(57)【要約】【課題】小型の光周波数コム発生装置を提供する。【解決手段】光周波数コム発生装置１０００は、レーザ光を出射するＣＷレーザ光源２０１と、第一端子ａ、第二端子ｂおよび第三端子ｃを有する全光スイッチであって、第一端子ａから全光スイッチに入射したレーザ光の第三端子ｃからの出射と出射停止とを、第二端子ｂから全光スイッチに入射した制御光に基づいてスイッチングする全光スイッチ１００と、全光スイッチ１００の第三端子ｃから出射されたレーザ光を増幅し、増幅されたレーザ光を制御光として出射するアンプ１２２とを備える。【選択図】図１２
2017211502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射するレーザ光源と、
第一端子、第二端子および第三端子を有する全光スイッチであって、前記第一端子から前記全光スイッチに入射した前記レーザ光の前記第三端子からの出射と出射停止とを、前記第二端子から前記全光スイッチに入射した制御光に基づいてスイッチングする全光スイッチと、
前記全光スイッチの前記第三端子から出射された前記レーザ光を増幅し、増幅された前記レーザ光を前記制御光として出射する光増幅器と、
を備える光周波数コム発生装置。
【請求項２】
前記光周波数コム発生装置は、さらに、
前記全光スイッチの前記第三端子から出射されて広帯域化された前記レーザ光の基本波と第二高調波との干渉波を検出する第１の検出部と、
検出された前記干渉波に基づいて、前記レーザ光のキャリア・エンベロープ・オフセット周波数を測定し、前記キャリア・エンベロープ・オフセット周波数が所定値に維持されるように、前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の波長を制御するＣＥＯ周波数安定化部とを備える
請求項１に記載の光周波数コム発生装置。
【請求項３】
前記光周波数コム発生装置は、さらに、
前記全光スイッチの前記第三端子から出射されて広帯域化された前記レーザ光である光周波数コムを検出する第２の検出部と、
検出された前記光周波数コムの繰り返し周波数を測定し、前記繰り返し周波数が所定値に維持されるように、前記光増幅器の増幅率を制御するＲＥＰ周波数安定化部とを備える、
請求項１に記載の光周波数コム発生装置。
【請求項４】
前記光周波数コム発生装置は、さらに、
前記光増幅器から出射された前記制御光の位相を変調し、位相が変調された前記制御光を前記全光スイッチの第二端子に出射する位相変調器を備え、
前記ＲＥＰ周波数安定化部は、
前記光増幅器の増幅率と、前記位相変調器による変調とを制御することによって、前記繰り返し周波数を所定値に維持する
請求項３に記載の光周波数コム発生装置。
【請求項５】
前記全光スイッチと前記光増幅器とはそれぞれ導波路を有し、基板上に形成されている
請求項１〜４の何れか１項に記載の光周波数コム発生装置。
【請求項６】
前記光周波数コム発生装置は、さらに、
前記基板の温度を一定に維持する温度制御部を備える
請求項５に記載の光周波数コム発生装置。
【請求項７】
前記全光スイッチは、
前記第一端子および第三端子を有する導波路であって、前記レーザ光である信号光が前記第一端子から入射する第１の導波路と、
前記第１の導波路に交わるように配置された、前記第二端子を有する導波路であって、前記制御光が前記第二端子から入射する第２の導波路と、
前記第１の導波路と前記第２の導波路とが交わる交差位置に隣接し、かつ前記第２の導波路を遮るように配置された金属とを備え、
前記第１の導波路における前記交差位置には、
前記制御光の強度によって屈折率が変化する非線形構造物が配置され、
前記第２の導波路には、
前記非線形構造物よりも屈折率が低い低屈折率物質が、前記非線形構造物における前記金属と反対側の面に接するように配置されている
請求項１〜６の何れか１項に記載の光周波数コム発生装置。
【請求項８】
それぞれ請求項１〜７の何れか１項に記載の光周波数コム発生装置であって、互いにパルス間隔の異なる光周波数コムを出射する第１および第２の光源と、
前記第１の光源から出射された光周波数コムである基準光と、前記第２の光源から出射された光周波数コムである測定光との干渉光を検出する第１の検出器と、
前記第１の光源から出射されて対象物にて反射された前記基準光と、前記第２の光源から出射されて前記対象物にて反射された前記測定光との干渉光を検出する第２の検出器と、
前記第１の検出器により検出された干渉光と、前記第２の検出器により検出された干渉光とを用いて、前記対象物までの距離を求める信号処理部と
を備える測距装置。
【請求項９】
互いにパルス間隔の異なる光周波数コムを出射する第１および第２の光源と、
前記第１の光源から出射された光周波数コムである基準光と、前記第２の光源から出射された光周波数コムである測定光との干渉光を検出する第１の検出器と、
前記第１の光源から出射されて対象物にて反射された前記基準光と、前記第２の光源から出射されて前記対象物にて反射された前記測定光との干渉光を検出する第２の検出器と、
前記第１の検出器により検出された干渉光と、前記第２の検出器により検出された干渉光とを用いて、前記対象物までの距離を求める信号処理部と
を備える測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光周波数コムを発生する光周波数コム発生装置、およびその光周波数コム発生装置を備えた測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、精密なポイントの距離計測が可能なアクティブ式距離計測方法として、レーザ光を利用する光学原理による距離計測が知られている。レーザ光を用いて対象物体までの距離を測定するレーザ距離計では、レーザ光の発射時刻と、測定対象に当たって反射してきたレーザ光を受光素子にて検出した時刻との差に基づいて、測定対象物までの距離が算出される（たとえば特許文献１参照）。また、例えば、半導体レーザの駆動電流に三角波等の変調をかけ、対象物での反射光を、半導体レーザ素子の中に埋め込まれたフォトダイオードを使用して受光し、フォトダイオードの出力電流に現れた鋸歯状波の周波数から距離情報を得ている。さらに、光周波数コム発生装置を用いた測距装置が提案されている（特許文献２〜６参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３４３２３４号公報
【特許文献２】特開２０１０−１４５４９号公報
【特許文献３】国際公開第２００７／１１９４４９号
【特許文献４】特開平７−５８３８６号公報
【特許文献５】特開平１１−４０３７号公報
【特許文献６】特開２０００−８９２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の光周波数コム発生装置、およびそれを用いた測距装置では、装置全体が大型化してしまうという問題がある。
【０００５】
本開示は、小型化が可能な光周波数コム発生装置および測距装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様による光周波数コム発生装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、第一端子、第二端子および第三端子を有する全光スイッチであって、前記第一端子から前記全光スイッチに入射した前記レーザ光の前記第三端子からの出射と出射停止とを、前記第二端子から前記全光スイッチに入射した制御光に基づいてスイッチングする全光スイッチと、前記全光スイッチの前記第三端子から出射された前記レーザ光を増幅し、増幅された前記レーザ光を前記制御光として出射する光増幅器と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本開示の光周波数コム発生装置および測距装置は、小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、一般的な全光スイッチを説明するための図である。
【図２】図２は、図１に示す信号光と制御光と出力信号光との関係を示す図である。
【図３】図３は、導波路の構成を示す図である。
【図４】図４は、導波路の原理の概略を説明するための図である。
【図５】図５は、図４の点線位置での屈折率の二乗と光の電場強度との関係を示す図である。
【図６】図６は、実施の形態１における全光スイッチの上面図である。
【図７】図７は、実施の形態１における、図６に示すＶＩＩ−ＶＩＩ線の矢印方向の全光スイッチの断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、実施の形態１における、信号光がＯＮで制御光が入射していないときの全光スイッチの状態を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、実施の形態１における、信号光がＯＮで制御光が入射しているときの全光スイッチの状態を示す図である。
【図９】図９は、実施の形態１における、各レイヤにおける信号光の進み方を説明するための図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、実施の形態１における、導波路を透過する信号光のシミュレーション解析結果を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、実施の形態１における、導波路を透過しない信号光のシミュレーション解析結果を示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、光周波数コムの電場強度の時間変化を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、光周波数コムの周波数空間における電場強度を示す図である。
【図１２】図１２は、実施の形態２における全光スイッチを用いた光周波数コム発生装置の構成の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、実施の形態２における光周波数コム発生装置の構成の他の例を示す図である。
【図１４】図１４は、実施の形態２における光周波数コム発生装置の構成の他の例を示す図である。
【図１５】図１５は、実施の形態２における光周波数コム発生装置の構成の他の例を示す図である。
【図１６】図１６は、実施の形態２における光周波数コム発生装置の構成の他の例を示す図である。
【図１７】図１７は、実施の形態３における、２つの光周波数コム発生装置を備える測距装置の構成の一例を示す図である。
【図１８】図１８は、実施の形態３における測距装置の構成の他の例を示す図である。
【図１９】図１９は、実施の形態３における時間差利用型の信号処理部の構成の一例を示す図である。
【図２０】図２０は、実施の形態３における第１の光源および第２の光源のそれぞれの光周波数コムの時間特性を示す図である。
【図２１】図２１は、実施の形態３における位相差利用型の信号処理部の構成の一例を示す図である。
【図２２】図２２は、実施の形態３の図２０に示す２つの光のスペクトルを示す図である。
【図２３】図２３は、実施の形態３の図２０に示す２つの光のヘテロダイン干渉によって得られた干渉光のスペクトルを示す図である。
【図２４】図２４は、実施の形態３における干渉光の周波数と位相との関係を示す図である。
【図２５】図２５は、実施の形態３における、基準物を用いずに対象物までの距離を測定する測距装置の構成の一例を示す図である。
【図２６】図２６は、実施の形態３における、基準物を用いずに対象物までの距離を測定する測距装置の構成の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（本開示の基礎となった知見）
一般的なレーザ距離計は、レーザ光に強度変調を与えてそのレーザ光を測定対象に向けて出射し、反射してきたレーザ光の遅延時間を計測することによって距離計測を行う。通常、レーザ距離計は、レーザ光に与える電気的な変調信号と光検出器の出力信号との位相比較を行って、レーザ光に与えた変調信号を基準に遅延時間を計測する。例えば、１μｍの距離分解能を得るためには、光が往復で２μｍの距離を進む時間に等しい時間分解能（約７フェムト秒）が必要であるが、この時間分解能を電気回路で実現するためには、レーザ光の周波数帯域を数百ＧＨｚから数ＴＨｚに上げる必要があるため、現在の技術では不可能である。
【００１０】
また、レーザ干渉を応用する変位計（以下、レーザ変位計という）を用いると、ある基準面からの変位量をナノメートルオーダーの分解能または精度で計測することが可能である。レーザ光の波長は数百ナノメートルから数マイクロメートルの範囲にあるので電気信号の波長よりもはるかに短い。例えば、レーザから発生した干渉性の強い光を、ビームスプリッタで分けてから参照面と測定面に照射し、それらの面から反射された光を再び重ね合わせてから光検出器で受光する。これにより、参照面までの距離と測定面までの距離に応じた干渉信号が得られる。干渉信号は、測定面が光の半波長分移動したときに１周期変化するため、光の波長より高い分解能で測定面の変位量を得ることが可能である。ただし、レーザ変位計を絶対距離の測定に応用するためには、原点からの変位量の積算が必要である。
【００１１】
光は波長が短いため数メートルの距離を変位計で測るためには、光の波長の数千倍の変位を積算しなければならない。したがって、一度光線が遮断されると、絶対距離の測定を再開することが難しく、原点復帰が必要である。したがって、レーザ変位計は、ある基準点からの変化量を高い分解能で計測する応用には向いているが、手元から測定面までの距離を高精度に測定したい場合には向いていない。
【００１２】
従来の絶対距離計では、長い距離を高精度で測れる実用的な絶対距離計を実現することが難しい。逆に、レーザ変位計は、高い分解能を得ることはできるが、上述のように原点復帰が必要なため、絶対距離測定には適さない。
【００１３】
そこで、例えば、特許文献２は、長距離測定を高精度で、しかも短時間に行うことの可能な距離計及び距離測定方法並びに光学的三次元形状測定機を提供している。ここでは、光周波数コム発生装置を用いている。特許文献３〜６においても、光周波数コム発生装置が用いられている。
【００１４】
これらの光周波数コム発生装置は、安定度を重視するパルスレーザを用いているため、装置が大きくなる。さらに、装置の温度調整等が必要になるため、さらに装置が大きくなる。
【００１５】
そこで、本開示は、小型の光周波数コム発生装置、およびそれを用いた測距装置を提供する。
【００１６】
すなわち、本開示の一態様に係る光周波数コム発生装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、第一端子、第二端子および第三端子を有する全光スイッチであって、前記第一端子から前記全光スイッチに入射した前記レーザ光の前記第三端子からの出射と出射停止とを、前記第二端子から前記全光スイッチに入射した制御光に基づいてスイッチングする全光スイッチと、前記全光スイッチの前記第三端子から出射された前記レーザ光を増幅し、増幅された前記レーザ光を前記制御光として出射する光増幅器と、を備える。
【００１７】
これにより、レーザ光源から全光スイッチの第一端子へのレーザ光の入射が開始されたときには、全光スイッチの第二端子に制御光が入射していないため、全光スイッチは、例えば、第三端子からそのレーザ光を出射する。この第三端子から出射されたレーザ光の一部が、光周波数コムのパルスとして光周波数コム発生装置から出射される。また、第三端子から出射されたレーザ光は、光増幅器によって増幅されて制御光として全光スイッチの第二端子に入射する。このときには、全光スイッチの第二端子に制御光が入射するため、全光スイッチは、第三端子からのレーザ光の出射を停止する。この停止によって、所定時間経過後に、全光スイッチの第二端子への制御光の入射も停止する。したがって、再び、全光スイッチの第二端子に制御光が入射していない状態となるため、全光スイッチは、第三端子からそのレーザ光を出射する。このような、第三端子からのレーザ光の出射と出射停止とが繰り返されることによって、光周波数コム発生装置は、パルスレーザ光を光周波数コムとして発生することができる。また、全光スイッチから出射されるレーザ光を制御光としてフィードバックさせることによって、光周波数コムを発生するため、装置構成を簡単にすることができ、装置全体の小型化を図ることができる。さらに、全光スイッチと光増幅器とを導波路として基板上に形成することができる。その結果、大がかりな機構を設けることなく、基板の温度調整を行うことによって簡単に光周波数コムを安定化させることができる。つまり、光周波数コムを安定化させながら装置全体の小型化を図ることができる。
【００１８】
また、前記光周波数コム発生装置は、さらに、前記全光スイッチの前記第三端子から出射されて広帯域化された前記レーザ光の基本波と第二高調波との干渉波を検出する第１の検出部と、検出された前記干渉波に基づいて、前記レーザ光のキャリア・エンベロープ・オフセット周波数を測定し、前記キャリア・エンベロープ・オフセット周波数が所定値に維持されるように、前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の波長を制御するＣＥＯ周波数安定化部とを備えてもよい。
【００１９】
広帯域化されたレーザ光であ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安定化させることができる。
【００２０】
また、前記光周波数コム発生装置は、さらに、前記全光スイッチの前記第三端子から出射されて広帯域化された前記レーザ光である光周波数コムを検出する第２の検出部と、検出された前記光周波数コムの繰り返し周波数を測定し、前記繰り返し周波数が所定値に維持されるように、前記光増幅器の増幅率を制御するＲＥＰ周波数安定化部とを備えてもよい。
【００２１】
これにより、広帯域化されたレーザ光である光周波数コムの繰り返し周波数を安定化させることができる。
【００２２】
また、前記光周波数コム発生装置は、さらに、前記光増幅器から出射された前記制御光の位相を変調し、位相が変調された前記制御光を前記全光スイッチの第二端子に出射する位相変調器を備え、前記ＲＥＰ周波数安定化部は、前記光増幅器の増幅率と、前記位相変調器による変調とを制御することによって、前記繰り返し周波数を所定値に維持してもよい。
【００２３】
これにより、広帯域化されたレーザ光である光周波数コムの繰り返し周波数をより安定化させることができる。
【００２４】
また、前記全光スイッチと前記光増幅器とはそれぞれ導波路を有し、基板上に形成されていてもよい。このとき、前記光周波数コム発生装置は、さらに、前記基板の温度を一定に維持する温度制御部を備えてもよい。
【００２５】
これにより、出射される光周波数コムをより安定化させることができる。
【００２６】
また、前記全光スイッチは、前記第一端子および第三端子を有する導波路であって、前記レーザ光である信号光が前記第一端子から入射する第１の導波路と、前記第１の導波路に交わるように配置された、前記第二端子を有する導波路であって、前記制御光が前記第二端子から入射する第２の導波路と、前記第１の導波路と前記第２の導波路とが交わる交差位置に隣接し、かつ前記第２の導波路を遮るように配置された金属とを備え、前記第１の導波路における前記交差位置には、前記制御光の強度によって屈折率が変化する非線形構造物が配置され、前記第２の導波路には、前記非線形構造物よりも屈折率が低い低屈折率物質が、前記非線形構造物における前記金属と反対側の面に接するように配置されていてもよい。
【００２７】
これにより、全光スイッチによって効果的に光変調を行うことができ、装置全体のさらなる小型化を図ることができる。
【００２８】
また、本開示の一態様に係る測距装置は、上述の光周波数コム発生装置であって、互いにパルス間隔の異なる光周波数コムを出射する第１および第２の光源と、前記第１の光源から出射された光周波数コムである基準光と、前記第２の光源から出射された光周波数コムである測定光との干渉光を検出する第１の検出器と、前記第１の光源から出射されて対象物にて反射された前記基準光と、前記第２の光源から出射されて前記対象物にて反射された前記測定光との干渉光を検出する第２の検出器と、前記第１の検出器により検出された干渉光と、前記第２の検出器により検出された干渉光とを用いて、前記対象物までの距離を求める信号処理部とを備える。または、測距装置は、上述の光周波数コム発生装置に限定されない、互いにパルス間隔の異なる光周波数コムを出射する第１および第２の光源と、前記第１の光源から出射された光周波数コムである基準光と、前記第２の光源から出射された光周波数コムである測定光との干渉光を検出する第１の検出器と、前記第１の光源から出射されて対象物にて反射された前記基準光と、前記第２の光源から出射されて前記対象物にて反射された前記測定光との干渉光を検出する第２の検出器と、前記第１の検出器により検出された干渉光と、前記第２の検出器により検出された干渉光とを用いて、前記対象物までの距離を求める信号処理部とを備える。
【００２９】
これにより、基準物を用いることなく対象物までの距離を測定することができ、基準光と測定光のパラメータを変化させることによって、正確に対象物までの距離を測定することができる。
【００３０】
（全光スイッチの概要）
ここで、まず、一般的な全光スイッチの構成例と光カー効果を簡単に説明する。
【００３１】
図１は、一般的な全光スイッチを説明するための図である。
【００３２】
全光スイッチ９００は、ハーフミラー９０１ａおよび９０１ｂと、ミラー９０２ａおよび９０２ｂと、ダイクロイックミラー９０３ａおよび９０３ｂと、カー媒質９０４とからなる光学系である。ここで、カー媒質９０４は、非線形構造物であり、入射される光の強度に比例し、つまり、電場強度の二乗に比例して屈折率が変化する。このため、カー媒質を通過する光路長が変化しうる。例えば図１に示すように、信号光Ｌ１と制御光Ｌ２とが全光スイッチ９００に入射する。信号光Ｌ１の一部は、ハーフミラー９０１ａを透過してミラー９０２ａによって反射され、ハーフミラー９０１ｂに入射する。また、信号光Ｌ１の残りの一部は、ハーフミラー９０１ａおよびミラー９０２ｂによって反射されてダイクロイックミラー９０３ａ、カー媒質９０４およびダイクロイックミラー９０３ｂを透過する。このダイクロイックミラー９０３ｂを透過した光の一部は、ハーフミラー９０１ｂを透過し、他の一部は、ハーフミラー９０１ｂによって反射される。また、ミラー９０２ａによって反射された光も、その一部が、ハーフミラー９０１ｂを透過し、残りの一部が、ハーフミラー９０１ｂによって反射される。その結果、ハーフミラー９０１ｂからは、出力信号光Ｌ３およびＬ４が出射される。
【００３３】
ここで、制御光Ｌ２が、ダイクロイックミラー９０３ａによって反射されてカー媒質９０４に入射すると、その制御光Ｌ２の電場強度によってカー媒質９０４の屈折率が変化する。これにより、ダイクロイックミラー９０３ａからカー媒質９０４に入射する一部の信号光Ｌ１は変調されて、制御光Ｌ２と共にカー媒質９０４から出射する。カー媒質９０４から出射した制御光Ｌ２は、ダイクロイックミラー９０３ｂによって、変調された一部の信号光Ｌ１から分離されて取り出される。そして、変調された一部の信号光Ｌ１だけがダイクロイックミラー９０３ｂを透過してハーフミラー９０１ｂに向けて出射される。ハーフミラー９０１ｂから出射される出力信号光Ｌ３およびＬ４は、この変調された一部の信号光Ｌ１によって影響を受ける。
【００３４】
図２は、信号光Ｌ１と、制御光Ｌ２と、出力信号光Ｌ３およびＬ４との関係を示す図である。
【００３５】
図２に示すように、時間に伴って光強度が変化する信号光Ｌ１と制御光Ｌ２とを全光スイッチ９００に入射した場合、例えば、出力信号光Ｌ３と出力信号光Ｌ４のそれぞれの光強度は、信号光Ｌ１および制御光Ｌ２に応じて変化する。つまり、信号光Ｌ１は、制御光Ｌ２の光強度に応じて、全光スイッチ９００を透過したり、透過しなかったりする。これにより、光−光変換を行うことができる。
【００３６】
（導波路の概要）
次に、導波路について説明をする。なお、本開示における導波路は光導波路である。
【００３７】
導波路には、例えばＳｉ導波路などが存在する。
【００３８】
図３は、導波路の構成を示す図である。導波路８００は、例えばＳｉを素材とするＳｉ導波路であって、例えばＳｉＯ２を主成分とする基板８０１上に形成される。図３に示すように、信号光は、導波路８００の一端からその導波路８００に入射すると、導波路８００内に閉じ込められた状態で導波路８００の他端側（出射側）に導かれる。そして、その信号光は、導波路８００の他端から出力信号光として出射される。
【００３９】
なお、本開示では、信号光が入射する導波路に沿った方向をＸ軸方向とし、導波路が形成されている基板と垂直な方向をＺ軸方向とし、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に垂直な方向をＹ軸方向としている。また、Ｚ軸方向における基板から見て導波路側を上、上側または上向き、その逆を、下、下側または下向きと称する。
【００４０】
図４は、導波路の原理の概略を説明するための図である。なお、図４は、図３における導波路８００および基板８０１のＹＺ平面での断面、つまり、導波路８００内の光の進行方向に対して垂直な断面を示している。信号光は、屈折率の差によって、Ｚ軸方向（すなわち上下方向）およびＹ軸方向（すなわち左右方向）のそれぞれの方向に沿って導波路８００から外に出ることができず、導波路８００内に閉じ込められている。つまり、屈折率が高い部分に信号光が閉じ込められる。
【００４１】
図５は、図４の点線位置での屈折率の二乗と光の電場強度との関係を示す図である。なお、図５において、縦軸は屈折率の二乗と光の電場強度とを示し、横軸は、図４の点線に沿った位置を示す。屈折率の二乗は、導波路８００内では高く、信号光は、電場強度の分布によって示されるように、その導波路８００内に閉じ込められる。なお、信号光は、完全に導波路８００内に閉じ込められているわけではなく、導波路８００の周りに染み出している。
【００４２】
（実施の形態１）
以上を踏まえて、以下、本開示の全光スイッチの実施の形態について説明する。
【００４３】
図６は、本実施の形態における全光スイッチの上面図である。
【００４４】
全光スイッチ１００は、基板１０１と、基板１０１上に配置された第１の導波路Ｒ１、第２の導波路Ｒ２、および金属１０２とを備える。
【００４５】
第１の導波路Ｒ１は、基板１０１上にＸ軸方向に沿うように形成されている。信号光は、この第１の導波路Ｒ１にその一端から入射する。
【００４６】
第２の導波路Ｒ２は、基板１０１上にＹ軸方向に沿うように形成され、第１の導波路Ｒ１に交わるように配置されている。つまり、第１の導波路Ｒ１および第２の導波路Ｒ２は、それぞれ基板１０１上に形成された導波路であって、略Ｔ字状に交差している。制御光は、この第２の導波路Ｒ２にその一端から入射する。
【００４７】
金属１０２は、第１の導波路Ｒ１と第２の導波路Ｒ２とが交わる交差位置に隣接し、かつ第２の導波路Ｒ２を遮るように配置されている。金属１０２には、例えば、金、銀、およびアルミニウムなどを用いることができる。つまり、金属１０２は、金、銀、およびアルミニウムのうちの少なくとも１つを含む。
【００４８】
ここで、第１の導波路Ｒ１における上述の交差位置には、制御光の強度によって屈折率が変化する非線形構造物であるカー媒質１０３が配置されている。
【００４９】
カー媒質１０３には、例えば、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ）の結晶を用いることができる。この場合、その結晶を液相エピタキシャル成長で成長させてもよいし、スパッタで作製しても良い。また、カー媒質１０３には、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、チタン酸バリウム（ＢＴ）、またはチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）の結晶を用いてもよい。つまり、カー媒質１０３は、タンタル酸ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、およびチタン酸ジルコン酸ランタン鉛のうちの少なくとも１つの結晶を含む。
【００５０】
また、第１の導波路Ｒ１におけるカー媒質１０３を挟む２つの部位には、上述の導波路８００と同様、例えば、Ｓｉを素材として構成される２つの物質が配置されている。
【００５１】
また、第２の導波路Ｒ２には、カー媒質１０３よりも屈折率が低い低屈折率物質１０４が、カー媒質１０３における金属１０２と反対側の面に接するように配置されている。なお、第２の導波路Ｒ２は、カー媒質１０３と低屈折率物質１０４とからなる。
【００５２】
このような全光スイッチ１００は、第１の導波路Ｒ１の一端から入射した信号光を、カー媒質１０３において、第２の導波路Ｒ２から入射した制御光によって変調し、第１の導波路Ｒ１の他端から出力信号光として出射する。
【００５３】
図７は、図６に示すＶＩＩ−ＶＩＩ線の矢印方向における全光スイッチ１００の断面図である。つまり、図７に示す全光スイッチ１００の断面図は、全光スイッチ１００における第２の導波路Ｒ２および金属１０２が配置された部分のＹＺ平面における断面図である。
【００５４】
図７に示すように、全光スイッチ１００の基板１０１上には、カー媒質１０３および低屈折率物質１０４からなる第２の導波路Ｒ２と、金属１０２とが形成されている。
【００５５】
ここで、信号光が進む方向の先からは、出力信号光が出射される。一方、制御光が進む方向の先には金属があるため、制御光は金属で反射する。信号光および制御光はカー媒質１０３を透過する。低屈折率物質１０４の屈折率は、カー媒質１０３の屈折率より僅かに小さい。なお、低屈折率物質１０４は、例えば、タンタル酸ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、およびチタン酸ジルコン酸ランタン鉛のうちの少なくとも１つの結晶に対して不純物を添加することによって生成された物質である。
【００５６】
図８Ａ〜図９Ｂを用いて、全光スイッチ１００の制御に関して説明する。
【００５７】
図８Ａは、信号光がＯＮで制御光が入射していないときの全光スイッチ１００の状態を示す図である。図８Ｂは、信号光がＯＮで制御光が入射しているときの全光スイッチ１００の状態を示す図である。なお、図８Ａおよび図８Ｂでは、説明を簡単にするために基板１０１を省略している。
【００５８】
全光スイッチ１００は、図８Ａに示すように、信号光がＯＮ、つまり、信号光が第１の導波路Ｒ１に入射しているときに、制御光が第２の導波路Ｒ２の低屈折率物質１０４に入射していない場合には、その入射した信号光を出力信号光として出射する。つまり、この場合には、信号光は全光スイッチ１００を透過する。
【００５９】
一方、全光スイッチ１００は、図８Ｂに示すように、信号光がＯＮ、つまり、信号光が第１の導波路Ｒ１に入射しているときに、制御光が第２の導波路Ｒ２の低屈折率物質１０４に入射している場合には、その入射した信号光を出力信号光として出射しない。つまり、この場合には、信号光は全光スイッチ１００を透過しない。
【００６０】
ここで、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、第１の導波路Ｒ１において３つのレイヤ１〜３を定義する。レイヤ２は、第１の導波路Ｒ１におけるカー媒質１０３が配置されているレイヤである。レイヤ１および３は、第１の導波路Ｒ１におけるカー媒質１０３をＸ軸方向に挟む位置にあるレイヤである。具体的には、レイヤ１は、第１の導波路Ｒ１における信号光が入射する一端側にあり、レイヤ２は、第１の導波路Ｒ１における出力信号光が出射する他端側にある。
【００６１】
図９は、レイヤ１〜３のそれぞれにおける信号光の進み方を説明するための図である。具体的には、図９の（ａ）〜（ｃ）における上段の図は、全光スイッチ１００の各レイヤにおけるＹＺ平面での断面を示し、図９の（ａ）〜（ｃ）における下段の図は、それらの断面における点線位置での屈折率の二乗と光の電場強度とを示す。
【００６２】
レイヤ１または３では、図４および図５と同様に、第１の導波路Ｒ１内に入射された信号光は、第１の導波路Ｒ１内を進行し、第１の導波路Ｒ１外に入射した光は第１の導波路Ｒ１内に閉じ込められない。この結果、図９の（ａ）に示すように、第１の導波路Ｒ１内に入射した信号光のみが第１の導波路Ｒ１内に閉じ込められる。
【００６３】
一方、図９の（ｂ）および（ｃ）に示すように、レイヤ２における信号光の状態は制御光の有無に応じて異なる。まず、制御光の入射がない場合は、図９の（ｂ）に示すように、信号光は、第１の導波路Ｒ１の中に閉じ込められる。これにより、信号光は、全光スイッチ１００の第１の導波路Ｒ１を透過して出力信号光として出射される。一方、制御光の入射がある場合は、図９の（ｃ）に示すように、カー媒質１０３の屈折率が僅かに小さくなる。この結果、屈折率の僅かな変調によって信号光を第１の導波路Ｒ１の中に閉じ込めることが出来なくなり、第２の導波路Ｒ２の低屈折率物質１０４側に信号光が漏れ出す。これにより、信号光は全光スイッチ１００の第１の導波路Ｒ１を透過しないため、全光スイッチ１００からは出力信号が出射されない。
【００６４】
なお、本実施の形態では、カー媒質１０３の非線形係数はマイナスである。つまり、制御光を受けているカー媒質１０３の屈折率は、制御光を受けていないカー媒質１０３の屈折率よりも小さい。したがって、上述のように、制御光の入射がない場合には、全光スイッチ１００は出力信号光を出射し、制御光の入射がある場合には、全光スイッチ１００は出力信号光を出射しない。しかし、カー媒質１０３の非線形係数はプラスであってもよい。この場合には、制御光に対する出力信号光の制御が逆になる。つまり、制御光の入射がない場合には、全光スイッチ１００は出力信号光を出射せず、制御光の入射がある場合には、全光スイッチ１００は出力信号光を出射する。
【００６５】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、シミュレーションツールを用いて信号光を解析した結果を示す図である。具体的には、図１０Ａの（ａ）は、制御光の入射がない場合における信号光の強度分布を示し、図１０Ａの（ｂ）は、第１の導波路Ｒ１の信号光が出射される端における、その信号光の強度の時間変化を示す。図１０Ｂの（ａ）は、制御光の入射がある場合における信号光の強度分布を示し、図１０Ｂの（ｂ）は、第１の導波路Ｒ１の信号光が出射される端における、その信号光の強度の時間変化を示す。なお、図１０Ａおよび図１０Ｂにおいては、信号光の進行方向を把握しやすくするため、制御光の表示を省略している。
【００６６】
制御光の入射がない場合は、図１０Ａに示すように、信号光の９５％が全光スイッチ１００の第１の導波路Ｒ１を透過する。一方、制御光の入射がある場合は、図１０Ｂに示すように、信号光の５％だけが全光スイッチ１００の第１の導波路Ｒ１を透過し、残りの９５％は透過しない。この結果から、本実施の形態における全光スイッチ１００は、光−光変調を行う全光スイッチとして動作する。
【００６７】
また、本実施の形態における全光スイッチ１００では、第２の導波路Ｒ２の幅は、第１の導波路Ｒ１の幅よりも広い。例えば、第２の導波路Ｒ２の幅は、第１の導波路Ｒ１の幅の９倍である。これにより、制御光の入射がある場合における、第１の導波路Ｒ１内の信号光が低屈折率物質１０４に漏れ出す割合を、有意義に増加させることができる。また、第２の導波路Ｒ２の幅を広げ過ぎるとスイッチ全体が大型化してしまう。したがって、第２の導波路Ｒ２の幅を、例えば第１の導波路Ｒ１の幅の９倍とすることによって、スイッチ全体の大型化を防ぎながら、信号光（つまり出力信号光）の出射と、出射停止とのスイッチングの機能を十分に果たすことができる。
【００６８】
［実施の形態１のまとめ］
以上のように、本実施の形態における全光スイッチ１００は、信号光を制御光によって変調する全光スイッチであって、信号光が入射する第１の導波路Ｒ１と、第１の導波路Ｒ１に交わるように配置された、制御光が入射する第２の導波路Ｒ２と、第１の導波路Ｒ１と第２の導波路Ｒ２とが交わる交差位置に隣接し、かつ第２の導波路Ｒ２を遮るように配置された金属１０２とを備える。そして、第１の導波路Ｒ１における交差位置には、制御光の強度によって屈折率が変化する非線形構造物であるカー媒質１０３が配置されている。また、第２の導波路Ｒ２には、カー媒質１０３よりも屈折率が低い低屈折率物質１０４が、カー媒質１０３における金属１０２と反対側の面に接するように配置されている。そして、全光スイッチ１００は、第１の導波路Ｒ１の一端から入射した信号光を、カー媒質１０３において、第２の導波路Ｒ２から入射した制御光によって変調して、第１の導波路Ｒ１の他端から出射する。
【００６９】
これにより、第２の導波路Ｒ２に入射した制御光は金属１０２によって反射される。したがって、カー媒質１０３の屈折率を効果的に変化させることができる。さらに、第１の導波路Ｒ１の他端からは、変調された信号光が出射されて、制御光が出射されることを抑えることができる。したがって、信号光と制御光とを分離する必要がない。その結果、信号光と制御光のそれぞれの波長を同一にすることができる。したがって、波長変換を行うことなく、第１の導波路Ｒ１から出射された信号光を制御光として全光スイッチ１００にフィードバックすることができ、効率的に光変調を行うことができる。
【００７０】
（実施の形態２）
本実施の形態における光周波数コム発生装置は、上述した全光スイッチ１００を備えた装置である。以下、本実施の形態における光周波数コム発生装置について詳細に説明する。
【００７１】
本実施の形態における光周波数コム発生装置は、光周波数コムまたは光コムと呼ばれる光を発生する。
【００７２】
図１１Ａは、光周波数コムの電場強度の時間変化を示す図である。なお、図１１Ａにおいて、縦軸は光の電場強度を示し、横軸は時間を示す。この図１１Ａに示すように、光周波数コムでは、光の複数のパルスが等間隔のタイミングに発生している。
【００７３】
図１１Ｂは、光周波数コムの周波数空間における電場強度を示す図である。なお、図１１Ｂにおいて、縦軸は光の電場強度を示し、横軸は周波数を示す。この図１１Ｂに示すように、光周波数コムでは、光のスペクトルの複数のピークが等間隔の周波数で現れている。図１１Ａおおび図１１Ｂにおいて、パルスが現れるタイミングの間隔がＴのとき、周波数空間でのピークが現れる周波数の間隔は１／Ｔとなる。光周波数コムは、周波数空間で櫛状になった光スペクトルを有するため、光周波数コムまたは光コム（櫛という意）と呼ばれる。この光周波数コムは、例えば、測距（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）、高精度の分光、または光通信用の光源などに用いられる。
【００７４】
図１２は、本実施の形態における全光スイッチを用いた光周波数コム発生装置の構成の一例を示す図である。
【００７５】
光周波数コム発生装置１０００は、ＣＷレーザ光源２０１と、全光スイッチ１００と、アイソレータ１２１ａおよび１２１ｂと、分配器１２３ａおよび１２３ｂと、アンプ１２２と、位相変調器１２５と、希土類増強ファイバ増幅器１２４ａおよび１２４ｂと、ポンプレーザ１２６ａおよび１２６ｂと、第１の非線形媒質（ＨＮＬＦ）１２７ａおよび１２７ｂと、第２の非線形媒質（ＰＰＬＮ）１２７ｃと、フォトダイオード（ＰＤ）１２８ａおよび１２８ｂと、ＲＥＰ周波数安定化部１２９ａと、ＣＥＯ周波数安定化部１２９ｂとを備えている。なお、全光スイッチ１００、アイソレータ１２１ａ、分配器１２３ａ、アンプ１２２および位相変調器１２５から、光を一方向に巡回させる光ループ部１２０が構成される。
【００７６】
ＣＷレーザ光源２０１は、例えば波長１．５５μｍのレーザ光を連続的に出射する。
【００７７】
全光スイッチ１００は、実施の形態１の全光スイッチ１００であって、第一端子ａ、第二端子ｂおよび第三端子ｃを有する。第一端子ａおよび第三端子ｃはそれぞれ、第１の導波路Ｒ１における一端および他端に相当し、第二端子ｂは、第２の導波路Ｒ２における低屈折率物質１０４側の端に相当する。全光スイッチ１００の第一端子ａには、ＣＷレーザ光源２０１からのレーザ光が信号光として入射し、全光スイッチ１００の第二端子ｂには、光ループ部１２０を通った光が制御光として入射する。全光スイッチ１００は、ＣＷレーザ光源２０１からのレーザ光である信号光を、その制御光によって変調して第三端子ｃから出射する。つまり、本実施の形態における全光スイッチ１００は、第一端子ａから全光スイッチ１００に入射したレーザ光の第三端子ｃからの出射と出射停止とを、第二端子ｂから全光スイッチ１００に入射した制御光に基づいてスイッチングする。
【００７８】
具体的には、全光スイッチ１００は、第一端子ａおよび第三端子ｃを有する導波路であって、レーザ光である信号光が第一端子ａから入射する第１の導波路Ｒ１と、第１の導波路Ｒ１に交わるように配置された、第二端子ｂを有する導波路であって、制御光が第二端子ｂから入射する第２の導波路Ｒ２と、第１の導波路Ｒ１と第２の導波路Ｒ２とが交わる交差位置に隣接し、かつ第２の導波路Ｒ２を遮るように配置された金属１０２とを備える。第１の導波路Ｒ１における上述の交差位置には、制御光の強度によって屈折率が変化する非線形構造物であるカー媒質１０３が配置されている。第２の導波路Ｒ２には、カー媒質１０３よりも屈折率が低い低屈折率物質１０４が、カー媒質１０３における金属１０２と反対側の面に接するように配置されている。
【００７９】
アイソレータ１２１ａは、光アイソレータであって、全光スイッチ１００の第三端子ｃから分配器１２３ａへの順方向にのみレーザ光を透過する。分配器１２３ａは、全光スイッチ１００の第三端子ｃから出射されてアイソレータ１２１ａを透過したレーザ光を分配することによって、アイソレータ１２１ｂとアンプ１２２とにレーザ光を出射する。
【００８０】
アンプ１２２は、分配器１２３ａからのレーザ光を増幅して位相変調器１２５に出射する。つまり、本実施の形態におけるアンプ１２２は、全光スイッチ１００の第三端子ｃから出射されたレーザ光を増幅し、増幅されたレーザ光を上述の制御光として出射する光増幅器である。
【００８１】
位相変調器１２５は、アンプ１２２から出射された制御光の位相を変調し、位相が変調された制御光を全光スイッチ１００の第二端子ｂに出射する。
【００８２】
このような光ループ部１２０では、まず、ＣＷレーザ光源２０１から出射されたレーザ光が信号光として、全光スイッチ１００の第一端子ａに入射する。このレーザ光の入射が開始されたときには、全光スイッチ１００の第二端子ｂに制御光が入射していないため、全光スイッチ１００の第三端子ｃからレーザ光が出射される。この全光スイッチ１００から出射されたレーザ光は、光ループ部１２０のアイソレータ１２１ａ、分配器１２３ａ、アンプ１２２、および位相変調器１２５を通って、再度、全光スイッチ１００に入射する。この時、そのレーザ光は制御光として全光スイッチ１００の第二端子ｂに入射する。このため、制御光の入射の直後から、全光スイッチ１００からのレーザ光の出射は停止される。しかし、出射が停止された状態で、全光スイッチ１００から既に出射されたレーザ光が光ループ部１２０を一周すると、制御光の全光スイッチ１００への入射が停止される。その結果、再度、全光スイッチ１００は、第三端子ｃからレーザ光を出射する。光ループ部１２０は、このような光の出射と出射停止とを繰り返すことで、光の周期的な出射を実現する。つまり、光ループ部１２０は、光周波数コム発生装置１０００に必要な構成である。なお、アイソレータ１２１ａおよび位相変調器１２５は必ずしも必要ではない。
【００８３】
また、光ループ部１２０の長さ（つまり光の経路の長さ）は任意であるが、例えば１５０μｍでもよいし、１５０ｍなどでもよい。光ループ部１２０の長さが１５０μｍの場合には、光ループ部１２０は、１ＴＨｚのパルスレーザ光を分配器１２３ａから出射することができる。また、光ループ部１２０の長さが１５０ｍの場合には、光ループ部１２０は、１ＭＨｚのパルスレーザ光を分配器１２３ａから出射することができる。
【００８４】
アイソレータ１２１ｂは、光アイソレータであって、分配器１２３ａから分配器１２３ｂへの順方向にのみレーザ光を透過する。つまり、アイソレータ１２１ｂは、全光スイッチ１００から出射されたレーザ光のうち、制御光として用いられるレーザ光以外のレーザ光を、分配器１２３ｂに出射する。
【００８５】
このように光ループ部１２０からアイソレータ１２１ｂを介して出射されるレーザ光は、パルスレーザ光であるが、最終的に生成される光周波数コムよりも、強度が弱く、狭い周波数帯域を有する。
【００８６】
分配器１２３ｂは、アイソレータ１２１ｂから出射されたパルスレーザ光を制御系と出射系に分配する。
【００８７】
出射系は、希土類増強ファイバ増幅器１２４ｂ、ポンプレーザ１２６ｂ、および第１の非線形媒質１２７ｂを含み、分配器１２３ｂから出射されるパルスレーザ光を増幅して広帯域化することによって最終的な光周波数コムを生成する。
【００８８】
希土類増強ファイバ増幅器１２４ｂは、例えば、希土類元素の１つであるエルビウム（Ｅｒ）を石英光ファイバの製造工程においてコアにドープすることによって生成されたエルビウムドープ光ファイバである。
【００８９】
ポンプレーザ１２６ｂは、例えば０．９８μｍの波長の光を励起光として出射して希土類増強ファイバ増幅器１２４ｂに導入する。これにより、希土類増強ファイバ増幅器１２４ｂには、分配器１２３ｂから出射されたパルスレーザ光と、ポンプレーザ１２６ｂから出射された励起光とが合波されて導入される。その結果、希土類増強ファイバ増幅器１２４ｂは、その励起光によってパルスレーザ光を増幅する。
【００９０】
第１の非線形媒質１２７ｂは、例えば、通常の伝送用に用いられる標準的なシングルモード光ファイバより非線形係数が３倍以上大きい光ファイバである高非線形光ファイバ（ＨＮＬＦ：Highly Nonlinear Fiber）である。希土類増強ファイバ増幅器１２４ｂによって増幅されたパルスレーザ光は、この第１の非線形媒質１２７ｂに入射する。第１の非線形媒質１２７ｂは、その増幅されたパルスレーザ光のスペクトルを非線形現象により広帯域化することによって、最終的な光周波数コムを生成して出射する。
【００９１】
制御系は、希土類増強ファイバ増幅器１２４ａ、ポンプレーザ１２６ａ、第１の非線形媒質１２７ａ、第２の非線形媒質１２７ｃ、フォトダイオード１２８ａ、およびフォトダイオード１２８ｂを含む。このような制御系は、出射系と同様に最終的な光周波数コムを出射するとともに、その光周波数コムの特性を検出する。この特性は、光周波数コム発生装置１０００のフィードバック制御に用いられる。
【００９２】
希土類増強ファイバ増幅器１２４ａ、ポンプレーザ１２６ａ、および第１の非線形媒質１２７ａはそれぞれ、出射系における希土類増強ファイバ増幅器１２４ｂ、ポンプレーザ１２６ｂ、および第１の非線形媒質１２７ｂと同様の機能を有する。したがって、第１の非線形媒質１２７ａからは、最終的な光周波数コムが出射される。この第１の非線形媒質１２７ｂから出射される光周波数コムは分波される。
【００９３】
第２の非線形媒質１２７ｃは、非線形結晶であって、例えばＰＰＬＮ（periodically poled lithium niobate）である。本実施の形態における第２の非線形媒質１２７ｃは、分波された光周波数コムを含む基本波に対し、第二高調波を生成して出射する。
【００９４】
フォトダイオード１２８ｂは、光周波数コムの基本波と第二高調波との干渉波、つまりビートを検出する。つまり、本実施の形態におけるフォトダイオード１２８ｂは、全光スイッチ１００の第三端子ｃから出射されて広帯域化されたレーザ光の基本波と第二高調波との干渉波を検出する第１の検出部である。
【００９５】
以下、ビート検出について説明する。
【００９６】
第二高調波の帯域と基本波の帯域とは一部で重なっている。フォトダイオード１２８ｂは、この第二高調波と基本波との干渉波（すなわちビート）を検出する。このビートに基づいて、ＣＥＯ周波数というものが測定される。
【００９７】
図１１Ｂに示すように、周波数空間において、一定間隔（繰り返し周波数ｆｒｅｐ）だけ離れて並んでいる光周波数コムの各モード（すなわちピーク）を、仮想的に周波数０の近傍まで配置すると、オフセット周波数であるＣＥＯ周波数ｆｃｅｏが存在する。時間空間におけるパルスで理解すると、このオフセット周波数は、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」に相当する。したがって、このオフセット周波数は、ｃａｒｒｉｅｒ−ｅｎｖｅｌｏｐｅｏｆｆｓｅｔ周波数、つまり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、光周波数コム中において、ＣＥＯ周波数ｆｃｅｏをゼロ番目のモードの周波数ｆ（０）として、ｎ番目のモードの周波数ｆ（ｎ）を、以下の式（１）によって記述することができる。つまり、周波数ｆ（ｎ）を、繰り返し周波数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。
【００９８】
ｆ（ｎ）＝ｆｒｅｐ×ｎ＋ｆｃｅｏ            ・・・（１）
【００９９】
光周波数コムの帯域が１オクターブ以上に広がっているということは、光周波数コム中に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番目のモードの第二高調波の周波数は以下の式（２）で表され、２ｎ番目のモードの周波数は以下の式（３）で表される。両者の差は、ＣＥＯ周波数ｆｃｅｏであり、ビート検出によって測定することができる。このような周波数の測定手法が、ｆ−ｔｏ−２ｆ干渉と呼ばれる手法である。
【０１００】
２ｆ（ｎ）＝ｆｒｅｐ×２ｎ＋２ｆｃｅｏ      ・・・（２）
ｆ（２ｎ）＝ｆｒｅｐ×２ｎ＋ｆｃｅｏ        ・・・（３）
【０１０１】
具体的には、ＣＥＯ周波数ｆｃｅｏは以下のようにして測定される。すなわち、第１の非線形媒質１２７ａ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を経て第２の非線形媒質１２７ｃに入射する。第２の非線形媒質１２７ｃでは、入射したパルスレーザ光の基本波に対し第二高調波が発生する。これらのパルスレーザ光の基本波および第二高調波がフォトダイオード１２８ｂに受光される。つまり、基本波と第二高調波との干渉波がフォトダイオード１２８ｂに検出される。
【０１０２】
ＣＥＯ周波数安定化部１２９ｂは、フォトダイオード１２８ｂによって検出された干渉波（すなわちビート）に基づいて、パルスレーザ光のＣＥＯ周波数ｆｃｅｏを測定する。そして、ＣＥＯ周波数安定化部１２９ｂは、ＣＥＯ周波数ｆｃｅｏが所定値となるように、ＣＷレーザ光源２０１のパワーと温度を調整する。その結果、ＣＷレーザ光源２０１から出射されるレーザ光の波長を安定化することができる。つまり、本実施の形態におけるＣＥＯ周波数安定化部１２９ｂは、検出された干渉波に基づいて、パルスレーザ光のＣＥＯ周波数ｆｃｅｏを特定する。そして、ＣＥＯ周波数安定化部１２９ｂは、そのＣＥＯ周波数ｆｃｅｏが所定値に維持されるように、ＣＷレーザ光源２０１から出射されるレーザ光の波長を制御する。
【０１０３】
フォトダイオード１２８ａは、第１の非線形媒質１２７ａから出射されるパルスレーザ光を受光する。つまり、本実施の形態におけるフォトダイオード１２８ａは、全光スイッチ１００の第三端子ｃから出射されて広帯域化されたレーザ光である光周波数コム（光コム）を検出する。ここで、上記の式（１）に示す繰り返し周波数ｆｒｅｐは、パルスレーザ光である光周波数コムをフォトダイオード１２８ａによって直接に受光することで、簡単に測定することができる。
【０１０４】
ＲＥＰ周波数安定化部１２９ａは、フォトダイオード１２８ａによって検出された光周波数コムに基づいて、繰り返し周波数ｆｒｅｐが所定値となるように、位相変調器１２５およびアンプ１２２を制御する。つまり、本実施の形態におけるＲＥＰ周波数安定化部１２９ａは、検出された光周波数コム（光コム）の繰り返し周波数を測定し、繰り返し周波数が所定値に維持されるように、アンプ１２２の増幅率を制御する。あるいは、ＲＥＰ周波数安定化部１２９ａは、アンプ１２２の増幅率と、位相変調器１２５による変調とを制御することによって、繰り返し周波数ｆｒｅｐを所定値に維持する。これにより、光ループ部１２０における光のループ状の経路の長さが調整され、ＣＷレーザ光源２０１から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数ｆｒｅｐを安定化することができる。
【０１０５】
ここで、図１２に示す光周波数コム発生装置１０００における光ループ部１２０に含まれる各構成要素と、アイソレータ１２１ｂとは、基板上に形成された導波路として構成されている。つまり、本実施の形態では、全光スイッチ１００とアンプ１２２とはそれぞれ導波路を有し、基板上に形成されている。なお、この基板上の各構成要素は光ファイバで接続されていてもよい。
【０１０６】
これにより、光周波数コム発生装置１０００をより小型化することができる。
【０１０７】
また、本実施の形態における光周波数コム発生装置１０００は、その基板の温度を一定に維持する温度制御部を備えてもよい。これにより、装置全体の温度を管理する必要がなく、出射される光周波数コムをより効率的に安定化させることができる。
【０１０８】
図１３は、本実施の形態における光周波数コム発生装置の構成の他の例を示す図である。
【０１０９】
光周波数コム発生装置１００１は、上述の光周波数コム発生装置１０００における希土類増強ファイバ増幅器１２４ａおよび１２４ｂとポンプレーザ１２６ａおよび１２６ｂとの代わりに、半導体光増幅器１２４ｃおよび１２４ｄを備える。光周波数コム発生装置１００１に含まれるその他の構成要素は、光周波数コム発生装置１０００に含まれる構成要素と同一である。
【０１１０】
半導体光増幅器１２４ｃおよび１２４ｄのそれぞれは、分配器１２３ｂから出射されるパルスレーザ光を増幅して第１の非線形媒質１２７ａまたは１２７ｂに出射する。
【０１１１】
このように、希土類増強ファイバ増幅器１２４ａおよび１２４ｂとポンプレーザ１２６ａおよび１２６ｂとの代わりに、半導体光増幅器１２４ｃおよび１２４ｄを用いる場合であっても、上述の光周波数コム発生装置１０００と同様の機能を実現することができる。
【０１１２】
また、光周波数コム発生装置１００１では、ＣＷレーザ光源２０１、ＲＥＰ周波数安定化部１２９ａおよびＣＥＯ周波数安定化部１２９ｂを除く各構成要素が、基板上に形成された導波路として構成されている。なお、この基板上の各構成要素は光ファイバで接続されていてもよい。
【０１１３】
図１４は、本実施の形態における光周波数コム発生装置の構成の他の例を示す図である。
【０１１４】
光周波数コム発生装置１００２は、上述の光周波数コム発生装置１００１と同一の構成要素を備えるが、基板上に形成される構成要素が光周波数コム発生装置１００１とは異なる。
【０１１５】
光周波数コム発生装置１００２では、光ループ部１２０の各構成要素と、アイソレータ１２１ｂと、分配器１２３ｂと、半導体光増幅器１２４ｃおよび１２４ｄとが、基板上に形成された導波路として構成されている。なお、この基板上の各構成要素は光ファイバで接続されていてもよい。
【０１１６】
図１５は、本実施の形態における光周波数コム発生装置の構成の他の例を示す図である。
【０１１７】
光周波数コム発生装置１００３は、上述の光周波数コム発生装置１００１および１００２と同一の構成要素を備えるが、基板上に形成される構成要素が光周波数コム発生装置１００１および１００２とは異なる。
【０１１８】
光周波数コム発生装置１００３では、光ループ部１２０の各構成要素と、アイソレータ１２１ｂとが、基板上に形成された導波路として構成されている。なお、この基板上の各構成要素は光ファイバで接続されていてもよい。
【０１１９】
図１６は、本実施の形態における光周波数コム発生装置の構成の他の例を示す図である。
【０１２０】
光周波数コム発生装置１００４は、上述の光周波数コム発生装置１００１〜１００３と同一の構成要素を備えるが、何れの構成要素も基板上に形成されていない点が光周波数コム発生装置１００１〜１００３とは異なる。つまり、光周波数コム発生装置１００４では、全ての構成要素が光ファイバとして構成されている。また、これらの構成要素は光ファイバで接続されている。
【０１２１】
このように、本実施の形態における光周波数コム発生装置では、基板上に導波路として形成された構成要素を備えてもよく、光ファイバとして形成された構成要素を備えてもよい。また、基板上に導波路として形成される構成要素は、１つであっても複数であってもよく、どのような種類の構成要素であってもよい。また、構成要素のうちの一部のみが導波路として形成されていてもよい。
【０１２２】
また、本実施の形態における光周波数コム発生装置における光ループ部１２０は、λ／２板またはλ／４板などの波長板を備えて、光の偏光状態を変化させてもよい。
【０１２３】
［実施の形態２のまとめ］
以上のように、本実施の形態における光周波数コム発生装置は、レーザ光を出射するＣＷレーザ光源２０１と、第一端子ａ、第二端子ｂおよび第三端子ｃを有する全光スイッチであって、第一端子ａから全光スイッチに入射したレーザ光の第三端子ｃからの出射と出射停止とを、第二端子ｂから全光スイッチに入射した制御光に基づいてスイッチングする全光スイッチ１００と、全光スイッチ１００の第三端子ｃから出射されたレーザ光を増幅し、増幅されたレーザ光を制御光として出射するアンプ１２２とを備える。
【０１２４】
これにより、ＣＷレーザ光源２０１から全光スイッチ１００の第一端子ａへのレーザ光の入射が開始されたときには、全光スイッチ１００の第二端子ｂに制御光が入射していないため、全光スイッチ１００は、例えば、第三端子ｃからそのレーザ光を出射する。この第三端子ｃから出射されたレーザ光の一部が、光周波数コムのパルスとして光周波数コム発生装置から出射される。また、第三端子ｃから出射されたレーザ光は、アンプ１２２によって増幅されて制御光として全光スイッチ１００の第二端子ｂに入射する。このときには、全光スイッチ１００の第二端子ｂに制御光が入射するため、全光スイッチ１００は、第三端子ｃからのレーザ光の出射を停止する。この停止によって、所定時間経過後に、全光スイッチ１００の第二端子ｂへの制御光の入射も停止する。したがって、再び、全光スイッチ１００の第二端子ｂに制御光が入射していない状態となるため、全光スイッチ１００は、第三端子ｃからそのレーザ光を出射する。このような、第三端子ｃからのレーザ光の出射と出射停止とが繰り返されることによって、光周波数コム発生装置は、パルスレーザ光を光周波数コムとして発生することができる。また、全光スイッチ１００から出射されるレーザ光を制御光としてフィードバックさせることによって、光周波数コムを発生するため、装置構成を簡単にすることができ、装置全体の小型化を図ることができる。さらに、全光スイッチ１００とアンプ１２２とを導波路として基板上に形成することができる。その結果、大がかりな機構を設けることなく、基板の温度調整を行うことによって簡単に光周波数コムを安定化させることができる。つまり、光周波数コムを安定化させながら装置全体の小型化を図ることができる。
【０１２５】
なお、本実施の形態における光周波数コム発生装置は、実施の形態１の全光スイッチ１００を備えているが、これに限らず、他の全光スイッチを備えていてもよい。
【０１２６】
また、本実施の形態における光周波数コム発生装置は、さらに、全光スイッチ１００の第三端子ｃから出射されて広帯域化されたレーザ光の基本波と第二高調波との干渉波を検出するフォトダイオード１２８ｂと、検出された干渉波に基づいて、レーザ光のＣＥＯ周波数ｆｃｅｏを測定し、ＣＥＯ周波数ｆｃｅｏが所定値に維持されるように、ＣＷレーザ光源２０１から出射されるレーザ光の波長を制御するＣＥＯ周波数安定化部１２９ｂとを備える。
【０１２７】
これにより、広帯域化されたレーザ光である光周波数コムのＣＥＯ周波数ｆｃｅｏを安定化させることができる。
【０１２８】
また、本実施の形態における光周波数コム発生装置は、さらに、全光スイッチ１００の第三端子ｃから出射されて広帯域化されたレーザ光である光周波数コムを検出するフォトダイオード１２８ａと、検出された光周波数コムの繰り返し周波数ｆｒｅｐを測定し、繰り返し周波数ｆｒｅｐが所定値に維持されるように、アンプ１２２の増幅率を制御するＲＥＰ周波数安定化部１２９ａとを備える。
【０１２９】
これにより、広帯域化されたレーザ光である光周波数コムの繰り返し周波数ｆｒｅｐを安定化させることができる。
【０１３０】
また、本実施の形態における光周波数コム発生装置は、さらに、アンプ１２２から出射された制御光の位相を変調し、位相が変調された制御光を全光スイッチ１００の第二端子ｂに出射する位相変調器１２５を備える。そして、ＲＥＰ周波数安定化部１２９ａは、アンプ１２２の増幅率と、位相変調器１２５による変調とを制御することによって、繰り返し周波数ｆｒｅｐを所定値に維持する。
【０１３１】
これにより、広帯域化されたレーザ光である光周波数コムの繰り返し周波数ｆｒｅｐをより安定化させることができる。
【０１３２】
また、本実施の形態における光周波数コム発生装置では、全光スイッチ１００とアンプ１２２とはそれぞれ導波路を有し、基板上に形成されていてもよい。このとき、光周波数コム発生装置は、さらに、その基板の温度を一定に維持する温度制御部を備えていてもよい。
【０１３３】
これにより、出射される光周波数コムをより安定化させることができる。
【０１３４】
（実施の形態３）
本実施の形態における測距装置は、光周波数コム発生装置を用いて測距を行う装置である。以下、本実施の形態における測距装置について詳細に説明をする。
【０１３５】
光周波数コム発生装置を用いた測距の特徴は、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）などの測距方法に比べて何桁も精度よく距離を測ることが可能なことである。しかしながら、そのためには光周波数コム発生装置が２つ必要である。
【０１３６】
図１７は、本実施の形態における、２つの光周波数コム発生装置を備える測距装置の構成の一例を示す図である。
【０１３７】
測距装置２０００は、第１の光源３０１と、第２の光源３０２と、光サーキュレータ３０５と、フォトダイオード３１１および３１２と、ビームスプリッタ３２１〜３２３と、信号処理部３３１とを備える。
【０１３８】
第１の光源３０１および第２の光源３０２は、実施の形態２における光周波数コム発生装置であってもよく、実施の形態２とは異なる光周波数コム発生装置であってもよい。第１の光源３０１は、光周波数コムとして光Ｓ１を出射し、第２の光源３０２は、光周波数コムとして光Ｓ２を出射する。本実施の形態では、第１の光源３０１および第２の光源３０２は、互いにパルス間隔の異なる光周波数コムを光Ｓ１およびＳ２として出射する。
【０１３９】
ビームスプリッタ３２１〜３２３のそれぞれは、２つの光を足し合わせる機能と、光を所定の分割比で２つの光に分割する機能を備えている。ビームスプリッタ３２１は、第１の光源３０１から出射された光Ｓ１と、第２の光源３０２から出射された光Ｓ２とを足し合わせる。ビームスプリッタ３２２は、その足し合わされた光Ｓ１およびＳ２を２つに分割し、分割によって得られた２つの光のうちの一方の光（光Ｓ１およびＳ２）をフォトダイオード３１１に出射し、他方の光（光Ｓ１およびＳ２）を光サーキュレータ３０５に出射する。
【０１４０】
フォトダイオード３１１は、２つの光Ｓ１およびＳ２の干渉によりビート検出を行う。つまり、本実施の形態におけるフォトダイオード３１１は、第１の光源３０１から出射された光周波数コムである基準光（光Ｓ１）と、第２の光源３０２から出射された光周波数コムである測定光（光Ｓ２）との干渉光を検出する第１の検出器である。
【０１４１】
光サーキュレータ３０５は、ビームスプリッタ３２２から出射された光（光Ｓ１およびＳ２）をビームスプリッタ３２３に出射する。また、光サーキュレータ３０５は、逆に、ビームスプリッタ３２３から出射された光を、フォトダイオード３１２に出射する。
【０１４２】
ビームスプリッタ３２３は、光サーキュレータ３０５から光（光Ｓ１およびＳ２）を受けると、その光を光Ｓ１と光Ｓ２とに分割する。そして、ビームスプリッタ３２３は、光Ｓ１を基準物に向けて出射し、光Ｓ２を測距の対象物に向けて出射する。また、ビームスプリッタ３２３は、基準物によって反射された光Ｓ１と、対象物によって反射された光Ｓ２とを受けると、光Ｓ１と光Ｓ２とを足し合わせて光サーキュレータ３０５に出射する。
【０１４３】
つまり、光サーキュレータ３０５は、ビームスプリッタ３２２から光を受けると、ビームスプリッタ３２３を介してその光を対象物と基準物とに向けて出射し、その対象物と基準物とで反射されて戻ってくる光を、フォトダイオード３１２に出射する。ここで、光サーキュレータ３０５から対象物および基準物までの距離はＬ１およびＬ２であり、光サーキュレータ３０５からフォトダイオード３１２までの距離（すなわち光路長）はＬ０である。また、距離Ｌ０は、距離Ｌ１および距離Ｌ２が０の時に、フォトダイオード３１１および３１２のそれぞれに入る光の光路長差に相当する。
【０１４４】
フォトダイオード３１２は、光サーキュレータ３０５から出射された２つの光Ｓ１およびＳ２の干渉によりビート検出を行う。つまり、本実施の形態におけるフォトダイオード３１２は、第１の光源３０１から出射されて対象物にて反射された基準光（光Ｓ１）と、第２の光源３０２から出射されて対象物にて反射された測定光（光Ｓ２）との干渉光を検出する第２の検出器である。
【０１４５】
信号処理部３３１は、フォトダイオード３１１により検出された干渉光と、フォトダイオード３１２により検出された干渉光とを用いて、対象物までの距離を求める。具体的には、信号処理部３３１は、これらの２つのフォトダイオード３１１および３１２によって観測される時間差または位相差を用いて光の伝搬時間を計測し、対象物までの距離を測定する。つまり、本実施の形態における信号処理部３３１は、時間差を用いて対象物までの距離を測定してもよく、位相差を用いて対象物までの距離を測定してもよい。以下、時間差を用いて距離を測定する信号処理部３３１を時間差利用型と称し、位相差を用いて距離を測定する信号処理部３３１を位相差利用型と称す。
【０１４６】
なお、本実施の形態における測距装置２０００は、光サーキュレータ３０５を備えているが、その光サーキュレータ３０５の代わりにビームスプリッタを備えてもよい。
【０１４７】
図１８は、本実施の形態における測距装置の構成の他の例を示す図である。
【０１４８】
この測距装置２００１は、上述の測距装置２０００に含まれる光サーキュレータ３０５を除く各構成要素を備え、光サーキュレータ３０５の代わりにビームスプリッタ３２４を備える。このビームスプリッタ３２４は、光サーキュレータ３０５と同様の機能を有する。したがって、測距装置２００１は、測距装置２０００と同様に、対象物までの距離を測定することができる。
【０１４９】
ここで、時間差利用型の信号処理部３３１について詳細に説明する。
【０１５０】
図１９は、時間差利用型の信号処理部３３１の構成の一例を示す図である。
【０１５１】
時間差利用型の信号処理部３３１は、ピーク検出部３３２および３３３と、時間差測定部３３４と、測距計算部３３５とを備える。
【０１５２】
ピーク検出部３３２は、ダイオードと低域透過フィルタとからなり、フォトダイオード３１１から出力される干渉光の信号を、キャリア成分の無い包絡線の信号に変換する。つまり、ピーク検出部３３２は、フォトダイオード３１１による検出結果として得られる干渉光の信号に対して包絡線検波を行う。同様に、ピーク検出部３３３は、ダイオードと低域透過フィルタとからなり、フォトダイオード３１２から出力される干渉光の信号を、キャリア成分の無い包絡線の信号に変換する。つまり、ピーク検出部３３３は、フォトダイオード３１２による検出結果として得られる干渉光の信号に対して包絡線検波を行う。時間差測定部３３４は、ピーク検出部３３２および３３３のそれぞれによって得られた包絡線の振幅がピークになる時間を検出し、これらの時間差を求める。測距計算部３３５は、この時間差、すなわち遅延時間から、対象物までの距離を計算する。
【０１５３】
図２０は、第１の光源３０１および第２の光源３０２のそれぞれの光周波数コムの時間特性を示す図である。図２０に示すように、第１の光源３０１から出射される光周波数コムである光Ｓ１のパルス間隔はＴ１であり、第２の光源３０２から出射される光周波数コムである光Ｓ２のパルス間隔はＴ２である。パルス間隔Ｔ２はＴ１とは異なる。このパルス間隔Ｔ１およびＴ２は、光Ｓ１およびＳ２において時間Ｔｆごとに周期的なパルスが到来するように設定されている。この周期における最初のパルスを基準とし、そのパルスを０番パルスとする。光Ｓ１およびＳ２のそれぞれの０番パルス間の時間遅延をＴｄとする。Ｎ番パルスに注目すると、光Ｓ１と光Ｓ２との間で時間差がある。この時間差は、Ｔｄ＋ΔＴｄ×Ｎで示される。ここで、ΔＴｄはパルス間隔Ｔ１とＴ２の差である。
【０１５４】
時間差利用型の信号処理部３３１は、このように２つのパルス列である光Ｓ１およびＳ２を用いて、そのパルス間隔を測定することで、そのパルス間隔の違いから経過時間を測定する。つまり、信号処理部３３１は、測距前と測距後のパルス列を同時に観測することで、その差から測距することが可能である。
【０１５５】
言い換えれば、時間差利用型の信号処理部３３１は、フォトダイオード３１１の検出結果に基づいて、基準物および対象物のそれぞれに反射される前の光Ｓ１のＮ番パルスと光Ｓ２のＮ番パルスとの時間差を測定する。この時間差を、以下、測距前の時間差という。さらに、信号処理部３３１は、フォトダイオード３１２の検出結果に基づいて、基準物および対象物のそれぞれに反射された後の光Ｓ１のＮ番パルスと光Ｓ２のＮ番パルスとの時間差を測定する。この時間差を、以下、測距後の時間差という。次に、信号処理部３３１は、その測距前の時間差と測距後の時間差との差を、光Ｓ２が２×（Ｌ２−Ｌ１）の距離だけ伝搬した時間（つまり上述の経過時間）として算出する。そして、信号処理部３３１は、その経過時間に基づいて（Ｌ２−Ｌ１）の距離を算出する。
【０１５６】
次に、位相差利用型の信号処理部３３１について詳細に説明する。
【０１５７】
図２１は、位相差利用型の信号処理部３３１の構成の一例を示す図である。
【０１５８】
位相差利用型の信号処理部３３１は、位相検出部３３６および３３７と、位相差測定部３３８と、測距計算部３３９とを備える。
【０１５９】
位相検出部３３６は、フォトダイオード３１１に入力される干渉光の位相差θｄ，ｎを求める。位相検出部３３７は、フォトダイオード３１２に入力される干渉光の位相差θ’ｄ，ｎを求める。位相差測定部３３８は、位相差θｄ，ｎと位相差θ’ｄ，ｎとの差分をΔθｄ，ｎとして求める。測距計算部３３９は、そのΔθｄ，ｎを用いて、遅延時間と、対象物までの距離とを計算する。
【０１６０】
図２２は、光Ｓ１およびＳ２のスペクトルを示す図である。なお、これらのスペクトルは、光Ｓ１およびＳ２をフーリエ変換することによって得られる。
【０１６１】
例えば、図２２に示すように、光Ｓ１において、メインの周波数はｆ１であり、周波数間隔はΔｆ１である。また、光Ｓ２において、メインの周波数はｆ２であり、周波数間隔はΔｆ２である。これらの光Ｓ１およびＳ２におけるメイン周波数を基準とし、その周波数のモードをモード０番とする。光Ｓ１およびＳ２のそれぞれのモード０番の周波数の差をｆｄとする。モードｎ番に注目すると、光Ｓ１および光Ｓ２との間で周波数差がある。この周波数差は、ｆｄ＋Δｆｄ×Ｎで示される。ここで、Δｆｄは周波数間隔Δｆ１とΔｆ２の差である。
【０１６２】
位相差利用型の信号処理部３３１は、この２つの光Ｓ１およびＳ２の周波数差に基づいてフォトダイオード３１１および３１２でヘテロダイン干渉を行うことで、位相差を取得する。この位相差は、対象物までの距離に比例して変化する。したがって、信号処理部３３１は、対象物と光サーキュレータ３０５間の往復前後の位相差の変化を比較することで、その位相差の変化量を時間に変換し、さらにその時間を対象物までの距離に換算する。
【０１６３】
図２３は、図２０に示す２つの光Ｓ１およびＳ２のヘテロダイン干渉によって得られた干渉光のスペクトルを示す図である。なお、このスペクトルは、その干渉光をフーリエ変換することによって得られる。つまり、信号処理部３３１は、その干渉光をフーリエ変換することによって、図２３に示すように、各モードの周波数差をｆｄ＋ＮΔｆｄとして取得する。
【０１６４】
図２４は、干渉光の周波数と位相との関係を示す図である。
【０１６５】
位相差利用型の信号処理部３３１は、上述の周波数差の取得と同時に各モードの位相差を求める。信号処理部３３１は、図２２に示す関係に基づいて、例えば周波数ｆｄなどの周波数を基準にして各周波数の位相を決定する。
【０１６６】
言い換えれば、位相差利用型の信号処理部３３１は、フォトダイオード３１１のビート検出結果に基づいて、基準物および対象物のそれぞれに反射される前の光Ｓ１と光Ｓ２とのそれぞれのモードｎ番の位相差θｄ，ｎを取得する。このモードｎ番目の位相差θｄ，ｎを、以下、往復前の位相差という。さらに、信号処理部３３１は、フォトダイオード３１２のビート検出結果に基づいて、基準物および対象物のそれぞれに反射された後の光Ｓ１と光Ｓ２とのそれぞれのモードｎ番の位相差θ’ｄ，ｎを取得する。この位相差θ’ｄ，ｎを、以下、往復後の位相差という。次に、信号処理部３３１は、その往復前の位相差θｄ，ｎと往復後の位相差θ’ｄ，ｎとの差分Δθｄ，ｎから、光Ｓ２が２×（Ｌ２−Ｌ１）の距離だけ伝搬した時間を遅延時間として算出する。そして、信号処理部３３１は、その遅延時間に基づいて（Ｌ２−Ｌ１）の距離を算出する。
【０１６７】
以下、具体的な計算を示す。ここで、ωは角周波数であり、ｆを周波数とする場合、ω＝２πｆの関係がある。
【０１６８】
フォトダイオード３１１に向かう光Ｓ１およびＳ２のそれぞれの時刻ｔにおける位相θ１，θ２は、次の式（４）のように表される。
【０１６９】
【数１】
2017211502.tif 000003
【０１７０】
なお、式（４）では、共通の時間に依存しない位相項は省略されている。また、ωｎ，ｊは、光Ｓｊ（ｊは１または２）のモードｎ番目の角周波数である。この時、以下の式（５）および（６）の関係が成り立つ。
【０１７１】
【数２】
2017211502.tif 000004
【数３】
2017211502.tif 000005
【０１７２】
次に、フォトダイオード３１２における光Ｓ１およびＳ２の位相は、以下の式（７）のように表される。
【０１７３】
【数４】
2017211502.tif 000006
【０１７４】
ここで、Ｎｉ，ｊは、角周波数ωｎ，ｊにおける距離Ｌｉの光路の屈折率を示している。
【０１７５】
フォトダイオード３１１から出力される干渉光の信号の位相差は、以下の式（８）のように表される。
【０１７６】
【数５】
2017211502.tif 000007
【０１７７】
フォトダイオード３１２から出力される干渉光の信号の位相差は、以下の式（９）のように表される。
【０１７８】
【数６】
2017211502.tif 000008
【０１７９】
フォトダイオード３１１および３１２のそれぞれから出力される信号の位相差の差分は、以下の式（１０）のように表される。
【０１８０】
【数７】
2017211502.tif 000009
【０１８１】
ここで、Ｎ０，ｇは、距離Ｌ０の光路における群屈折率であり、Ｎ２，ｇは、距離Ｌ２の光路における群屈折率である。
【０１８２】
計測したい距離（Ｌ２−Ｌ１）は、位相のモード次数に対する変化率から求められる。
【０１８３】
すなわち、Δθｄ，ｎ＋１−Δθｄ，ｎは、次の式（１１）によって算出される。
【０１８４】
【数８】
2017211502.tif 000010
【０１８５】
ここで、Ｌ２の変化によるこの値の変化は、以下の式（１２）によって表される。
【０１８６】
【数９】
2017211502.tif 000011
【０１８７】
この式（１２）から、距離Ｌ２を求めることができる。
【０１８８】
また、導波中の分散の影響を正確に求めて取り除きたい場合は、Δωｄ（＝Δω１−Δω２）を変化させて測定することで、上記式（１１）における
【数１０】
2017211502.tif 000012
の値を求めることもできる。
【０１８９】
これにより、上記式（１２）を用いて距離Ｌ２を正確に求めることができる。
【０１９０】
さらに、自由空間中で測距を行う場合は、Ｎ１，１、Ｎ２，２を１とみなすこともできる。例えば、この時、Δω２を１ＭＨｚで設定した場合、Ｌ２が約１５０ｍまでの範囲で、１ＭＨｚに対する測定周波数精度比に応じた精度で距離Ｌ２を測定することができる。この精度の安定性は、光周波数コムの周波数の安定性に依存する。しかし、実用的な精度での測定には少しの精度でも十分なので、安定性の精度も必ずしも高くしなくてもよい。
【０１９１】
また、図１７および図１８に示す測距装置２０００および２００１では、基準物に対して光Ｓ１を出射しているが、基準物を用いずに、光Ｓ１を対象物に出射してもよい。
【０１９２】
図２５および図２６は、基準物を用いずに対象物までの距離を測定する測距装置の構成の一例を示す図である。
【０１９３】
測距装置２００２は、図２５に示すように、第１の光源３０１と、第２の光源３０２と、光サーキュレータ３０５と、フォトダイオード３１１および３１２と、ビームスプリッタ３２１および３２２と、信号処理部３３１とを備える。
【０１９４】
光サーキュレータ３０５は、ビームスプリッタ３２２から出射された光（光Ｓ１およびＳ２）を対象物に出射する。また、光サーキュレータ３０５は、対象物から反射された光（光Ｓ１およびＳ２）を受けると、その光をフォトダイオード３１２に出射する。
【０１９５】
測距装置２００３は、図２６に示すように、第１の光源３０１と、第２の光源３０２と、フォトダイオード３１１および３１２と、ビームスプリッタ３２１、３２２および３２４と、信号処理部３３１とを備える。
【０１９６】
ビームスプリッタ３２４は、ビームスプリッタ３２２から出射された光（光Ｓ１およびＳ２）を対象物に出射する。また、ビームスプリッタ３２４は、対象物から反射された光（光Ｓ１およびＳ２）を受けると、その光をフォトダイオード３１２に出射する。
【０１９７】
このような測距装置２００２および２００３では、上記各式におけるＬ１をＬ２に置き換え、Ｎ１，１をＮ２，１に置き換えることによって、対象物までの距離Ｌ２を求めることができる。
【０１９８】
なお、本実施の形態では、信号処理部３３１の型として、時間差利用型と位相差利用型とをあげて説明したが、信号処理部３３１は、これらの２つの型の機能を兼ね備えていてもよい。
【０１９９】
［実施の形態３のまとめ］
以上のように、本実施の形態における測距装置は、図２５および図２６に示すように、互いにパルス間隔の異なる光周波数コムを出射する第１の光源３０１および第２の光源３０２と、第１の光源３０１から出射された光周波数コムである基準光（光Ｓ１）と、第２の光源３０２から出射された光周波数コムである測定光（光Ｓ２）との干渉光を検出するフォトダイオード３１１と、第１の光源３０１から出射されて対象物にて反射された基準光と、第２の光源３０２から出射されて対象物にて反射された測定光との干渉光を検出するフォトダイオード３１２と、フォトダイオード３１１により検出された干渉光と、フォトダイオード３１２により検出された干渉光とを用いて、対象物までの距離を求める信号処理部３３１とを備える。ここで、第１の光源３０１および第２の光源３０２はそれぞれ実施の形態２の光周波数コム発生装置であってもよく、実施の形態２の光周波数コム発生装置とは異なる光源であってもよい。
【０２００】
これにより、例えば上述の式（１２）によって、基準物を用いることなく対象物までの距離を測定することができ、Δωｄを変化させることによって、正確に対象物までの距離を測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２０１】
本開示の光周波数コム発生装置は、装置全体を小型することができ、例えば、対象物までの距離を測定する測距装置などに適用することができる。
【符号の説明】
【０２０２】
Ｒ１、Ｒ２    導波路
１００    全光スイッチ
１０１    基板
１０２    金属
１０３    カー媒質（非線形構造物）
１０４    低屈折率物質
１２０    光ループ部
１２１ａ、１２１ｂ    アイソレータ
１２２    アンプ
１２３ａ、１２３ｂ    分配器
１２４ａ、１２４ｂ    希土類増強ファイバ増幅器
１２４ｃ、１２４ｄ    半導体光増幅器
１２５    位相変調器
１２６ａ、１２６ｂ    ポンプレーザ
１２７ａ、１２７ｂ    第１の非線形媒質（ＨＮＬＦ）
１２７ｃ    第２の非線形媒質（ＰＰＬＮ）
１２８ａ、１２８ｂ    フォトダイオード
１２９ａ    ＲＥＰ周波数安定化部
１２９ｂ    ＣＥＯ周波数安定化部
２０１    ＣＷレーザ光源
３０１    第１の光源
３０２    第２の光源
３１１、３１２    フォトダイオード（ＰＤ）
３２１〜３２４    ビームスプリッタ（ＢＳ）
３３１    信号処理部
３３２、３３３    ピーク検出部
３３４    時間差測定部
３３５、３３９    測距計算部
３３６、３３７    位相検出部
３３８    位相差測定部
１０００〜１００４    光周波数コム発生装置
２０００〜２００３    測距装置
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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