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発表・掲載日:2009/07/16

「長さの国家標準」が新方式に

-光周波数コム装置を利用し「波長」を高精度化-

ポイント

  • 「協定世界時に同期した光周波数コム装置」を、新しい「長さの国家標準」に指定。
  • 従来の国家標準と比べて300倍の精度を達成。
  • 光通信帯などの波長にも対応し、産業界への波及効果を期待。

概要

 独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 野間口 有】(以下「産総研」という)計測標準研究部門【研究部門長 岡路 正博】時間周波数科 波長標準研究室 洪 鋒雷 室長および 稲場 肇 主任研究員が開発した光周波数コム装置が、日本の「長さ」の計測器の頂点に位置する国家標準(特定標準器)に指定された(2009年7月16日)。

 これまで、日本の計量法に定められた長さの国家標準(特定標準器)は、産総研にある「よう素安定化ヘリウムネオンレーザ」であったが、今回、最新技術である光周波数コムを採用した「協定世界時に同期した光周波数コム装置」が、長さの国家標準として指定された。その結果、長さの国家標準として発生する「波長(真空中)」が従来に比べ300倍高精度化された。また、従来の波長(633 nm)に加えて、光周波数コム装置では、これまで難しかった光通信帯の波長(1.5 µm)などの波長にも適用が可能となり、高速光通信技術など産業界への波及効果も期待される。

 日本の計量法では、産業界・社会で適正な計量が実施できるような計量トレーサビリティ制度が定められており、そこでは、国家標準(特定標準器)が指定され、校正事業者が国家標準にトレーサブルで確実な校正サービスを供給する仕組みとなっている。今回の特定標準器の変更により、最上位の国家標準の精度向上および計量トレーサビリティ制度に組み込まれる計測器の範囲の拡大が期待される。

新たな国家標準「協定世界時に同期した光周波数コム装置」の写真
新たな国家標準「協定世界時に同期した光周波数コム装置」

開発の背景

 長さの単位であるメートルの定義は、「国際メートル原器」(1889年~1960年)、「クリプトン86の波長」(1960年~1983年)、「光速による定義」(1983年~現在)と変遷し、それに伴い、日本の長さの国家標準は、「日本国メートル原器」(1889年~1960年)、「クリプトンランプの波長」(1960年~1983年)、「よう素安定化ヘリウムネオンレーザ」(1983年~2009年)と変更されてきた。

 現在の長さの定義は、1983年の第17回国際度量衡総会で決定された「299 792 458分の1秒間に光が真空中を伝わる距離」である。定義に忠実な波長の直接測定は困難であったため、これまでは、「よう素安定化ヘリウムネオンレーザ」の国際機関による勧告値を採用し、その正確さは、国際比較により確保していた。現在でも、多くの国では、この方法が用いられている。

 これまで困難であった定義に忠実な波長測定に対し、1999年から2000年にかけ、米独を中心に超短光パルスレーザーによる「光周波数コム」を用いた光周波数絶対計測の提案がなされた。この技術は困難だった光周波数計測を定常的に行えるようにするものである。この成果により、米ホール博士と独ヘンシュ博士が2005年ノーベル物理学賞を受賞している。

 光周波数コムを用いると、広い範囲の波長に対して、波長標準を設定できること、不確かさを大幅に低減できることが予想されたため、産総研では精力的に、開発を行ってきた。

経緯

 日本では、計量法および関係法令により、産業界・社会で適正な計量が実施できるような計量トレーサビリティ制度が定められている。そこでは、長さ、質量、温度、電圧といった測定量ごとに、国家標準(特定標準器)が指定され、国家標準により校正事業者の所有する標準器を校正し、校正事業者が国家標準にトレーサブルで確実な校正サービスを供給する仕組みとなっている。産総研では、計量法に基づきさまざまな測定量の特定標準器を維持・管理し、校正事業者に対する校正サービスを実施するとともに、新たな測定量や測定範囲に対応する特定標準器の開発や、精度をさらに高める研究開発を実施している。このような特定標準器の整備により、さまざまな産業分野において、計量トレーサビリティの確保が可能となるとともに、精度の高い標準を供給することにより、産業界においても精度の信頼性の高い測定が可能となっている。

 今回開発した「光周波数コム装置」は、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 産業技術研究助成事業費助成金による課題「モード同期ファイバレーザによる広帯域光コムを用いた光周波数計の開発」(平成18~21年度)などにおいて得られたものである。

研究の内容

 チタンサファイアレーザーなどの固体レーザーを用いた光周波数コム装置(2005年3月23日プレス発表)をさらに発展させ、「モード同期ファイバレーザ」を利用した光周波数コム「ファイバコム」を採用した装置を開発した。

 新方式の装置の開発を受け、経済産業省の計量行政審議会での審議、経済産業省によるパブリックコメント制度による意見募集を経て、計量法第134条に基づき、平成21年7月16日、経済産業大臣により「協定世界時に同期した光周波数コム装置」が長さの特定標準器として指定された。

 本装置は、従来の「よう素安定化ヘリウムネオンレーザ」に比べ下記のような3つの優位性を持っている。

(1)精度向上(不確かさ低減)
 長さの国家標準として発生する「波長(真空中)」が従来に比べ300倍高精度となった。
(2)複数の波長に対応
 これまでは、633 nmの波長のレーザーの校正しか行えなかったが、光通信帯の1.5 µm帯および短波長域の532 nmのレーザーの校正も可能となった。
(3)堅ろう性
 装置の寿命や動作の信頼性などについても、従来のレーザーをしのいでいる部分があり、これまでよりも、さらに確実な標準供給が可能となった。

 今回、「協定世界時に同期した光周波数コム装置」が特定標準器となり、これによる校正サービスが開始されることにより、新たに校正サービスの対象となった波長安定化レーザーの信頼性が向上し、その結果、新しい光通信技術や安価な精密測長機などが現れると予想される。

今後の予定

 今後はニーズに応じて、他の波長帯に対応する校正サービスも実施する予定である。そうなれば、さらなる短波長や長波長の校正も可能になり、半導体のピッチ長の測定精度の向上や、テラヘルツの精密計測が可能となるなど、産業界に寄与できる。


用語の説明

◆国家標準(特定標準器)
各種計測器(計量器)の基準の出発点として、国家が維持し、国内の計測器(計量器)に対して目盛りの標準を供給するもの。日本では、計量法という法律において、「特定標準器」として位置付けられている。「特定標準器」は、計量法第134条により、経済産業大臣が指定する。長さの他の例としては、キログラム原器(質量)、原子時計(時間・周波数)などがある。また、計量法第135条に「特定標準器による校正等」が定められ、計量法第143条に、特定標準器により校正を受けた計量器または特定標準器に連鎖した校正を受けた計量器を用いる校正事業者の登録制度が規定されている。[参照元へ戻る]
◆計量法
計量の基準を定め、適正な計量の実施を確保し、もって経済の発展および文化の向上に寄与することを目的とする法律。[参照元へ戻る]
◆よう素安定化ヘリウムネオンレーザ
従来の特定標準器の正式名称は、「長さ用633ナノメートルよう素分子吸収線波長安定化ヘリウムネオンレーザ装置」であった。よう素分子の特性を利用し、正確な波長のレーザー光を発生する装置。波長の値(真空中)は、632.991 212 58 nm(ナノメートル)であり、その相対不確かさは、2.1×10-11であり、11けたの精度である。なお、今回の新しい「協定世界時に同期した光周波数コム装置」では、不確かさは大きく低減され、7×10-14となり、精度が300倍となっている。[参照元へ戻る]
◆光周波数コム
モード同期レーザーと呼ばれる超短光パルスレーザーから出力される、広帯域かつ櫛状のスペクトルを持つ光のこと。モード同期レーザーが発生する超短光パルス列は、光周波数コムの模式図にあるように、繰り返し周波数(frep)で決まる間隔を持った細いスペクトル成分(モード)を持つ。このスペクトルの形状がくし(comb)に似ていることから「光周波数コム(comb)」と呼ばれる。繰り返し周波数波数frepを、協定世界時に同期すれば、光周波数コムを「光周波数のものさし」として用いることができる。[参照元へ戻る]
光周波数コム模式図
光周波数コムの模式図
◆協定世界時(UTC)
世界各国の原子時計約300台の相互比較結果ならびに数機関の一次周波数標準器の評価結果を元に計算される国際原子時(TAI)に対してうるう秒調整を実施して、世界時(UT1、地球の自転の観測から決められる)との差が0.9秒以内に維持されている時系。各国の標準時の基準となると共に、時間周波数標準分野における基幹比較基準値として用いられる。[参照元へ戻る]
◆波長
レーザー光は波であり、そのひと波の長さを波長と呼ぶ。光の速さ、波長、および周波数の間には、速さ=波長×周波数の関係がある。現在の国際単位系(SI)では、真空中での光の速さは定数(299 792 458 m/s)となっている。そのため、光の波長(真空中)は、299 792 458 m/s ÷ 周波数で求められる。今回の「協定世界時に同期した光周波数コム装置」は、正確な周波数を発生し、正確な波長を実現するものである。[参照元へ戻る]
◆計量トレーサビリティ制度
「計量トレーサビリティ」とは、計量器による測定結果が、校正(calibration)の途切れない連鎖で基準となるものに関係づけられていることを表す性質。例えば、「測定結果が国家標準に対する計量トレーサビリティが確保されている」というような使われ方をし、測定結果の信頼性を意味する。
「計量トレーサビリティ制度」は、計量の基準となる国家標準(特定標準器)を定め、産業界などの計量器が、国家標準への計量トレーサビリティを確保できるようにしている仕組みを指す。法律用語ではなく通称。計量法第8章に定められている。[参照元へ戻る]

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