(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続したレーザ光を発生する光源と、
前記光源より発生したレーザ光を第１周波数で位相変調して前記第１周波数のパルス繰り返し周波数を有する光パルスを生成する光パルス生成手段と、
この光パルス生成手段により生成された光パルスの光スペクトル帯域を拡大させる非線形光学媒質と、
この非線形光学媒質により光スペクトル帯域が拡大された光パルスより得られる長波長成分の第ｎ高調波（ｎは２以上の整数）及び短波長成分の第ｎ−１高調波の周波数差の光信号を光電変換して電気信号を出力する検出手段と、
所定の第２周波数の参照信号を供給する参照信号供給手段と、
前記検出手段より出力される電気信号と所定の周波数の参照信号とを比較し、この比較の状態をもとに前記光源を制御する帰還制御手段と
を少なくとも備えることを特徴とする光周波数コム安定化光源。
【請求項２】
請求項１記載の光周波数コム安定化光源において、
前記光パルス生成手段は、
前記レーザ光を前記第１周波数で位相変調する位相変調機能部と、
前記位相変調機能部により位相変調された前記レーザ光に波長分散を与えることで、前記第１周波数のパルスの繰り返し周波数を有する光パルスを生成する波長分散付与機能部と
を備えることを特徴とする光周波数コム安定化光源。
【請求項３】
請求項１記載の光周波数コム安定化光源において、
前記光パルス生成手段は、
ファブリペロー共振器内に配置された電気光学変調器を含み、
前記電気光学変調器は、前記レーザ光に変調をかけるものである
ことを特徴とする光周波数コム安定化光源。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光周波数コム安定化光源において、
前記光パルス生成手段と前記非線形光学媒質との間に配置され、
前記光パルス生成手段より生成される光パルスの繰り返し周波数を低減させる光ゲートを備えることを特徴とする光周波数コム安定化光源。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光周波数コム安定化光源において、
前記検出手段より出力される電気信号の強度を元に前記光源のレーザ光出力を制御する制御手段を備える
ことを特徴とする光周波数コム安定化光源。
【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安定化光源に関するものである。
【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もとに、光の周波数を直接測定する新しい技術が開発されている（非特許文献１〜７参照）。この技術では、光周波数コム（Comb）を、光周波数のものさしとして光周波数計測に利用している。この光周波数コムでは、周波数領域において安定した光パルス列の一定の周波数間隔で現れる周波数の複数の線スペクトルを櫛目と見立てている。この櫛目の間隔がマイクロ波帯の光パルスの繰り返し周波数であり、各櫛目の光周波数は、隣り合う櫛目の間隔の周波数（マイクロ波周波数）の整数倍にオフセット光周波数を加えたものとなる。従って、光周波数コムでは、櫛目の間隔の周波数と整数値とにより各線スペクトルの光周波数が決定できる。
【０００３】
このような光周波数コムを用いれば、電気的に測定可能な間隔周波数をもとに、光周波数の計測が行える。例えば、測定対象の光と光周波数コムとを混ぜ合わせ（干渉させ）たときに観察される光ビートを用いれば、光周波数コムの各線スペクトルの光周波数は既知であるので、測定対象の光の光周波数を求めることができる。このように直接光周波数を測定可能とする光周波数コムは、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。光周波数コムは、高精度な周波数基準及び関連する基礎物理学だけではなく、通信，精密計測，量子情報通信などの分野への応用が展開されていくものと考えられる。
【０００４】
このような光周波数コムの光源として、例えば、共振器を備えた受動モード同期レーザが用いられている（非特許文献１〜３，５〜７参照）。受動モード同期レーザは、パルスレーザを発振することができる。また、受動モード同期レーザを光源とした光周波数コムの周波数を安定化する手法が提案されている（特許文献１及び非特許文献１〜６参照）。
【０００５】
以下、従来技術における受動モード同期レーザを光源とした光周波数コムの、周波数の安定化について説明する。まず、レーザは、一般に、光を増幅する利得媒質と、所定の共振器長（Ｌ）の共振器を備えている。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。また、レーザが発振するレーザ光のスペクトル幅は非常に狭いが、このスペクトル幅よりも共振器の共振周波数の間が狭いと、共振器において複数のモード（周波数）で共振する。このように複数のモードで共振する状態において、各モードの位相を揃える（モード同期させる）ことにより、繰り返し周波数ｆrep＝ｃ／（２Ｌ）で発振するレーザ光が強められる。このように、複数のモードで共振する状態でモード同期させることで、繰り返し周波数ｆrepのパルスレーザを発振させることができる。
【０００６】
このような、受動モード同期レーザにより発振されるパルスレーザ光は、図６の「パルス包絡線」に示すようなパルスが、時間軸上に等しい時間間隔Ｔで並ぶ。図６では、光搬送波電界が変化することによるパルスを、光搬送波電界の包絡線として示し、また、１つのパルスを示している。一方、周波数軸上においては、図７に示すように、等しい周波数間隔ｆrepで櫛状に並ぶ多数のモード（線スペクトル）の集合体となり、光周波数コムとなる。一般に、時間軸上に並ぶ光搬送波電界のピークと、パルスレーザのパルスのピークと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、この変化も一定ではない。なお、図６では、光搬送波電界のピークと、包絡線により示されるパルスのピークとが、φずれている状態を示している。また、繰り返しパルス間のφのずれΔφに対応し、図７に示すように、光周波数コムもオフセット光周波数δだけオフセットされている。
【０００７】
ところで、上述した包絡線で示すパルスのピーク間の時間幅Ｔと、図７に示す光周波数コムのモードの間隔である周波数間隔ｆrepとの間には、「ｆrep＝１／Ｔ」という関係があり、各モード（光周波数コムのピーク）のスペクトル周波数ｆnは、「ｆn＝ｎ×ｆrep＋δ（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（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、「δ＝（Δφ／２π）×ｆrep」である。
【０００８】
ここで、まず、受動モード同期レーザ発振器のスペクトルの周波数帯域を、例えばフォトニック結晶ファイバなどで生じる自己位相変調効果を用い、周波数帯域を２倍以上（帯域１オクターブ以上）に広げて白色光を発生させる。このことにより、光周波数コムの櫛目となるモードの数を増大させることができる。このようにして得られた白色光の長波長成分ｆ1（＝ｎ×ｆrep＋δ）の第２高調波を発生させると、この周波数は、ｆ1’＝２×（ｎ×ｆrep＋δ）となる。また、上記白色光の短波長成分ｆ2は、「ｆ2＝２×ｎ×ｆrep＋δ」と表せるが、この短波長成分ｆ2の光とｆ1’の光とを干渉させ、これにより発生するうなり信号（光ビート）を例えばフォトダイオードを用いて検出することで、ｆ1’とｆ2との周波数差δ（＝ｆ1’−ｆ2）の値を測定することができる。
【０００９】
このようにして測定した周波数差δを外部からのマイクロ波参照周波数と比較して得られるこれらのずれの大きさをもとに、電子回路などを用いて共振器内における光が感じる非線形分散量（非線形屈折率）にフィードバックをかけることで、前述した光周波数コムのオフセット光周波数δ（キャリアエンベロープ位相φの差）が安定した状態で、受動モード同期レーザより光周波数コムを得ることができる。
【００１０】
また、受動モード同期レーザの繰り返し周波数ｆrepは、このレーザ光を受光しているフォトダイオードなどの光検出器からの繰り返し周波数信号をもとに、受動モード同期レーザの共振器長にフィードバックをかけることで、ある有限の範囲内に固定することができる。
【００１１】
上述したことにより、オフセット光周波数と繰り返し周波数とを一定にした光周波数コム安定化光源が、共振器を備えた受動モード同期レーザを基本に開発されている（非特許文献１〜６参照）。
【００１２】
ところで、上述した受動モード同期レーザを用いた光周波数コム光源では、キャリアエンベロープ位相を制御する手段として、共振器内に設置されたガラスウエッジの挿入量を変えて共振器における屈折率（分散量）を変化させることや、ポンプ光の強度を変えて利得媒質（例えばチタンサファイヤ結晶）の非線形屈折率を変化させるようにしている（非特許文献１〜３，５〜７参照）。従って、従来の技術では、周波数が安定な光周波数コムを得るためには、共振器を備えた受動モード同期レーザを用いることが前提となる。
【００１３】
受動モード同期レーザを用いる場合、得られるレーザの中心光周波数は共振器内に配置された利得媒質に依存し、例えば、利得媒質としてチタンサファイヤ結晶を用いた場合、発振可能なレーザの波長は６５０〜１１００ｎｍの範囲となるが、最も効率よく発振できる波長は８００ｎｍである。このように、受動モード同期レーザでは、得られるレーザの中心光周波数が限定される。
【００１４】
また、キャリアエンベロープ位相差の検出には、前述したように、フォトニック結晶ファイバや高非線形ファイバなどを用いてスペクトルを広帯域化した光を得られるだけのレーザ出力が必要となる。このため、用いることができるレーザの種類が限定される。また、条件を満たすレーザでは、共振器内に配置する利得媒質と光学部品との空間的配置などの制約から、共振器長を短くすることができず、共振器長で決定される繰り返し周波数は、１ＧＨｚ程度が上限となる。
【００１５】
さらに、繰り返し周波数を変化させるための共振器の長さの調節（制御）は、通常、共振器エンドミラーに固定したピエゾ素子などのアクチュエータで行っている。このため、繰り返し周波数の可変範囲も小さいものとなっている。例えば、繰り返し周波数が８０ＭＨｚのレーザ光源の可変範囲は、７７〜８３ＭＨｚである。
【００１６】
一方、安定な光周波数コムを得る方法として、連続的にレーザを出す波長安定化ＣＷ光源を用い、この光源に対して電気光学変調器で深い周波数変調をかけ、ＦＭ側帯波を発生させる方法が提案されている（非特許文献７参照）。この方法では、繰り返し周波数における制約は解消されるが、光周波数コムのオフセット光周波数は、もとになるＣＷ光の中心波長によって決定されるため、得られる光周波数コムの安定化を実現するためには、例えば、アセチレンガスなどの吸収線にロックすることで得られる波長安定化光源などのＣＷ光源が必要となり、外部からのマイクロ波参照周波数だけで光周波数コムの各モードの波長を固定することができず、得られる確度も劣るものとなる。
【００１７】
【特許文献１】米国特許第６７８５３０３号公報
【特許文献２】特開２００６−２０９０６７号公報
【非特許文献１】D.J.Jones, et al., "Carrier-Envelope Phase Control of Femtosecond Mode-Locked Lasers and Direct Optical Frequency Synthesis", Science, Vol.288, pp.635-639, 2000.
【非特許文献２】R.Holzwarth, et al., "Optical Frequency Synthesizer for Precision Spectroscopy", Phys. Rev. Lett., Vol.85, No.11, pp.2264-2267, 2000.
【非特許文献３】K.Sugiyama, wt al., "Frequency Control of a Chirped-Mirror-Dispersion-Controlled Mode-Locked Ti:Al2O3 Laser for Comparison between Microwave and Optical Frequencies", Proceedings of SPIE, Vol.4269, pp.95-104,2001
【非特許文献４】T.R.Schibli, et al., "Frequency metrology with a turnkey all-fiber system", Optics Letters ,Vol.29, No.21, pp.2467-2469, 2004.
【非特許文献５】T.M.Foritier, et al., "Octave-spanning Ti:sapphire laser with a repetition rate >1 GHz for optical frequency measurements and comparisons", Optics Letters ,Vol.31, No.7, pp.1011-1013, 2006.
【非特許文献６】I. Hartl, et al., "Integrated self-referenced frequency-comb laser based on a combination of fiber and waveguide technology", Optics Express, Vol.13, No.17, pp.6490-6496,2005.
【非特許文献７】M.Kourogi, et al., "Limit of Optical-Frequency Comb Generation Due to Material Dispersion", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.31, No.12, pp.2120-2126, 1995.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
以上に説明したように、共振器を備えた受動モード同期レーザを用いた従来の光周波数コム安定化光源では、光源の中心光周波数及び繰り返し周波数の可変範囲が限定されており、１ＧＨｚ以上の繰り返し周波数を得ることも困難であるという問題があった。
【００１９】
また、電気光学変調器で深い周波数変調をＣＷ波長安定化光源にかけてＦＭ側帯波を発生させる方法では、連続発振光の波長をアセチレンガスなどの吸収線にロックする波長安定化光源を必要とし、外部からのマイクロ波参照周波数だけでは光周波数コムの各モードの波長を固定できず、また、得られる周波数精度も低いなど、装置が複雑化して高い精度が得られないという問題があった。
【００２０】
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、高い精度で、任意の中心光周波数及び繰り返し周波数の光周波数コムが得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明に係る光周波数コム安定化光源は、連続したレーザ光を発生する光源と、光源より発生したレーザ光を第１周波数で位相変調して第１周波数のパルス繰り返し周波数を有する光パルスを生成する光パルス生成手段と、この光パルス生成手段により生成された光パルスの光スペクトル帯域を拡大させる非線形光学媒質と、この非線形光学媒質により光スペクトル帯域が拡大された光パルスより得られる長波長成分の第ｎ高調波（ｎは２以上の整数）及び短波長成分の第ｎ−１高調波の周波数差の光信号を光電変換して電気信号を出力する検出手段と、所定の第２周波数の参照信号を供給する参照信号供給手段と、検出手段より出力される電気信号と所定の周波数の参照信号とを比較し、この比較の状態をもとに光源を制御する帰還制御手段とを少なくとも備えるものである。従って、非線形光学結晶媒質より得られる光パルスは、中心光周波数が光源により決定され、パルスの繰り返し周波数は、光パルス生成手段における位相変調の周波数（第１周波数）により決定される。
【００２２】
上記光周波数コム安定化光源において、光パルス生成手段は、レーザ光を第１周波数で位相変調する位相変調機能部と、位相変調機能部により位相変調されたレーザ光に波長分散を与えることで、第１周波数のパルスの繰り返し周波数を有する光パルスを生成する波長分散付与機能部とを備えるようにしてもよい。
【００２３】
上記光周波数コム安定化光源において、光パルス生成手段は、ファブリペロー共振器内に配置された電気光学変調器を含み、電気光学変調器は、レーザ光に変調をかけるものであってもよい。また、光パルス生成手段と非線形光学媒質との間に配置され、光パルス生成手段より生成される光パルスの繰り返し周波数を低減させる光ゲートを備えるようにしてもよい。また、検出手段より出力される電気信号の強度をもとに光源のレーザ光出力を制御する制御手段を備えるようにしても良い。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明によれば、連続したレーザ光を発生する光源より発生したレーザ光を第１周波数で位相変調することで、パルスの繰り返し周波数が第１周波数の光パルスを生成し、この光パルスの光スペクトル帯域を拡大させ、帯域が拡大した光パルスより得られる長波長成分の第ｎ高調波及び短波長成分の第ｎ−１高調波の周波数差の光信号に対応する電気信号と参照信号とを比較し、この比較の状態をもとに光源を制御するようにしたので、高い精度で、任意の中心光周波数及び繰り返し周波数の光周波数コムが得られるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、以下に説明する本実施の形態における光周波数コム安定化光源は、本発明の一例であり、具体的な構成は以下の実施の形態に限るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での設計の変更は、本発明に含まれるものである。
【００２６】
図１は、本発明の実施の形態における光周波数コム安定化光源の構成例を示す構成図である。本実施の形態における光周波数コム安定化光源は、まず、連続波（ＣＷ）光を発生するレーザ光源１０１と、レーザ光源１０１より出射されたＣＷ光を繰り返し周波数ｆrep（例えば数ＧＨｚ〜数１０ＧＨｚ）で位相変調する位相変調部１０２と、繰り返し周波数ｆrepの繰り返し基準信号を発生して位相変調部１０２に供給するマイクロ波基準周波数発生器１０３と、位相変調部１０２により位相変調されたＣＷ光に波長分散を与えて繰り返し周波数ｆrepの光パルス列に変換する波長分散付与部１０４を備える。レーザ光源１０１は、例えば波長可変ＣＷ光源であり、中心波長が任意に選択可能とされている。また、波長分散付与部１０４は、例えば、光ファイバ，ファイバグレーティング，及び平面型光波回路で構成することができる。
【００２７】
また、本実施の形態における光周波数コム安定化光源は、高い確度（精度）で繰り返し周波数ｆrep及びオフセット光周波数が保たれた光周波数コム安定化光を取り出すためのビームスプリッタ１０５と、繰り返し周波数ｆrepの光パルス列に変換された光（光パルス列）の光強度を増幅する光増幅器１０６と、光増幅器１０６からのＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）雑音などの雑音成分を除去する光フィルタ（光バンドパスフィルタ）１０７と、繰り返し周波数ｆrepの光パルス列に変換された光パルス列のスペクトル帯域を拡大する非線形光学媒質１０８とを備える。
【００２８】
非線形光学媒質１０８としては、例えば、コアの周りに多数の空孔を設けてこの領域を等価的に屈折率を低下させたクラッドとしたフォトニック結晶ファイバなどの、非線形光学効果を発現する非線形光ファイバにより、非線形光学媒質１０８が構成できる。また、非線形光学媒質１０８は、導波方向（長手方向）に波長分散が異常分散から正常分散に減少する非線形光ファイバであるとよい（特許文献２参照）。フォトニック結晶ファイバの場合、等価的にクラッドとした領域の孔の孔径や配置の状態により、導波方向に波長分散が異常分散から正常分散に減少す状態とすることができる。
【００２９】
また、本実施の形態における光周波数コム安定化光源は、非線形光学媒質１０８により広スペクトル帯域が拡大された光パルスより得られる第ｎ高調波（ｎは２以上の整数），及び短波長成分の第ｎ−１高調波の周波数差の光信号（光ビート）を検出して光電変換する検出部１０９と、検出部１０９に検出されて光電変換された電気信号と外部から入力されるマイクロ波参照周波数とを比較参照してレーザ光源１０１をフィードバック制御する帰還制御部１１０と、帰還制御部１１０に基準となる所定の周波数（マイクロ波）の信号（参照信号）を供給するマイクロ波参照信号供給部１１１と、検出部１０９におけるオフセット光周波数の計測を最適化するための制御部１１２とを備える。
【００３０】
検出部１０９は、自己参照型干渉計及び光検出器を備えている。自己参照型干渉計では、入力される光パルス列より第２高調波や第３高調波を生成し、第２高調波と基本波とを干渉させ、また、第３高調波と第２高調波とを干渉させる。例えば、マッハツェンダー型の干渉計を用いることができる。また、光検出器では、自己参照型干渉計による干渉により発生する光ビートを光電変換して電気信号として出力する。また、光検出器では、基本波や、第２高調波，第３高調波も検出して光電変換する。検出部１０９に検出されて光電変換された光ビートの電気信号の周波数が、波長分散付与部１０４より出力される周波数ｆrepの光パルス列（光周波数コム）のオフセット光周波数となっている。
【００３１】
また、マイクロ波基準周波数発生器１０３及びマイクロ波参照信号供給部１１１は、例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星から送出されるＧＰＳ信号を受信し、受信したＧＰＳ信号を参照信号として出力するものである。ＧＰＳ信号は、周波数が既知の電気信号であり、また、この周波数は高い確度が保たれている。
【００３２】
また、制御部１１２は、図２に示すように、まず、検出部１０９で検出される光ビートを光電変換した電気信号より、光ビートのスペクトルにおけるピーク高さとボトムとの差（比）で示される有効ピーク光強度（visibility）を数値化した光ビート測定値を生成し、また、検出部１０９で検出される基本波、第２高調波，又は第３高調波を光電変換した電気信号より、各々のピーク光強度を数値化した光強度値を生成する数値化部１１７を備える。
【００３３】
また、制御部１１２は、数値化部１１７で生成した基本波、第２高調波，又は第３高調波の光強度値から理論的な光ビートのピーク光強度の最大値（光ビート計算値）を算出し、算出した光ビート計算値と数値化部１１７で生成された光ビート測定値とを比較することで、検出部１０９の自己参照型干渉計を構成している光学素子を調整するための設定値を生成して出力する光学素子制御部１１８を備える。
【００３４】
また、制御部１１２は、数値化部１１７で生成された光ビート測定値と予め設定されている規定値とを比較することで、測定される光ビートの光強度が、ビームスプリッタ１０５で取り出される光周波数コムを安定化するために十分な強度となるように、レーザ光源１０１の出力強度と光増幅器１０６の増幅状態とを制御する光源強度制御部１１９を備える。
【００３５】
以下、本実施の形態における光周波数コム安定化光源の動作例について説明する。まず、レーザ光源１０１から出力されるＣＷ光は、位相変調部１０２においてマイクロ波基準周波数発生器１０３から得られる周波数ｆrepの繰り返し基準信号で位相変調される。このことにより、光強度は一定でＣＷ光のままであるが、瞬時周波数が正弦波的に変化するチャープ光が得られ、光周波軸上には、櫛目となるＣＷ光の線スペクトル（光コム）が繰り返し周波数ｆrepで櫛状に並だ状態となる。従って、この状態でも、光周波数コムとして用いることが可能であり、例えば、ビームスプリッタ１０５は、位相変調部１０２と波長分散付与部１０４との間に配置しても良い。
【００３６】
次いで、位相変調した光は、波長分散付与部１０４で、所定の分散が与えられ、光周波数成分毎に異なる遅延が与えられ、繰り返し周波数ｆrepの光パルス列にされる。このような、繰り返し周波数ｆrepの光パルス列にすることで、後述するようにスペクトル帯域をより広くし、光周波数軸上に繰り返し周波数ｆrepで並ぶ光コムの数を増加させることができる。光周波数コムとして用いるためには、このように光コムの数を必ずしも増加させる必要はないが、後述するように、オフセット光周波数を求めるためには、光コムの数を増加させることが必要となる。
【００３７】
次に、パルス光源発生部より発生させた光パルス列は、光増幅器１０６で増幅され、光フィルタ１０７で雑音成分が除去され、非線形光学媒質１０８に入力される。このようにして非線形光学媒質１０８に入力された光パルス列は、各光パルスのスペクトル帯域が拡大された広スペクトル帯域光（ＳＣ光）とされる。非線形光学媒質１０８を透過することによる自己位相変調効果により、入力された光パルス列の位相速度は、各パルスのピーク付近で遅れ、パルスの立ち上がり部分の波長は長くなり、後半の波長は短くなり、この結果、パルスのスペクトルが広がる。
【００３８】
前述したように、フォトニック結晶ファイバなどによる非線形効果の変化が大きい非線形光学媒質１０８を用いることで、高効率に所望の広スペクトル帯域光を発生することができ、光周波数コム安定化に必要となる、レーザ光源１０１から供給される光源光の光エネルギーの最低閾値を低く抑制することが可能となる。
【００３９】
次に、非線形光学媒質１０８により得られた広スペクトル帯域光は、検出部１０９において、自己参照型干渉計で長波長側の成分（長波長側のいずれかのコム）より第２高調波が生成され、これと短波長側の成分（短波長側のいずれかのコム）の基本波（第１高調波）とが干渉させられ、この結果発生する光ビートが検出されて光電変換される。これは、上記広スペクトル帯域光の帯域幅が１オクターブ以上の場合である。また、短波長側の基本波と生成した長波長側の基本波とによる差周波発生法により、オフセット光周波数の光信号を発生させ、これを検出するようにしても良い。
【００４０】
一方、得られる広スペクトル帯域光の帯域幅が１オクターブ未満の場合、長波長側の第３高調波と短波長側の第２高調波とを干渉させ、この結果発生する光ビートを検出する。言い換えると、検出部１０９では、入力した広スペクトル帯域光の光パルスより得られる長波長成分の第ｎ高調波（ｎは２以上の整数）及び短波長成分の第ｎ−１高調波の周波数差の光信号を検出する。
【００４１】
以上のように発生されて光電変換されたオフセット光周波数の電気信号は、帰還制御部１１０において、マイクロ波参照信号供給部１１１より供給される参照信号と比較される。帰還制御部１１０では、この比較の結果が一定となるように、レーザ光源１０１の共振周波数，注入電流，及び温度などを可変してレーザ光源１０１から出力されるレーザの中心周波数を制御する。この結果、波長分散付与部１０４より出力される光周波数コムは、オフセット光周波数（キャリアエンベロープ位相の差）が安定した状態となり、繰り返し周波数ｆrepに高い確度が得られている状態となる。
【００４２】
以上に説明したように、本実施の形態では、位相変調部１０２，マイクロ波基準周波数発生器１０３，及び波長分散付与部１０４により、光パルス生成手段を構成している。このように、本実施の形態では、位相変調によりパルス列を発生させる光パルス生成手段により、レーザ光源１０１からのＣＷ光から光パルスを生成しているので、共振器長の制約を受けないため、繰り返し周波数ｆrep（櫛目の間隔）を数十ＧＨｚとすることが実現可能となる。加えて、この繰り返し周波数ｆrepには、前述したように高い確度が得られている。
【００４３】
従って、本実施の形態の光周波数コム安定化光源によれば、ビームスプリッタ１０５より、高い確度で繰り返し周波数ｆrep及びオフセット光周波数が保たれた光周波数コム安定化光を出力する（取り出す）ことができる。ビームスプリッタ１０５は、波長分散付与部１０４と光増幅器１０６との間に限らず、前述したように、位相変調部１０２と波長分散付与部１０４との間に配置しても良く、また、光増幅器１０６と光フィルタ１０７との間、光フィルタ１０７と非線形光学媒質１０８との間、非線形光学媒質１０８と検出部１０９との間に配置しても良い。この中で、非線形光学媒質１０８と検出部１０９との間にビームスプリッタ１０５を配置すると、より広帯域とされた状態の光周波数コム安定化光が得られる。
【００４４】
なお、例えば、ファブリペロー共振器内に電気光学変調器を配置した変調装置を用いてＣＷ光に周波数変調をかける構成とし、ＦＭ側帯波の光パルス列を発生させるパルス光源発生部としても良い（非特許文献７参照）。ここで、より深い周波数変調をかけることで、光周波数軸上に繰り返し周波数ｆrepで並ぶ光コムの数を増加させることができる。電気光学変調器としては、ＬｉＮｂＯ3などの電気光学結晶を用いることができる。この場合、共振器内に配置する電気光学変調器が、光パルス生成手段となる。
【００４５】
ところで、非線形光学媒質１０８において広スペクトル帯域が拡大される光パルス列の繰り返し周波数（周期）は、高い周波数で単位時間あたりのパルス数が多い。このため、光増幅器１０６では、全出力が増幅されて高くはなるが、１パルスあたりでは、非線形光学媒質１０８で広スペクトル帯域を発生させるために必要なパルスエネルギーにまで増幅されていない場合がある。このような場合、例えば図３に例示するように、光パルスの繰り返し周波数（周期）を低減（デューティー比を低減）させる光ゲート３０６を用い、光パルス列のピーク強度を増大させるようにしても良い。
【００４６】
図３は、本発明の実施の形態における他の光周波数コム安定化光源の構成例を示す構成図であり、この光周波数コム安定化光源は、位相変調部１０２，マイクロ波基準周波数発生器１０３，及び波長分散付与部１０４によりなる光パルス生成手段から生成される光パルスの繰り返し周波数を、光ゲート３０６で低減させた後、光増幅器１０６に導入させるようにしたものである。光ゲート３０６は、マイクロ波基準周波数発生器１０３より出力される繰り返し周波数ｆrepの繰り返し基準信号を分周器３０５により１／ｎ（ｎは自然数）にした電気信号に同期する光ゲートである。
【００４７】
このような光ゲート３０６を用いることにより、光ゲート３０６の前のＰ１点では、図４（ａ）に示すように、繰り返し周波数がｆでデューティー比がパルス幅×ｆであった波形の光パルスが、光ゲート３０６を通過したＰ２点では、図４（ｂ）に示すように、繰り返し周波数がｆ／ｎでデューティー比がパルス幅×（ｆ／ｎ）の波形の光パルスとなる。このことにより、光増幅をする前の全出力強度が抑えられ、単位時間あたりのパルス数が減少され、結果として、光パルス列のピーク強度（パルス毎の強度）を増大させることができる。
【００４８】
なお、この光周波数コム安定化光源では、図３に示すように、光増幅器３０２及びＡＳＥ雑音などを除去する光フィルタ３０３を、波長分散付与部１０４と光ゲート３０６との間に備え、光パルスのピークパワーをより増大させるようにしている。加えて、この光周波数コム安定化光源では、光ゲート３０６の前段に、光パルス幅を低減させる非線形光学媒質３０４を備え、非線形光学媒質１０８において広スペクトル帯域光がより発生させやすい状態としている。非線形光学媒質１０８においては、入射する光パルスの幅が狭いほど、広スペクトル帯域光が発生しやすいものとなっている。
【００４９】
また、図３に構成例を示す光周波数コム安定化光源では、光ゲート３０６を通過した光パルスは、デューティー比が低減されているため、光周波数コムとしてはあまり適していないものとなる。このため、ビームスプリッタ１０５は、光ゲート３０６の前段（光ゲート３０６より位相変調部１０２の側）に配置したほうがよい。なお、光ゲート３０６の前段に、非線形光学媒質１０８と同様の非線形光学媒質を配置しても良い。このようにすることで、光ゲート３０６に入射される光パルス列のスペクトル帯域を、より拡大させておくことができる。また、この場合、ビームスプリッタ１０５は、新たに加えた非線形光学媒質の前段に配置してもよく、新たに加えた非線形光学媒質と光ゲート３０６との間に配置しても良い。ビームスプリッタ１０５を、新たに加えた非線形光学媒質と光ゲート３０６との間に配置することで、スペクトル帯域がより広げられた光周波数コムが得られるようになり、より実用的となる。
【００５０】
次に、制御部１１２の動作について、図５のフローチャートを用いてより詳細に説明する。制御部１１２では、まず、数値化部１１７が、検出部１０９で検出されている光ビートを光電変換した電気信号より、有効ピーク光強度を数値化した光ビート測定値を生成する（ステップＳ５０１）。また、数値化部１１７は、例えば広スペクトル帯域光の帯域幅が１オクターブ以上の場合、検出部で検出されている短波長側の基本波を光電変換した電気信号及び長波長側の第２高調波を光電変換した電気信号より、各々の有効光ピーク強度値を生成し、生成した２つの有効光ピーク強度値より、基本波と第２高調波とを干渉させた場合に発生する光ビートのピーク光強度の最大値を光ビート計算値として算出する（ステップＳ５０２）。
【００５１】
次に、制御部１１２では、光学素子制御部１１８が、上述したことにより生成された光ビート測定値と算出された光ビート計算値とが一致していることを判定する（ステップＳ５０３）。なお、光ビート測定値と光ビート計算値との差が予め設定されている規定値（許容誤差）以下であることを判定しても良い。この判定が、一致していない、又は、規定値を超えている場合、光学素子制御部１１８は、光ビート計算値をもとに、検出部１０９では、自己参照型干渉計を制御（調整）する（ステップＳ５０４）。例えば、光学素子制御部１１８は、検出部１０９の自己参照型干渉計を構成している波長板の回転角，集光系レンズ及びミラーの角度（煽り），及び対象とする波長（第２高調波として取り出す波長）などの制御値を生成し、これを検出部１０９に通知する。この通知により、検出部１０９では、自己参照型干渉計の各部分の設定が変更（調整）される。
【００５２】
以上のステップＳ５０１〜ステップＳ５０４を繰り返し、ステップＳ５０３の判定が、一致している、又は、規定値の範囲内である場合、制御部１１２では、光源強度制御部１１９が、光ビート測定値が、光周波数コムの安定化に十分な強度値を越えていることを判定する（ステップＳ５０５）。光周波数コムの安定化に十分な強度値は、予め設定されている。なお、光ビート計算値が、光周波数コムの安定化に十分な強度値を越えていることを判定するようにしても良い。
【００５３】
ステップＳ５０５の判定で、光ビート測定値が光周波数コムの安定化に十分な強度値を越えていない場合、光源強度制御部１１９は、レーザ光源１０１の強度を増幅させ、また、光増幅器１０６における増幅率を高くするなどの制御（調整）を行う（ステップＳ５０６）。また、ステップＳ５０５の判定で、光ビート測定値が光周波数コムの安定化に十分な強度値を越えている場合、制御部１１２は制御動作を終了する。
【００５４】
なお、制御部１１２は、例えば、ＣＰＵと主記憶装置と外部記憶装置とネットワーク接続装置となどを備えたコンピュータ機器であり、主記憶装置に展開されたプログラムによりＣＰＵが動作することで、上述した各機能が実現される。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上に説明したように、本発明における光周波数コム安定化光源は、任意の中心光周波数及び周波数間隔とすることが容易にできるようになり、従来に比較して、１桁以上繰り返し周波数が高く、また、より広い帯域の光周波数コムが実現できるようになり、例えば、より広い周波数の範囲で光周波数の測定が可能となる。また、本発明における光周波数コム安定化光源による光コムの各モードの利用は、通信分野及び分光学分野の発展に大きく寄与するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態における光周波数コム安定化光源の構成例を示す構成図である。
【図２】本実施の形態における制御部１１２の構成例を示す構成図である。
【図３】本発明の実施の形態における他の光周波数コム安定化光源の構成例を示す構成図である。
【図４】本実施の形態における光周波数コム安定化光源の安定化の過程における光波形の状態を説明するための説明図である。
【図５】制御部１１２の動作例を説明するフローチャートである。
【図６】光パルスにおける光搬送波の位相についての説明図である。
【図７】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。
【符号の説明】
【００５７】
１０１…レーザ光源、１０２…位相変調部、１０３…マイクロ波基準周波数発生器、１０４…波長分散付与部、１０５…ビームスプリッタ、１０６…光増幅器、１０７…光フィルタ、１０８…非線形光学媒質、１０９…検出部、１１０…帰還制御部、１１１…マイクロ波参照信号供給部、１１２…制御部。
【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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