーザーパルス光源１１で発生させた光パルス列Ｐは、光スプリッター１２で２つの光パルス列Ｐ１，Ｐ２に分岐される。このうち、光パルス列Ｐ１は、オフセット信号検出部１３に入力され、光パルス列Ｐ２は、基準信号生成部１４に入力される。
【００３５】
オフセット信号検出部１３において、非線形光学媒質１３Ａは、入力された光パルス列Ｐ１の光スペクトル帯域を拡大し、得られた広帯域光ＰＳＣを自己参照干渉計１３Ｂへ出力する。自己参照干渉計１３Ｂは、入力された広帯域光ＰＳＣに含まれている高周波成分と低周波成分との光干渉信号ＰＩを生成し、第１の光検出器１３Ｃへ出力する。
第１の光検出器１３Ｃは、入力された光干渉信号ＰＩを光電変換し、得られた電気信号から、オフセット周波数ｆceoを示すオフセット信号ＳＣを検出し、帰還制御回路１５へ出力する。
【００３６】
一方、基準信号生成部１４において、第２の光検出器１４Ａは、入力された光パルス列Ｐ２から、繰り返し周波数ｆrepを示す繰り返し信号ＳＲを検出し、マイクロ波分周器１４Ｂへ出力する。
マイクロ波分周器１４Ｂは、入力された繰り返し信号ＳＲを、ｎ（ｎは２以上の整数）分周することにより、周波数がｆrep／ｎの基準信号ＳＳを生成し、帰還制御回路１５へ出力する。
【００３７】
帰還制御回路１５は、オフセット信号検出部１３から出力されたオフセット信号ＳＣと、基準信号生成部１４から出力された基準信号ＳＳとの位相を比較し、得られた比較結果に基づいてオフセット周波数ｆceoをフィードバック制御するためのオフセット周波数制御信号Ｓceoを生成し、レーザーパルス光源１１へ出力する。
【００３８】
レーザーパルス光源１１は、入力されたオフセット周波数制御信号Ｓceoに基づいて、光パルス列Ｐが形成する光周波数コムのオフセット周波数ｆceoを制御する。これにより、オフセット周波数ｆceoが基準信号ＳＳの基準周波数ｆrep／ｎと一致するよう制御され、結果として、オフセット周波数ｆceoを安定化することができる。
【００３９】
この際、レーザーパルス光源１１が、モード同期レーザーの場合には、励起レーザーがオフセット周波数制御信号Ｓceoに基づいて制御される。また、レーザーパルス光源１１が、ＥＯＭコムの場合は種光源のＣＷレーザー（Continuous Wave Laser）、もしくは、種光源直後に配置する音響光学変調器（ＡＯＭ：Acoust Optical Modulators）がオフセット周波数制御信号Ｓceoに基づいて制御される。
【００４０】
図３は、第１の実施の形態にかかるオフセット周波数の位相雑音（Phase Noize）を示す測定結果を示すグラフである。図４は、第１の実施の形態にかかるオフセット周波数のアラン分散値（Allan Deviation）を示す測定結果を示すグラフである。ここでは、基準信号生成部１４で生成した、繰り返し周波数ｆrep＝１００ＭＨｚおよび分周数ｎ＝１０からなる１０ＭＨｚの基準信号ＳＳを用いた本発明の周波数安定化手法による測定結果と、外部の信号発生器で発生させた１０ＭＨｚの外部基準信号を用いた周波数安定化手法による測定結果とが示されている。
【００４１】
これら図３および図４の測定結果から計算した、本発明の周波数安定化手法と外部基準信号を用いた周波数安定化手法のＲＭＳジッタは、共に５．３ｎｓであった。これにより、外部基準信号を用いない本発明の周波数安定化手法であっても、外部基準信号を用いた周波数安定化手法と同程度の精度で、オフセット周波数ｆceoを安定化できていることが分かる。
【００４２】
［第１の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、オフセット信号検出部１３が、光スプリッター１２で分岐された一方の光パルス列Ｐ１から、光周波数コムのオフセット周波数ｆceoを示すオフセット信号ＳＣを検出し、基準信号生成部１４が、光スプリッター１２で分岐された他方の光パルス列Ｐ２から、光周波数コムの繰り返し周波数ｆrepを分周して得られた基準信号ＳＳを生成し、帰還制御回路１５が、これらオフセット信号ＳＣと基準信号ＳＳとの位相を比較し、得られた比較結果に基づいてオフセット周波数ｆceoをフィードバック制御するためのオフセット周波数制御信号Ｓceoをレーザーパルス光源１１へ出力するようにしたものである。
【００４３】
より具体的には、基準信号生成部１４で、第２の光検出器１４Ａが、光スプリッター１２で分岐された他方の光パルス列Ｐ２を光電変換し、当該光パルス列Ｐ３の繰り返し周波数ｆrepを示す繰り返し信号ＳＲを検出し、マイクロ波分周器１４Ｂが、繰り返し信号ＳＲをｎ（ｎは２以上の整数）分周することにより基準信号ＳＳを生成するようにしたものである。
【００４４】
これにより、光周波数コム安定化装置１０の内部に設けられた、比較的簡素な構成の基準信号生成部１４で基準信号ＳＳが生成されて、オフセット周波数ｆceoの安定化に用いられることになる。このため、外部基準信号が不要となるとともに、外部基準信号を発生させるための水晶発振器ベースの信号発生器も不要となる。また、分周数ｎの値ごとにそれぞれスプリッター、バンドパスフィルター、逓倍器、バイアスコントローラー、光増幅器等のマイクロ波部品を用いる必要もなくなる。
【００４５】
また、光検出器や分周器という、極めて簡素で安価な構成で基準信号ＳＳを生成することが可能となるとともに、いずれの分周数ｎであっても、同一構成で対応する基準信号ＳＳを生成することが可能となる。
したがって、従来手法より簡素な構成で、従来手法と同程度の周波数安定度で光周波数コムの周波数を安定化することが可能となり、安定化に必要な設備コスト、所要時間、作業負担を大幅に削減することが可能となる。このように、本発明は、従来以上に光周波数コムの各モードを利用した通信分野や分光学分野の発展に寄与するものであり、本発明が従来技術よりも優れていることが分かる。
【００４６】
また、本実施の形態において、レーザーパルス光源１１として、モード同期レーザーまたはＥＯＭコムを用い、オフセット信号検出部１３で、非線形光学媒質１３Ａが、光スプリッター１２で分岐された一方の光パルス列Ｐ１の光スペクトル帯域を拡大した広帯域光ＰＳＣを生成し、自己参照干渉計１３Ｂが、広帯域光ＰＳＣに含まれている、高周波成分と低周波成分との光干渉信号ＰＩを生成し、第１の光検出器１３Ｃが、光干渉信号ＰＩを光電変換し、得られた電気信号からオフセット信号ＳＣを検出するようにしてもよい。
これにより、レーザーパルス光源１１がモード同期レーザーまたはＥＯＭコムからなる場合には、極めて簡素で安価な構成でオフセット信号ＳＣを生成することが可能となる。
【００４７】
また、本実施の形態において、レーザーパルス光源１１として、マイクロ共振器をベースとした光カーコムを用いてもよい。図５は、第１の実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置の他の構成例である。図５の構成例では、オフセット信号検出部１３で、自己参照干渉計１３Ｂが、光スプリッター１２で分岐された一方の光パルス列Ｐ１に含まれている、高周波成分と低周波成分との光干渉信号ＰＩを生成し、第１の光検出器１３Ｃが、光干渉信号ＰＩを光電変換し、得られた電気信号からオフセット信号ＳＣを検出するようにしたものである。
【００４８】
これにより、レーザーパルス光源１１が、マイクロ共振器を用いた光カーコムからなる場合には、そのマイクロ共振器から直接発生する広スペクトルを利用して、非線形光学媒質１３Ａを省くことができるため、さらに簡素で安価な構成でオフセット信号ＳＣを生成することが可能となる。
【００４９】
また、本実施の形態において、基準信号生成部１４で用いる繰り返し信号ＳＲを、オフセット信号検出部１３の第１の光検出器１３Ｃで検出するようにしてもよい。図６は、第１の実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置の他の構成例である。
【００５０】
図６の構成例では、オフセット信号検出部１３の第１の光検出器１３Ｃが、光パルス列Ｐから、オフセット信号ＳＣとともに、繰り返し周波数ｆrepを示す繰り返し信号ＳＲを検出し、基準信号生成部１４で、マイクロ波分周器１４Ｂが、オフセット信号検出部１３で検出された繰り返し信号ＳＲをｎ（ｎは２以上の整数）分周することにより基準信号ＳＳを生成するようにしたものである。
これにより、図１と比較して、第２の光検出器１４Ａ、さらには光スプリッター１２を省くことができるため、さらに簡素で安価な構成で基準信号ＳＳを生成することが可能となる。
【００５１】
［第２の実施の形態］
次に、図７を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置１０について説明する。図７は、第２の実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置の構成を示すブロック図である。
第１の実施の形態では、光周波数コムのオフセット周波数ｆceoを安定化する場合について説明した。本実施の形態では、光周波数コムの繰り返し周波数ｆrepを安定化する場合について説明する。
【００５２】
図７に示すように、本実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置１０は、主な構成として、レーザーパルス光源１１、光スプリッター１２、基準信号生成部１４、帰還制御回路１５、および干渉信号検出部１６を備えている。図７において、図１と同じまたは同等部分には同一符号を付してある。
【００５３】
レーザーパルス光源１１は、所定のオフセット周波数ｆceoおよび繰り返し周波数ｆrepで、光周波数コムを形成する光パルス列Ｐを発生させるレーザー光源である。レーザーパルス光源１１の具体例としては、モード同期レーザーやＥＯＭコムがある。
光スプリッター１２は、レーザーパルス光源１１で発生させた光パルス列Ｐを、２つの光パルス列Ｐ１，Ｐ２に分岐して出力する機能を有している。
【００５４】
干渉信号検出部１６は、光スプリッター１２で分岐された一方の光パルス列Ｐ１と、所定の狭線幅周波数の狭線幅レーザー光ＰＮとを合波し、得られた光干渉信号ＰＩから干渉周波数ｆbeatを示す干渉信号ＳＢを検出する機能を有している。
具体的な構成例として、干渉信号検出部１６は、狭線幅レーザー１６Ａ、光合波器１６Ｂ、および第３の光検出器１６Ｃとを備えている。
【００５５】
狭線幅レーザー１６Ａは、所定の狭線幅周波数で狭線幅レーザー光ＰＮを発生させるレーザー光源である。
光合波器１６Ｂは、光スプリッター１２で分岐された一方の光パルス列Ｐ１と、狭線幅レーザー１６Ａから出力された狭線幅レーザー光ＰＮとを合波することにより、光干渉信号ＰＩを生成する機能を有している。
【００５６】
第３の光検出器１６Ｃは、光合波器１６Ｂで生成された光干渉信号ＰＩを光電変換し、得られた電気信号から干渉周波数ｆbeatを示す干渉信号ＳＢを検出する機能を有している。
光電変換して得られた電気信号には、低周波数側からｆbeat，ｆrep−ｆbeat，ｆrepの順にそれぞれ対応した信号成分のほか、第３の光検出器１６Ｃで検出可能な周波数帯域に依存した高調波成分も含まれているため、フィルタ回路などを用いて、所望する干渉周波数ｆbeatに対応する信号成分を、干渉信号ＳＢとして検出すればよい。
【００５７】
基準信号生成部１４は、光スプリッター１２で分岐された他方の光パルス列Ｐ２から、繰り返し周波数ｆrepをｎ（ｎは２以上の整数）分周して得られた、電気信号からなる基準信号ＳＳを生成する機能を有している。
具体的な構成例として、基準信号生成部１４は、第２の光検出器１４Ａとマイクロ波分周器１４Ｂとを備えている。
【００５８】
第２の光検出器１４Ａは、光パルス列Ｐ２を光電変換し、当該光パルス列Ｐ２の繰り返し周波数ｆrepを示す、電気信号からなる繰り返し信号ＳＲを検出する機能を有している。
光電変換して得られた電気信号には、低周波数側からｆceoやｆrepに対応した信号成分のほか、第２の光検出器１４Ａで検出可能な周波数帯域に依存した高調波成分も含まれているため、フィルタ回路などを用いて、所望するｆrepに対応する信号成分を、繰り返し信号ＳＲとして検出すればよい。
【００５９】
マイクロ波分周器１４Ｂは、第２の光検出器１４Ａで検出された繰り返し信号ＳＲを、ｎ（ｎは２以上の整数）分周することにより、周波数がｆrep／ｎの基準信号ＳＳを生成する機能を有している。
【００６０】
帰還制御回路１５は、干渉信号検出部１６で検出された干渉信号ＳＢと、基準信号生成部１４で生成された基準信号ＳＳとの位相を比較し、得られた比較結果に基づいて繰り返し周波数ｆrepをフィードバック制御するための繰り返し周波数制御信号Ｓrepをレーザーパルス光源１１へ出力する機能を有している。
帰還制御回路１５の具体例としては、例えば高速でＰＩＤ制御を行う高速ＰＩＤ制御回路がある。
【００６１】
［第２の実施の形態の動作］
次に、図８を参照して、本実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置１０の動作について説明する。図８は、第２の実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置の動作を示す説明図である。
【００６２】
レーザーパルス光源１１で発生させた光パルス列Ｐは、光スプリッター１２で２つの光パルス列Ｐ１，Ｐ２に分岐される。このうち、光パルス列Ｐ１は、干渉信号検出部１６に入力され、光パルス列Ｐ２は、基準信号生成部１４に入力される。
【００６３】
干渉信号検出部１６において、光合波器１６Ｂは、入力された光パルス列Ｐ１と、狭線幅レーザー１６Ａから出力された狭線幅レーザー光ＰＮとを合波することにより、光干渉信号ＰＩを生成し、第３の光検出器１６Ｃへ出力する。
第３の光検出器１６Ｃは、入力された光干渉信号ＰＩを光電変換し、得られた電気信号から、干渉周波数ｆbeatを示す干渉信号ＳＢを検出し、帰還制御回路１５へ出力する。
【００６４】
一方、基準信号生成部１４において、第２の光検出器１４Ａは、入力された光パルス列Ｐ２から、繰り返し周波数ｆrepを示す繰り返し信号ＳＲを検出し、マイクロ波分周器１４Ｂへ出力する。
マイクロ波分周器１４Ｂは、入力された繰り返し信号ＳＲを、ｎ（ｎは２以上の整数）分周することにより、周波数がｆrep／ｎの基準信号ＳＳを生成し、帰還制御回路１５へ出力する。
【００６５】
帰還制御回路１５は、干渉信号検出部１６から出力された干渉信号ＳＢと、基準信号生成部１４から出力された基準信号ＳＳとの位相を比較し、得られた比較結果に基づいて繰り返し周波数ｆrepをフィードバック制御するための繰り返し周波数制御信号Ｓrepを生成し、レーザーパルス光源１１へ出力する。
【００６６】
レーザーパルス光源１１は、入力された繰り返し周波数制御信号Ｓrepに基づいて、光パルス列Ｐが形成する光周波数コムの繰り返し周波数ｆrepを制御する。これにより、干渉周波数ｆbeatが基準信号ＳＳの基準周波数ｆrep／ｎと一致するよう制御され、結果として、繰り返し周波数ｆrepを安定化することができる。
【００６７】
この際、レーザーパルス光源１１が、モード同期レーザーの場合には、共振器内部に配置されている電気光学変調器ＥＯＭやピエゾ素子が、繰り返し周波数制御信号Ｓrepに基づいて制御される。また、レーザーパルス光源１１が、ＥＯＭコムの場合は種光源のＣＷレーザー、もしくは、種光源直後に配置されている音響光学変調器ＡＯＭが、繰り返し周波数制御信号Ｓrepに基づいて制御される。
【００６８】
図９は、第２の実施の形態にかかるオフセット周波数の位相雑音（Phase Noize）を示す測定結果を示すグラフである。図１０は、第２の実施の形態にかかるオフセット周波数のアラン分散値（Allan Deviation）を示す測定結果を示すグラフである。ここでは、基準信号生成部１４で生成した、繰り返し周波数ｆrep＝１００ＭＨｚおよび分周数ｎ＝１０からなる１０ＭＨｚの基準信号ＳＳを用いた本発明の周波数安定化手法による測定結果と、外部の信号発生器で発生させた１０ＭＨｚの外部基準信号を用いた周波数安定化手法による測定結果とが示されている。
【００６９】
これら図９および図１０の測定結果から計算した、本発明の周波数安定化手法と外部基準信号を用いた周波数安定化手法のＲＭＳジッタは、それぞれ２．１ｎｓと２．４ｎｓであった。これにより、外部基準信号を用いない本発明の周波数安定化手法であっても、外部基準信号を用いた周波数安定化手法と同程度の精度で、繰り返し周波数ｆrepを安定化できていることが分かる。
【００７０】
［第２の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、干渉信号検出部１６が、光スプリッター１２で分岐された一方の光パルス列Ｐ１と、所定の狭線幅周波数の狭線幅レーザー光ＰＮとを合波して得られた光干渉信号ＰＩから、干渉周波数ｆbeatを示す干渉信号ＳＢを検出し、基準信号生成部１４が、光スプリッター１２で分岐された他方の光パルス列Ｐ２から、光周波数コムの繰り返し周波数ｆrepを分周して得られた基準信号ＳＳを生成し、帰還制御回路１５が、これら干渉信号ＳＢと基準信号ＳＳとの位相を比較し、得られた比較結果に基づいて繰り返し周波数ｆrepをフィードバック制御するための繰り返し周波数制御信号Ｓrepをレーザーパルス光源１１へ出力するようにしたものである。
【００７１】
これにより、光周波数コム安定化装置１０の内部に設けられた、比較的簡素な構成の基準信号生成部１４で基準信号ＳＳが生成されて、繰り返し周波数ｆrepの安定化に用いられることになる。このため、外部基準信号が不要となるとともに、外部基準信号を発生させるための水晶発振器ベースの信号発生器も不要となる。また、分周数ｎの値ごとにそれぞれスプリッター、バンドパスフィルター、逓倍器、バイアスコントローラー、光増幅器等のマイクロ波部品を用いる必要もなくなる。
【００７２】
また、光検出器や分周器という、極めて簡素で安価な構成で基準信号ＳＳを生成することが可能となるとともに、いずれの分周数ｎであっても、同一構成で対応する基準信号ＳＳを生成することが可能となる。
したがって、従来手法より簡素な構成で、従来手法と同程度の周波数安定度で光周波数コムの周波数を安定化することが可能となり、安定化に必要な設備コスト、所要時間、作業負担を大幅に削減することが可能となる。このように、本発明は、従来以上に光周波数コムの各モードを利用した通信分野や分光学分野の発展に寄与するものであり、本発明が従来技術よりも優れていることが分かる。また、狭線幅レーザー１６Ａを基準にしているため、光周波数コムのスペクトル線幅も狭窄化できる利点があり、光周波数計量や精密分光に対しても本発明は有用である。
【００７３】
また、本実施の形態において、基準信号生成部１４で用いる繰り返し信号ＳＲを、干渉信号検出部１６の第３の光検出器１６Ｃで検出するようにしてもよい。図１１は、第２の実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置の他の構成例である。
【００７４】
図１１の構成例では、干渉信号検出部１６の第３の光検出器１６Ｃが、光パルス列Ｐから、干渉信号ＳＢとともに、繰り返し周波数ｆrepを示す繰り返し信号ＳＲを検出し、基準信号生成部１４で、マイクロ波分周器１４Ｂが、干渉信号検出部１６で検出された繰り返し信号ＳＲをｎ（ｎは２以上の整数）分周することにより基準信号ＳＳを生成するようにしてもよい。
これにより、図７と比較して、第２の光検出器１４Ａ、さらには光スプリッター１２を省くことができるため、さらに簡素で安価な構成で基準信号ＳＳを生成することが可能となる。
【００７５】
［第３の実施の形態］
次に、図１２を参照して、本実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置１０について説明する。図１２は、第２の実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置の構成を示すブロック図である。
第１の実施の形態では、光周波数コムのオフセット周波数ｆceoを安定化する場合について説明し、第２の実施の形態では、光周波数コムの繰り返し周波数ｆrepを安定化する場合について説明した、本実施の形態では、これらオフセット周波数ｆceoと繰り返し周波数ｆrepの両方を安定化する場合について説明する。
【００７６】
図１２に示すように、本実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置１０は、主な構成として、レーザーパルス光源１１、光スプリッター１２、オフセット信号検出部１３、基準信号生成部１４、帰還制御回路１５、および干渉信号検出部１６を備えている。図１２において、図１および図７と同じまたは同等部分には同一符号を付してある。
【００７７】
レーザーパルス光源１１は、所定のオフセット周波数ｆceoおよび繰り返し周波数ｆrepで、光周波数コムを形成する光パルス列Ｐを発生させるレーザー光源である。レーザーパルス光源１１の具体例としては、モード同期レーザー、ＥＯＭコム、あるいは、マイクロ共振器ベースの光カーコムがある。
光スプリッター１２は、レーザーパルス光源１１で発生させた光パルス列Ｐを、３つの光パルス列Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に分岐して出力する機能を有している。
【００７８】
オフセット信号検出部１３は、光スプリッター１２で分岐された一方の光パルス列Ｐ１から、オフセット周波数ｆceoを示す、電気信号からなるオフセット信号ＳＣを検出する機能を有している。
具体的な構成例として、オフセット信号検出部１３は、非線形光学媒質１３Ａ、自己参照干渉計１３Ｂ、および第１の光検出器１３Ｃを備えている。
非線形光学媒質１３Ａは、光パルス列Ｐ１の光スペクトル帯域を拡大した広帯域光ＰＳＣを生成する機能を有している。
非線形光学媒質１３Ａにおいて、非線形感受率の大きい材料を使用すれば、高効率に所望の広スペクトル帯域光を発生でき、光周波数コム安定化に必要となるレーザーパルス光源１１からの供給エネルギーの最低閾値を低く抑制することが可能である。
【００７９】
自己参照干渉計１３Ｂは、非線形光学媒質１３Ａで生成された広帯域光ＰＳＣに含まれている、高周波成分と低周波成分との光干渉信号ＰＩを生成する機能を有している。
広帯域光ＰＳＣの帯域幅により、自己参照干渉計１３Ｂの種類を選択できる。例えば、広帯域光ＰＳＣの光帯域幅が１オクターブ以上あれば、広帯域光ＰＳＣに含まれる基本波の高周波成分と基本波の低周波成分の第２高調波との光干渉信号ＰＩを生成する、ｆ−２ｆ自己参照干渉計を用いればよい。また、光帯域幅が２／３オクターブ帯域であれば、広帯域光ＰＳＣに含まれる基本波の高周波成分の第２高調波と基本波の低周波成分の第３高調波との光干渉信号ＰＩを生成する、２ｆ−３ｆ自己参照干渉計を用いればよい。
【００８０】
第１の光検出器１３Ｃは、自己参照干渉計１３Ｂで生成された光干渉信号ＰＩを光電変換し、得られた電気信号から、オフセット周波数ｆceoを示すオフセット信号ＳＣを検出する機能を有している。
光電変換して得られた電気信号には、低周波数側からｆceo，ｆrep−ｆceo，ｆrepの順にそれぞれ対応した信号成分のほか、第１の光検出器１３Ｃで検出可能な周波数帯域に依存した高調波成分も含まれているため、フィルタ回路などを用いて、所望するオフセット周波数ｆceoに対応する信号成分をオフセット信号ＳＣとして検出すればよい。
【００８１】
基準信号生成部１４は、光スプリッター１２で分岐された他方の光パルス列Ｐ２から、繰り返し周波数ｆrepをｎ（ｎは２以上の整数）分周して得られた、電気信号からなる基準信号ＳＳを生成する機能を有している。
具体的な構成例として、基準信号生成部１４は、第２の光検出器１４Ａとマイクロ波分周器１４Ｂとを備えている。
【００８２】
第２の光検出器１４Ａは、光パルス列Ｐ２を光電変換し、当該光パルス列Ｐ２の繰り返し周波数ｆrepを示す、電気信号からなる繰り返し信号ＳＲを検出する機能を有している。
光電変換して得られた電気信号には、低周波数側からｆceoやｆrepに対応した信号成分のほか、第２の光検出器１４Ａで検出可能な周波数帯域に依存した高調波成分も含まれているため、フィルタ回路などを用いて、所望するｆrepに対応する信号成分を、繰り返し信号ＳＲとして検出すればよい。
【００８３】
マイクロ波分周器１４Ｂは、第２の光検出器１４Ａで検出された繰り返し信号ＳＲを、ｎ（ｎは２以上の整数）分周することにより、周波数がｆrep／ｎの基準信号ＳＳを生成する機能を有している。
【００８４】
帰還制御回路１５は、オフセット信号検出部１３で検出されたオフセット信号ＳＣと、基準信号生成部１４で生成された基準信号ＳＳとの位相を比較し、得られた比較結果に基づいてオフセット周波数ｆceoをフィードバック制御するためのオフセット周波数制御信号Ｓceoをレーザーパルス光源１１へ出力する機能と、干渉信号検出部１６で検出された干渉信号ＳＢと、基準信号生成部１４で生成された基準信号ＳＳとの位相を比較し、得られた比較結果に基づいて繰り返し周波数ｆrepをフィードバック制御するための繰り返し周波数制御信号Ｓrepをレーザーパルス光源１１へ出力する機能を有している。
帰還制御回路１５の具体例としては、例えば高速でＰＩＤ制御を行う高速ＰＩＤ制御回路がある。
【００８５】
干渉信号検出部１６は、光スプリッター１２で分岐された一方の光パルス列Ｐ３と、所定の狭線幅周波数の狭線幅レーザー光ＰＮとを合波し、得られた光干渉信号ＰＩから干渉周波数ｆbeatを示す干渉信号ＳＢを検出する機能を有している。
具体的な構成例として、干渉信号検出部１６は、狭線幅レーザー１６Ａ、光合波器１６Ｂ、および第３の光検出器１６Ｃとを備えている。
【００８６】
狭線幅レーザー１６Ａは、所定の狭線幅周波数で狭線幅レーザー光ＰＮを発生させるレーザー光源である。
光合波器１６Ｂは、光スプリッター１２で分岐された光パルス列Ｐ３と、狭線幅レーザー１６Ａから出力された狭線幅レーザー光ＰＮとを合波することにより、光干渉信号ＰＩを生成する機能を有している。
【００８７】
第３の光検出器１６Ｃは、光合波器１６Ｂで生成された光干渉信号ＰＩを光電変換し、得られた電気信号から干渉周波数ｆbeatを示す干渉信号ＳＢを検出する機能を有している。
光電変換して得られた電気信号には、低周波数側からｆbeat，ｆrep−ｆbeat，ｆrepの順にそれぞれ対応した信号成分のほか、第３の光検出器１６Ｃで検出可能な周波数帯域に依存した高調波成分も含まれているため、フィルタ回路などを用いて、所望する干渉周波数ｆbeatに対応する信号成分を、干渉信号ＳＢとして検出すればよい。
【００８８】
［第３の実施の形態の動作］
次に、前述した図２および図８を参照して、本実施の形態にかかる光周波数コム安定化装置１０の動作について説明する。
【００８９】
レーザーパルス光源１１で発生させた光パルス列Ｐは、光スプリッター１２で３つの光パルス列Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に分岐される。このうち、光パルス列Ｐ１は、オフセット信号検出部１３に入力され、光パルス列Ｐ２は、基準信号生成部１４に入力され、光パルス列Ｐ３は、干渉信号検出部１６に入力される。
【００９０】
オフセット信号検出部１３において、非線形光学媒質１３Ａは、入力された光パルス列Ｐ１の光スペクトル帯域を拡大し、得られた広帯域光ＰＳＣを自己参照干渉計１３Ｂへ出力する。自己参照干渉計１３Ｂは、入力された広帯域光ＰＳＣに含まれている高周波成分と低周波成分との光干渉信号ＰＩを生成し、第１の光検出器１３Ｃへ出力する。
第１の光検出器１３Ｃは、入力された光干渉信号ＰＩを光電変換し、得られた電気信号から、オフセット周波数ｆceoを示すオフセット信号ＳＣを検出し、帰還制御回路１５へ出力する。
【００９１】
また、干渉信号検出部１６において、光合波器１６Ｂは、入力された光パルス列Ｐ３と、狭線幅レーザー１６Ａから出力された狭線幅レーザー光ＰＮとを合波することにより、光干渉信号ＰＩを生成し、第３の光検出器１６Ｃへ出力する。
第３の光検出器１６Ｃは、入力された光干渉信号ＰＩを光電変換し、得られた電気信号から、干渉周波数ｆbeatを示す干渉信号ＳＢを検出し、帰還制御回路１５へ出力する。
【００９２】
一方、基準信号生成部１４において、第２の光検出器１４Ａは、入力された光パルス列Ｐ２から、繰り返し周波数ｆrepを示す繰り返し信号ＳＲを検出し、マイクロ波分周器１４Ｂへ出力する。
マイクロ波分周器１４Ｂは、入力された繰り返し信号ＳＲを、ｎ（ｎは２以上の整数）分周することにより、周波数がｆrep／ｎの基準信号ＳＳを生成し、帰還制御回路１５へ出力する。
【００９３】
帰還制御回路１５は、オフセット信号検出部１３から出力されたオフセット信号ＳＣと、基準信号生成部１４から出力された基準信号ＳＳとの位相を比較し、得られた比較結果に基づいてオフセット周波数ｆceoをフィードバック制御するためのオフセット周波数制御信号Ｓceoを生成し、レーザーパルス光源１１へ出力する。また、帰還制御回路１５は、干渉信号検出部１６から出力された干渉信号ＳＢと、基準信号生成部１４から出力された基準信号ＳＳとの位相を比較し、得られた比較結果に基づいて繰り返し周波数ｆrepをフィードバック制御するための繰り返し周波数制御信号Ｓrepを生成し、レーザーパルス光源１１へ出力する。
【００９４】
レーザーパルス光源１１は、入力されたオフセット周波数制御信号Ｓceoに基づいて、光パルス列Ｐが形成する光周波数コムのオフセット周波数ｆceoを制御する。これにより、オフセット周波数ｆceoが基準信号ＳＳの基準周波数ｆrep／ｎと一致するよう制御され、結果として、オフセット周波数ｆceoを安定化することができる。
この際、レーザーパルス光源１１が、モード同期レーザーの場合には、励起レーザーがオフセット周波数制御信号Ｓceoに基づいて制御される。また、レーザーパルス光源１１が、ＥＯＭコムの場合は種光源のＣＷレーザー、もしくは、種光源直後に配置する音響光学変調器ＡＯＭがオフセット周波数制御信号Ｓceoに基づいて制御される。
【００９５】
また、レーザーパルス光源１１は、入力された繰り返し周波数制御信号Ｓrepに基づいて、光パルス列Ｐが形成する光周波数コムの繰り返し周波数ｆrepを制御する。これにより、干渉周波数ｆbeatが基準信号ＳＳの基準周波数ｆrep／ｎと一致するよう制御され、結果として、繰り返し周波数ｆrepを安定化することができる。
この際、レーザーパルス光源１１が、モード同期レーザーの場合には、共振器内部に配置されている電気光学変調器ＥＯＭやピエゾ素子が、繰り返し周波数制御信号Ｓrepに基づいて制御される。また、レーザーパルス光源１１が、ＥＯＭコムの場合は種光源のＣＷレーザー、もしくは、種光源直後に配置されている音響光学変調器ＡＯＭが、繰り返し周波数制御信号Ｓrepに基づいて制御される。
【００９６】
［第３の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、オフセット信号検出部１３が、光スプリッター１２で分岐された光パルス列Ｐ１から、光周波数コムのオフセット周波数ｆceoを示すオフセット信号ＳＣを検出し、基準信号生成部１４が、光スプリッター１２で分岐された他方の光パルス列Ｐ２から、光周波数コムの繰り返し周波数ｆrepを分周して得られた基準信号ＳＳを生成し、干渉信号検出部１６が、光スプリッター１２で分岐された光パルス列Ｐ３と、所定の狭線幅周波数の狭線幅レーザー光ＰＮとを合波して得られた光干渉信号ＰＩから、干渉周波数ｆbeatを示す干渉信号ＳＢを検出し、基準信号生成部１４が、光スプリッター１２で分岐された光パルス列Ｐ２から、光周波数コムの繰り返し周波数ｆrepを分周して得られた基準信号ＳＳを生成するようにしたものである。
【００９７】
そして、帰還制御回路１５が、オフセット信号ＳＣと基準信号ＳＳとの位相を比較し、得られた比較結果に基づいてオフセット周波数ｆceoをフィードバック制御するためのオフセット周波数制御信号Ｓceoをレーザーパルス光源１１へ出力し、また、帰還制御回路１５が、干渉信号ＳＢと基準信号ＳＳとの位相を比較し、得られた比較結果に基づいて繰り返し周波数ｆrepをフィードバック制御するための繰り返し周波数制御信号Ｓrepをレーザーパルス光源１１へ出力するようにしたものである。
【００９８】
これにより、光周波数コム安定化装置１０の内部に設けられた、比較的簡素な構成の基準信号生成部１４で基準信号ＳＳが生成されて、繰り返し周波数ｆrepの安定化に用いられることになる。このため、外部基準信号が不要となるとともに、外部基準信号を発生させるための水晶発振器ベースの信号発生器も不要となる。また、分周数ｎの値ごとにそれぞれスプリッター、バンドパスフィルター、逓倍器、バイアスコントローラー、光増幅器等のマイクロ波部品を用いる必要もなくなる。
【００９９】
また、光検出器や分周器という、極めて簡素で安価な構成で基準信号ＳＳを生成することが可能となるとともに、いずれの分周数ｎであっても、同一構成で対応する基準信号ＳＳを生成することが可能となる。
したがって、従来手法より簡素な構成で、従来手法と同程度の周波数安定度で光周波数コムの周波数を安定化することが可能となり、安定化に必要な設備コスト、所要時間、作業負担を大幅に削減することが可能となる。このように、本発明は、従来以上に光周波数コムの各モードを利用した通信分野や分光学分野の発展に寄与するものであり、本発明が従来技術よりも優れていることが分かる。また、狭線幅レーザー１６Ａを基準にしているため、光周波数コムのスペクトル線幅も狭窄化できる利点があり、光周波数計量や精密分光に対しても本発明は有用である。
【０１００】
また、本実施の形態において、レーザーパルス光源１１として、モード同期レーザーまたはＥＯＭコムを用い、オフセット信号検出部１３で、非線形光学媒質１３Ａが、光スプリッター１２で分岐された一方の光パルス列Ｐ１の光スペクトル帯域を拡大した広帯域光ＰＳＣを生成し、自己参照干渉計１３Ｂが、広帯域光ＰＳＣに含まれている、高周波成分と低周波成分との光干渉信号ＰＩを生成し、第１の光検出器１３Ｃが、光干渉信号ＰＩを光電変換し、得られた電気信号からオフセット信号ＳＣを検出するようにしてもよい。
これにより、レーザーパルス光源１１がモード同期レーザーまたはＥＯＭコムからなる場合には、極めて簡素で安価な構成でオフセット信号ＳＣを生成することが可能となる。
【０１０１】
また、本実施の形態において、基準信号生成部１４で用いる繰り返し信号ＳＲを、前述した図６に示したように、オフセット信号検出部１３の第１の光検出器１３Ｃで検出するようにしてもよい。これにより、図１２と比較して、第２の光検出器１４Ａを省くことができるため、さらに簡素で安価な構成で基準信号ＳＳを生成することが可能となる。
【０１０２】
また、本実施の形態において、基準信号生成部１４で用いる繰り返し信号ＳＲを、前述した図１１に示したように、干渉信号検出部１６の第３の光検出器１６Ｃで検出するようにしてもよい。これにより、図１２と比較して、第２の光検出器１４Ａを省くことができるため、さらに簡素で安価な構成で基準信号ＳＳを生成することが可能となる。
【０１０３】
［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【０１０４】
１０…光周波数コム安定化装置、１１…レーザーパルス光源、１２…光スプリッター、１３…オフセット信号検出部、１３Ａ…非線形光学媒質、１３Ｂ…自己参照干渉計、１３Ｃ…第１の光検出器、１４…基準信号生成部、１５…帰還制御回路、１６…干渉信号検出部、１６Ａ…狭線幅レーザー、１６Ｂ…光合波器、１６Ｃ…第３の光検出器、Ｐ，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…光パルス列、ＰＳＣ…広帯域光、ＰＮ…狭線幅レーザー光、ＰＩ…光干渉信号、ＳＣ…オフセット信号、ＳＢ…干渉信号、ＳＲ…繰り返し信号、ＳＳ…基準信号、Ｓceo…オフセット周波数制御信号、Ｓrep…繰り返し周波数制御信号、ｆceo…オフセット周波数、ｆrep…繰り返し周波数、ｆbeat…干渉周波数。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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