第7回量子科学技術委員会話題提供『光周波数コム』...2017/02/07 · opt. freq....

文科省量子委員会, Dec 27, 2016

第7回量子科学技術委員会話題提供『光周波数コム』

電気通信大学基盤理工学専攻JST, ERATO知的光シンセサイザ

○美濃島薫

1

資料２－５科学技術・学術審議会先端研究基盤部会

量子科学技術委員会（第７回）平成２８年１２月２７日


オフセット：

fCEO

(< frep)

コム間隔： frep

光コムは「光のものさし」：光周波数のものさし• レーザーの周波数は、非常に高周波• 秒の定義(周波数標準)はマイクロ波• 「光のものさし」が必要

レーザーの周波数が測定できる

測定レーザー1014-1015 Hz

目盛りとの差（小さい値）は測定できる

1999年に絶対計測が初めて実現。20世紀中には3カ国のみ。独、米、日

2005年ノーベル物理学賞 T.W. Hänsch (独), J.L. Hall (米)

電波領域測定可能

fn = fCEO + n･frep

n番目の目盛り周波数（PHz）

Opt. Freq.

2

ただの櫛型スペクトルではない

(MHz～GHz)


1 GHz 1THz 1 PHz

時間（周波数）標準長さ（波長）標準

統一的実現へ！

最も精密に定義されている

原子時計

電波の領域光波の領域

様々な分野で応用されている

レーザー

「秒」と「メートル｣がつながった

広範な周波数帯をコヒーレントにリンク

ms

3

http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2003/pr20030609/pr20030609.html

https://www.nmij.jp/library/units/length/


電気と光の世界（技術分野）をつなぐもの1 MHz 1 GHz 1THz 1 PHz

エレクトロニクスの世界光の世界

4

光コム ~ 単なる周波数リンクでない


光コム~ 単なる周波数ものさしでない

5

時間

μs

10-6

ps

10-12

fs

10-15

ns

10-9

m

100

μm

10-6

nm

10-9

mm

10-3

THz

1012

MHz

106

kHz

103

GHz

109

変換

変換変換非線形光学（強度）

超短パルス列: 多重性、広ダイナミックレンジ

as

10-18

ms

10-3

pm

10-12

km

103

Hz

100

PHz

1015

空間

光コム・超短パルス:

多次元性

多次元性・多重性・ダイナミックレンジを利用した多様な応用

周波数（色）


時間･空間・周波数の多重な基準のコヒーレントリンク（多次元を網羅した制御性・精密性・ダイナミックレンジ）

光コム

周波数

パルス間隔Trep=1/frep, (ns, m)

モード同期パルス列

時間, 空間

キャリア・エンベロープ・オフセット

fCEO

(Hz-MHz)コム間隔 frep (GHz)

パルス幅tp, (fs, μm)

スペクトル幅1/tp, (THz)

フーリエ変換

fn = fCEO + n･frep

n番目の目盛り周波数(PHz)

キャリア波周期・位相 (as, pm)

キャリア／エンベロープの周期TCEO=1/fCEO , (ms, km)

6

CEO

rep

T

T22

CEO

rep

T

T 2

0 2


自由自在に光を操る道具

ピアノ

鍵盤：音の高さの規則的な並び

強さ・音程・リズムの制御自由自在に音楽を奏でる

光コム

コム(櫛)：光周波数（波長）の規則的な並び

振幅・周波数・位相・時間・波形・偏光等の制御

自由自在に光を操る道具

音の世界 (シンセサイザ)

「光コム」は、「光の楽器」！

7

光の世界 (光シンセサイザ)

横軸＝光の周波数（波長）

縦軸＝光強度

光を自由自在に操作するツール～単なるものさしではない。究極の夢のツール～

光コムのスペクトル（イメージ）


JST, ERATO 美濃島知的光シンセサイザ（2013.10～2019.3）

シングルピクセル分光イメージングワンショット3次元

イメージング

天文コム

高精度・高分解デュアルコム分光

THzコム分光

小型ヨウ素安定化レーザーナノフォトニクス・

オプトメカトロニクス

超高速時間分解デュアルコム分光

モードフィルタリング技術

究極周波数精度の追求

高繰り返しファイバコム

光コム

デュアルコム技術

低ノイズ

絶対周波数

高強度

高繰り返し

高安定

広帯域

ロバスト

周波数可変

スキャンレスデュアルコム顕微鏡

2波長同時発生ファイバコム

光周波数シンセサイザ

安定化技術

センシングコム

ラマンコム

コム分光エリプソ

アダプティブコム干渉計

8


JST, ERATO 美濃島知的光シンセサイザ（2013.10～2019.3）

シングルピクセル分光イメージングワンショット3次元

イメージング

天文コム

高精度・高分解デュアルコム分光

THzコム分光

小型ヨウ素安定化レーザーナノフォトニクス・

オプトメカトロニクス

超高速時間分解デュアルコム分光

モードフィルタリング技術

究極周波数精度の追求

高繰り返しファイバコム

光コム

デュアルコム技術

低ノイズ

絶対周波数

高強度

高繰り返し

高安定

広帯域

ロバスト

周波数可変

イメージング・センシング

スキャンレスデュアルコム顕微鏡

2波長同時発生ファイバコム

光周波数シンセサイザ

安定化技術

センシングコム

ラマンコム

コム分光エリプソ

アダプティブコム干渉計

周波数制御“高精度ものさし & 波長計”

モード制御“光周波数シンセサイザ”

任意シングル周波数発生

時間 & コヒーレント多モード制御“コムレーザー”, コヒーレントなパルス列、広帯域光、多モード光

8


• 直接発生

–モード同期レーザー：広く用いられている。市販品

–基準CWレーザー＋変調器＋共振器：光通信、変調コム

–非線形コム：マイクロコム、波長変換、ラマン

• 非線形変換

9

Wavelengthvisiblemicrowave UV - VUV- EUV x-rayTHz

101810171016101510141013101210111010109

RF

1 nm1 µm1 mm1 m

1019

Frequency (Hz)mid-near IRmm

fiber laser

solid-state laser

HHGOPO, DFG, SHG, THGphoto mixing, beat down

continuum generation

QCL

光コムの発生：ものさしを変換して延ばしていけるcoherent wave covering from RF to EUV


Erファイバコムの研究の歴史1. 光周波数計測 (A.Onae, et al. Opt. Comm. 183, 181, 2000)

2. CEO信号検出（2f-to-3f干渉法）（F.-L. Hong, et al. Opt. Lett. 28, 1516, 2003)

3. CEO信号検出（f-to-2f干渉法）(F. Tauser et al. Opt. Exp. 11, 594, 2003)

4. CEO信号の位相同期 (B. Washburn, et al. Opt. Lett. 29, 250, 2004)

5. 絶対周波数計測 (T. Schibli, et al. Opt. Lett. 29, 2467, 2004)

6. ファイバ分岐システム (F. Adlar, et al. Opt. Exp. 12, 5872, 2004)

7. 2台のファイバコム比較 (P. Kubina, et al. Opt. Exp. 13, 904-909 2005)

8. 長期連続計測(1週間)の実証 (H. Inaba et al. Opt. Exp. 14, 5223, 2006)

9. モード数の決定 (J.-L. Peng et al. Opt. Exp. 15, 4485, 2007)

10. 位相ノイズの抑制 (J. J. Mcferran et al. Appl. Phys. B 86, 219, 2007)

...........現在も、多数の研究が行われている .................

ファイバコムは普及の鍵～日本は、初期から大きな貢献～

下線は我々のグループ

10

相対線幅

6

4

2

0

10-3

[mW

]

62.121262.121162.1210[kHz]

Linewidth: 0.954 mHzAqu.time: 1045 sSpan: 382 mHzFWHM: 2.59 mHz

Inte

nsity (

μW

)

~ mHz

パルス・広帯域光と同時に、各モードは高いコヒーレンスを持つ超高精度な広帯域分光、絶対長距離測定

今では、超狭線幅の実現

オールファイバシステム、長期連続運転可能、製作・調整容易、小型・安価（LD直接励起）、光通信帯から可視域以上をカバー

文科省量子委員会, Dec 27, 2016 11

frep

Optical frequency

Δfrep

インターフェログラム

RFマルチヘテロダインビート

frep+Δfrep

RF stabilized comb

High-speed servo controlled comb

CW laser locked

locked with EOM

Comb 2

Comb 1

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

inte

nsity

(a.

u.)

196194192190188frequency [THz]

光スペクトル

高速・広帯域・高精度・モード分解分光

FFT

digitized

モード分解スペクトル

デュアルコム分光法(DCS) ※I. Coddington, et.al., Phys. Rev. Lett. 100, 013902 (2008)

1.00

0.98Tran

smit

tan

s

5P3/2 - 4D3/2 F = 2 3

-0.02

0.00

0.02

Res

idu

als

196.0375196.0370Frequency [THz]

1.0

0.8

0.6Tran

smm

itan

s

This work Lorentz fit

ref[Lee]

F = 4 3 25P3/2 - 4D5/2

-0.02

0.00

0.02

Res

idu

als

196.0240196.0235Frequency [THz]

1.0

0.8

0.6

0.4

Spec

tral

inte

nsit

y (a

.u.)

196.10196.05196.00195.95

Frequency [THz]

frep36 MHz

Energy diagram

780.2 nm

1529.3 nm1529.4 nm

Pump: cw laser

probe

4D5/24D3/2

2F

4

F

3

32

5S1/2

5P3/2

F” = 2

F’ = 3

周波数絶対計測が実現不確かさ <1 MHz

Doppler-free OODR Spectroscopy of 87Rb

超微細構造が分解できた (線幅 < frep, 50 MHz)

A. Nishiyama, S. Yoshida, Y. Nakajima, H.Sasada, K.Nakagawa, A.Onae, K. Minoshima, Opt. Exp. 24, 25894 (2016)高精度分光、環境


デュアルコム分光の時間軸応用

Signal Comb

(probe)

LO Comb

(sampling clock)

IGM

(Interferogram)

Time

Δ𝑇𝑟𝑒𝑝 2Δ𝑇𝑟𝑒𝑝

// //

// //

frep,S

frep,L

(= frep,L+ Δfrep)

パルスの位置関係が自動的に走査される。

時間軸の高速・精密スキャニングツール

多彩なサンプルの精密な干渉分光に応用可能

複素振幅･位相の直接分離測定

機械ステージが不要

3Δ𝑇𝑟𝑒𝑝//

//


//


//


//

A. Asahara, A. Nishiyama, S. Yoshida, K. Kondo, Y. Nakajima, K. Minoshima, Opt. Lett. 41, 4971 (2016)

材料物性、デバイス

12


固体材料・デバイスの高速な時間軸特性評価

1. 固体材料の複素特性

– 高速測定 ~10 ms /scan

– 複素屈折率スペクトルの詳細な構造を取得

2. 超高速時間分解分光 (TR-DCS)

– コム電場波形応答の観測

– 周波数・時間の2次元複素分光

3. ポンプ・プローブASOPS

– 過渡吸収応答：fs～nsの高速取得(ms)

目的にあわせて測定条件を広範囲に調整可能なトータル物性評価ツール

時間･周波数の測定分解能、範囲、高速性、複素光学定数、複屈折、コヒーレンス．．．

超高分解能＆超広ダイナミックレンジ＆超高制御性

“超高速＆超精密分光”

半導体、レーザー結晶

1.8284

1.8282

1.8280

1.8278

1.8276

1.8274

1.8272

1.8270

Ref

ract

ive

inde

x n

196194192190188

Frequency (THz)

0.0008

0.0006

0.0004

0.0002

0.0000

Ext

inct

ion

coef

ficie

nt

A. Asahara, A. Nishiyama, S. Yoshida, K. Kondo, Y. Nakajima, K. Minoshima, Opt. Lett. 41, 4971 (2016)

1.8275

1.8274

1.8273

1.8272

1.8271Re

fra

ctive

ind

ex n

194.5194.0193.5

Frequency (THz)

0.0003

0.0002

Extinction

co

effic

ien

t

13

都合により掲載できません


コヒーレント変調分光への応用

14



R.F.

測定距離ターゲット

光ファイバ

周波数カウンタ

時間・周波数標準

位相測定

周波数選択光コム

「光のものさし」

光周波数

-80

-60

-40

-20

0

20

Devia

tio

n (

m

)

10080604020

Distance (m)

Relative fiber length 0 m (tp= 3.5 ps)

3 m ( 1.8 ps) 6 m ( 0.6 ps) 9 m ( 2.6 ps)

短距離タイプ

超高分解能（空気揺らぎ限界）: σ =14 μm (@280 m)~ 5 x 10-8

屋外でも高精度測定

長距離タイプ

組み込み可能参照標準との差

2 μm/10 m

-10

-5

0

5

10

Fluc

tuat

ion

200150100500

Time (s)

Standard deviation=1.6 m

(m

)

超高分解能：200 nm 短距離 (f = 40 GHz);

1.6 μm, 7X10-9, 240 m (f = 10 GHz)

コム距離計：コムの応用のさきがけ

高精度ファイバ伝送（256 m）

15

分散補償

K. Minoshima and H. Matsumoto, Appl. Opt. 39, 5512-5517 (2000)

-20

-100

10

20

偏差

(m

)

200150100500

測定距離 (m)

超高精度：偏差<15μm、傾き<0.2 ppm, 200 m高精度・高次高調波モード間ビートの位相測定f = 50 MHz, 10 GHz, 40 GHz (821st 高調波)

• 絶対距離測定＆環境変動のリアルタイム高精度自己補正の実現外乱の多い場所での絶対距離測定オペレーション中の検査・モニター

• 究極の超長距離測定 ~pm/km 宇宙応用

宇宙･産業計測

RFコム（モード間ビート） 40 GHz


R.F.

測定距離ターゲット

光ファイバ

周波数カウンタ

時間・周波数標準

位相測定

周波数選択光コム

「光のものさし」

光周波数

-80

-60

-40

-20

0

20

Devia

tio

n (

m

)

10080604020

Distance (m)

Relative fiber length 0 m (tp= 3.5 ps)

3 m ( 1.8 ps) 6 m ( 0.6 ps) 9 m ( 2.6 ps)

短距離タイプ

超高分解能（空気揺らぎ限界）: σ =14 μm (@280 m)~ 5 x 10-8

屋外でも高精度測定

長距離タイプ

組み込み可能参照標準との差

2 μm/10 m

-10

-5

0

5

10

Fluc

tuat

ion

200150100500

Time (s)

Standard deviation=1.6 m

(m

)

超高分解能：200 nm 短距離 (f = 40 GHz);

1.6 μm, 7X10-9, 240 m (f = 10 GHz)

コム距離計：コムの応用のさきがけ

高精度ファイバ伝送（256 m）

15

分散補償

K. Minoshima and H. Matsumoto, Appl. Opt. 39, 5512-5517 (2000)

-20

-100

10

20

偏差

(m

)

200150100500

測定距離 (m)

超高精度：偏差<15μm、傾き<0.2 ppm, 200 m高精度・高次高調波モード間ビートの位相測定f = 50 MHz, 10 GHz, 40 GHz (821st 高調波)

• 絶対距離測定＆環境変動のリアルタイム高精度自己補正の実現外乱の多い場所での絶対距離測定オペレーション中の検査・モニター

• 究極の超長距離測定 ~pm/km 宇宙応用

宇宙･産業計測

世界最高精度の距離計10 km 先のコピー用紙の厚さがわかるほど！

RFコム（モード間ビート） 40 GHz


T. Kato, M. Uchida, K. Minoshima, CLEO (2016); K. Minoshima, et al., J.J.A.P. 33,1348 (1994); 美濃島, 特許公開(2016); 美濃島, 特許(1994)

ファイバ・コムによるワンショット3次元イメージング

more than a few m

チャープで時間情報が色情報に瞬時に変換。2次元波長分布から、ワンショットで3次元イメージが得られる

BS 3mの段差形状を±1 μmで無走査測定

産業･バイオ計測

コム干渉（パルス間干渉）を利用大きいサイズや離れた面の形状を、精度を落とさず、ワンショットで測定できる高精度・高速・広ダイナミックレンジ、計測技術の基礎的トレードオフ回避



「光波の超精密制御」の広範な分野への展開• 光コムで「光を使い尽くす」ツールを

光を真にインテリジェントなメインプレーヤーに

極限精度、ダイナミックレンジ、アダプティブ性対象や環境に応じ、自在に条件選択。トータルな光技術計測、伝送、表示、利用、物性制御や加工まで

• 基盤技術の画期的進展へ

広範な分野を支え、同時に牽引

『先端光源』、『応用基盤』、『高機能計測制御(ミドルウェア)』の3つのレイヤの有機的･系統的開発が必要

実用化基盤技術も必要。マイクロ化、低コスト化17

今後の方向性


光コムの研究は増加、しかし日本は。。。• CLEO発表件数は右肩上がりだが、日本は10年間頭打ち

• 初期のアドバンテージを生かしきれていない（国内の状況）

分野が広がっていない

周波数標準は確立してきたが

技術の敷居が高い

ギャップを埋めることが必要

系統的な大きな研究プロジェクトがなかった

従来の重点分野の切り口に、はまりにくい

• ようやく復活のきざしが出てきたが…(2015 ⇒ 2016倍増)

18

10

8

6

4

2

0

Re

lative

nu

mb

er

of

pre

se

nta

tio

n (

%)

20162012200820042000Year

50

40

30

20

10

0

Re

lativ

e n

um

be

r of J

ap

an

(Co

mb

) (%)

Comb_all/Total presentation Comb_Japan/Total presentation Comb_Japan/Comb_all


課題• 系統的・継続的な研究投資が必要

基盤技術としての長期的視点

“Sudden Death”の繰り返し。人材、拠点の散逸

• 若手人材に安定なポスト、連携できる環境の提供

短期的な研究、事務仕事の負担、学生の分断

• 博士人材の育成は急務（博士課程に行かない）多様なキャリアパスの確保と見える化、経済支援

• 国内企業の育成

挑戦的な研究開発を行う環境

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