(57)【要約】【課題】Ｓ／Ｎ比がよい光コムを得ることができる光周波数コム発生装置を提供する。【解決手段】レーザ光源１０がモード同期レーザ発振して出力されたパルスレーザ光は、逆方向励起方式の光ファイバ増幅器３０Ａにより光増幅されて高パワーとされた後、高非線形性光ファイバ４０Ａに入力される。高非線形性光ファイバ４０Ａにおいて発現する非線形光学現象により、高非線形性光ファイバ４０Ａに入力されたパルスレーザ光が広帯域化されて、Ｓ／Ｎ比がよい広帯域光コムが得られる。【選択図】図１
2007256365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モード同期レーザ発振してパルスレーザ光を出力するレーザ光源と、
希土類元素が光導波領域に添加された増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバに添加された希土類元素を励起し得る波長の励起光を出力する励起光源とを含み、前記レーザ光源から出力されたパルスレーザ光を前記増幅用光ファイバの第１端に入力し、前記励起光源から出力された励起光を前記増幅用光ファイバの第２端に入力して、前記増幅用光ファイバの第１端に入力したパルスレーザ光を前記増幅用光ファイバにおいて光増幅して前記増幅用光ファイバの第２端から出力する光ファイバ増幅器と、
前記光ファイバ増幅器により光増幅されて出力されたパルスレーザ光を第１端に入力し、その入力したパルスレーザ光のスペクトルを非線形光学現象により広帯域化して、その広帯域化したパルスレーザ光を出力する高非線形性光ファイバと、
を備えることを特徴とする光周波数コム発生装置。
【請求項２】
前記高非線形性光ファイバから出力されたパルスレーザ光を入力し、そのパルスレーザ光の基本波に対し第２高調波を発生し出力する非線形光学媒体と、
前記非線形光学媒体から出力されたパルスレーザ光の第２高調波と基本波とのビート周波数に基づいて、キャリア・エンベロープ・オフセット周波数（以下「ＣＥＯ周波数」という。）を検出するＣＥＯ周波数検出部と、
前記ＣＥＯ周波数検出部により検出されたＣＥＯ周波数が所定値となるように、前記レーザ光源から出力されるパルスレーザ光の波長を安定化制御するＣＥＯ周波数安定化部と、
を更に備えることを特徴とする請求項１記載の光周波数コム発生装置。
【請求項３】
前記パルスレーザ光の繰返し周波数を検出する繰返し周波数検出部と、
前記繰返し周波数検出部により検出された繰返し周波数が所定値となるように、前記レーザ光源から出力されるパルスレーザ光の繰返し周波数を安定化制御する繰返し周波数安定化部と、
を更に備えることを特徴とする請求項１記載の光周波数コム発生装置。
【請求項４】
前記高非線形性光ファイバから出力されたパルスレーザ光と、他のレーザ光源から出力されたレーザ光とを合波して、その合波したレーザ光を出力する光合波部と、
前記光合波部により合波されて出力されたレーザ光をヘテロダイン検波するヘテロダイン検波部と、
を更に備えることを特徴とする請求項１記載の光周波数コム発生装置。
【請求項５】
前記レーザ光源と前記ファイバ増幅器との間に設けられ、前記レーザ光源から出力されたパルスレーザ光の偏波を調整して、その偏波調整したパルスレーザ光を前記ファイバ増幅器へ出力する偏波調整部を更に備えることを特徴とする請求項１記載の光周波数コム発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、或る一定の光周波数範囲において等間隔に配列された複数の光周波数の光を発生する光周波数コム発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光周波数コム発生装置は、或る一定の光周波数範囲において等間隔に配列された複数の光周波数の光（「光コム」と呼ばれる。）を発生するものであり、例えば特許文献１〜３に開示されている。光周波数コム発生装置は、レーザ光の光周波数（数百ＴＨｚ）を測定する際に用いられ、また、相異なる光周波数のレーザ光の間の光周波数差（数十ＴＨｚまで）を測定する際にも用いられる。
【０００３】
特許文献１〜３を含め多くの文献において、種々の構成の光周波数コム発生装置が提案されている。非特許文献１〜７それぞれに記載された光周波数コム発生装置は、モード同期レーザ光源，光増幅器および高非線形性光ファイバを備えており、モード同期レーザ光源から出力されたパルスレーザ光を光増幅器により光増幅し、その光増幅したパルスレーザ光を高非線形性光ファイバにより導波させて、その導波の際に発現する非線形光学現象によりパルスレーザ光を広帯域化して出力する。
【特許文献１】特開平７−５８３８６号公報
【特許文献２】特開平１１−４０３７号公報
【特許文献３】特開２０００−８９２６４号公報
【非特許文献１】D. J. Jones, et al., “Carrier-envelope phase control offemtosecond mode-locked lasers and direct optical frequency synthesis,” Science vol.288, 635 (2000).
【非特許文献２】F. Tauser, et al., “Amplified femtosecond pulses from an Er:fiber system: Nonlinearpulse shortening and self-referencing detection of the carrier-envelope phaseevolution,” Optics Express, vol 11, 594 (2003).
【非特許文献３】T. R. Schibli, K. Minoshima, F.-L. Hong, H. Inaba, A. Onae, H.Matsumoto, I. Hartl, M. E. Fermann, “Frequency metrology with a turnkeyall-fiber system,” Opt. Lett. 29, 2467-2469 (2004).
【非特許文献４】F. Adler, et al., “Phase-locked two-branch erbium-doped fiber laser system forlong-term precision measurements of optical frequencies,” Opt. Express12, 5872-5880 (2004).
【非特許文献５】H. Hundertmark, et. al., “Phase-locked carrier-envelope offsetfrequency at 1560 nm,“ Opt. Express 12, 770-775 (2004).
【非特許文献６】K. Tamura, et al., “Unidirectional ringresonator for selfstarting passively mode-locked lasers,” Opt. Lett.,18, 220-222 (1993).
【非特許文献７】N. Nakazawa, et al, “Continuum suppressed, uniformly repetitive 136 fs pulse generationfrom an erbium-doped fibre laser with nonlinear polarisation rotation,” Electron.Lett. 29, 1327-1329 (1993).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の光周波数コム発生装置により得られる光コムの信号雑音比（Ｓ／Ｎ比）は２５ｄＢ〜４０ｄＢ程度（分解能帯域１００ｋＨｚ）であった。このＳ／Ｎ比が２５ｄＢ程度あれば、位相同期を行ったり周波数計測したりすることが可能ではある。しかし、温度変動などの環境変動に因りＳ／Ｎ比が低下する可能性があり、また、Ｓ／Ｎ比が悪いと周波数安定度に影響を及ぼす場合もある。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、Ｓ／Ｎ比がよい光コムを得ることができる光周波数コム発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る光周波数コム発生装置は、(1) モード同期レーザ発振してパルスレーザ光を出力するレーザ光源と、(2) 希土類元素が光導波領域に添加された増幅用光ファイバと、増幅用光ファイバに添加された希土類元素を励起し得る波長の励起光を出力する励起光源とを含み、レーザ光源から出力されたパルスレーザ光を増幅用光ファイバの第１端に入力し、励起光源から出力された励起光を増幅用光ファイバの第２端に入力して、増幅用光ファイバの第１端に入力したパルスレーザ光を増幅用光ファイバにおいて光増幅して増幅用光ファイバの第２端から出力する光ファイバ増幅器と、(3) 光ファイバ増幅器により光増幅されて出力されたパルスレーザ光を第１端に入力し、その入力したパルスレーザ光のスペクトルを非線形光学現象により広帯域化して、その広帯域化したパルスレーザ光を出力する高非線形性光ファイバと、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この光周波数コム発生装置では、レーザ光源がモード同期レーザ発振して出力されたパルスレーザ光は、逆方向励起方式の光ファイバ増幅器により光増幅されて高パワーとされた後、高非線形性光ファイバに入力される。高非線形性光ファイバにおいて発現する非線形光学現象により、高非線形性光ファイバに入力されたパルスレーザ光が広帯域化されて、Ｓ／Ｎ比がよい広帯域光コムが得られる。
【０００８】
本発明に係る光周波数コム発生装置は、(4) 高非線形性光ファイバから出力されたパルスレーザ光を入力し、そのパルスレーザ光の基本波に対し第２高調波を発生し出力する非線形光学媒体と、(5) 非線形光学媒体から出力されたパルスレーザ光の第２高調波と基本波とのビート周波数に基づいて、キャリア・エンベロープ・オフセット周波数（ＣＥＯ周波数）を検出するＣＥＯ周波数検出部と、(6) ＣＥＯ周波数検出部により検出されたＣＥＯ周波数が所定値となるように、レーザ光源から出力されるパルスレーザ光の波長を安定化制御するＣＥＯ周波数安定化部と、を更に備えるのが好適である。この場合には、高非線形性光ファイバから出力されたパルスレーザ光は非線形光学媒体に入力され、この非線形光学媒体においてパルスレーザ光の基本波に対し第２高調波が発生する。ＣＥＯ周波数検出部により、非線形光学媒体から出力されたパルスレーザ光の第２高調波と基本波とのビート周波数に基づいて、ＣＥＯ周波数が検出される。そして、ＣＥＯ周波数安定化部により、ＣＥＯ周波数検出部により検出されたＣＥＯ周波数が所定値となるように、レーザ光源から出力されるパルスレーザ光の波長が安定化制御される。
【０００９】
本発明に係る光周波数コム発生装置は、(7) パルスレーザ光の繰返し周波数を検出する繰返し周波数検出部と、(8) 繰返し周波数検出部により検出された繰返し周波数が所定値となるように、レーザ光源から出力されるパルスレーザ光の繰返し周波数を安定化制御する繰返し周波数安定化部と、を更に備えるのが好適である。この場合には、繰返し周波数検出部によりパルスレーザ光の繰返し周波数が検出され、繰返し周波数安定化部により、この検出された繰返し周波数が所定値となるように、レーザ光源から出力されるパルスレーザ光の繰返し周波数が安定化制御される。
【００１０】
本発明に係る光周波数コム発生装置は、(9) 高非線形性光ファイバから出力されたパルスレーザ光と、他のレーザ光源から出力されたレーザ光とを合波して、その合波したレーザ光を出力する光合波部と、(10) 光合波部により合波されて出力されたレーザ光をヘテロダイン検波するヘテロダイン検波部と、を更に備えるのが好適である。この場合には、高非線形性光ファイバから出力されたパルスレーザ光と、他のレーザ光源から出力されたレーザ光とは、光合波部により合波されてヘテロダイン検波部によりヘテロダイン検波され、これにより、上記他のレーザ光源から出力されたレーザ光の波長が検出される。
【００１１】
また、本発明に係る光周波数コム発生装置は、レーザ光源とファイバ増幅器との間に設けられ、レーザ光源から出力されたパルスレーザ光の偏波を調整して、その偏波調整したパルスレーザ光をファイバ増幅器へ出力する偏波調整部を更に備えるのが好適である。この場合には、レーザ光源とファイバ増幅器との間に設けられた偏波調整部により、レーザ光源から出力されたパルスレーザ光の偏波が調整され、その偏波調整されたパルスレーザ光がファイバ増幅器に入力される。これにより、ＣＥＯ周波数ｆCEOが高精度に検出され得る。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、Ｓ／Ｎ比がよい光コムを得ることができる光周波数コム発生装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る光周波数コム発生装置１の構成図である。この図に示される光周波数コム発生装置１は、レーザ光源１０、光ファイバ増幅器３０Ａ，３０Ｂ、高非線形性光ファイバ４０Ａ，４０Ｂ、非線形光学媒体５２Ａ、フォトダイオード５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃ、ＣＥＯ周波数安定化部６０および繰返し周波数安定化部７０等を備えている。
【００１５】
レーザ光源１０は、モード同期レーザ発振してパルスレーザ光を出力するものであり、増幅用光ファイバ１１、励起光源１２、ドラム１３、λ／４板１４、λ／２板１５、ポラライザ１６、偏波依存型光アイソレータ１７および偏波無依存型光アイソレータ１８を含む。これらのうち、増幅用光ファイバ１１，λ／４板１４，λ／２板１５，ポラライザ１６および光アイソレータ１７は、リング型光共振器の共振光路上に設けられている。
【００１６】
増幅用光ファイバ１１は、Ｅｒ元素が光導波領域に添加された光ファイバであり、ピエゾ素子が設けられたドラム１３に巻かれている。励起光源１２は、増幅用光ファイバ１１に添加されたＥｒ元素を励起し得る波長１.４８μｍ帯の励起光を出力して、その励起光を増幅用光ファイバ１１に供給する。
【００１７】
λ／４板１４およびλ／２板１５は、リング型光共振器で発振するレーザ光の偏波を制御する。また、λ／４板１４，λ／２板１５，ポラライザ１６および偏波依存型光アイソレータ１７は、リング型光共振器でパルスレーザ光を選択的に発振させる。ドラム１３に設けられたピエゾ素子は、そのドラム１３に巻かれた増幅用光ファイバ１１の長さを調整することができ、これにより、リング型光共振器の共振器長を調整することができる。
【００１８】
このように構成されるレーザ光源１０では、励起光源１２から出力された励起光が増幅用光ファイバ１１に供給され、増幅用光ファイバ１１に添加されているＥｒ元素が励起されて、増幅用光ファイバ１１から波長１.５５μｍ帯の光が放出される。増幅用光ファイバ１１から放出された光はリング型光共振器により共振されて、レーザ光源１０はレーザ発振する。
【００１９】
また、このレーザ光源１０では、λ／４板１４，λ／２板１５，ポラライザ１６および偏波依存型光アイソレータ１７の作用によりモード同期レーザ発振し、この発振により得られたパルスレーザ光が偏波無依存型光アイソレータ１８を経て出力される。なお、レーザ光源１０から出力されるパルスレーザ光の波長は、励起光源１２から増幅用光ファイバ１１に供給される励起光のパワーに依存する。レーザ光源１０から出力されるパルスレーザ光の繰返し周波数は、ドラム１３に設けられたピエゾ素子の作用により調整されたリング型光共振器の共振器長に依存する。
【００２０】
レーザ光源１０から出力されたパルスレーザ光は２分岐され、２分岐された後の一方のパルスレーザ光はλ／４板２１Ａおよびλ／２板２２Ａを経て光ファイバ増幅器３０Ａに入力され、２分岐された後の他方のパルスレーザ光はλ／４板２１Ｂおよびλ／２板２２Ｂを経て光ファイバ増幅器３０Ｂに入力される。
【００２１】
λ／４板２１Ａおよびλ／２板２２Ａは、レーザ光源１０と光ファイバ増幅器３０Ａとの間に設けられた偏波調整部として作用するものであり、レーザ光源１０から出力されたパルスレーザ光の偏波を調整して、その偏波調整したパルスレーザ光をファイバ増幅器３０Ａへ出力する。同様に、λ／４板２１Ｂおよびλ／２板２２Ｂは、レーザ光源１０と光ファイバ増幅器３０Ｂとの間に設けられた偏波調整部として作用するものであり、レーザ光源１０から出力されたパルスレーザ光の偏波を調整して、その偏波調整したパルスレーザ光をファイバ増幅器３０Ｂへ出力する。
【００２２】
光ファイバ増幅器３０Ａは、増幅用光ファイバ３１Ａおよび励起光源３２Ａを含む。増幅用光ファイバ３１Ａは、Ｅｒ元素が光導波領域に添加された光ファイバである。励起光源３２Ａは、増幅用光ファイバ３１Ａに添加されたＥｒ元素を励起し得る波長０.９８μｍ帯の励起光を出力して、その励起光を増幅用光ファイバ３１Ａに供給する。この光ファイバ増幅器３０Ａは、増幅用光ファイバ３１Ａにおいて被増幅光（パルスレーザ光）および励起光が互いに逆の方向に導波する逆方向励起のものである。
【００２３】
すなわち、レーザ光源１０から出力されてλ／４板２１Ａおよびλ／２板２２Ａを経たパルスレーザ光は、増幅用光ファイバ３１Ａの第１端に入力される。励起光源３２Ａから出力された励起光は増幅用光ファイバ３１Ａの第２端に入力される。そして、増幅用光ファイバ３１Ａの第１端に入力したパルスレーザ光は、増幅用光ファイバ３１Ａにおいて光増幅されて、増幅用光ファイバ３１Ａの第２端から高非線形性光ファイバ４０Ａへ出力される。
【００２４】
同様に、光ファイバ増幅器３０Ｂは、増幅用光ファイバ３１Ｂおよび励起光源３２Ｂを含む。増幅用光ファイバ３１Ｂは、Ｅｒ元素が光導波領域に添加された光ファイバである。励起光源３２Ｂは、増幅用光ファイバ３１Ｂに添加されたＥｒ元素を励起し得る波長０.９８μｍ帯の励起光を出力して、その励起光を増幅用光ファイバ３１Ｂに供給する。この光ファイバ増幅器３０Ｂは、増幅用光ファイバ３１Ｂにおいて被増幅光（パルスレーザ光）および励起光が互いに逆の方向に導波する逆方向励起のものである。
【００２５】
高非線形性光ファイバ４０Ａおよび高非線形性光ファイバ４０Ｂそれぞれは、非線形性が高く非線形光学現象が発現し易い光ファイバである。高非線形性光ファイバとは、通常の伝送用に用いられる標準的なシングルモードファイバより非線形係数が３倍以上大きい光ファイバをいう。高非線形性光ファイバの非線形係数（ＸＰＭ法での測定）は、５／Ｗ／ｋｍより大きいのが望ましく、より好適には１０／Ｗ／ｋｍ以上であり、更に好適には２０／Ｗ／ｋｍ以上である。また、高非線形性光ファイバ４０Ａ，４０Ｂのゼロ分散波長は１４５０ｎｍ以下であるのが好ましい。高非線形性光ファイバ４０Ａは、光ファイバ増幅器３０Ａにより光増幅されて出力されたパルスレーザ光を第１端に入力し、その入力したパルスレーザ光のスペクトルを非線形光学現象により広帯域化して、その広帯域化したパルスレーザ光をシングルモード光ファイバ４１Ａへ出力する。同様に、高非線形性光ファイバ４０Ｂは、光ファイバ増幅器３０Ｂにより光増幅されて出力されたパルスレーザ光を第１端に入力し、その入力したパルスレーザ光のスペクトルを非線形光学現象により広帯域化して、その広帯域化したパルスレーザ光をシングルモード光ファイバ４１Ｂへ出力する。
【００２６】
シングルモード光ファイバ４１Ａは、高非線形性光ファイバ４０Ａの第２端（出射端）に接続されている。同様に、シングルモード光ファイバ４１Ｂは、高非線形性光ファイバ４０Ｂの第２端（出射端）に接続されている。シングルモード光ファイバ４１Ａは、高非線形性光ファイバ４０Ａおよび非線形光学媒体５２Ａで生じる波長分散を補償するものであり、その波長分散補償の為に調整されたファイバ長を有する。同様に、シングルモード光ファイバ４１Ｂは、高非線形性光ファイバ４０Ｂで生じる波長分散を補償するものであり、その波長分散補償の為に調整されたファイバ長を有する。
【００２７】
シングルモード光ファイバ４１Ａの出射端から出射されたパルスレーザ光を入力するレンズ５１Ａは、その入力したパルスレーザ光を集光して非線形光学媒体５２Ａに入射させる。非線形光学媒体５２Ａは、例えばＰＰＬＮ（periodicallypoled lithium niobate crystal）であり、入射したパルスレーザ光の基本波に対し第２高調波を発生し出力する。ハーフミラー５４Ａは、非線形光学媒体５２Ａから出力されたパルスレーザ光の基本波および第２高調波を入力して、一部を透過させ残部を反射させて２分岐する。
【００２８】
ハーフミラー５４Ａを透過したパルスレーザ光を入力するバンドパスフィルタ５５Ａは、その入力したパルスレーザ光のうち特定の透過帯域のものを透過させる。ここで、透過帯域は、高非線形性光ファイバ４０Ａから出力されるパルスレーザ光の帯域のうち光周波数が高い帯域である。ＣＥＯ周波数検出部５６Ａは、バンドパスフィルタ５５Ａを透過したパルスレーザ光の第２高調波と基本波とのビート周波数に基づいてＣＥＯ周波数を検出する。そして、ＣＥＯ周波数安定化部６０は、ＣＥＯ周波数検出部５６Ａにより検出されたＣＥＯ周波数が所定値となるように、励起光源１２から増幅用光ファイバ１１に供給される励起光のパワーを調整することにより、レーザ光源１０から出力されるパルスレーザ光の波長を安定化制御する。
【００２９】
ハーフミラー５４Ａで反射されたパルスレーザ光を入力する繰返し周波数検出部５６Ｃは、その入力したパルスレーザ光の繰返し周波数を検出する。そして、繰返し周波数安定化部７０は、繰返し周波数検出部５６Ｃにより検出された繰返し周波数が所定値となるように、ドラム１３のピエゾ素子を介してレーザ光源１０のリング型光共振器の共振器長を調整することにより、レーザ光源１０から出力されるパルスレーザ光の繰返し周波数を安定化制御する。
【００３０】
シングルモード光ファイバ４１Ｂの出射端から出射されたパルスレーザ光を入力するレンズ５１Ｂは、その入力したパルスレーザ光をコリメートする。また、レンズ５１Ｃは、レーザ光源２から出力されたレーザ光をコリメートする。ハーフミラー５４Ｂは、レンズ５１Ｂからミラー５３Ｂを経て到達したパルスレーザ光と、レンズ５１Ｃから到達したレーザ光とを合波して、その合波したレーザ光を出力する。そして、ヘテロダイン検波部５６Ｂは、ハーフミラー５４Ｂにより合波されて出力されたレーザ光をヘテロダイン検波して、レーザ光源２から出力されたレーザ光の波長を検出する。
【００３１】
次に、本実施形態に係る光周波数コム発生装置１の動作について説明する。レーザ光源１０がモード同期レーザ発振して出力されたパルスレーザ光は、時間軸で見れば或る一定の繰返し周波数ｆrepの超短パルス光列（時間軸上でのデルタ関数列）であり、光周波数軸で見れば、光共振器の縦モードに応じて一定の光周波数範囲において一定間隔ｆrepの光周波数列（光周波数軸上でのデルタ関数列、すなわち、光コム）である（非特許文献１参照）。光周波数軸で見たときの一定間隔ｆrepの光周波数列は、光周波数のものさしの目となっている。
【００３２】
レーザ光源１０から出力されたパルスレーザ光は、光コムであるとは言っても、波長１,５５μｍを含む狭い帯域に限られる。そこで、以下のようにして広帯域化される。レーザ光源１０から出力されたパルスレーザ光は２分岐され、その分岐された一方のパルスレーザ光はλ／４板２１Ａおよびλ／２板２２Ａを経て光ファイバ増幅器３０Ａに入力され、分岐された他方のパルスレーザ光はλ／４板２１Ｂおよびλ／２板２２Ｂを経て光ファイバ増幅器３０Ｂに入力される。
【００３３】
光ファイバ増幅器３０Ａに入力されたパルスレーザ光は、逆方向励起方式の光ファイバ増幅器３０Ａにより光増幅されて高パワーとされた後、高非線形性光ファイバ４０Ａに入力される。この高非線形性光ファイバ４０Ａにおいて発現する非線形光学現象により、高非線形性光ファイバ４０Ａに入力されたパルスレーザ光は広帯域化される。同様に、光ファイバ増幅器３０Ｂに入力されたパルスレーザ光は、逆方向励起方式の光ファイバ増幅器３０Ｂにより光増幅されて高パワーとされた後、高非線形性光ファイバ４０Ｂに入力される。この高非線形性光ファイバ４０Ｂにおいて発現する非線形光学現象により、高非線形性光ファイバ４０Ｂに入力されたパルスレーザ光は広帯域化される。
【００３４】
図２は、本実施形態に係る光周波数コム発生装置１の高非線形性光ファイバ４０Ａ，４０Ｂから出力されるパルスレーザ光の光周波数の配置を示す図である。この図に示されるように、高非線形性光ファイバ４０Ａ，４０Ｂから出力されるパルスレーザ光は、光周波数軸で見ると一定の光周波数範囲において一定間隔ｆrepの光周波数列からなる光コムとなる。
【００３５】
光周波数のものさしである光コムのスペクトルが１オクターブ以上に拡がることは、光周波数計測への応用という観点からは極めて重要な意味を持つ。すなわち、f-to-2f干渉と呼ばれる手法により、光コムのオフセット周波数（ｆCEO）の観測が可能となるからである（非特許文献２参照）。図２は、１オクターブ以上に広がる光コムの周波数軸上のモードを示している。
【００３６】
光周波数軸において、一定間隔ｆrepで並んでいるコムのモードを仮想的に光周波数０となる点の近傍まで伸ばすと、オフセット周波数（ｆCEO）が存在する。これは、時間軸のパルスで理解すると、隣り合うパルスにおける光のキャリア周波数とパルスのエンベロープとの位相差である「carrier-envelope 位相」となることから、「carrier-envelope offset周波数（ＣＥＯ周波数）」ｆCEOと呼ばれる。ＣＥＯ周波数ｆCEOを観察することができると、光コム中において、ＣＥＯ周波数ｆCEOをゼロ番目として、ｎ番目のモードの周波数ｆ(ｎ)は、下記（１）式で記述することができ、繰返し周波数ｆrepおよびＣＥＯ周波数ｆCEOの２つのパラメータにより表すことができる。
【００３７】
ｆ(ｎ)＝ ｎ×ｆrep ＋ ｆCEO          …（１）
光コムが１オクターブ以上に広がっているということは、光コム中にｎ番目のモードと２ｎ番目のモードとが同時に存在することを意味する。ｎ番目のモードの第２高調波の光周波数は下記（２）式で表され、２ｎ番目のモードの光周波数は下記（３）式で表される。両者の差はｆCEOとなり、ビート観測により測定することができる。これが、f-to-2f干渉と呼ばれる手法である。
【００３８】
２ｆ(ｎ)＝ ２ｎ×ｆrep ＋ ２ｆCEO    …（２）
ｆ(２ｎ)＝ ２ｎ×ｆrep ＋   ｆCEO    …（３）
具体的にはＣＥＯ周波数ｆCEOは以下のようにして検出される。すなわち、高非線形性光ファイバ４０Ａにおいて１オクターブ以上まで広帯域化されたパルスレーザ光は、シングルモード光ファイバ４１Ａおよびレンズ５１Ａを経て非線形光学媒体５２Ａに入力される。非線形光学媒体５２Ａでは、入射したパルスレーザ光の基本波に対し第２高調波が発生する。これらパルスレーザ光の基本波および第２高調波のうちハーフミラー５４Ａおよびバンドパスフィルタ５５Ａを透過したものは、ＣＥＯ周波数検出部５６Ａにより受光される。
【００３９】
そして、このＣＥＯ周波数検出部５６Ａにより、パルスレーザ光の第２高調波と基本波とのビート周波数に基づいてＣＥＯ周波数ｆCEOが検出される。さらに、ＣＥＯ周波数安定化部６０により、ＣＥＯ周波数検出部５６Ａにより検出されたＣＥＯ周波数ｆCEOが所定値となるように、励起光源１２から増幅用光ファイバ１１に供給される励起光のパワーが調整され、これにより、レーザ光源１０から出力されるパルスレーザ光の波長が安定化制御される。
【００４０】
また、上記（１）式に現れる繰返し周波数ｆrepは、ハーフミラー５４Ａで反射されたパルスレーザ光を高速の繰返し周波数検出部５６Ｃにより直接に受光することで、簡単に測定することができる。そして、繰返し周波数安定化部７０により、繰返し周波数検出部５６Ｃにより検出された繰返し周波数ｆrepが所定値となるように、ドラム１３のピエゾ素子を介してレーザ光源１０のリング型光共振器の共振器長が調整され、これにより、レーザ光源１０から出力されるパルスレーザ光の繰返し周波数ｆrepが安定化制御される。
【００４１】
なお、以上のようにして得られる繰返し周波数ｆrepおよびＣＥＯ周波数ｆCEOを、周波数標準である国際原子時に同期した周波数源から発生される基準周波数に等しくなるように制御することにより、超短パルスレーザの「光コム」が「光周波数のものさし」として使えるようになる。さらに、レーザ光源２から出力されたレーザ光は、高非線形性光ファイバ４０Ｂから出力されたパルスレーザ光とハーフミラー５４Ｂにより合波され、ヘテロダイン検波部５６Ｂによりヘテロダイン検波されて、レーザ光源２から出力されたレーザ光の波長が高精度に検出され得る。
【００４２】
増幅用光ファイバに対して順方向および逆方向の双方から励起光を供給する双方向励起方式の光ファイバ増幅器を採用した従来の装置と比較すると、以上に説明した本実施形態に係る光周波数コム発生装置１は、光ファイバ増幅器３０Ａ，３０Ｂが逆方向励起方式のものであることから、得られる光コムのＳ／Ｎ比が優れる。
【００４３】
また、本実施形態に係る光周波数コム発生装置１は、非線形光学媒体５２Ａにおいて第２高調波を発生させる際に共通光路干渉計を採用している。これは、高非線形性光ファイバ４０Ａで発生した広帯域光コムをレンズ５１Ａにより集光して全て一緒に非線形光学媒体５２Ａに入射させる。そして、非線形光学媒体５２Ａで発生した広帯域光コムの長波長部分の第二高調波と短波長部分とを、分離することなくそのままＣＥＯ周波数検出部５６Ａに入射させる。
【００４４】
ただし、高非線形光ファイバ４０Ａおよび非線形光学媒体５２Ａは波長分散を有することから、一般的には長波長側および短波長側それぞれのパルス光が時間的にずれてＣＥＯ周波数検出部５６Ａに入射される。そこで、本実施形態では、高非線形性光ファイバ４０Ａの後段に設けられたシングルモード光ファイバ４１Ａの長さを調整することにより、各波長帯の光コムに対する波長分散がほぼ同じになるようにしている。ここでは、構成を簡略化し、非線形光学媒体５２Ａから出射されたパルス光をそのままＣＥＯ周波数検出部５６Ａで受光している。これにより、より容易かつ堅牢なＣＥＯ周波数ｆCEO検出が可能となっている。
【００４５】
また、本実施形態に係る光周波数コム発生装置１では、光ファイバ増幅器３０Ａの前段に偏波調整の為のλ／４板２１Ａおよびλ／２板２２Ａが設けられ、また、光ファイバ増幅器３０Ｂの前段に偏波調整の為のλ／４板２１Ｂおよびλ／２板２２Ｂが設けられている。これらの波長板の光学軸の方位を調整することで、f-to-2f干渉で用いるｎ番目および２ｎ番目それぞれのモードの光のパワーを大きくすることができて、ＣＥＯ周波数ｆCEOを高精度に検出することができる。
【００４６】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。レーザ光源１０は、上記実施形態ではリング型光共振器構造を有する光ファイバレーザ光源であったが、他の構成のモード同期レーザ光源であってもよく、例えば、モード同期レーザ発振する半導体レーザ光源や固体レーザ光源であってもよい。
【実施例】
【００４７】
次に、本実施形態に係る光周波数コム発生装置１の更に具体的な実施例について比較例と対比しつつ説明する。実施例の光周波数コム発生装置は、図１に示された構成を有する。比較例１の光周波数コム発生装置は、図１に示された構成において光ファイバ増幅器３０Ａ，３０Ｂを双方向励起方式のものに置換したものである。また、比較例２の光周波数コム発生装置は、図１に示された構成において光ファイバ増幅器３０Ａ，３０Ｂを順方向励起方式のものに置換したものである。
【００４８】
この実施例および比較例１，２において高非線形性光ファイバ４０Ａ，４０Ｂとして用いた光ファイバは、図３に示される波長分散特性を有するものであった。この光ファイバは、ファイバ長が２０ｃｍであり、伝送損失が０.６２ｄＢ／ｋｍであり、両端にシングルモード光ファイバを接続したときの当該接続損失を含む総損失が０.１〜２ｄＢ／端であり、ゼロ分散波長が１４４７ｎｍであり、波長分散が＋３.９１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープが＋０.０３２ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍであり、カットオフ波長が１５６０ｎｍであり、実効断面積が１０.４μｍ２であり、非線形係数γが２１Ｗ−１ｋｍ−１であった。なお、これらのパラメータのうち波長に依存するものは、波長１５５０ｎｍにおける値である。
【００４９】
図４は、実施例の光周波数コム発生装置の高非線形性光ファイバから出力される光コムのスペクトルを示す図である。図５は、比較例１の光周波数コム発生装置の高非線形性光ファイバから出力される光コムのスペクトルを示す図である。また、図６は、比較例２の光周波数コム発生装置の高非線形性光ファイバから出力される光コムのスペクトルを示す図である。逆方向励起方式の実施例では、高非線形性光ファイバに入力される光のパワーは４５ｍＷであり、高非線形性光ファイバから出力される光のパワーは１９ｍＷであった。双方向励起方式の比較例１では、高非線形性光ファイバに入力される光のパワーは８４ｍＷであり、高非線形性光ファイバから出力される光のパワーは３３ｍＷであった。また、順方向励起方式の比較例２では、高非線形性光ファイバに入力される光のパワーは４０ｍＷであり、高非線形性光ファイバから出力される光のパワーは１８ｍＷであった。
【００５０】
図４〜図６を比較して判るように、順方向励起方式の比較例２（図６）では、高非線形性光ファイバから出力される光のスペクトルの下限は１０５０ｎｍ程度までしか拡がらなかった。これに対して、逆方向励起方式の実施例（図４）では、高非線形性光ファイバから出力される光のスペクトルの下限は１０００ｎｍ程度まで拡がり、双方向励起方式の比較例１（図５）では、高非線形性光ファイバから出力される光のスペクトルの下限は９６０ｎｍ程度まで拡がった。また、実施例および比較例１，２の何れの場合も、高非線形性光ファイバから出力される光のスペクトルの上限は２０００ｎｍ以上に拡がった。逆方向励起方式の実施例（図４）および双方向励起方式の比較例１（図５）では、高非線形性光ファイバから出力される光のスペクトルは１オクターブを越える帯域であった。
【００５１】
図７は、実施例および比較例１それぞれの光周波数コム発生装置において検出されたＣＥＯ周波数ｆCEO信号を示す図である。この図から判るように、双方向励起方式の比較例１と比較して、逆方向励起方式の実施例では、ノイズフロアが低く、高いＳ／Ｎ比の信号が得られた。このように、双方向励起方式の光ファイバ増幅器を採用した従来の装置と比較すると、本実施形態に係る光周波数コム発生装置１は、光ファイバ増幅器３０Ａ，３０Ｂが逆方向励起方式のものであることから、得られる光コムのＳ／Ｎ比が優れる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本実施形態に係る光周波数コム発生装置１の構成図である。
【図２】本実施形態に係る光周波数コム発生装置１の高非線形性光ファイバ４０Ａ，４０Ｂから出力されるパルスレーザ光の光周波数の配置を示す図である。
【図３】光周波数コム発生装置の高非線形性光ファイバの波長分散特性を示す図である。
【図４】実施例の光周波数コム発生装置の高非線形性光ファイバから出力される光コムのスペクトルを示す図である。
【図５】比較例１の光周波数コム発生装置の高非線形性光ファイバから出力される光コムのスペクトルを示す図である。
【図６】比較例２の光周波数コム発生装置の高非線形性光ファイバから出力される光コムのスペクトルを示す図である。
【図７】実施例および比較例１それぞれの光周波数コム発生装置において検出されたＣＥＯ周波数ｆCEO信号を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…光周波数コム発生装置、２…レーザ光源、１０…レーザ光源、１１…増幅用光ファイバ、１２…励起光源、１３…ドラム、１４…λ／４板、１５…λ／２板、１６…ポラライザ、１７，１８…光アイソレータ、２１Ａ，２１Ｂ…λ／４板、２２Ａ，２２Ｂ…λ／２板、３０Ａ，３０Ｂ…光ファイバ増幅器、３１Ａ，３１Ｂ…増幅用光ファイバ、３２Ａ、３２Ｂ…励起光源、４０Ａ，４０Ｂ…高非線形性光ファイバ、４１Ａ，４１Ｂ…シングルモード光ファイバ、５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ…レンズ、５２Ａ…非線形光学媒体、５３Ｂ…ミラー、５４Ａ，５４Ｂ…ハーフミラー、５５Ａ…バンドパスフィルタ、５６Ａ…ＣＥＯ周波数検出部、５６Ｂ…ヘテロダイン検波部、５６Ｃ…繰返し周波数検出部、６０…ＣＥＯ周波数安定化部、７０…繰返し周波数安定化部。
【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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