CN115698834A - 双光频梳发生装置及计测装置 - Google Patents

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Abstract

双光频梳发生装置(201)具备：半导体基板(14)；第1光频梳激光源(20)，包括第1谐振器；第2光频梳激光源(21)，包括第2谐振器，光脉冲的重复频率不同于第1光频梳激光源；两个以上的输出部，包括输出部(50、51)；光波导(20w)，将第1光频梳激光源(20)与输出部(50)连结；光波导(21w)，将第2光频梳激光源(21)与输出部(51)连结；以及光波导(40)，从光波导(20w)分支，与光波导(21w)耦合。第1光频梳激光源(20)、第2光频梳激光源(21)、两个以上的输出部、光波导(20w、21w、40)被集成于半导体基板(14)。

Description

双光频梳发生装置及计测装置
技术领域
本发明涉及双光频梳发生装置及计测装置。
背景技术
通过向对象物照射光并得到透过了对象物的光或被对象物反射了的光的频谱，能够调查关于对象物的光学频率的特性。以往，为了得到较高的频率的光的频谱，使用强度波动的光源和衍射光栅或棱镜等进行分光。因此，所得到的频谱的精度被限制。
但是，通过光频梳(optical frequency comb)技术，能够精密地得到光的频谱。所谓光频梳，是指由多个离散性等间隔的纵模形成的梳状的频谱。在本说明书中，将具有光频梳的激光称作“光频梳激光”。
近年来，通过采用了光频梳的纵模间隔(重复频率)稍稍不同的两个光频梳激光的双梳分光法，能够更容易地得到光的频谱(例如参照非专利文献1至3)。在双梳分光法中，用将这两个光频梳激光叠加而成的干涉光照射对象物，得到透过了对象物的干涉光或被对象物反射了的干涉光的拍频频谱(beat frequency spectrum)，从而能够调查关于对象物的光学频率的特性。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：N.Picque et al.，“Frequency comb spectroscopy”，NaturePhotonics，2019，Vol.13，pp.146－157
非专利文献2：I.Coddington et al.，“Dual－comb spectroscopy”，Optica，2016，Vol.3，No.4，pp.414－426
非专利文献3：A.L.Gaeta et al.，“Photonic－chip－based frequency combs”，Nature Photonics，2019，Vol.13，pp.158－169
非专利文献4：S.Keyvaninia et al.，“Narrow－linewidth short－pulse III－V－on－silicon mode－locked lasers based on a linear and ring cavitygeometry”，Optics Express，2015，Vol.23，Issue 3，pp.3221－3229.
发明内容
发明要解决的课题
在以往的双梳分光法中，除了不同的重复频率的两台光频梳以外还使用各种各样的光学元件。因此，整体上成为复杂且尺寸大的光学系统。近年来，开发了集成在基板上的光频梳(参照非专利文献4)从而整体的尺寸变得比较小。但是，即便这样也仍然是复杂的，期待进一步的小型化。
此外，光频梳有对于振动等干扰的耐受力弱的问题。此外，期待将光频梳应用于频谱的取得以外的各种各样的目的。因此，期待高通用性。
因此，本发明提供小型并且对于干扰的耐受力强、通用性高的双光频梳发生装置及计测装置。
用来解决课题的手段
本发明的一技术方案的双光频梳发生装置，具备：半导体基板；第1光频梳激光源，包括第1谐振器；第2光频梳激光源，包括第2谐振器，光脉冲的重复频率不同于上述第1光频梳激光源；两个以上的输出部，包括第1输出部及第2输出部；第1光波导，将上述第1光频梳激光源与上述第1输出部连结；第2光波导，将上述第2光频梳激光源与上述第2输出部连结；以及第3光波导，从上述第1光波导分支，与上述第2光波导耦合。上述第1光频梳激光源、上述第2光频梳激光源、上述两个以上的输出部、上述第1光波导、上述第2光波导及上述第3光波导被集成于上述半导体基板。
本发明的一技术方案的计测装置，具备：上述双光频梳发生装置；第1光纤，一端与上述第1输出部连接；第2光纤，一端与上述第2输出部连接；循环器，与上述第1光纤的另一端连接；第3光纤及第4光纤，各自的一端与上述循环器连接；准直器，与上述第3光纤的另一端连接；耦合器，将在上述第3光纤及上述第4光纤的各自中传播的光耦合并输出；以及检测器，检测从上述耦合器输出的光。
发明效果
根据本发明，能够提供小型并且对于干扰的耐受力强、通用性高的双光频梳发生装置等。
附图说明
图1A是示意地表示光频梳激光的电场的时间变化的图。
图1B是示意地表示光频梳激光的频谱的图。
图2是示意地表示具有在半导体基板上集成的环形谐振器的光频梳激光源的图。
图3A是示意地表示具有在半导体基板上集成的包含增益介质的谐振器的光频梳激光源的俯视图。
图3B是示意地表示图3A的IIIB－IIIB线所示的位置的光频梳激光源的剖视图。
图4是示意地表示双梳分光法的光学系统的图。
图5是用来说明双梳分光法的得到光的频谱的原理的图。
图6是示意地表示实施方式1的双光频梳发生装置及计测装置的结构的图。
图7是表示检测器生成的电信号的一例的图。
图8是示意地表示实施方式1的变形例1的双光频梳发生装置及计测装置的结构的图。
图9是示意地表示实施方式1的变形例2的双光频梳发生装置及计测装置的结构的图。
图10是示意地表示实施方式2的双光频梳发生装置及计测装置的结构的图。
具体实施方式
(本发明的概要)
本发明的一技术方案的双光频梳发生装置，具备：半导体基板；第1光频梳激光源，包括第1谐振器；第2光频梳激光源，包括第2谐振器，光脉冲的重复频率不同于上述第1光频梳激光源；两个以上的输出部，包括第1输出部及第2输出部；第1光波导，将上述第1光频梳激光源与上述第1输出部连结；第2光波导，将上述第2光频梳激光源与上述第2输出部连结；以及第3光波导，从上述第1光波导分支，与上述第2光波导耦合。上述第1光频梳激光源、上述第2光频梳激光源、上述两个以上的输出部、上述第1光波导、上述第2光波导及上述第3光波导被集成于上述半导体基板。
这样，不是仅将光频梳激光源集成于半导体基板，而是将两个以上的输出部及3个光波导也一起集成。通过该集成化，能够使双梳分光法的光学系统小型且简单。此外，由于集成的结构增加，所以对于振动等干扰的耐受性变强。
另一方面，在将光学系统的全部集成于半导体基板的情况下，当在一部分元件的半导体工艺中发生了失误时，不再能够进行双梳分光法。对此，根据本技术方案，通过将集成对象限定到输出部为止，能够减少制造中的失误，除此以外，还能够将比输出部靠后级的光学系统自由地改组。因此，双光频梳发生装置的应用的选择项广泛，能够提高通用性。这样，根据本技术方案，能够提供小型且对于干扰的耐受性强、通用性高的双光频梳发生装置。
此外，例如可以是，在对上述半导体基板进行平面观察的情况下，上述第1输出部和上述第2输出部分别位于上述半导体基板的相互不同的边。
由此，能够使两个输出部远离，所以能够分别对于两个输出部容易地进行光纤的物理连接。
此外，例如可以是，上述第1谐振器及上述第2谐振器分别包括位于光路上的增益介质。
由此，可以不在谐振器的光路外设置激光源，所以能够使谐振器更小型化。
此外，例如可以是，上述两个以上的输出部包括对于光纤的耦合部。
由此，能够使从输出部输出的光频梳激光向光纤输入。
此外，例如可以是，上述两个以上的输出部包括第3输出部；上述第2光波导包括从将上述第2光频梳激光源与上述第2输出部连结的路径分支、与上述第3输出部耦合的第4光波导。
由此，能够分别检测信号光和参照光。即使在信号光和参照光的脉冲重叠的情况下也能够分别进行检测。即，能够消除由于信号光与参照光的脉冲重叠从而无法检测的死区。
此外，本发明的一技术方案的计测装置，具备：上述双光频梳发生装置；第1光纤，一端与上述第1输出部连接；第2光纤，一端与上述第2输出部连接；循环器，与上述第1光纤的另一端连接；第3光纤及第4光纤，各自的一端与上述循环器连接；准直器，与上述第3光纤的另一端连接；耦合器，将在上述第3光纤及上述第4光纤的各自中传播的光耦合并输出；以及检测器，检测从上述耦合器输出的光。
由此，与上述的双光频梳发生装置同样，能够实现小型且对于干扰的耐受力强、通用性高的计测装置。
此外，例如可以是，本发明的一技术方案的计测装置，具备：上述双光频梳发生装置；第1光纤，一端与上述第1输出部连接；第2光纤，一端与上述第2输出部及上述第3输出部的一方连接；循环器，与上述第1光纤的另一端连接；第3光纤及第4光纤，各自的一端与上述循环器连接；准直器，与上述第3光纤的另一端连接；耦合器，将上述第3光纤与上述第4光纤耦合；耦合器，将在上述第3光纤及上述第4光纤的各自中传播的光耦合并输出；以及检测器。上述检测器可以包括：第1检测器，检测从上述耦合器输出的光；以及第2检测器，检测从上述第2输出部及上述第3输出部的另一方输出的光。
由此，能够分别检测信号光和参照光。即使在信号光和参照光的脉冲重叠的情况下也能够分别进行检测。即，能够消除由于信号光与参照光的脉冲重叠从而无法检测的死区。
此外，例如可以是，本发明的一技术方案的计测装置，还具备将从上述准直器射出的光扫描的扫描机构。
由此，能够变更对于对象物照射激光的位置，所以能够得到对象物的二维信息或三维信息。
此外，例如可以是，本发明的一技术方案的计测装置，具备基于上述检测器的检测结果来计测对象物的光谱的信号处理电路。
由此，能够进行对象物的颜色等的计测。例如，能够计测漂浮在空间中的气体等，所以能够将计测装置作为气体传感器使用。
此外，例如可以是，本发明的一技术方案的计测装置，具备基于上述检测器的检测结果来计测到对象物的距离的信号处理电路。
由此，能够将计测装置作为测距装置使用。
以下，参照附图对实施方式具体地进行说明。
另外，以下说明的实施方式都表示总括性或具体性的例子。以下实施方式中表示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置及连接形态、步骤、步骤的顺序等作为一例而并不意欲限定本发明。此外，关于以下实施方式的构成要素中的、在独立权利要求中没有记载的构成要素，设为任意的构成要素进行说明。
此外，各图是示意图，并不一定严格地图示。因而，例如，在各图中比例尺等并不一定一致。此外，在各图中，对于实质上相同的结构赋予相同的标号，将重复的说明省略或简化。
此外，在本说明书中，平行或一致等表示要素间的关系性的用语、矩形等表示要素的形状的用语以及数值范围，不是仅表示严格意义的表现，而是意味着实质上同等的范围、例如也包含几个百分点左右的差异的表现。
此外，在本说明书中，用语“上方”及“下方”不是指绝对的空间识别中的上方(铅直上方)及下方(铅直下方)，而是用作基于层叠结构中的层叠顺序而由相对位置关系规定的用语。此外，用语“上方”及“下方”不仅适用于两个构成要素相互隔开间隔配置并在两个构成要素之间存在其他构成要素的情况，还适用于两个构成要素相互密接配置从而两个构成要素相接的情况。
(光频梳激光及双梳分光法)
以下，在说明本发明的具体实施方式之前，简单地说明光频梳激光及双梳分光法的基本原理。
首先，参照图1A及图1B说明光频梳激光的电场的时间变化及频谱。
图1A是示意地表示光频梳激光的电场的时间变化的例子的图。在图1A中，横轴表示时间，纵轴表示激光的电场。
如图1A所示，光频梳激光由以重复周期Trep产生的光脉冲列形成。重复周期Trep例如是100ps以上100ns以下。各光脉冲的半峰全宽由Δt表示。各光脉冲的半峰全宽Δt例如是10fs以上1ps以下。
光频梳激光源包括激光谐振器，该激光谐振器通过激励光的输入或电荷注入而产生光频梳激光。激光谐振器的详细情况在后面叙述。关于激光谐振器，有光脉冲的包络线传播的群速度vg与光脉冲内的波传播的相速度vp不同的情况。起因于群速度vg与相速度vp的差异，如果相邻的两个光脉冲以包络线一致的方式重叠，则这些光脉冲内的波的相位偏移
Figure BDA0003982489970000071
比2π小。设激光谐振器的环程长(round-trip length)为L，光脉冲列的重复周期由Trep＝L/vg表示。
图1B是示意地表示光频梳激光的频谱的图。在图1B中，横轴表示频率，纵轴表示激光的强度。
如图1B所示，光频梳激光具有由多个离散性等间隔线形成的梳状的频谱。多个离散性等间隔线的频率相当于激光谐振器的纵模的谐振频率。光频梳的与相邻的两个等间隔线的间隔对应的重复频率由frep＝1/Trep表示。重复频率frep例如是10MHz以上10GHz以下。在激光谐振器的光路长L是30cm、并且群速度vg大致等于真空中的光速(＝3×108m/s)的情况下，重复周期Trep成为1ns，重复频率frep成为1GHz。
在设光频梳的半峰全宽为Δf的情况下，Δf＝1/Δt。光频梳的半峰全宽Δf例如是1THz以上100THz以下。将假定为等间隔线存在至零频率附近的情况下的距零频率最近的等间隔线的频率称作载波包络偏移频率(carrier envelope offset frequency)。载波包络偏移频率由
Figure BDA0003982489970000072
表示。载波包络偏移频率fCEO比重复频率frep低。如果将载波包络偏移频率fCEO设为第0个模频率(mode frequency)，则光频梳的第n个模频率fn由fn＝fCEO+nfrep表示。设第n个模频率fn下的电场的振幅及相位分别为En及
Figure BDA0003982489970000073
图1A所示的光频梳激光的电场E(t)由
Figure BDA0003982489970000074
表示。
接着，参照图2、图3A及图3B，简单地说明集成在半导体基板上的类型的两种光频梳激光源。
图2是表示具有外部光源和环形谐振器的光频梳激光源的图。如图2所示，光频梳激光源具备光波导3w、环形谐振器3和半导体基板4。光波导3w及环形谐振器3集成于半导体基板4。CW激光源1不被集成于半导体基板4。
CW激光源1射出激光2。但是，激光2具有单一的纵模，被调整为环形谐振器3的谐振频率。CW激光源1朝向半导体基板4射出激光2。
通过经集成于半导体基板4的光波导3w向环形谐振器3输入激光2，在环形谐振器3内发生作为非线性光学效应的4光波混合。由此，从半导体基板4发生光频梳激光5。此时的frep等于用光速除以环形谐振器3的光路长而得到的值。环形谐振器3的光路长是对环形谐振器3的谐振器长乘以折射率后的值。谐振器长是环状的光路的圆周的长度。
图3A是示意地表示集成在半导体基板上的具有包含增益介质的谐振器的光频梳激光源的俯视图。图3B是示意地表示图3A的IIIB－IIIB线所示的位置的光频梳激光源的剖视图。为了参考，示意地表示了相互正交的X轴、Y轴及Z轴，但这是为了说明的方便，不是限制使用时的朝向。
如图3A及图3B所示，光频梳激光源10具备谐振器13、半导体基板14和保护层16。图示的例子中的半导体基板14的表面与XY平面平行。如图3B所示，半导体基板14例如具有在Z轴方向上依次层叠有Si等高折射率层14a和SiO2等低折射率层14b的层叠构造。高折射率层14a的折射率比低折射率层14b的折射率高。半导体基板14也可以不包含高折射率层14a。保护层16例如使用SiO2等无机的绝缘性材料或BCB(苯并环丁烯)等有机的绝缘性材料形成。保护层16以将低折射率层14b的上表面覆盖的方式设置。
谐振器13是具有规定的光路长的激光谐振器的一例。如图3A所示，谐振器13包括半导体层13s、光波导13w1及13w2和反射镜(mirror)13m1及13m2。此外，如图3B所示，谐振器13包括n掺杂层13d1和p掺杂层13d2及13d3。此外，谐振器13包括增益介质13g及可饱和吸收体13sa。半导体层13s的一部分分别作为增益介质13g及可饱和吸收体13sa发挥功能。
在图3A中，谐振器13的半导体层13s的平面形状由虚线表示。半导体层13s在两端形成有锥部。锥部的前端在俯视下与光波导13w1及13w2分别重叠。由此，经过半导体层13s的光向光波导13w1及13w2分别效率良好地传播。
如图3B所示，谐振器13的光波导13w1被埋入在半导体基板14的低折射率层14b中。光波导13w1也可以设在低折射率层14b上。光波导13w1可以由从由Si或SiN构成的组中选择的至少1种高折射率材料形成。光波导13w1的折射率比半导体基板14的低折射率层14b的折射率及保护层16的折射率高。由此，光能够通过全反射而在光波导13w1内传播。关于光波导13w2也是同样的。
反射镜13m1例如可以由分布式布拉格反射器形成。在分布式布拉格反射器中，通过由折射率的周期构造引起的布拉格反射将光反射。反射镜13m1设在光波导13w1的端部。反射镜13m1将在光波导13w1中传播的光反射。反射镜13m1只要具有反射功能，例如可以由金属形成。关于反射镜13m2也是同样的。反射镜13m2设在光波导13w2的端部。反射镜13m2将在光波导13w2中传播的光反射。
反射镜13m2与反射镜13m1相比反射率低。具体而言，反射镜13m1的反射率实质上等于100％，相对于此，反射镜13m2的反射率例如是90％。反射镜13m2虽然将在光波导13w2中传播的光的大部分反射，但是使一部分原样透过。透过了反射镜13m2的光成为光频梳激光5。
如图3B所示，半导体层13s被n掺杂层13d1和p掺杂层13d2及13d3夹着。n掺杂层13d1和p掺杂层13d2及13d3的配置关系也可以相反。
半导体层13s、n掺杂层13d1以及p掺杂层13d2和13d3被埋入在保护层16中。另外，n掺杂层13d1的下表面可以与半导体基板14的表面接触。n掺杂层13d1的两端分别可以与光波导13w1及13w2接触。
半导体层13s例如可以由III－V族半导体材料形成。III－V族半导体材料例如可以包含从由ZnSe、InGaAlP、InGaAs、GaInAsP、GaInAsSb、InP、GaN、GaAs、InGaAs、AlGaAs、AlInGaN构成的组中选择的至少1种材料。
半导体层13s包含增益介质13g及可饱和吸收体13sa。增益介质13g是半导体层13s的一部分，是被n掺杂层13d1和p掺杂层13d2夹着的部分。可饱和吸收体13sa是半导体层13s的一部分，是被n掺杂层13d1和p掺杂层13d3夹着的部分。
n掺杂层13d1是n型的半导体层。n掺杂层13d1通过对与半导体层13s相同的III－V族半导体材料掺杂n型杂质而形成。作为n型杂质，例如能够使用Si等4价元素或硒(Se)等6价元素等。
p掺杂层13d2及13d3是p型的半导体层。p掺杂层13d2及13d3通过对与半导体层13s相同的III－V族半导体材料掺杂p型杂质而形成。作为p型杂质，例如能够使用锌(Zn)等2价元素。p掺杂层13d2和p掺杂层13d3例如具有相同的组成。
p掺杂层13d2和p掺杂层13d3相互分离。对于p掺杂层13d2及13d3，分别安装相互不同的电极(未图示)。对于p掺杂层13d2，经由电极注入电流。对于p掺杂层13d3，在与n掺杂层13d1之间被施加反偏压。通过该电压施加，半导体层13s的与p掺杂层13d3接触的部分作为可饱和吸收体13sa发挥功能。另外，可饱和吸收体13sa也可以使用碳纳米管形成。可饱和吸收体13sa也可以与反射镜13m1及13m2一体化。
与p掺杂层13d2同样，对于n掺杂层13d1也安装着未图示的电极。被从分别安装于n掺杂层13d1及p掺杂层13d2的电极进行了电荷注入的半导体层13s的一部分作为受激发射光的增益介质13g发挥功能。该受激发射出的光经由光波导13w2而在反射镜13m1与反射镜13m2之间被反复反射。即，通过多次穿过增益介质13g而被放大。被放大后的光利用可饱和吸收体13sa而成为被模同步的光脉冲列。仅与谐振器13的光路长即对谐振器长乘以折射率后的值对应的波长被放大。由此，从谐振器13发出光频梳激光5。另外，谐振器13的光路长是反射镜13m1与反射镜13m2之间的光路长。
接着，参照图4及图5简单地说明双梳分光法的原理。
图4是示意地表示双梳分光法的光学系统的图。图4所示的计测装置100具备第1光频梳激光源20、第2光频梳激光源21、光纤30、耦合器31a、31b及31c、循环器(circulator)32、准直器33和检测器35。在图4中，将光纤30的路径用虚线表示。
第1光频梳激光源20包括发出第1光频梳激光20L的未图示的第1激光谐振器。第2光频梳激光源21包括发出第2光频梳激光21L的未图示的第2激光谐振器。第1激光谐振器的光路长和第2激光谐振器的光路长相互不同。
第1光频梳激光20L具有第n个模频率f1n由f1n＝fCEO1+nfrep1表示的第1光频梳。第2光频梳激光21L具有第n个模频率f2n由f2n＝fCEO2+nfrep2表示的第2光频梳。fCEO1及fCEO2分别是第1光频梳及第2光频梳的载波包络偏移频率。frep1及frep2分别是第1光频梳及第2光频梳的重复频率。frep1及frep2稍稍不同，frep2＝frep1+δf的关系成立。δf远小于frep1。δf例如是frep1的1/103到1/109左右，作为一例，比0Hz大且为10MHz以下。
如图4所示，计测装置100具备的各构成要素由光纤30相连。即，在光纤30的路径上，配置有耦合器31a、31b及31c、循环器32、准直器33及检测器35等光学元件。第1光频梳激光源20及第2光频梳激光源21与光纤30的端部连接。
耦合器31a、31b及31c分别是对光进行分波或耦合的光学元件。循环器32是控制光的行进方向的光学元件。准直器33是使光成为平行光而射出的光学元件。检测器35是对入射的光进行光电变换从而生成电信号并输出的光学元件。电信号的信号水平与入射的光的强度对应。检测器35例如是光电二极管、光电晶体管等光电变换元件。
第1光频梳激光20L被耦合器31a分为光20Lt和光20Lr这两个。光20Lt穿过循环器32，从准直器33射出，向对象物34入射。并且，光20Lt被对象物34反射。反射光20R在向准直器33入射之后通过循环器32而朝向耦合器31c。另一方面，光20Lr从耦合器31a朝向耦合器31b，在耦合器31b中与第2光频梳激光21L合并而朝向耦合器31c。接着，在耦合器31c中，反射光20R、光20Lr和第2光频梳激光21L合并而朝向检测器35。这些光在检测器35中干涉而产生拍频(beat)。
图5是用来说明双梳分光法的得到光的频谱的原理的图。图5的(a)示意地表示第1光频梳及第2光频梳的频谱。实线表示第1光频梳，虚线表示第2光频梳。图5的(b)是示意地表示干涉光的拍频频谱的图。第1光频梳与第2光频梳的最接近的模频率的差相当于拍频频率。
根据拍频频谱，能够调查关于对象物34的光学频率的特性。例如，能够调查哪个频率的光被对象物34以何种程度吸收了。如果第1光频梳的多个模频率的1个与第2光频梳的多个模频率的1个一致，则出现零的拍频频率。由此，能够以一致的模频率为基准，容易地调查关于对象物34的光学频率的特性。
双梳分光法的优点是，能够将太赫兹(THz)量级的较高的频率的光的信息降频变换为兆赫兹(MHz)量级的无线电频率来取得。千兆赫兹(GHz)量级以下的频率的信号波的时间波形能够由通常的检测器检测。
但是，难以用通常的检测器检测THz量级以上的频率的信号波的时间波形。因此，以往，将THz量级以上的频率的信号波例如用衍射光栅或棱镜等分光器按每个频率分开而检测。由于在该频率的扫描中需要时间，所以短时间无法得到光的频谱。
在双梳分光法中，能够由通常的检测器检测无线电频率的拍频的时间波形。通过将拍频的时间波形进行傅里叶变换，能够短时间地得到图5的(b)所示那样的拍频频谱。由此，能够短时间地精度良好地得到较高的频率的光的频谱。
本发明的发明人想到，通过将图4所示的配置在光纤30的路径上的光学元件的一部分集成到与第1光频梳激光源20及第2光频梳激光源21相同的半导体基板上，能够简单地实现双光频梳发生装置。以下，对具体的实施方式进行说明。
(实施方式1)
首先，参照图6说明实施方式1的双光频梳发生装置及计测装置的结构例。图6是示意地表示本实施方式的双光频梳发生装置及计测装置的结构的图。
计测装置200具备双光频梳发生装置201、多个光纤30a、30b、30c、30d及30e、耦合器31c、循环器32、准直器33、检测器35和信号处理电路36。
双光频梳发生装置201具备第1光频梳激光源20、第2光频梳激光源21、两个输出部50及输出部51、光波导20w、光波导21w和光波导40。它们全部被集成在相同的半导体基板4或14之上。在以下的说明中，将第1光频梳激光源20简称作“第1激光源20”，将第2光频梳激光源21简称作“第2激光源21”。
第1激光源20包括具有第1光路长的第1激光谐振器。光路长相当于实际的距离与折射率的积。此外，第2激光源21包括具有第2光路长的第2激光谐振器。这里的第1激光源20及第2激光源21分别是指能够集成到在图2或图3A及图3B中说明的半导体基板上的类型的两种光频梳激光源。另外，第1激光源20和第2激光源21例如是相同的种类。
例如，在图2所示的半导体基板4，形成有第1激光源20的环形谐振器3及光波导3w、第2激光源21的环形谐振器3及光波导3w、光波导20w、21w及40、输出部50及51。第1激光源20的环形谐振器3的光路长和第2激光源21的环形谐振器3的光路长相互不同。CW激光源1既可以集成也可以不集成于半导体基板4。
或者，在图3B所示的半导体基板14，形成有第1激光源20的谐振器13、第2激光源21的谐振器13、光波导20w、21w及40、输出部50及51。第1激光源20的谐振器13的光路长和第2激光源21的谐振器13的光路长相互不同。例如，第1激光源20的反射镜13m1及13m2间的距离和第2激光源21的反射镜13m1及13m2间的距离相互不同。
光波导20w是将第1激光源20与输出部50连结的第1光波导的一例。光波导21w是将第2激光源21与输出部51连结的第2光波导的一例。
光波导40是从光波导20w分支、与光波导21w耦合的第3光波导的一例。即，光波导40在光波导20w中具有作为分支器的作用，在光波导21w中具有作为耦合器的作用。光波导40起到图4中的耦合器31a及耦合器31b的作用。光波导40例如是利用了瞬逝(evanescent)耦合的构造，但并不限定于此。光波导40只要具有分支和耦合的功能，例如也可以是Y字波导等。
光波导20w、21w及40分别形成于半导体基板4或14。例如，光波导20w、21w及40分别与图3B所示的光波导13w1及13w2同样，利用比低折射率层14b折射率高的材料埋入在低折射率层14b内而形成。例如，光波导20w、21w及40使用Si或SiN等材料形成。
输出部50是第1输出部的一例，将从第1激光源20射出的激光输出。具体而言，从第1激光源20射出的第1光频梳激光20L分离为在光波导20w中传播的光20Lt和在光波导40中传播的光20Lr。其中，输出部50输出光20Lt。
输出部51是第2输出部的一例，输出将从第1激光源20射出的激光与从第2激光源21射出的激光合并后的光。具体而言，输出部50输出从第2激光源21射出的第2光频梳激光21L和在光波导40中传播的光20Lr。
输出部50及51分别包括对于光纤的耦合部。输出部50及51分别例如是光栅耦合器，但并不限定于此。输出部50及51只要能够将光波导内的光输出，例如也可以通过边缘耦合(edge coupling)进行输出。
光纤30a是第1光纤的一例，一端与输出部50连接，另一端与循环器32连接。光纤30a将第1激光源20发出并经过光波导20w从输出部50射出的光20Lt传播至循环器32。
光纤30b是第2光纤的一例，一端与输出部51连接，另一端与耦合器31c连接。光纤30b将第1激光源20发出并经过光波导40从输出部51射出的光20Lr和第2激光源21发出并经过光波导21w从输出部51射出的第2光频梳激光21L(以下简单记作“光21L”)传播至耦合器31c。
光纤30c是第3光纤的一例，一端与循环器32连接，另一端与准直器33连接。光纤30c将在光纤30a中传播并经过循环器32后的光20Lt传播至准直器33。此外，光纤30c将入射到准直器33中的来自对象物34的反射光20R传播至循环器32。另外，循环器32构成为，使光20Lt不向光纤30d入射。
光纤30d是第4光纤的一例，一端与循环器32连接，另一端与耦合器31c连接。光纤30d将在光纤30c中传播并经过循环器32后的反射光20R传播至耦合器31c。另外，循环器32构成为，使反射光20R不向光纤30a入射。
光纤30e是第5光纤的一例，一端与耦合器31c连接，另一端与检测器35连接。光纤30e将在光纤30d中传播的反射光20R和在光纤30b中传播的光20Lr及光21L传播至检测器35。
在检测器35中，通过反射光20R与光21L的干涉以及光20Lr与光21L的干涉而分别产生拍频。基于反射光20R与光21L的干涉的拍频是与对象物34的特性相应的信号光。基于光20Lr与光21L的干涉的拍频是参照光。
检测器35通过对各个拍频进行光电变换，生成例如图7所示那样的电信号。图7是表示检测器生成的电信号的一例的图。如图7所示，在电信号中，包含相当于信号光的检测信号和相当于参照光的参照信号。
信号处理电路36基于检测器35的检测结果，计测对象物34的光谱。具体而言，信号处理电路36对检测信号和参照信号分别进行傅里叶变换。由此，对于检测信号和参照信号分别得到图5的(b)所示那样的拍频频谱。信号处理电路36通过将检测信号的拍频频谱与参照信号的拍频频谱进行比较，能够判别被对象物34吸收了的频率成分等。由此，能够计测对象物34的光谱。
此外，信号处理电路36也可以基于检测器35的检测结果来测定到对象物34的距离。具体而言，信号处理电路36计测检测信号与参照信号的时间差，基于ToF(Time ofFlight)法测定到对象物34的距离。或者，信号处理电路36也可以通过对检测信号及参照信号各自的时间波形进行傅里叶变换，取得检测信号及参照信号各自的相位信息，基于所取得的两个相位信息的差来测定到对象物34的距离。
如以上这样，在本实施方式的计测装置200中，相对于以往的双梳分光法的光学系统，集成在半导体基板4或14上的光学元件增加了。因此，与以往相比更小型并且对于干扰的耐受力更强，能够简单地进行双梳。
此外，对于耦合器31c、循环器32、准直器33及光纤的个数及配置等能够自由地进行设计变更。因此，能够提高计测装置200的通用性。此外，与将耦合器31c、循环器32及准直器33全部集成在半导体基板上的情况相比，半导体工艺中的失败风险较低，所以能够减小半导体基板上的光损失。由此，能够实现制作时的成品率的提高。进而，反射光20R由于不经过包括光纤与半导体基板上的导波路的耦合部的输出部50、51而到达检测器35，所以不受耦合部的光损失的影响。由此，能够不降低计测装置200的检测灵敏度地实现小型化。
<变形例1>
接着，使用图8对实施方式1的变形例进行说明。图8是示意地表示实施方式1的变形例的双光频梳发生装置及计测装置的结构的图。
如图8所示，计测装置300与图6所示的计测装置200相比，代替双光频梳发生装置201而具备双光频梳发生装置301。双光频梳发生装置301与双光频梳发生装置201的唯一差异在于两个输出部50和输出部51的位置关系。在图6所示的双光频梳发生装置201的情况下，两个输出部50及51都位于半导体基板4或14的同一边。相对于此，在本变形例中，输出部50及输出部51位于半导体基板4或14的相互不同的边。例如，在半导体基板4或14的平面形状是矩形的情况下，设置输出部50的边和设置输出部51的边是相互对置的边。由此，来自输出部50的光的射出方向成为来自输出部51的光的射出方向的相反方向。
实际的半导体基板4或14的一边的长度有时仅为几cm左右。因此，在两个输出部50及51接近的情况下，与光纤的连接在物理上变得困难。对此，根据本变形例，能够拉开两个输出部50及51的距离。由此，能够容易地进行两个输出部50及51的各自与光纤30a及30b的连接。
<变形例2>
接着，使用图9对实施方式1的变形例2进行说明。图9是示意地表示实施方式1的变形例2的双光频梳发生装置及计测装置的结构的图。
如图9所示，计测装置400与图6所示的计测装置200相比不同点在于，新具备扫描机构60。扫描机构60是将从准直器33射出的光20Lt扫描的扫描机构的一例。扫描机构60例如是电流扫描仪(galvano scanner)。但是，扫描机构60只要能够将光20Lt二维地扫描则也可以是其他光学元件。例如，扫描机构60也可以是将准直器33的位置及姿势等变更的步进马达等。根据本变形例，通过设有扫描机构60，能够取得对象物34的二维信息或三维信息。
(实施方式2)
接着，对实施方式2进行说明。
在实施方式2中，与实施方式1的主要不同点在于，双光频梳发生装置具备的输出部的个数为3个。以下，以与实施方式1的不同点为中心进行说明，将共通点的说明省略或简化。
图10是表示本实施方式的双光频梳发生装置及计测装置的结构的图。如图10所示，计测装置500与图6所示的计测装置200相比，代替双光频梳发生装置201而具备双光频梳发生装置501。此外，计测装置500代替检测器35而具备两个检测器35a及35b，并且具备光纤30f。
双光频梳发生装置501与双光频梳发生装置201相比，还具备光波导41和输出部52。
光波导41是从将第2激光源21与输出部51连结的路径分支、与输出部52耦合的第4光波导的一例。光波导41与光波导40同样，例如是利用瞬逝耦合的构造，但并不限定于此。
输出部52是第3输出部的一例，将从第2激光源21射出的激光输出。具体而言，从第2激光源21射出的第2光频梳激光21L分离为在光波导21w中传播的光21Lr和在光波导41中传播的光21Lt。输出部52将光21Lt输出。输出部52与输出部50及51同样，例如是光栅耦合器，但并不限定于此。
这样，在双光频梳发生装置501中，不仅是第1激光源20射出的第1光频梳激光20L，第2激光源21射出的第2光频梳激光21L也被分离为两个光21Lt及21Lr，能够将各自从不同的输出部取出。
如图10所示，在将光20Lr和光21Lr输出的输出部51，连接着光纤30f。光纤30f是第6光纤的一例，一端与输出部51连接，另一端与检测器35b连接。光纤30f将光20Lr和光21Lr传播至检测器35b。
在检测器35b中，通过光20Lr与光21Lr的干涉，作为参照光而产生拍频。检测器35b是第2检测器的一例，是用来检测参照光的专用的检测器。
在将光21Lt输出的输出部52，连接着光纤30b。在光纤30b中传播的光21Lt通过耦合器31c而与在光纤30d中传播的反射光20R耦合，经由光纤30e被检测器35a检测。
在检测器35a中，通过反射光20R与光21Lt的干涉，作为信号光而产生拍频。检测器35a是用来检测信号光的专用的检测器。
这样，在本实施方式中，设有作为第1检测器的一例的分别检测参照光和信号光的专用的检测器35a及35b。另外，检测器35a及35b分别与检测器35同样，是光电二极管等光电变换元件。
例如，图7所示的参照光和信号光有各自的脉冲重叠的情况。在脉冲重叠的情况下，通过1个检测器无法将参照光和信号光区别。对此，在本实施方式中，在参照光与信号光重叠的情况下，也能够单独地检测每一个。
另外，在本实施方式中，与实施方式1的变形例1同样，可以将3个输出部50、51及52分别设在半导体基板4或14的不同的边。即，可以在半导体基板4或14的3个边各设置1个输出部。
(其他实施方式)
以上，基于实施方式对一个或多个技术方案的双光频梳发生装置及计测装置进行了说明，但本发明并不限定于这些实施方式。只要不脱离本发明的主旨，对本实施方式施以本领域技术人员想到的各种变形后的形态、以及将不同实施方式的构成要素组合而构建的形态也包含在本发明的范围内。
例如，在上述各实施方式及变形例中，表示了由检测器35或35a检测来自对象物34的反射光20R的例子，但检测器35或35a也可以检测透过了对象物34的透射光。
此外，例如，在实施方式2中，光波导40也可以在与光波导41耦合后与输出部52耦合。该情况下，输出部52由于将光20Lr和光21Lr输出，所以经由光纤30f而与用来检测参照光的检测器35b连接。输出部51由于将光21Lt输出，所以经由光纤30b、耦合器31c及光纤30e而与用来检测信号光的检测器35a连接。
此外，例如，第1激光源20和第2激光源21也可以是不同种类的光频梳光源。例如，也可以是，第1激光源20及第2激光源21的一方包括图2所示的环形谐振器3及光波导3w，第1激光源20及第2激光源22的另一方包括图3A所示的谐振器13。
此外，上述各实施方式在权利要求的范围或其等价的范围中能够进行各种变更、替换、附加、省略等。
产业上的可利用性
本发明能够作为小型且对于干扰的耐受性强、通用性高的双光频梳发生装置使用，例如能够用于对象物的分析装置及测距装置等。
标号说明
1 CW激光源
2 激光
3 环形谐振器
3w、13w1、13w2、20w、21w、40、41 光波导
4、14 半导体基板
5 光频梳激光
10 光频梳激光源
13 谐振器
13d1 n掺杂层
13d2、13d3 p掺杂层
13g 增益介质
13m1、13m2 反射镜
13s 半导体层
13sa 可饱和吸收体
14a 高折射率层
14b 低折射率层
16 保护层
20 第1光频梳激光源
20L 第1光频梳激光
20Lr、20Lt、21Lr、21Lt 光
20R 反射光
21 第2光频梳激光源
21L 第2光频梳激光
30、30a、30b、30c、30d、30e、30f 光纤
31a、31b、31c 耦合器
32 循环器
33 准直器
34 对象物
35、35a、35b 检测器
36 信号处理电路
50、51、52 输出部
60 扫描机构
100、200、300、400、500 计测装置
201、301、501 双光频梳发生装置

Claims (10)

1.一种双光频梳发生装置，其特征在于，
具备：
半导体基板；
第1光频梳激光源，包括第1谐振器；
第2光频梳激光源，包括第2谐振器，光脉冲的重复频率不同于上述第1光频梳激光源；
两个以上的输出部，包括第1输出部及第2输出部；
第1光波导，将上述第1光频梳激光源与上述第1输出部连结；
第2光波导，将上述第2光频梳激光源与上述第2输出部连结；以及
第3光波导，从上述第1光波导分支，与上述第2光波导耦合；
上述第1光频梳激光源、上述第2光频梳激光源、上述两个以上的输出部、上述第1光波导、上述第2光波导及上述第3光波导被集成于上述半导体基板。
2.如权利要求1所述的双光频梳发生装置，其特征在于，
在对上述半导体基板进行平面观察的情况下，上述第1输出部和上述第2输出部分别位于上述半导体基板的相互不同的边。
3.如权利要求1或2所述的双光频梳发生装置，其特征在于，
上述第1谐振器及上述第2谐振器分别包括位于光路上的增益介质。
4.如权利要求1～3中任一项所述的双光频梳发生装置，其特征在于，
上述两个以上的输出部包括对于光纤的耦合部。
5.如权利要求1～4中任一项所述的双光频梳发生装置，其特征在于，
上述两个以上的输出部包括第3输出部；
上述第2光波导包括从将上述第2光频梳激光源与上述第2输出部连结的路径分支、与上述第3输出部耦合的第4光波导。
6.一种计测装置，其特征在于，
具备：
权利要求1～4中任一项所述的双光频梳发生装置；
第1光纤，一端与上述第1输出部连接；
第2光纤，一端与上述第2输出部连接；
循环器，与上述第1光纤的另一端连接；
第3光纤及第4光纤，各自的一端与上述循环器连接；
准直器，与上述第3光纤的另一端连接；
耦合器，将在上述第3光纤及上述第4光纤的各自中传播的光耦合并输出；以及
检测器，检测从上述耦合器输出的光。
7.一种计测装置，其特征在于，
具备：
权利要求5所述的双光频梳发生装置；
第1光纤，一端与上述第1输出部连接；
第2光纤，一端与上述第2输出部及上述第3输出部的一方连接；
循环器，与上述第1光纤的另一端连接；
第3光纤及第4光纤，各自的一端与上述循环器连接；
准直器，与上述第3光纤的另一端连接；
耦合器，将上述第3光纤与上述第4光纤耦合；
耦合器，将在上述第3光纤及上述第4光纤的各自中传播的光耦合并输出；以及
检测器；
上述检测器包括：
第1检测器，检测从上述耦合器输出的光；以及
第2检测器，检测从上述第2输出部及上述第3输出部的另一方输出的光。
8.如权利要求6或7所述的计测装置，其特征在于，
还具备将从上述准直器射出的光扫描的扫描机构。
9.如权利要求6～8中任一项所述的计测装置，其特征在于，
具备基于上述检测器的检测结果来计测到对象物的距离的信号处理电路。
10.如权利要求6～9中任一项所述的计测装置，其特征在于，
具备基于上述检测器的检测结果来计测对象物的光谱的信号处理电路。
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