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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022164179
(43)【公開日】2022-10-27
(54)【発明の名称】シングルコム分光装置
(51)【国際特許分類】
G01J 3/10 20060101AFI20221020BHJP
【ＦＩ】
G01J3/10
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021069506
(22)【出願日】2021-04-16
(71)【出願人】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】800000068
【氏名又は名称】学校法人東京電機大学
(74)【代理人】
【識別番号】100098394
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 茂樹
(74)【代理人】
【識別番号】100153006
【弁理士】
【氏名又は名称】小池 勇三
(74)【代理人】
【識別番号】100064621
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 政樹
(74)【代理人】
【識別番号】100121669
【弁理士】
【氏名又は名称】本山 泰
(72)【発明者】
【氏名】石澤 淳
(72)【発明者】
【氏名】小栗 克弥
(72)【発明者】
【氏名】日達 研一
(72)【発明者】
【氏名】西川 正
【テーマコード（参考）】
2G020
【Ｆターム（参考）】
2G020CA12
2G020CB23
2G020CB56
2G020CC22
2G020CC49
2G020CC63
2G020CD24
(57)【要約】
【課題】１台のレーザー光源でデュアルコム分光と同程度の高い周波数分解能で分光を行う。
【解決手段】シングルコム分光装置は、ＣＷレーザー光源５と、ＣＷレーザー光源５からのレーザー光を所定の繰り返し周波数で位相変調して電気光学変調コムを発生させる光変調部６と、電気光学変調コムから広帯域光を発生させる広帯域光生成部２と、広帯域光のＣＥＯ周波数を示すＣＥＯ信号を検出するＣＥＯ信号検出部４ａと、ＣＥＯ周波数に基づいてＣＷレーザー光源５の光周波数を変調する帰還回路部４ｂと、試料を透過した広帯域光の観測結果から分光データを得る分光計測部３とを備える。
【選択図】 図２
【解決手段】シングルコム分光装置は、ＣＷレーザー光源５と、ＣＷレーザー光源５からのレーザー光を所定の繰り返し周波数で位相変調して電気光学変調コムを発生させる光変調部６と、電気光学変調コムから広帯域光を発生させる広帯域光生成部２と、広帯域光のＣＥＯ周波数を示すＣＥＯ信号を検出するＣＥＯ信号検出部４ａと、ＣＥＯ周波数に基づいてＣＷレーザー光源５の光周波数を変調する帰還回路部４ｂと、試料を透過した広帯域光の観測結果から分光データを得る分光計測部３とを備える。
【選択図】 図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
連続波レーザー光源と、
前記連続波レーザー光源からのレーザー光を所定の繰り返し周波数で位相変調して電気光学変調コムを発生させるように構成された第１の変調器と、
前記電気光学変調コムのキャリアエンベロープオフセット周波数を検出するように構成された検出部と、
前記キャリアエンベロープオフセット周波数に基づいて前記連続波レーザー光源の光周波数を変調するように構成された帰還回路部と、
試料を透過した前記電気光学変調コムの観測結果から分光データを得るように構成された分光計測部と、
前記分光データを前記キャリアエンベロープオフセット周波数を示すキャリアエンベロープオフセット信号と同期して取得するように構成されたデジタイザーと、
前記キャリアエンベロープオフセット周波数のデータを出力するように構成されたデータ集積装置とを備え、
前記デジタイザーは、前記分光データに前記キャリアエンベロープオフセット周波数のデータを付加するラベリングを行うことを特徴とするシングルコム分光装置。
前記連続波レーザー光源からのレーザー光を所定の繰り返し周波数で位相変調して電気光学変調コムを発生させるように構成された第１の変調器と、
前記電気光学変調コムのキャリアエンベロープオフセット周波数を検出するように構成された検出部と、
前記キャリアエンベロープオフセット周波数に基づいて前記連続波レーザー光源の光周波数を変調するように構成された帰還回路部と、
試料を透過した前記電気光学変調コムの観測結果から分光データを得るように構成された分光計測部と、
前記分光データを前記キャリアエンベロープオフセット周波数を示すキャリアエンベロープオフセット信号と同期して取得するように構成されたデジタイザーと、
前記キャリアエンベロープオフセット周波数のデータを出力するように構成されたデータ集積装置とを備え、
前記デジタイザーは、前記分光データに前記キャリアエンベロープオフセット周波数のデータを付加するラベリングを行うことを特徴とするシングルコム分光装置。
【請求項2】
請求項１記載のシングルコム分光装置において、
前記帰還回路部は、前記連続波レーザー光源の注入電流値を変化させることにより前記連続波レーザー光源の光周波数を変調することを特徴とするシングルコム分光装置。
前記帰還回路部は、前記連続波レーザー光源の注入電流値を変化させることにより前記連続波レーザー光源の光周波数を変調することを特徴とするシングルコム分光装置。
【請求項3】
請求項１記載のシングルコム分光装置において、
前記連続波レーザー光源の後段に設けられた、シングルサイドバンド電気光学変調器または音響光学素子からなる第２の変調器をさらに備え、
前記帰還回路部は、前記第２の変調器を制御することにより前記連続波レーザー光源の光周波数を変調することを特徴とするシングルコム分光装置。
前記連続波レーザー光源の後段に設けられた、シングルサイドバンド電気光学変調器または音響光学素子からなる第２の変調器をさらに備え、
前記帰還回路部は、前記第２の変調器を制御することにより前記連続波レーザー光源の光周波数を変調することを特徴とするシングルコム分光装置。
【請求項4】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシングルコム分光装置において、
前記帰還回路部は、前記キャリアエンベロープオフセット周波数が前記繰り返し周波数の分だけ連続的に変化するように前記連続波レーザー光源の光周波数を変調することを特徴とするシングルコム分光装置。
前記帰還回路部は、前記キャリアエンベロープオフセット周波数が前記繰り返し周波数の分だけ連続的に変化するように前記連続波レーザー光源の光周波数を変調することを特徴とするシングルコム分光装置。
【請求項5】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシングルコム分光装置において、
前記帰還回路部は、
周波数変調用信号を出力するように構成された周波数変調用信号発生器と、
前記キャリアエンベロープオフセット信号を分周するように構成された分周器と、
前記周波数変調用信号と前記分周器の出力信号とを比較した結果に基づいて前記連続波レーザー光源の光周波数の変調用の周波数制御信号を出力するように構成された周波数変調用帰還回路とから構成されることを特徴とするシングルコム分光装置。
前記帰還回路部は、
周波数変調用信号を出力するように構成された周波数変調用信号発生器と、
前記キャリアエンベロープオフセット信号を分周するように構成された分周器と、
前記周波数変調用信号と前記分周器の出力信号とを比較した結果に基づいて前記連続波レーザー光源の光周波数の変調用の周波数制御信号を出力するように構成された周波数変調用帰還回路とから構成されることを特徴とするシングルコム分光装置。
【請求項6】
光周波数が連続的に変化するように構成された連続波レーザー光源と、
前記連続波レーザー光源からのレーザー光を所定の繰り返し周波数で位相変調して電気光学変調コムを発生させるように構成された変調器と、
前記電気光学変調コムのキャリアエンベロープオフセット周波数を検出するように構成された検出部と、
試料を透過した前記電気光学変調コムの観測結果から分光データを得るように構成された分光計測部と、
前記分光データを前記キャリアエンベロープオフセット周波数を示すキャリアエンベロープオフセット信号と同期して取得するように構成されたデジタイザーと、
前記キャリアエンベロープオフセット周波数のデータを出力するように構成されたデータ集積装置とを備え、
前記デジタイザーは、前記分光データに前記キャリアエンベロープオフセット周波数のデータを付加するラベリングを行うことを特徴とするシングルコム分光装置。
前記連続波レーザー光源からのレーザー光を所定の繰り返し周波数で位相変調して電気光学変調コムを発生させるように構成された変調器と、
前記電気光学変調コムのキャリアエンベロープオフセット周波数を検出するように構成された検出部と、
試料を透過した前記電気光学変調コムの観測結果から分光データを得るように構成された分光計測部と、
前記分光データを前記キャリアエンベロープオフセット周波数を示すキャリアエンベロープオフセット信号と同期して取得するように構成されたデジタイザーと、
前記キャリアエンベロープオフセット周波数のデータを出力するように構成されたデータ集積装置とを備え、
前記デジタイザーは、前記分光データに前記キャリアエンベロープオフセット周波数のデータを付加するラベリングを行うことを特徴とするシングルコム分光装置。
【請求項7】
請求項６記載のシングルコム分光装置において、
前記連続波レーザー光源は、光周波数が前記繰り返し周波数の分だけ連続的に変化することを特徴とするシングルコム分光装置。
前記連続波レーザー光源は、光周波数が前記繰り返し周波数の分だけ連続的に変化することを特徴とするシングルコム分光装置。
【請求項8】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシングルコム分光装置において、
前記電気光学変調コムに波長分散を与えることにより光パルス列に変換するように構成された分散媒質と、
前記光パルス列のパルス幅を圧縮することにより短パルス化するように構成された分散補償器と、
前記分散補償器を出射した光パルス列の帯域を拡大させるように構成された非線形媒質とをさらに備え、
前記分光計測部は、前記非線形媒質によって帯域が拡大された広帯域光を前記試料に入射させることを特徴とするシングルコム分光装置。
前記電気光学変調コムに波長分散を与えることにより光パルス列に変換するように構成された分散媒質と、
前記光パルス列のパルス幅を圧縮することにより短パルス化するように構成された分散補償器と、
前記分散補償器を出射した光パルス列の帯域を拡大させるように構成された非線形媒質とをさらに備え、
前記分光計測部は、前記非線形媒質によって帯域が拡大された広帯域光を前記試料に入射させることを特徴とするシングルコム分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気光学変調コムを用いて精密分光するシングルコム分光装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来の分光器は、分散型とフーリエ分光型の２つに大きく分けられる。分散型の分光器は、プリズムや回折格子等の分散型素子を利用して光スペクトルを空間上で分離して各波長の強度を順次計って行くというものである。分散型の分光器には、分散素子の制限により高い波長分解能が得られず、波長毎に強度を計っていくので広いスペクトル帯域の計測には時間を要するという問題があった。
【0003】
フーリエ分光型の分光器は、分散型の分光器に比べて単一検出器で多波長を同時分光できるという利点があり、赤外線波長域の分子分光等で多く用いられている。しかしながら、フーリエ分光型の分光器の周波数分解能とデータ取得スピードは、遅延ステージの移動距離と移動スピードで決定され、機械的なステージ移動が限界に達しているため、性能の向上に限界があった。
【0004】
近年注目されるデュアルコム分光は、繰り返し周波数がわずかに異なる２台のモード同期（ＭＬ：Mode-Locked）レーザー光源を用いる。繰返し周波数がわずかに異なるため、遅延ステージを動かすことなく、２つの光の相対位相に可変できる。これにより、フーリエ分光に比べてデータ取得時間は桁オーダーで短縮される。更に相対位相変化量も大きくできるため周波数分解能も高くできる（非特許文献１参照）。
【0005】
このようにデュアルコム分光は、高速かつ高分解能な分光法であるが、２台のＭＬレーザーの繰り返し周波数と位相を複雑な制御機構を用いて高精度に同期させる必要があり、高度な技術を必要とする。このため、デュアルコム分光は、一部のＭＬレーザーの先端研究機関でのみで実施され、光コムを用いた高速な精密分光を世の中に広く普及させるための壁となっていた。また、測定時間をさらに短くするためには、ＭＬレーザーの繰り返し周波数をさらに上げることが必要となるが、光共振器ベースのＭＬレーザーでは繰り返し周波数が数ＧＨｚ程度で限界であった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】IAN CODDINGTON，NATHAN NEWBURY，AND WILLIAM SWANN，“Dual-comb spectroscopy”，Vol.3，No.4，April 2016，Optica
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、１台のレーザー光源で従来のデュアルコム分光と同程度の高い周波数分解能で簡便に精密分光を行うことが可能なシングルコム分光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】
【0008】
本発明のシングルコム分光装置は、連続波レーザー光源と、前記連続波レーザー光源からのレーザー光を所定の繰り返し周波数で位相変調して電気光学変調コムを発生させるように構成された第１の変調器と、前記電気光学変調コムのキャリアエンベロープオフセット周波数を検出するように構成された検出部と、前記キャリアエンベロープオフセット周波数に基づいて前記連続波レーザー光源の光周波数を変調するように構成された帰還回路部と、試料を透過した前記電気光学変調コムの観測結果から分光データを得るように構成された分光計測部と、前記分光データを前記キャリアエンベロープオフセット周波数を示すキャリアエンベロープオフセット信号と同期して取得するように構成されたデジタイザーと、前記キャリアエンベロープオフセット周波数のデータを出力するように構成されたデータ集積装置とを備え、前記デジタイザーは、前記分光データに前記キャリアエンベロープオフセット周波数のデータを付加するラベリングを行うことを特徴とするものである。
【0009】
また、本発明のシングルコム分光装置の１構成例において、前記帰還回路部は、前記連続波レーザー光源の注入電流値を変化させることにより前記連続波レーザー光源の光周波数を変調することを特徴とするものである。
また、本発明のシングルコム分光装置の１構成例は、前記連続波レーザー光源の後段に設けられた、シングルサイドバンド電気光学変調器または音響光学素子からなる第２の変調器をさらに備え、前記帰還回路部は、前記第２の変調器を制御することにより前記連続波レーザー光源の光周波数を変調することを特徴とするものである。
また、本発明のシングルコム分光装置の１構成例において、前記帰還回路部は、前記キャリアエンベロープオフセット周波数が前記繰り返し周波数の分だけ連続的に変化するように前記連続波レーザー光源の光周波数を変調することを特徴とするものである。
また、本発明のシングルコム分光装置の１構成例において、前記帰還回路部は、周波数変調用信号を出力するように構成された周波数変調用信号発生器と、前記キャリアエンベロープオフセット信号を分周するように構成された分周器と、前記周波数変調用信号と前記分周器の出力信号とを比較した結果に基づいて前記連続波レーザー光源の光周波数の変調用の周波数制御信号を出力するように構成された周波数変調用帰還回路とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明のシングルコム分光装置の１構成例は、前記連続波レーザー光源の後段に設けられた、シングルサイドバンド電気光学変調器または音響光学素子からなる第２の変調器をさらに備え、前記帰還回路部は、前記第２の変調器を制御することにより前記連続波レーザー光源の光周波数を変調することを特徴とするものである。
また、本発明のシングルコム分光装置の１構成例において、前記帰還回路部は、前記キャリアエンベロープオフセット周波数が前記繰り返し周波数の分だけ連続的に変化するように前記連続波レーザー光源の光周波数を変調することを特徴とするものである。
また、本発明のシングルコム分光装置の１構成例において、前記帰還回路部は、周波数変調用信号を出力するように構成された周波数変調用信号発生器と、前記キャリアエンベロープオフセット信号を分周するように構成された分周器と、前記周波数変調用信号と前記分周器の出力信号とを比較した結果に基づいて前記連続波レーザー光源の光周波数の変調用の周波数制御信号を出力するように構成された周波数変調用帰還回路とから構成されることを特徴とするものである。
【0010】
また、本発明のシングルコム分光装置は、光周波数が連続的に変化するように構成された連続波レーザー光源と、前記連続波レーザー光源からのレーザー光を所定の繰り返し周波数で位相変調して電気光学変調コムを発生させるように構成された変調器と、前記電気光学変調コムのキャリアエンベロープオフセット周波数を検出するように構成された検出部と、試料を透過した前記電気光学変調コムの観測結果から分光データを得るように構成された分光計測部と、前記分光データを前記キャリアエンベロープオフセット周波数を示すキャリアエンベロープオフセット信号と同期して取得するように構成されたデジタイザーと、前記キャリアエンベロープオフセット周波数のデータを出力するように構成されたデータ集積装置とを備え、前記デジタイザーは、前記分光データに前記キャリアエンベロープオフセット周波数のデータを付加するラベリングを行うことを特徴とするものである。
また、本発明のシングルコム分光装置の１構成例において、前記連続波レーザー光源は、光周波数が前記繰り返し周波数の分だけ連続的に変化することを特徴とするものである。
また、本発明のシングルコム分光装置の１構成例において、前記連続波レーザー光源は、光周波数が前記繰り返し周波数の分だけ連続的に変化することを特徴とするものである。
【0011】
また、本発明のシングルコム分光装置の１構成例は、前記電気光学変調コムに波長分散を与えることにより光パルス列に変換するように構成された分散媒質と、前記光パルス列のパルス幅を圧縮することにより短パルス化するように構成された分散補償器と、前記分散補償器を出射した光パルス列の帯域を拡大させるように構成された非線形媒質とをさらに備え、前記分光計測部は、前記非線形媒質によって帯域が拡大された広帯域光を前記試料に入射させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0012】
電気光学変調コムベースのシングルコム分光は電気光学変調コムの種光源の光周波数を高精度に制御できることから、本発明では、１台の連続波レーザー光源で従来のデュアルコム分光と同程度の高い周波数分解能で簡便に精密分光を行うことが可能となる。さらに、本発明の分光データ取得時間は分光計測部のラインセンサの掃引速度で決定されるため、従来のデュアルコム分光よりも１桁以上短時間での分光計測が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【発明を実施するための形態】
【0014】
［発明の原理］
本発明は、上記デュアルコム分光法の問題点を克服するため、ＭＬレーザーの代わりに、ＣＷ（Continuous Ｗave）半導体レーザーを種光源とする電気光学変調（ＥＯ：Electro-Optic）コムのキャリアエンベロープオフセット（ＣＥＯ：Carrier Envelope Offset）周波数を利用して半導体レーザーを高速変調するシングルコム分光装置を提案する。
本発明は、上記デュアルコム分光法の問題点を克服するため、ＭＬレーザーの代わりに、ＣＷ（Continuous Ｗave）半導体レーザーを種光源とする電気光学変調（ＥＯ：Electro-Optic）コムのキャリアエンベロープオフセット（ＣＥＯ：Carrier Envelope Offset）周波数を利用して半導体レーザーを高速変調するシングルコム分光装置を提案する。
【0015】
図１は、ＥＯコムを示す説明図である。ＥＯコムは、図１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、ＥＯコムと呼ばれている。ＥＯコムの各モードのスペクトル周波数ｆnは、ＣＥＯ周波数をｆCEOとすると、ｆn＝ｆceo＋ｎ×ｆrep（ｎは整数）と表すことができる。
【0016】
本発明は、広帯域性、高分解能、高速性、簡便性を兼ね備え、かつ従来法のようにレーザーの高度な位相同期を必要としないので、レーザーの専門家以外でも手軽に扱え、フィールド環境での利用も可能な分光装置を実現し、高分解能・高速リアルタイム計測を実現する。
【0017】
［第１の実施例］
以下、本発明の実施例について、詳細に説明する。図２は、本発明の第１の実施例に係るシングルコム分光装置の基本構成を示す概略図である。シングルコム分光装置は、ＥＯコム生成部１と、広帯域光生成部２と、分光計測部３と、ＣＥＯ信号検出部４ａと、帰還回路部４ｂとを備えている。
以下、本発明の実施例について、詳細に説明する。図２は、本発明の第１の実施例に係るシングルコム分光装置の基本構成を示す概略図である。シングルコム分光装置は、ＥＯコム生成部１と、広帯域光生成部２と、分光計測部３と、ＣＥＯ信号検出部４ａと、帰還回路部４ｂとを備えている。
【0018】
ＥＯコム生成部１は、ＥＯコムを発生し、ＥＯコムに分散を付与して光パルス化する。ＥＯコム生成部１から出力された光パルスは、広帯域光生成部２に入射され、非線形効果（自己位相変調効果、相互位相変調効果等）を引き起こして広帯域光が生成される。この広帯域光を用いて分光計測部３で分光データを取得する。
【0019】
ＥＯコムは、モード間隔を信号発生器で任意に設定でき、モード間隔を広げることで帯域を広げることが可能であるが、一方で分子分光等の精密分光を行うには分解能が足りなくなる。そこで、ＥＯコムモード間隔を補間する必要がある。
【0020】
本実施例では、広帯域光生成部２から出力される広帯域光をＣＥＯ信号検出部４ａに入力してＣＥＯ信号を検出する。ＥＯコムのＣＥＯ周波数と繰り返し周波数をＲＦ周波数カウンターで計測できれば、ＥＯコム生成部１内部の連続波（ＣＷ）レーザー光源の光周波数をＲＦ周波数カウンター精度で計測可能であるため、１台のＥＯコムだけで精密分光が可能となる。ＣＥＯ周波数と帰還回路部４ｂを用いてＣＷレーザー光源を高速周波数変調することにより、ＥＯコムモード間隔を補間し、広帯域かつ高速にシングルコム分光が実現可能となる。
【0021】
［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図３は、本発明の第２の実施例に係るシングルコム分光装置の構成例を示す図である。本実施例は、第１の実施例の具体例を示すものである。
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図３は、本発明の第２の実施例に係るシングルコム分光装置の構成例を示す図である。本実施例は、第１の実施例の具体例を示すものである。
【0022】
ＥＯコム生成部１は、半導体レーザーからなるＣＷレーザー光源５と、光変調部６（第１の変調器）と、信号発生器７と、分散媒質８とから構成される。
広帯域光生成部２は、光増幅器９と、分散補償器１０と、高非線形媒質１１とから構成される。
広帯域光生成部２は、光増幅器９と、分散補償器１０と、高非線形媒質１１とから構成される。
【0023】
分光計測部３は、光分波器１２と、回折格子１３－１，１３－２と、ラインセンサ１４－１，１４－２と、デジタイザー１６とから構成される。
ＣＥＯ信号検出部４ａは、自己参照干渉計１７と、ＲＦ周波数カウンター２１とから構成される。
帰還回路部４ｂは、分周器１８と、周波数変調用信号発生器１９と、周波数変調用帰還回路２０とから構成される。
ＣＥＯ信号検出部４ａは、自己参照干渉計１７と、ＲＦ周波数カウンター２１とから構成される。
帰還回路部４ｂは、分周器１８と、周波数変調用信号発生器１９と、周波数変調用帰還回路２０とから構成される。
【0024】
ＥＯコム生成部１では、ＥＯコムの種光源として、ＣＷレーザー光源５を使用する。ＣＷレーザー光源５は、分光試料１５の光吸収スペクトルが存在する波長のＣＷ光を生成する。ＣＷレーザー光源５から出力されたＣＷ光は、光変調部６に入射する。
【0025】
光変調部６は、内部に強度変調器と位相変調器とを備えている。強度変調器と位相変調器とは、信号発生器７からの例えば周波数ｆrep＝２５ＧＨｚの正弦波状のマイクロ波信号Ｓ１によって駆動される。これにより、光変調部６は、ＣＷレーザー光源５からのＣＷ光を繰り返し周波数ｆrepで位相変調し、繰り返し周波数ｆrepの周波数モード間隔を持つＥＯコムを発生する。
【0026】
シングルモードファイバー等の分散媒質８は、光変調部６を出射したＥＯコムに波長分散を与えることにより、ＥＯコムを繰り返し周波数ｆrepの光パルス列に変換する。分散媒質８を透過した光パルス列は、広帯域光生成部２に入射する。
【0027】
広帯域光生成部２の光増幅器９は、光パルス列を増幅する。分散補償器１０は、光増幅器９によって増幅された光パルス列のパルス幅を分散媒質を用いて圧縮することにより、短パルス化する。分散補償器１０を出射した高出力短光パルス列は、高非線形ファイバー、フォトニック結晶ファイバー、シリコン細線導波路、シリコン細線導波路等の高非線形媒質１１に入射する。
【0028】
高非線形媒質１１は、高出力短光パルス列の帯域を拡大する。高非線形媒質１１によって帯域が拡大された広帯域光は分光計測部３とＣＥＯ信号検出部４ａとに入射する。
【0029】
分光計測部３の光分波器１２は、広帯域光を２分岐する。回折格子１３－１は、光分波器１２によって分岐された一方の光である参照光を波長ごとに異なる方向へ分光する。ラインセンサ１４－１は、回折格子１３－１によって分光された光を受光して電気信号（参照信号）Ｓrefに変換する。
【0030】
光分波器１２によって分岐された他方の光は分光試料１５に入射する。回折格子１３－２は、分光試料１５を透過した光を波長ごとに異なる方向へ分光する。ラインセンサ１４－２は、回折格子１３－２によって分光された光を受光して電気信号（分光信号）Ｓspに変換する。
【0031】
デジタイザー１６は、ラインセンサ１４－２で得られた受光信号Ｓspをラインセンサ１４－１で得られた参照信号Ｓrefの強度で規格化することにより、高い信号対雑音比で分光試料１５の吸収光スペクトルを取得することができる。
【0032】
一方、ＣＥＯ信号検出部４ａの自己参照干渉計１７は、広帯域光生成部２の高非線形媒質１１からの広帯域光を入力とし、ＣＥＯ周波数ｆCEOを示すＣＥＯ信号ＳCEOを検出する。自己参照干渉計１７は、広帯域光に含まれている、高周波成分と低周波成分との光干渉信号を生成し、生成した光干渉信号を光電変換して、得られた電気信号からＣＥＯ信号ＳCEOを出力する機能を有している。
【0033】
本実施例では、ＣＥＯ周波数ｆCEOをＥＯコムの繰り返し周波数ｆrep分だけ変化させる。例えば、信号発生器７の周波数を２５ＧＨｚ（＝ｆrep）に設定した場合、ＥＯコムのモード間隔は２５ＧＨｚとなる。したがって、ＣＥＯ周波数ｆCEOを２５ＧＨｚ周波数変調することでＥＯコムの各周波数モード間隔を補間して精密分光できる。しかし、２５ＧＨｚのような広帯域幅を高速変調できる信号発生器は存在しないため、ＣＥＯ信号ＳCEOを分周器１８でＮ分周（Ｎは２以上の整数）して周波数を下方変換する。
【0034】
帰還回路部４ｂの周波数変調用信号発生器１９は、ｆCEOの基準値を基準周波数としてｆrep／Ｎの変調幅で連続的に周波数変化することを繰り返す周波数変調用信号ＳMOD1を出力する。なお、後述のように周波数変調用信号ＳMOD1の周波数は、デジタイザー１６からの制御に従って変化する。
【0035】
帰還回路部４ｂの周波数変調用帰還回路２０は、周波数変調用信号ＳMOD1と分周器１８の出力信号とを位相比較し、この比較結果に基づいて周波数制御信号ＳCTL1を出力する。本実施例の周波数制御信号ＳCTL1は、ＣＷレーザー光源５の光周波数をｆrepの変調幅で変調するための信号であり、具体的にはＣＷレーザー光源５の注入電流値を変化させるための信号である。
【0036】
ＣＷレーザー光源５の光周波数は、周波数制御信号ＳCTL1に応じて変化する。こうして、ＣＥＯ周波数ｆCEOの周波数変調幅の分だけＣＷレーザー光源５の光周波数を連続的に変化させることができる。
【0037】
一方、ＣＥＯ信号検出部４ａのＲＦ周波数カウンター２１は、ＣＥＯ信号ＳCEOの周波数ｆCEOを取得する。分光計測部３のデジタイザー１６は、ＲＦ周波数カウンター２１の出力を基に、ラインセンサ１４－２で得られた受光信号Ｓspとラインセンサ１４－１で得られた参照信号ＳrefとをＣＥＯ信号ＳCEOと同期して取り込み、デジタル化する。
【0038】
デジタイザー１６は、分光データ（受光信号Ｓspのデータ、または受光信号Ｓspを参照信号Ｓrefの強度で規格化したデータ）の取り込みが終了すると、周波数変調用信号発生器１９から出力される周波数変調用信号ＳMOD1の周波数を変化させる。こうして、分光データの取り込みが終了する度に、周波数変調用信号発生器１９の出力周波数を変化させることにより、ｆn＝ｆceo＋ｎ×ｆrepのモード毎に分光データを取得することができる。デジタイザー１６による周波数変調用信号発生器１９の制御は、以降の実施例についても同じである。
【0039】
本実施例での計測時間は、周波数変調用信号発生器１９の変調速度、もしくはラインセンサ１４－１，１４－２とデジタイザー１６とによるデータ取得時間となり、マイクロ秒オーダーの高速な分光が可能となる。一般的には、データ取得時間が周波数変調速度よりも数桁高速であるため、データ取得時間が計測時間となる。
【0040】
仮に周波数変調用信号発生器１９の変調速度と、ラインセンサ１４－１，１４－２とデジタイザー１６とによるデータ取得時間とが同程度であった場合には、図３の信号線１００で示すように周波数変調用信号発生器１９とデジタイザー１６とを同期させる必要がある。
【0041】
こうして、本実施例では、１台のレーザー光源で従来のデュアルコム分光と同程度の高い周波数分解能で簡便に精密分光を行うことができる。
【0042】
なお、本実施例では、ＣＥＯ信号ＳCEOを計測してＣＷレーザー光源５の光周波数を制御しているが、ＣＥＯ周波数ｆCEOがゼロ周波数近傍や信号発生器７の設定周波数の半分の周波数での制御が困難である。ＥＯコムのモードの間隔を完全に補間する場合には２つの自己参照干渉計を用意する必要がある。どちらか一つの自己参照干渉計をマッハツェンダー干渉計で構成し、この干渉計の光路にシングルサイドバンド変調器や音響光学素子を挿入してＣＥＯ信号ＳCEOを疑似的に周波数シフトさせるようにすれば、周波数変調用帰還回路２０でＥＯコムモード間隔を完全補間することができる。
【0043】
［第３の実施例］
次に、本発明の第３の実施例について説明する。図４は、本発明の第３の実施例に係るシングルコム分光装置の構成例を示す図である。本実施例のシングルコム分光装置は、ＥＯコム生成部１ａと、広帯域光生成部２と、分光計測部３と、ＣＥＯ信号検出部４ａと、帰還回路部４ｃとを備えている。帰還回路部４ｃは、分周器１８と、周波数変調用信号発生器１９と、周波数変調用帰還回路２０ｃとから構成される。
次に、本発明の第３の実施例について説明する。図４は、本発明の第３の実施例に係るシングルコム分光装置の構成例を示す図である。本実施例のシングルコム分光装置は、ＥＯコム生成部１ａと、広帯域光生成部２と、分光計測部３と、ＣＥＯ信号検出部４ａと、帰還回路部４ｃとを備えている。帰還回路部４ｃは、分周器１８と、周波数変調用信号発生器１９と、周波数変調用帰還回路２０ｃとから構成される。
【0044】
第２の実施例では、ＣＷレーザー光源５の光周波数を変化させるために、周波数変調用帰還回路２０からの周波数制御信号ＳCTL1によってＣＷレーザー光源５の注入電流値を制御していた。
【0045】
これに対して、本実施例では、ＥＯコム生成部１の代わりに、ＥＯコム生成部１ａを設け、ＣＷレーザー光源５から出力されたＣＷ光を周波数変調する。ＥＯコム生成部１ａは、ＣＷレーザー光源５と、光変調部６と、信号発生器７と、分散媒質８と、変調器２２（第２の変調器）と、周波数可変用信号発生器２３と、周波数逓倍器２４と、ＲＦ増幅器２５とから構成される。
【0046】
変調器２２は、音響光学素子もしくはシングルサイドバンド電気光学変調器である。周波数可変用信号発生器２３は、周波数可変用信号ＳMOD2を出力する。
周波数逓倍器２４は、周波数可変用信号ＳMOD2の周波数をＮ倍する。ＲＦ増幅器２５は、周波数逓倍器２４の出力信号を増幅する。
周波数逓倍器２４は、周波数可変用信号ＳMOD2の周波数をＮ倍する。ＲＦ増幅器２５は、周波数逓倍器２４の出力信号を増幅する。
【0047】
音響光学素子からなる変調器２２は、ＣＷレーザー光源５から出力されたＣＷ光の周波数を、ＲＦ増幅器２５の出力信号の周波数分だけシフトさせる。本実施例では、帰還回路部４ｃの周波数変調用帰還回路２０ｃから出力される周波数制御信号ＳCTL2は、周波数可変用信号ＳMOD2の周波数を０～ｆrep／Ｎの範囲で連続的に変化させることを繰り返すための信号である。これにより、本実施例では、ＣＷレーザー光源５から出力されたＣＷ光の周波数を、０～ｆrepの範囲で連続的に周波数シフトさせることを繰り返すことができる。
【0048】
変調器２２としてシングルサイドバンド電気光学変調器２２を用いる場合、帰還回路部４ｃの周波数変調用帰還回路２０ｃから出力される周波数制御信号ＳCTL2は、ＣＷレーザー光源５から出力されたＣＷ光の周波数を、０～ｆrepの範囲で連続的に周波数シフトさせることを繰り返すための電圧信号となる。
他の構成は第２の実施例と同じである。
他の構成は第２の実施例と同じである。
【0049】
なお、第２、第３の実施例では、分周器１８を使用しているが、２５ＧＨｚのような広帯域幅を高速変調できる周波数変調用信号発生器１９を使用できる場合には、分周器１８は不要である。
【0050】
［第４の実施例］
次に、本発明の第４の実施例について説明する。図５は、本発明の第４の実施例に係るシングルコム分光装置の構成例を示す図である。本実施例のシングルコム分光装置は、ＥＯコム生成部１と、広帯域光生成部２と、分光計測部３と、ＣＥＯ信号検出部４ａと、帰還回路部４ｄとを備えている。第２、第３の実施例では、ＣＥＯ信号ＳCEOを分周器１８でＮ分周して周波数を下方変換しているが、本実施例では、周波数変調用信号発生器１９の変調帯域幅を拡大するために逓倍器を用いて周波数変調用信号発生器１９の出力周波数をＮ倍する。
次に、本発明の第４の実施例について説明する。図５は、本発明の第４の実施例に係るシングルコム分光装置の構成例を示す図である。本実施例のシングルコム分光装置は、ＥＯコム生成部１と、広帯域光生成部２と、分光計測部３と、ＣＥＯ信号検出部４ａと、帰還回路部４ｄとを備えている。第２、第３の実施例では、ＣＥＯ信号ＳCEOを分周器１８でＮ分周して周波数を下方変換しているが、本実施例では、周波数変調用信号発生器１９の変調帯域幅を拡大するために逓倍器を用いて周波数変調用信号発生器１９の出力周波数をＮ倍する。
【0051】
帰還回路部４ｄは、周波数変調用信号発生器１９と、周波数変調用帰還回路２０ｄと、周波数逓倍器２７とから構成される。
周波数逓倍器２７は、周波数変調用信号発生器１９から出力された周波数変調用信号ＳMOD1の周波数をＮ倍する。
周波数逓倍器２７は、周波数変調用信号発生器１９から出力された周波数変調用信号ＳMOD1の周波数をＮ倍する。
【0052】
周波数変調用帰還回路２０ｄは、周波数逓倍器２７の出力信号とＣＥＯ信号ＳCEOとを位相比較し、この比較結果に基づいてＣＷレーザー光源５の光周波数を変調するための周波数制御信号ＳCTL1を出力する。他の構成は第２の実施例と同じである。
こうして、本実施例では、第２の実施例と同様の効果を得ることができる。
こうして、本実施例では、第２の実施例と同様の効果を得ることができる。
【0053】
本実施例では、周波数逓倍器２７を第２の実施例に適用した例で説明したが、第３の実施例に適用してもよい。この場合の構成を図６に示す。
帰還回路部４ｅは、周波数変調用信号発生器１９と、周波数変調用帰還回路２０ｅと、周波数逓倍器２７とから構成される。
帰還回路部４ｅは、周波数変調用信号発生器１９と、周波数変調用帰還回路２０ｅと、周波数逓倍器２７とから構成される。
【0054】
周波数変調用帰還回路２０ｄは、周波数逓倍器２７の出力信号とＣＥＯ信号ＳCEOとに基づいて、周波数可変用信号ＳMOD2の周波数を０～ｆrep／Ｎの範囲で連続的に変化させるための周波数制御信号ＳCTL2を出力する。第３の実施例で説明したとおり、変調器２２としてシングルサイドバンド電気光学変調器２２を用いる場合、周波数制御信号ＳCTL2は、ＣＷレーザー光源５から出力されたＣＷ光の周波数を、０～ｆrepの範囲で連続的に周波数シフトさせるための電圧信号となる。
【0055】
［第５の実施例］
次に、本発明の第５の実施例について説明する。図７は、本発明の第５の実施例に係るシングルコム分光装置の構成例を示す図である。本実施例のシングルコム分光装置は、ＥＯコム生成部１と、広帯域光生成部２と、分光計測部３と、ＣＥＯ信号検出部４ｆとを備えている。
ＣＥＯ信号検出部４ｆは、自己参照干渉計１７と、ＲＦ周波数カウンター２１と、データ集積装置２６と、設定部２８とから構成される。
次に、本発明の第５の実施例について説明する。図７は、本発明の第５の実施例に係るシングルコム分光装置の構成例を示す図である。本実施例のシングルコム分光装置は、ＥＯコム生成部１と、広帯域光生成部２と、分光計測部３と、ＣＥＯ信号検出部４ｆとを備えている。
ＣＥＯ信号検出部４ｆは、自己参照干渉計１７と、ＲＦ周波数カウンター２１と、データ集積装置２６と、設定部２８とから構成される。
【0056】
第２の実施例では、ＣＥＯ信号ＳCEOを基に周波数変調用帰還回路２０を用いてＣＷレーザー光源５の光周波数を変化させていた。これに対して、本実施例では、ＣＷレーザー光源５を、ＣＥＯ周波数ｆCEOが定まらないフリーラングで動作させる。
【0057】
本実施例では、シングルコム分光装置の運用前に、ＣＥＯ周波数ｆCEOとＣＷレーザー光源５の注入電流値との関係を測定する。このとき、ＣＷレーザー光源５の周波数は、ＣＥＯ周波数ｆCEOを計測するＲＦ周波数カウンター２１の結果を集積するデータ集積装置２６によって算出できる。
【0058】
ＣＥＯ信号検出部４ｆの設定部２８は、データ集積装置２６に記憶されたＣＥＯ周波数ｆCEOとＣＷレーザー光源５の注入電流値との関係を基に、ＣＷレーザー光源５の光周波数がｆrepの変調幅で連続的に変化することを繰り返すようにＣＷレーザー光源５に対して注入電流値の設定を行う。
このような設定により、ＣＷレーザー光源５のドライバ（不図示）は自動的に注入電流値を繰り返し変化させるので、ＣＷレーザー光源５はフリーラングで動作する。
このような設定により、ＣＷレーザー光源５のドライバ（不図示）は自動的に注入電流値を繰り返し変化させるので、ＣＷレーザー光源５はフリーラングで動作する。
【0059】
第２の実施例と同様に、分光計測部３のデジタイザー１６は、ラインセンサ１４－２で得られた受光信号Ｓspとラインセンサ１４－１で得られた参照信号ＳrefとをＣＥＯ信号ＳCEOと同期して取り込み、デジタル化する。
【0060】
また、データ集積装置２６は、ＣＥＯ周波数ｆCEOの計測結果を基にＣＥＯ周波数ｆCEOのデータを出力する。
デジタイザー１６は、分光データ（受光信号Ｓspのデータ、または受光信号Ｓspを参照信号Ｓrefの強度で規格化したデータ）にＣＥＯ周波数ｆCEOのデータと繰り返し周波数ｆrepのデータとを付加するラベリングを行う。
デジタイザー１６は、分光データ（受光信号Ｓspのデータ、または受光信号Ｓspを参照信号Ｓrefの強度で規格化したデータ）にＣＥＯ周波数ｆCEOのデータと繰り返し周波数ｆrepのデータとを付加するラベリングを行う。
【0061】
以上のように、本実施例では、分光データにＣＥＯ周波数ｆCEOのデータを付加するラベリングを行うことにより、分光データの計測条件が識別可能になる。
なお、本実施例のようにラベリングを行う構成を第１～第４の実施例に適用してもよい。
なお、本実施例のようにラベリングを行う構成を第１～第４の実施例に適用してもよい。
【0062】
以上、前記実施例に基づいて本発明を具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、信号対雑音比が高いことを必要としない場合は光分波器１２で光分岐せず一つの光路で分光計測することができる。
【産業上の利用可能性】
【0063】
本発明は、精密な分光データを得る技術に適用することができる。
【符号の説明】
【0064】
１，１ａ…ＥＯコム生成部、２…広帯域光生成部、３…分光計測部、４ａ，４ｆ…ＣＥＯ信号検出部、４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ…帰還回路部、５…ＣＷレーザー光源、６…光変調部、７…信号発生器、８…分散媒質、９…光増幅器、１０…分散補償器、１１…高非線形媒質、１２…光分波器、１３－１，１３－２…回折格子、１４－１，１４－２…ラインセンサ、１５…分光試料、１６…デジタイザー、１７…自己参照干渉計、１８…分周器、１９…周波数変調用信号発生器、２０，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ…周波数変調用帰還回路、２１…ＲＦ周波数カウンター、２２…変調器、２３…周波数可変用信号発生器、２４，２７…周波数逓倍器、２５…ＲＦ増幅器、２６…データ集積装置、２８…設定部。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】