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Development of breath analysis by dual comb spectroscopy with a free running CW semiconductor laser

Research Project

Project/Area Number 16H04379
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Research Field Measurement engineering
Research InstitutionTokyo Denki University

Principal Investigator

NISHIKAWA TADASHI  東京電機大学, 工学部, 教授 (20374069)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 石澤 淳  日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 主任研究員 (30393797)
日達 研一  日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 主任研究員 (60564276)
鈴木 将之  愛知医科大学, 医学部, 准教授 (60622371)
Research Collaborator HARA Kazutaka  
UDA Shohei  
OOHARA Akira  
HITOMI Kenya  
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2017: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2016: ¥12,740,000 (Direct Cost: ¥9,800,000、Indirect Cost: ¥2,940,000)
Keywords光周波数コム / デュアルコム分光 / 電気光学変調器 / 呼気分析 / 光源技術 / 応用光学 / 医療
Outline of Final Research Achievements

We have developed an automatic technique for interpolating a 25 GHz mode spacing in dual EOM comb spectroscopy. The absorption spectra of Hydrogen Cyanide and Acetylene with a resolution of 250 MHz for a full spectral band above 0.8 THz can be measured with a single-shot recording time of 9.3 ms. We also succeeded in identifying the absorption line spectrum of ammonia gas, which is a biomarker for kidney disease by this method. The measurable full spectral bandwidth can be extended simply by adding more electro-optic phase modulators. This automatic interpolation technique enables single-shot measurement and provides a practical platform for broadband, high-resolution, high-speed real-time spectroscopy.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

繰返し周波数が僅かに異なる2台のモードロックレーザーを用いたデュアルコム分光法は、広いスペクトル領域にわたる高分解能分光を高速に行う手段として注目されている。しかしながら、2台のレーザー間の高度な制御を必要としレーザーの専門家でなければ取り扱いが困難であった。そこで、レーザーの位相同期を必要とせずにレーザーの専門家でなくても手軽に扱え、ロバストでフィールド環境でも使用可能な、1台のフリーランニング連続発振半導体レーザーと多段の電気光学変調器を用いた光ファイバー結合ベースの新たなデュアルコムリアルタイム計測装置及びその広いモード間隔の自動補間手法の開発に成功し、呼気分析への適用を可能にした。

Report

(4 results)
  • 2018 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2017 Annual Research Report
  • 2016 Annual Research Report
  • Research Products

    (42 results)

All 2019 2018 2017 2016

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 2 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (31 results) (of which Int'l Joint Research: 10 results,  Invited: 10 results) Patent(Industrial Property Rights) (4 results)

  • [Journal Article] Simple method for stabilizing an optical frequency comb to an optical reference without an RF signal generator2019

    • Author(s)
      Ishizawa Atsushi、Hitomi Kenya、Hara Kazutaka、Hitachi Kenichi、Nishikawa Tadashi、Sogawa Tetsuomi、Gotoh Hideki
    • Journal Title

      OSA Continuum

      Volume: 2 Issue: 5 Pages: 1706-1712

    • DOI

      10.1364/osac.2.001706

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Characterization of longitudinal acoustic phonons in InGaAsP multiple quantum wells by asynchronous optical sampling2018

    • Author(s)
      Hitachi K.、Someya M.、Ishizawa A.、Nishikawa T.、Gotoh H.
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 113 Issue: 20 Pages: 201102-201102

    • DOI

      10.1063/1.5041475

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  • [Journal Article] 電気光学変調光コムを用いた低雑音マイクロ・ミリ波発生法2018

    • Author(s)
      石澤 淳、西川 正、日達 研一、後藤 秀樹
    • Journal Title

      光アライアンス(日本工業出版)

      Volume: 29(2) Pages: 12-16

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  • [Journal Article] 電気光学変調光コムを用いた超高精度周波数変換技術2018

    • Author(s)
      石澤 淳、西川 正、日達 研一、後藤 秀樹
    • Journal Title

      レーザー研究(レーザー学会)

      Volume: 46(2) Pages: 80-85

    • NAID

      130007957408

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  • [Journal Article] Optical nonlinearity enhancement with graphene-decorated silicon waveguides2017

    • Author(s)
      Atsushi Ishizawa, Rai Kou, Takahiro Goto, Tai Tsuchizawa, Nobuyuki Matsuda, Kenichi Hitachi, Tadashi Nishikawa, Koji Yamada, Tetsuomi Sogawa and Hideki Gotoh
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 7 Issue: 1 Pages: 45520-45520

    • DOI

      10.1038/srep45520

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  • [Journal Article] Reduced pulse energy for frequency comb offset stabilization with a dual-pitch periodically poled lithium niobate ridge waveguide2017

    • Author(s)
      Hitachi K.、Hara K.、Tadanaga O.、Ishizawa A.、Nishikawa T.、Gotoh H.
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 110 Issue: 24 Pages: 241107-241107

    • DOI

      10.1063/1.4986444

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  • [Journal Article] Octave-spanning supercontinuum generation at telecommunications wavelengths in a precisely dispersion- and length-controlled silicon-wire waveguide with a double taper structure2017

    • Author(s)
      Ishizawa Atsushi、Goto Takahiro、Kou Rai、Tsuchizawa Tai、Matsuda Nobuyuki、Hitachi Kenichi、Nishikawa Tadashi、Yamada Koji、Sogawa Tetsuomi、Gotoh Hideki
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 111 Issue: 2 Pages: 021105-021105

    • DOI

      10.1063/1.4992112

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  • [Presentation] Generation of ultralow-phase-noise millimeter-wave signal using an electro-optics-modulation comb2019

    • Author(s)
      A. Ishizawa, T. Nishikawa, K. Hitachi, and H. Gotoh
    • Organizer
      2019 URSI Asia-Pacific Radio Science Conference (AP-RASC 2019)
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  • [Presentation] Automatic Interpolation of 25 GHz Mode Spacing in Dual EOM Comb Spectroscopy2019

    • Author(s)
      Tadashi Nishikawa, Akira Oohara, Shohei Uda, Atsushi Ishizawa, Kenichi Hitachi, Nathalie Picque, and Theodor Haensch
    • Organizer
      Conference on Lasers and Electro-optics (CLEO2019)
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  • [Presentation] Ultra-low noise microwave generation using carrier-envelope-offset signal of 25-GHz EOM comb2019

    • Author(s)
      Atsushi Ishizawa, Tadashi Nishikawa, Kenichi Hitachi, Kazutaka Hara, Kenya Hitomi, Tomoya Akatsuka, Tetsuomi Sogawa, and Hideki Gotoh
    • Organizer
      Conference on Lasers and Electro-optics (CLEO2019)
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  • [Presentation] Ultra-Low Phase Noise Microwave Generation with 25-GHz Electro-Optics-Modulation Comb2019

    • Author(s)
      Atsushi Ishizawa, Tadashi Nishikawa, Kenichi Hitachi, Kenya Hitomi, and Hideki Gotoh
    • Organizer
      OECC/PSC 2019
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] デュアル EOMコム 分光における 25GHz モード間隔の自動補間法2019

    • Author(s)
      大原憲,宇田祥平,石澤淳,日達研一,Nathalie Picque,Theodor Haensch,西川 正
    • Organizer
      レーザー学会学術講演会第39回年次大会
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  • [Presentation] 電気光学変調コムのCEO信号の高SNR検出2019

    • Author(s)
      人見 賢弥、石澤 淳、日達 研一、西川 正、後藤 秀樹
    • Organizer
      第66回応用物理学会春季学術講演会
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  • [Presentation] InP/InGaAsP量子井戸における音響フォノン周波数シフトの観測2019

    • Author(s)
      校條 健太、日達 研一、石澤 淳、西川 正、後藤 秀樹
    • Organizer
      第66回応用物理学会春季学術講演会
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  • [Presentation] 電気光学変調コムを用いた高精度周波数変換2019

    • Author(s)
      石澤 淳
    • Organizer
      レーザー学会学術講演会第39回年次大会
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  • [Presentation] デュアルピッチ PPLN 導波路を用いた光コム周波数安定化2019

    • Author(s)
      日達 研一
    • Organizer
      レーザー学会学術講演会第39回年次大会
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    • Invited
  • [Presentation] Carrier-envelope-offset locking of 25-GHz EOM comb based on a free-running CW Laser Diode2018

    • Author(s)
      A. Ishizawa, T. Nishikawa, K. Hara, K. Hitachi, T. Sogawa, and H. Gotoh
    • Organizer
      Conference on Lasers and Electro-optics (CLEO2018)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Simple method to lock an optical frequency comb to an ultra-stable laser without an RF signal generator2018

    • Author(s)
      Kenya Hitomi, Atsushi Ishizawa, Kenichi Hitachi, Tadashi Nishikawa, Hideki Gotoh, Tetsuomi Sogawa, and Kazutaka Hara
    • Organizer
      Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO-PR 2018)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Characterization of Acoustic Phonons in InGaAsP MQW by Asynchronous Optical Sampling2018

    • Author(s)
      Kenichi Hitachi, Mayu Someya, Atsushi Ishizawa, Tadashi Nishikawa, Hideki Gotoh
    • Organizer
      Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO-PR 2018)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Electro-optics-modulation (EOM) combs2018

    • Author(s)
      A. Ishizawa
    • Organizer
      KEIO symposium on microresonator frequency comb
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 時間伸張フーリエ分光によるファイバーレーザーにおける超高速スペクトルダイナミクス2018

    • Author(s)
      鈴木将之
    • Organizer
      ファイバーレーザー技術専門委員会第二回委員会
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  • [Presentation] 電気光学変調光コムを用いた新しい低雑音マイクロ波発生2018

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      原 一鳳、石澤 淳、日達 研一、西川 正、寒川 哲臣、後藤 秀樹
    • Organizer
      レーザー学会学術講演会第38回年次大会
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  • [Presentation] 外部基準信号を用いないキャリアエンベロープオフセット周波数安定化法2018

    • Author(s)
      人見 賢弥、石澤 淳、原一鳳、日達 研一、西川 正、寒川 哲臣、後藤 秀樹
    • Organizer
      レーザー学会学術講演会第38回年次大会
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  • [Presentation] デュアル電気光学変調コム分光法によるアセチレン吸収線スペクトル測定2018

    • Author(s)
      宇田 祥平、大原 憲、石澤 淳、日達 研一、西川 正
    • Organizer
      レーザー学会学術講演会第38回年次大会
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  • [Presentation] 電気光学変調を用いた高精度光周波数計測法2018

    • Author(s)
      原 一鳳、石澤 淳、日達 研一、西川 正、寒川 哲臣、後藤 秀樹
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
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  • [Presentation] 非同期光サンプリング法によるInP/InGaAsP量子井戸の音響フォノン振動測定2018

    • Author(s)
      染谷 真由、日達 研一、石澤 淳、西川 正、後藤 秀樹
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
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  • [Presentation] フォトニック結晶ファイバーを用いたYbファイバーレーザー励起広帯域光生成2018

    • Author(s)
      鈴木将之、黒田寛人
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
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  • [Presentation] 電気光学変調コムを用いた高精度光周波数変換技術2018

    • Author(s)
      石澤淳
    • Organizer
      超高速光エレクトロニクス研究会 第4回研究会
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  • [Presentation] 時間伸張フーリエ分光による広帯域光パルス形成のダイナミクス2018

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      鈴木将之
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  • [Presentation] デュアルピッチPPLN導波路によるCEO周波数安定性の評価2017

    • Author(s)
      原 一鳳、日達 研一、忠永 修、石澤 淳、西川 正、後藤 秀樹
    • Organizer
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2017-03-14
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  • [Presentation] 電気光学変調器ベース光周波数コムを用いた超高精度周波数変換技術の創出2017

    • Author(s)
      石澤淳
    • Organizer
      第33回先端光量子科学アライアンスセミナー
    • Place of Presentation
      慶應義塾大学(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2017-03-03
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    • Invited
  • [Presentation] Evaluation of 2f-to-3f Self-referencing Interferometer Using Dual-pitch PPLN Ridge Waveguides2017

    • Author(s)
      K. Hara, K. Hitachi, A. Ishizawa, T. Nishikawa, and H. Gotoh
    • Organizer
      International School and Symposium on Nanoscale Transport and phoTonics
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  • [Presentation] Reduced pulse energy for frequency stabilization with a dual-pitch periodically poled lithium niobate ridge waveguide2017

    • Author(s)
      K. Hitachi, K. Hara, O. Tadanaga, A. Ishizawa, T. Nishikawa, and H. Gotoh
    • Organizer
      Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 電気光学変調器ベース光コムのキャリアエンベロープオフセットロック2017

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      石澤 淳、西川 正、日達 研一、原 一鳳、寒川 哲臣、後藤 秀樹
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
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    • Author(s)
      日達 研一、石澤 淳、西川 正、後藤 秀樹
    • Organizer
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  • [Presentation] 電気光学変調器ベース光コムを用いた新しい低雑音ミリ波発生法2017

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      原 一鳳、石澤 淳、日達 研一、西川 正、寒川 哲臣、後藤 秀樹
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
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  • [Presentation] 電気光学変調光コムを用いた超高精度光周波数変換技術2017

    • Author(s)
      石澤淳
    • Organizer
      光ネットワーク産業技術研究会 第3回討論会
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  • [Presentation] ファイバーレーザーによる高分解能OCTと分子分光への応用2016

    • Author(s)
      鈴木将之
    • Organizer
      第7回レーザー学会「レーザーバイオ医療」技術専門委員会
    • Place of Presentation
      沖縄産業支援センター(沖縄県那覇市)
    • Year and Date
      2016-12-02
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    • Invited
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 光周波数計測装置2018

    • Inventor(s)
      石澤淳、日達研一、西川正、原一鳳
    • Industrial Property Rights Holder
      日本電信電話株式会社、東京電機大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2018-190682
    • Filing Date
      2018
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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 光周波数計測装置2018

    • Inventor(s)
      石澤淳、日達研一、西川正、人見賢弥、原一鳳
    • Industrial Property Rights Holder
      日本電信電話株式会社、学校法人東京電機大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2018-036202
    • Filing Date
      2018
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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 光周波数コム安定化装置2018

    • Inventor(s)
      石澤淳、日達研一、西川正、人見賢弥、原一鳳
    • Industrial Property Rights Holder
      日本電信電話株式会社、学校法人東京電機大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2018-008591
    • Filing Date
      2018
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 信号発生器および信号発生方法2017

    • Inventor(s)
      石澤淳、日達研一、西川正
    • Industrial Property Rights Holder
      日本電信電話株式会社、学校法人東京電機大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2017-160018
    • Filing Date
      2017
    • Related Report
      2017 Annual Research Report

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Published: 2016-04-21   Modified: 2020-03-30  

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