JP2006337833A

JP2006337833A - 波長可変光周波数コム発生装置

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Publication number: JP2006337833A
Application number: JP2005164187A
Authority: JP
Inventors: Motonobu Korogi; 元伸興梠; Kazuhiro Imai; 一宏今井; Widiyatmoko Bambang; ウィディヤトモコバンバン
Original assignee: Optical Comb Institute Inc
Current assignee: Optical Comb Institute Inc
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2006-12-14

Abstract

【課題】入射光として波長可変レーザーを用いて、最適な光周波数コムを効率よく発生する。
【解決手段】
波長可変レーサ光源１入射されるレーザー光Ｌ_ｉｎをファブリ・ペロー共振器１３内で変調周波数ｆｍの変調信号で変調することにより、上記変調周波数の周波数間隔の光周波数コムＯＦＣを生成するにあたり、波長可変レーサ光源１から入射されるレーザー光Ｌ_ｉｎをマイクロ波変調信号発生器１１により与えられる変調周波数ｆｍの変調信号で変調して光周波数コムＯＦＣを生成するにあたり、入射レーザー光Ｌ_ｉｎの波長を波長検出器１７で検出し、その検出出力に基づいてＦＳＲ調整部１８により上記ファブリ・ペロー共振器１３の共振器長さを制御して自由スペクトル域(FSR:Free spectral range)調整を行い、上記波長検出器１７により検出された入射レーザー光Ｌ_ｉｎの波長にＦＳＲを合わせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、広い周波数範囲に亘って安定した光周波数コムを発生する波長可変光周波数コム発生装置に関する。

従来より、被測定光の周波数測定やスペクトル解析、あるいは、被測定光に乗せられた測定対象物の情報などを被測定光の位相や振幅を利用して観測する場合などに、測定分解能や感度を上げるためにヘテロダイン検波法が用いられる。ヘテロダイン検波法は、基準となる光源と被測定光の波面を重ねて干渉させてから光検出器に入射し、２台のレーザーの周波数差で振動するビート信号を観測する方法である。

ヘテロダイン検波法は、極めて高い周波数の電磁波であるレーザー光の情報を周波数の低い電気信号に置き換え、感度や分解能の高い計測器で解析することを可能にする。しかし、基準光源と被測定光の周波数差の上限は、光検出器で検出し信号処理できる帯域に制限される。現在、比較的安価で一般的に使用される光検出器や電気信号処理装置の帯域は高々数ＧＨｚでしかなく、数百ＴＨｚから数ＰＨｚに及ぶ光周波数の帯域幅と比較してはるかに狭い。

このようなヘテロダイン検波システムに光周波数コム発生器（Optical Frequency Comb Generator）を応用すると、光検出器の帯域をはるかに越える周波数差を持つ２台のレーザーであってもヘテロダイン検波することが可能となる。

光周波数コム発生器は、ファブリ・ペロー型の電気光学変調器であり、入射したレーザー光のサイドバンド（光周波数コム）を等周波数間隔毎に数百本発生させるもので、発生されるサイドバンドの周波数安定度はもとのレーザー光のそれとほぼ同等である。

光周波数コム発生器を用いた光の差周波数測定では、光検出器の帯域よりもはるかに大きな差周波数であっても、サイドバンドとのビート信号によって差周波数を正確に測ることができる。すなわち、サイドバンドと被測定レーザー光をヘテロダイン検波することにより、数ＴＨｚに亘る広帯域なヘテロダイン検波系を構築することができる。２つのレーザー光をヘテロダイン検波してその差周波数を測定する場合、その帯域は受光素子の帯域で制限され、おおむね数十ＧＨｚ程度であるので、光周波数コム発生器を用いて広帯域なヘテロダイン検波系を構築するようにしている。

特開平１５−０４３５３９号公報

ところで、光周波数コム発生器では、光共振器の自由スペクトル域(FSR:Free spectral range)を変調周波数の整数分の１に一致させることにより、共振器内を周回する光の周期と変調の周期が一致するため極めて深い位相変調がかけられ、その結果、周波数軸では極めて広い周波数スパンの光周波数コムを発生することができ、時間軸では１ｐｓ以下の超短光パルスを発生することがでる。光周波数コムの周波数間隔は変調周波数に一致するため、周波数間隔は極めて安定である。したがって発生した光周波数コムの周波数安定度は、入力されたレーザー光の周波数安定度に一致する。

しかし、一般的に、位相変調器として光共振器内に挿入されるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）結晶などの電気光学結晶には波長分散があるため、波長が変わると光共振器内のＦＳＲも変わってしまう。

従来の光周波数コム発生器は、ある波長に対して最適になるように光共振器のＦＳＲを合わせているため、入射光として波長可変レーザーを用いた場合、波長を変えたときに光コムのスペクトルが非対称になったり、コム発生スパンが狭くなる等の問題があった。

そこで、本発明の目的は、上述の従来の光周波数コム発生器の問題点に鑑み、入射光として波長可変レーザーを用いて、最適な光周波数コムを効率よく発生することのできる波長可変光周波数コム発生器を提供することにある。

本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。

本発明は、入射されるレーザー光をファブリ・ペロー共振器内で変調周波数の変調信号で変調することにより、上記変調周波数の周波数間隔の光周波数コムを生成する波長可変光周波数コム発生器であって、上記ファブリ・ペロー共振器の自由スペクトル域(FSR:Free spectral range)調整を行うＦＳＲ調整手段と、上記ＦＳＲ調整手段を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記ＦＳＲ調整手段により入射するレーザー光の波長に合わせて上記ファブリ・ペロー共振器のＦＳＲ調整を行うことを特徴とする。

本発明に係る波長可変光周波数コム発生器において、上記制御手段は、例えば、入射するレーザー光の波長を検出する波長検出手段を備え、この波長検出手段に縒り検出された入射レーザー光の波長に合わせて上記ファブリ・ペロー共振器のＦＳＲ調整を行う。

また、本発明に係る波長可変光周波数コム発生器において、上記制御手段は、例えば、入射するレーザー光を発生する可変レーザ光源の波長設定を行うとともに、設定した波長に合わせて上記ファブリ・ペロー共振器のＦＳＲ調整を行う。

本発明では、如何なる入射波長に対しても、最適な光周波数コムを効率よく発生することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。

本発明は、例えば図１に示すような構成の波長可変光周波数コム発生装置１０に適用される。

この波長可変光周波数コム発生装置１０は、波長可変レーサ光源１から入射されるレーザー光Ｌ_ｉｎをマイクロ波変調信号発生器１１により与えられる変調周波数ｆｍの変調信号で変調して光周波数コムＯＦＣを生成するものであって、マイクロ波変調信号発生器１１からバイアスＴ１２を介して変調信号が供給されるファブリ・ペロー共振器１３内に設けられた光導波路型光変調器１４、上記ファブリ・ペロー共振器１３の入射端側に設けられた入射側光カプラ１５、上記ファブリ・ペロー共振器１３の出射端側に設けられた出射側光カプラ１６、上記波長可変レーサ光源１から上記入射側光カプラ１５を介して上記ファブリ・ペロー共振器１３に入射される波長可変レーザー光Ｌ_ｉｎの一部が上記入射側光カプラ１５により分割されて入射される波長検出器１７、この波長検出器１７による検出出力に基づいて上記ファブリ・ペロー共振器１３の共振器長さを制御して自由スペクトル域(FSR:Free spectral range)調整を行うＦＳＲ調整部１８、上記ファブリ・ペロー共振器１３から上記出射側光カプラ１６を介して取り出される光周波数コムＯＦＣの一部が上記出射側光カプラ１６により分割されて入射される光検出器１９、上記光検出器１９の検出出力に上記マイクロ波変調信号発生器１１により与えられる変調周波数ｆｍの変調信号を乗算することにより得られる乗算出力を共振長制御信号として上記バイアスＴ１２を介して上記ファブリ・ペロー共振器１３に供給する乗算器２０などからなる。上記マイクロ波変調信号発生器１１により与えられる変調周波数ｆｍの変調信号によるレーザー光に対する上記導波路型光変調器１４における周回当たりの変調指数はπラジアンよりも小さい。

上記光導波路型光変調器１４は、電界を印加することによって屈折率が変化する電気光学効果を有する光学材料基板に形成した光共振を起こさせるレーザー光を通す光導波路の両端部の相対向する２つの端面に上記ファブリ・ペロー共振器１３を構成する反射膜１３Ａ，１３Ｂを設けてなる。

この導波路型光変調器１４は、上記入射側光カプラ１５を介して上記ファブリ・ペロー共振器１３に入射された波長可変レーザー光Ｌ_ｉｎを、上記バイアスＴ１２を介して供給される変調周波数ｆｍの変調信号で変調して光周波数コムＯＦＣを生成する。

上記ＦＳＲ調整部１８は、上記光導波路型光変調器１４をペルチェ素子により温度制御することによって、上記ファブリ・ペロー共振器１３の共振器長さを制御して自由スペクトル域(FSR:Free spectral range)調整を行う。ここで、光導波路型光変調器１４を用いた光周波数コム発生器１０は、小型に形成することができ、熱容量が小さく温度制御を迅速に行うことができ、ペルチェ素子を用いた温度制御により共振器長さを制御してＦＳＲ調整を行うことができる。

この波長可変光周波数コム発生装置１０におけるＦＳＲ調整部１８は、上記波長検出器１７による検出出力に基づいて上記ファブリ・ペロー共振器１３の共振器長さを制御して、上記波長検出器１７により検出された入射レーザー光Ｌ_ｉｎの波長にＦＳＲを合わせる。

ここで、上記波長検出器１７としては、例えば波長計（Burleigh社 WA-1000）を使用することができる。この波長計は、測定された波長に比例した±５Ｖ以内の電圧を発生する。そこで、この出力電圧を、予め設定された波長と設定温度の関係に従って温度コントローラの温度設定信号に変換し、上記ＦＳＲ調整部１８の温度制御部に入力することによって、温度制御により共振器長さを制御することができる。

そして、上記ファブリ・ペロー共振器１３から上記出射側光カプラ１６を介して取り出される光周波数コムＯＦＣの一部が上記出射側光カプラ１６により分割されて入射される光検出器１９による検出出力に、上記乗算器２０において上記マイクロ波変調信号発生器１１により与えられる変調周波数ｆｍの変調信号を乗算することにより得られる乗算出力、すなわち、上記光検出器１９の検出出力に含まれる上記変調周波数ｆｍの変調成分を同期検波した共振長制御信号を上記バイアスＴ１２を介して上記ファブリ・ペロー共振器１３に与えることにより、上記ファブリ・ペロー共振器１３の光共振長さが帰還制御される。

この波長可変光周波数コム発生装置１０では、上記波長検出器１７による検出出力に基づいて上記ファブリ・ペロー共振器１３の共振器長さを制御して、上記波長検出器１７により検出された入射レーザー光Ｌ_ｉｎの波長にＦＳＲを合わせることにより、如何なる入射波長に対しても、最適な光周波数コムＯＦＣを効率よく発生することができる。

ここで、上記波長可変光周波数コム発生装置１０では、光検出器１９による検出出力に、上記乗算器２０において上記マイクロ波変調信号発生器１１により与えられる変調周波数ｆｍの変調信号を乗算することにより得られる乗算出力、すなわち、上記光検出器１９の検出出力に含まれる上記変調周波数ｆｍの変調成分を同期検波した共振長制御信号として用いるようにしているので、上記光検出器１９としては変調信号と同じ程度の帯域幅を持つ高価な高速光検出器を用いる必要があるが、例えば、図２に示す波長可変光周波数コム発生装置３０のように、マイクロ波変調信号発生器１１により与えられる変調周波数ｆｍの変調信号により、光導波路型光変調器１４においてレーザー光に周回当たりπラジアン以上の変調指数の光変調を行うようにすれば、ファブリ・ペロー共振器１３を介して取り出される光コム出力の平均値を低速な光検出器３２により検出し、その検出出力を増幅器３３で増幅して共振長制御信号として用いることができる。なお、この図２に示す光周波数コム発生装置２０は、上述の図１に示した光周波数コム発生装置１０の帰還制御系を改良したもので、同一の構成要素については図中に同一符号を付して詳細な説明を省略する。

すなわち、この波長可変光周波数コム発生装置３０は、波長可変レーサ光源１から入射されるレーザー光Ｌ_ｉｎをマイクロ波変調信号発生器３１により与えられる変調周波数ｆｍの変調信号で変調して光周波数コムＯＦＣを生成するものであって、マイクロ波変調信号発生器３１からバイアスＴ１２を介して変調信号が供給されるファブリ・ペロー共振器１３内に設けられた光導波路型光変調器１４、上記ファブリ・ペロー共振器１３の入射端側に設けられた入射側光カプラ１５、上記ファブリ・ペロー共振器１３の出射端側に設けられた出射側光カプラ１６、上記波長可変レーサ光源１から上記入射側光カプラ１５を介して上記ファブリ・ペロー共振器１３に入射される波長可変レーザー光Ｌ_ｉｎの一部が上記入射側光カプラ１５により分割されて入射される波長検出器１７、この波長検出器１７による検出出力に基づいて上記ファブリ・ペロー共振器１３の共振器長さを制御して自由スペクトル域(FSR:Free spectral range)調整を行うＦＳＲ調整部１８、上記ファブリ・ペロー共振器１３から上記出射側光カプラ１６を介して取り出される光周波数コムＯＦＣの一部が上記出射側光カプラ１６により分割されて入射される光検出器３２、上記光検出器１９の検出出力を増幅して共振長制御信号として上記バイアスＴ１２を介して上記ファブリ・ペロー共振器１３に供給する増幅器３３などからなる。

ここで、この光周波数コム発生装置３０において、周回当たりの変調指数が１．２πラジアンの場合について、透過モードの形状を計算した結果を図３に示す。

図３において、横軸は周回当たりの位相シフト又は光共振器１３の光学距離の変化を示し、縦軸は入力光パワーに対する出力光パワーの効率を示している。

この図３に示すように、変調指数がπラジアン以上の場合、共振器長さの変動に対し、出力効率に比例した電圧を発生する光検出器３２の検出電圧の変化の傾斜と検出電圧値が同じ点は、１ＦＳＲ中に１箇所しかないので、ロック点の電圧と傾斜を指定することによって、１ＦＳＲ中に１箇所にロック点を決定して、光共振器長を一定に制御することができる。

このように、光変調を行うレーザー光を通過させる電気光学結晶からなる光変調器を光共振器内に備える光周波数コム発生装置３０において、レーザー光に周回当たりπラジアン以上の変調指数の光変調を行うことにより光周波数コムを生成し、上記光周波数コム発生器から透過光又は反射光として取り出される光周波数コム出力のパワーの直流成分を検出し、その検出電圧と光共振器長の変動に対する上記検出電圧の変化の傾きを指定して、上記検出電圧により上記共振器長を一定に制御することができる。

この光周波数コム発生装置３０における光共振器長の帰還制御系は、誤差信号を検出するために共振器長さを変調する必要がないので光周波数コム出力のサイドバンドの位相に変調を与えることがなく、また、高速光検出器と乗算器を使用しないので変調信号が混入して帰還制御系にオフセットを与えることがなく、また、変調信号と同じ程度の帯域幅を持つ高速光検出を用いずに、周波数の帯域の狭い安価な光検出器３２を用いて構築することができる。さらに、ロック点が１箇所しかないので、ロック点を探して共振器長を一定に制御するまでの処理を完全に自動化することが可能となる。

また、上記波長可変光周波数コム発生装置１０，３０では、ＦＳＲ調整部１８により、上記波長検出器１７による検出出力に基づいてファブリ・ペロー共振器１３の共振器長さを制御してＦＳＲを入射レーザー光Ｌ_ｉｎの波長に合わせるようにしたが、上記波長可変レーサ光源２１により発生するレーザー光Ｌ_ｉｎの波長とペルチェ素子を用いた温度制御による共振器長さとの関係を予め求めておき、図４に示す波長可変光周波数コム発生装置４０のように、波長可変レーサ光源１とＦＳＲ調整部１８を制御する制御部４１を設け、上記制御部４１により、上記波長可変レーサ光源２１により発生するレーザー光Ｌ_ｉｎの波長にファブリ・ペロー共振器１３の共振器長さを合わせるようにＦＳＲ調整部１８を制御するようにしても良い。

また、上記波長可変光周波数コム発生装置１０及び波長可変光周波数コム発生装置４０では、上記ＦＳＲ調整部１８は、光導波路型光変調器１４をペルチェ素子により温度制御することによって、ファブリ・ペロー共振器１３の共振器長さを制御してＲＳＦ調整を行うようにしたが、本発明は光導波路型光変調器１４を備える波長可変光周波数コム発生装置に限定されるものではない。

例えば図５に示すように、光変調を行うビーム光を通過させる電気光学結晶１１１からなるセミモノリシック光変調器１１０と、上記セミモノリシック光変調器１１０の出射端側に配置された可動ミラー１３０とを備えるセミモノリシック構成の光周波数コム発生器１００に適用することもできる。

上記セミモノリシック光変調器１１０は、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）など電圧で光を位相変調できる電気光学結晶１１１からなり、その入射端面にＨＲコーティングにより高反射膜１１２Ａが形成されているとともに、出射端面にＡＲコーティングにより無反射膜１１２Ｂが形成されている。

また、上記可動ミラー１３０は、高反射膜１３１Ａが形成されており、この高反射膜１３１Ａと上記セミモノリシック光変調器１１０の入射端面の高反射膜１１２Ａとで共振器を構成している。そして、この可動ミラー１３０は、ＰＺＴ等の電気機械変換素子１３２により移動されるようになっている。

このセミモノリシック構成の光周波数コム発生器１００では、上記セミモノリシック光変調器１１０の入射端面に形成されている高反射膜１１２Ａと上記セミモノリシック光変調器１１０の出射端側に配置された可動ミラー１３０に形成されている高反射膜１３１Ａとでファブリ・ペロー共振器１３５を構成している。

このように入射端側に高反射膜１１２Ａを有する電気光学結晶１１１からなるセミモノリシック光変調器１１０と、上記セミモノリシック光変調器１１０の出射端側に配置され、ＰＺＴ等の電気機械変換素子１３２により移動される高反射膜１３１Ａの形成された可動ミラー１３０とで構成されたセミモノリシック構成の光周波数コム発生器１００では、共振器長（ＦＳＲ）の調整を上記電気機械変換素子１３２に固定された上記可動ミラー１３０全体を移動させる位置調整することにより行い、上記電気機械変換素子１３２を駆動して上記可動ミラー１３０を移動させることにより共振器長（ＦＳＲ）の微調整を行うことができる。

この光周波数コム発生器１００では、入射端側に高反射膜１１２Ａを有する電気光学結晶１１１からなるセミモノリシック光変調器１１０と、上記セミモノリシック光変調器１１０の出射端側に配置され、電気機械変換素子１３２により移動される高反射膜６３１Ａの形成された可動ミラー１３０とで構成されたセミモノリシック構成としたことにより、上記電気光学結晶１１１の結晶長に関係なく、変調周波数を任意に設定することができる。

そして、このセミモノリシック光変調器１１０は、入射側光カプラ１５を介して上記ファブリ・ペロー共振器１３に入射された波長可変レーザー光Ｌ_ｉｎを、マイクロ波変調信号発生器１１から供給される変調周波数ｆｍの変調信号で変調して光周波数コムＯＦＣを生成する。

ＦＳＲ調整部１８は、上記可動ミラー１３０の位置を電気機械変換素子１３２により制御することによって、上記ファブリ・ペロー共振器１３５の共振器長さを制御してＦＳＲ調整を行う。

この波長可変光周波数コム発生装置１００におけるＦＳＲ調整部１８は、波長検出器１７による検出出力に基づいて上記ファブリ・ペロー共振器１３５の共振器長さを制御して、上記波長検出器１７により検出された入射レーザー光Ｌ_ｉｎの波長にＦＳＲを合わせる。

そして、上記ファブリ・ペロー共振器１３５から出射側光カプラ１６を介して取り出される光周波数コムＯＦＣの一部が上記出射側光カプラ１６により分割されて入射される光検出器１９による検出出力に、上記乗算器２０において上記マイクロ波変調信号発生器１１により与えられる変調周波数ｆｍの変調信号を乗算することにより得られる乗算出力、すなわち、上記光検出器１９の検出出力に含まれる上記変調周波数ｆｍの変調成分を同期検波した共振長制御信号を加算器１２１によりＦＳＲ調整部１８による共振長制御信号に加算して上記電気機械変換素子１３２に与えることにより、上記ファブリ・ペロー共振器１３の光共振長さが帰還制御される。

この波長可変光周波数コム発生装置１００では、上記波長検出器１７による検出出力に基づいて上記ファブリ・ペロー共振器１３５の共振器長さを制御して、上記波長検出器１７により検出された入射レーザー光Ｌ_ｉｎの波長にＦＳＲを合わせることにより、如何なる入射波長に対しても、最適な光周波数コムＯＦＣを効率よく発生することができる。

本発明を適用した波長可変光周波数コム発生装置の構成を示すブロック図である。本発明を適用した波長可変光周波数コム発生装置の他の構成例を示すブロック図である。図２に示した波長可変光周波数コム発生装置において、周回当たりの変調指数が１．２πラジアンの場合について、透過モードの形状を計算した結果を示す特性図である。本発明を適用した波長可変光周波数コム発生装置の他の構成例を示すブロック図である。本発明を適用した波長可変光周波数コム発生装置の更に他の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１波長可変レーサ光源、１０，３０，４０，１００波長可変光周波数コム発生装置、１１，３１マイクロ波変調信号発生器、１２バイアスＴ、１３，１３５ファブリ・ペロー共振器、１３Ａ，１３Ｂ反射膜、１４光導波路型光変調器、１５入射側光カプラ、１６出射側光カプラ、１７波長検出器、１８ＦＳＲ調整部、１９，３２光検出器、２０乗算器、３３増幅器、４１制御部、１１１電気光学結晶、１１０セミモノリシック光変調器、１３０可動ミラー、１１２Ａ，１３１Ａ高反射膜、１１２Ｂ無反射膜、１３２電気機械変換素子

Claims

入射されるレーザー光をファブリ・ペロー共振器内で変調周波数の変調信号で変調することにより、上記変調周波数の周波数間隔の光周波数コムを生成する波長可変光周波数コム発生器であって、
上記ファブリ・ペロー共振器の自由スペクトル域(FSR:Free spectral range)調整を行うＦＳＲ調整手段と、
上記ＦＳＲ調整手段を制御する制御手段とを備え、
上記制御手段は、上記ＦＳＲ調整手段により入射するレーザー光の波長に合わせて上記ファブリ・ペロー共振器のＦＳＲ調整を行うことを特徴とする波長可変光周波数コム発生器。
上記制御手段は、入射するレーザー光の波長を検出する波長検出手段を備え、この波長検出手段により検出された入射レーザー光の波長に合わせて上記ファブリ・ペロー共振器のＦＳＲ調整を行うことを特徴とする請求項１記載の波長可変光周波数コム発生器。
上記制御手段は、入射するレーザー光を発生する可変レーザ光源の波長設定を行うとともに、設定した波長に合わせて上記ファブリ・ペロー共振器のＦＳＲ調整を行うことを特徴とする請求項１記載の波長可変光周波数コム発生器。