JP2005300923A - 均斉な多波長光周波数コムの発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 互に波長の異る複数の光波に、均斉な光周波数コムを発生する装置の提供。
【解決手段】 光変調器基板上に、同一の長さを有する複数（ｍ）の光導波路部を形成し、それに、共通の光位変調信号を印加するための複数の電極を配置し、かつその入出射両端に反射膜体を配置し、各光導波路部の実効屈折率が、各光導波路部に入射される特定波長の光波に対応する自由スペクトル空間ＦＳＲが、その最小値の１以上の整数倍になるように調整されていて、各光導波路部に入射された光波は、変調され、かつ入出射端反射膜体間を反射往復して、均斉な多波長光周波数コムを発生する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、互に異なる波長を有する複数の光波からなる多波長光波から、均斉な多波長光周波数コムを発生させる装置に関するものである。更に詳しく述べるならば本発明は、互に異なる波長を有する複数の光波からなる多波長光波から、光導波路型光変調器を用いて、均斉な周波数コムスペクトルを示す多波長周波数コムを発生させる装置に関するものである。

特開平７−５８３８６号公報（特許文献１）には、無調整で粒度の良好な光周波数コムを高効率、低コストで発生させる装置として、光位相変調器の入射端及び出射端に光波反射膜を設け、入射されたレーザ光が上記入出射反射膜間で共振するようにして、入射されたレーザ光の位相を、変調器により周波数ｆｍ間隔の変調信号に応じて変調し、入射されたレーザ光の周波数を中心にして、その低周波数側及び高周波数側に、周波数ｆｍ間隔を有するレーザ光のサイドバンドを発生させ、それによって光周波数コムを発生させることが開示されている。
上記特許文献１の光周波数コム発生装置は、単一波長のレーザ光について用いられるもので互に波長の異る複数の光波からなる多波長光に適合するものではなかった。

特開平８−１６６６１０号公報（特許文献２）には、互に波長の異る複数の光波からなる多重光から複数の光周波数コムを発生させることを目的として、前記多重光を、入射端反射膜と出射端反射膜を有する光位相変調器に入射して、その内部で周波数ｆｍの変調信号に応じて、位相変調し、かつ両反射膜の間で共振させて、入射された各光波の周波数を中心に低周波数側及び高周波数側に、光の側帯波を発生させ、それによって、複数の周波数コムを発生させる装置が開示されている。

しかしながら、従来の周波数コム発生装置においては、その周波数コム発生装置に、互に波長が異る複数の光波からなる多波長光波を入射したとき、多波長光波のうち、特定波長を有する光波については、十分に拡大された側帯波を有するコムが発生するが、他の光波については、コムの帯域があまり広がらず、従って、得られる多波長光周波数コムのスペクトルの均斉度が不満足なものでありこの問題の解決が強く望まれていた。

特開平７−５８３８６号公報 特開平８−１６６６１０号公報

本発明は、光導波路型変調器を用いて、互に波長の異る複数の光波を含む多波長光から均斉な多波長光周波数コムを発生させる装置を提供しようとするものである。

本発明の均斉な多波長光周波数コム発生装置は電気光学的効果を有する基板と、この基板上に形成され、互に異なる波長λ_１、λ_２・・・λ_ｍを有する複数（ｍ）の光波からなる多波長光波を入射し、出射するための光入射端部及び光出射端部を有する光導波路と、この光導波路に光位相変調電圧を印加するための変調用電極とを含む光変調器と、
前記光変調器の光入射端及び光出射端に設けられ、前記多波長光波を透過して前記光導波路中に入射し、かつ光出射端から光入射端に向って進行する光波を反射する入射端光反射膜体、及び前記光入射端から光出射端に向って進行する前記多波長光波を反射し、かつ光導波路の外に出射する出射端光反射膜体とを有し、
前記光導波路は、互に同一の材料から形成され、かつ互に等しい長さを有する複数（ｍ）の光導波路部Ｇ_１、Ｇ_２・・・Ｇ_ｍを含み、これら光導波路部Ｇ_１、Ｇ_２・・・Ｇ_ｍに入射される波長λ_１、λ_２・・・λ_ｍの光波のそれぞれに対応する自由スペクトル空間ＦＳＲ_１、ＦＳＲ_２・・・ＦＳＲ_ｍが、その最小値の１以上の整数倍にほぼ等しくなるように、前記光導波路部Ｇ_１、Ｇ_２・・・Ｇ_ｍの実効屈折率が調整されており、
前記入射端光反射膜体と、前記光導波路部の出射端が連結している出射端光反射膜体との間の光導波路部の各々において、当該光導波路部に入射された光波が、反射共振して、多波長光の均斉な周波数コムを発生させることを特徴とするものである。
本発明装置において、前記光導波路部Ｇ_１、Ｇ_２・・・Ｇ_ｍの各々の出射端が、波長選択性カプラーを介して、１個の全光波性合波器に連結し、この全光波合波器が、前記出射端光反射膜体に連結されており、前記波長選択性カプラーが、当該光導波路部から出射された光波及び、この光波の前記出射端光反射体による反射波のみを通すものであってもよい。
本発明装置において、前記光導波路Ｇ_１、Ｇ_２・・・Ｇ_ｍの各々の入射端が、波長選択性カプラーを介して、１個の全光波透過路に連結し、この全光波透過路が、前記入射端光反射膜体に連結されており、前記波長選択性カプラーが、それに連結されている光導波路に入射される特定波長の入射光波及び前記出射端光反射膜体による反射光波のみを通すものであってもよい。
本発明装置において、前記光導波路部の実効屈折率を調整するために、前記光導波路部の形成材料の種類、幅及び／又は厚さを調整することが好ましい。

本発明の多波長光周波数コムの発生装置により、互に波長の異る複数の光波について、互にほゞ均斉な光周波数コムを効率よく発生させることができる。本発明装置により発生された均斉な光周波数コムスペクトルを形成する多波長光は、例えば、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）などにより取り出すことができる。この多波長光は、各波長帯において、多波長光源として利用することが可能なものである。
すなわち本発明装置は、例えば、ＷＤＭ通信システムにおいて利用されるＳ．Ｃ．Ｌ各バンドの多波長光源を、単一の光変調器を利用して提供することを可能にするものである。

一般に、光周波数コム発生装置において、波長λの光波が対応する１対の入射端光反射膜体と、出射端光反射膜体との間の、実効屈折率ｎ、光導波路長ｌ、光路長（光学的距離）Ｌ（＝ｎｌ）の光導波路中を、往射するとき、この光波の位相の変移は、
２×２π×ｎｌ／λ＝（（光学的距離Ｌ）÷（波長λ））×２π×２（往復）
により表される。
上記光波が上記光導波路の入出射端部間で、共振するためには、互に反対方向に進行する光が、互に光の強さを高め合う位相条件は
４π×ｎｌ／λ＝４π×ｆｎｌ／ｃ＝２πｋ
（但し、ｋは整数を表し、ｆは光波の周波数を表し、ｃは、真空中の光速を表す）
即ち、ｆ＝ｋ×ｃ／２ｎｌ
を満たすことである。
上記位相条件を満たす光波は、互に周波数間隔＝ｃ／２ｎｌを有している。この周波数間隔ｃ／２ｎｌは、自由スペクトル空間（ＦＳＲ）と称され、光共振器の特性を表す１指標である。光導波路型光変調器に、ＦＳＲのほゞ整数倍のＲＦ（高周波）周波数を有する信号を電極に印加すると、ＲＦ周波数の間隔で光スペクトルが生成し、それにより光周波数コムが発生する。

しかし、光導波路型光変調器において、波長の異る複数の光波を入力すると、各光波のＦＳＲは互に異る値をとる。このような複数の光波を、一定の光路長を有する光導波路内に入射し、反射共振させると、光路長に適合するＦＳＲ値を有する光波は、所望の光周波数コムスペクトルを発生させる他の波長の光波においては、光周波数コムの発生効率が低く、例えば波長λ_１、λ_２、λ_３の合光波において、光変調器の光導波路の光路長が、波長λ_３の光波のＦＳＲに適合しているが、他の波長λ_１、λ_２の光波のＦＳＲに適合していない場合、波長λ_１、λ_２、λ_３の光波の光周波数コムスペクトルは図１に示されているように不均斉なものとなる。

本発明の光周波数コム発生装置においては、光変調器の光導波路に互に異なる波長を有する複数（ｍ）の光波を入射する場合、当該光導波路部に入射される光波の波長に対する自由スペクトル空間ＦＳＲの数値が、その最小値の、１以上の整数倍にほゞ等しくなるように、各光導波路の実効的屈折率を調整することが重要である。

本発明の均斉な多波長光周波数コム発生装置は、電気光学的効果を有する基板と、この基板上に形成され、互に異なる波長λ_１、λ_２・・・λ_ｍを有する複数（ｍ）の光波からなる多波長光波を入射し、出射するための光入射端部及び光出射端部を有する光導波路と、この光導波路に光位相変調電圧を印加するための変調用電極とを含む光変調器と、
前記光変調器の光入射端及び光出射端に設けられ、前記多波長光波を透過して前記光導波路中に入射し、かつ光出射端から光入射端に向って進行する光波を反射する入射端光反射膜体、及び前記光入射端から光出射端に向って進行する前記多波長光波を反射し、かつ光導波路の外に出射する出射端光反射膜体とを有するものであって、
前記光導波路は、互に等しい長さを有する複数（ｍ）の光導波路部Ｇ_１、Ｇ_２・・・Ｇ_ｍを含むものであって、これら光導波路部Ｇ_１、Ｇ_２・・・Ｇ_ｍに入射される波長λ_１、λ_２・・・λ_ｍの光波のそれぞれに対応する自由スペクトル空間ＦＳＲ_１、ＦＳＲ_２・・・ＦＳＲ_ｍが、その最小値の１以上の整数倍にほぼ等しくなるように、前記光導波路部Ｇ_１、Ｇ_２・・・Ｇ_ｍの実効屈折率が調整されている。このような本発明装置においては、
前記入射端光反射膜体と、前記光導波路部の出射端が連結している出射端光反射膜体との間の光導波路部の各々において、当該光導波路部に入射された光波が、反射共振して、多波長光の均斉な周波数コムを発生させることができる。

２つの波長λ_１、λ_２の光波を導波する光導波路の導波路長をｌ_１、ｌ_２で表し、光路長をＬ_１、Ｌ_２で表し、波長λ_１、λ_２の光波に対する光導波路の実効屈折率をｎ_１、ｎ_２で表すと、下記の関係式が成立する。

従って、複数の光導波路の光導波路長ｌ_１、ｌ_２が同一であれば、各光導波路の実効屈折率ｎ_１、ｎ_２を調整し、それによってこれらの光導波路の、波長λ_１及びλ_２の光波に対するＦＳＲ_１及びＦＳＲ_２が、他方の、１以上の整数倍にほゞ等しくなるように調整することが可能である。
このようにして、両光導波路のｎ_１及びｎ_２を定めると、各光導波路に対向して配置された電極に、共通の変調信号発信装置から送られた共通のＲＦ周波数（ＦＳＲ_１、ＦＳＲ_２の１以上の整数倍）の変調信号により、各光導波路に入射された光波は変調され、かつ、各光波について、ＲＦ周波数と等間隔の光周波数コムが発生する。すなわち、単一の周波数の（共通の）変調信号により、かつ共通の入・出射端反射膜体を用いて、互に波長の異る複数の光波について、同一周波数間隔の、均斉な光周波数コム（図２）が得られるのである。

図３は、本発明の均斉な多波長光周波数コム発生装置の要部の一例を示す平面説明図である。図３において、光周波数コム発生装置１の光変調器１ａは、電気光学的効果を有する材料により形成された基板２と、複数（ｍ）の光導波路部３−１、３−２・・・３−ｍからなる光導波路３と、前記光導波路部３−１、３−２、・・・３−ｍの各々に対向して設けられ、共通の変調信号発信器（図示されていない）に連結している複数（ｍ）の信号電極４−１、４−２・・・４−ｍとを有するものである。光変調器１ａの、光入射端及び光出射端には光反射膜体５、６が配置されており、光導波路部３−１、３−２・・・３−ｍの光入射端及び光出射端は、前記反射膜体５、６に連結されている。光導波路部３−１、３−２・・・３−ｍは同一光伝播材料からなり、かつ、互に同一の長さＬを有している。入・出射端光反射膜体５及び６は、入射される互いに異なる波長λ_１、λ_２・・・λ_ｍを有する光波を透過し、反射することができるものである。
従って、光導波路部３−１、３−２・・・３−ｍに、波長λ_１、λ_２・・・λ_ｍの光波が入射されると、光波は、信号電極４−１、４−２、・・・４−ｍの変調電圧により変調され、かつ、入・出射端反射膜材５、６により反射往復して、自由スペクトル空間ＦＳＲ_１、ＦＳＲ_２・・・ＦＳＲ_ｍを有する複数（ｍ）の光周波数コムが発生する。

図３に示されている光導波路部３−１、３−２・・・３−ｍは、互に異なる幅Ｗ_１、Ｗ_２・・・Ｗ_ｍを有し、従って、その実効屈折率は、互に異るものであり、このＷ_１、Ｗ_２・・・Ｗ_ｍは、光導波路部３−１、３−２、・・・３−ｍに送られる共通の変調信号のＲＦ周波数とそれに入射される光波の波長λ_１、λ_２・・・λ_ｍにより定まる自由スペクトル空間ＦＳＲ_１、ＦＳＲ_２・・・ＦＳＲ_ｍが、その最小値の、１以上の整数倍にほぼ等しくなるように、調整される。

図３の装置において、波長λ_１、λ_２・・・λ_ｍの光波が入射端反射膜材５を通って互に同一の長さと、互に異る幅を有する光導波路部３−１、３−２・・・３−ｍに入射されると、各光波は変調電極に印加された共通の変調信号により変調され、かつ出射端反射膜体６により反射されて、入、出射端光反射膜体５、６の間を反射往復する。本発明の装置において、各光導波路部３−１、３−２・・・３−ｍは、それぞれに入射された特定波長の光波に対応する自由スペクトル空間ＦＳＲ_１、ＦＳＲ_２・・・ＦＳＲ_ｍが、その最小値の１以上の整数倍にほゞ等しくなるように、調整されているから、出射される光波の光周波数コムは、互にほぼ均斉である。

例えば光変調器の、表１に示すＬＮ（ＷＧ）導波路異常光屈折率を有する３個の光導波路部３−１、３−２、３−３の長さを等しくし、かつその幅をすべて７μｍとして、これに、波長１．３μｍ（λ_１）、１．４μｍ（λ_２）及び１．５μｍ（λ_３）の光波を入射して光変調すると、得られる光周波数コムは図１に示されているような不均斉なものであるか、光導波路部３−１、３−２、３−３の各光波に対するＦＳＲ値が同一になるように、その幅を、表１に示すように調整すると、図２に示されているような均斉なＦＳＲ値を有する多波長光周波数コムスペクトルが得られる。

本発明の装置において、同一光路長を有する各光導波路部の、それに入射される波長λの光波に発生する光周波数コムのＦＳＲを、その最小値の１以上の整数倍にほぼ等しくするためには、前記光導波路部の幅を調整することの他に、その厚さを調整するか、光導波路形成材料の種類を適宜に設定することにより、各光導波路部の実効屈折率ｎを調整することができる。

図４に示された装置１において、光導波路３は、互に同一長さと互に異なる幅を有する光導波路部３−１、３−２・・・３−ｍを有し、これらの光導波路部の出射端は、それぞれに入射された波長の光波のみの往復を許す波長選択性カプラー８−１、８−２・・・８−ｍに連結され、これらのカプラーは、入射された全波長の光波の往復を許す単一の光透過路、すなわち全光波合波器９に連結されている。全光波合波器９は、出射端光反射膜体６に連結されている。
図４に示された装置において、波長λ_１、λ_２・・・λ_ｍの光波が入射端光反射膜を通って光導波路部３−１、３−２、・・・３−ｍに入射され、そこで、位相変調され、波長選択性カプラー８−１、８−２・・・８−ｍを通り、さらに、全光波合波器９において、全光波は合波され、出射端光反射膜６に達し、この反射膜体６において到達した光の一部は透過し、他は反射される。反射された合波光波は波長選択性カプラー８−１、８−２・・・８−ｍにおいて、波長λ_１、λ_２・・・λ_ｍの光波に分波され、それぞれが光導波路部３−１、３−２・・・３−ｍを逆行し、入射端反射膜体５により反射される。すなわち、波長λ_１、λ_２・・・λ_ｍの光波は、それぞれ、入・出射端光反射膜体５、６の間で反射往復し、均斉な光周波数コムを発生することができる。

図５に示された装置１において、光導波路３は、互に同一長さと互に異なる幅を有する光導波路部３−１、３−２・・・３−ｍを有している。波長λ_１、λ_２・・・λ_ｍの光波の混合光波が、それを透過し、かつその一部を反射する入射端光反射膜体を通って、全光波透過路１０に導入され、この透過路１１に入射された混合光波は、特定波長の光波λ_１、λ_２・・・又はλ_ｍのみの往復を許す波長選択性カプラー１１−１、１１−２・・・１１−ｍを介して、光導波路３の光導波路部３−１、３−２、・・・３−ｍに入射される。
図４に示された装置において、波長λ_１、λ_２・・・λ_ｍの光波の混合光波が入射端光反射膜、及び全光波透過路１０を通り、波長選択性カプラー１１−１、１１−２、・・・１１−ｍによって分波され、各光波が光導波路部３−１、３−２、・・・３−ｍに入射され、そこで、位相変調されて、出射端光反射膜６に達し、この反射膜体６において到達した光の一部は透過し、他は反射される。反射された各光波は導波路部分３−１、３−２・・・３−ｍ及び波長選択性カプラー１１−１、１１−２・・・１１−ｍを通って、全光波透過路に導入されて合波され、合波された全光波は、入射端反射膜体５により反射される。すなわち、波長λ_１、λ_２・・・λ_ｍの光波は、それぞれ、入・出射端光反射膜体５、６の間で反射往復し、均斉な光周波数コムを発生することができる。

本発明の装置において、光変調器の基板はＬＮなどの電気光学的効果を有する材料により形成することができ、光導波路は、基板中にＴｉ，Ｎｉなどの遷移金属の熱拡散、あるいはプロトン交換などにより形成することができる。変調用電極は、基板に、金などをメッキ又は蒸着又はスパッタ処理することによって形成することができる。
本発明装置に用いられる入射端及び出射端光反射膜体は、所望透過及び反射性能を有する、金属及び／又は誘電体材料を用いた多層膜材により形成することができる。

本発明装置は、互に波長の異なる複数の光波からなる多波長光を変調するとともに均斉な光周波数コムを、発生させることができる。本発明装置により発生した均斉な光周波数コムを有する多波長光は、それから、各波長に対応する光周波数コムを、例えば、アレイ導波路回折素子（ＡＷＧ）などによって取り出して、例えば、ＷＤＭ通信システムにおける或はＦＴＴＨシステムなどの多波長光源として利用することができる。

従来装置により発生した多波長光周波数コムのスペクトル。 本発明の装置により発生した均斉な多波長光周波数コムのスペクトル。 本発明の均斉な多波長光周波数コムの発生装置の一例の平面説明図。 本発明の均斉な多波長光周波数コムの発生装置の他の例の平面説明図。 本発明の均斉な多波長光周波数コムの発生装置の更に他の例の平面説明図。

符号の説明

１…均斉な多波長光周波数コム発生装置
１ａ…光変調器
２…基板
３…光導波路
３−１、３−２・・・３−ｍ…光導波路部
４−１、４−２・・・４−ｍ…変調電極
５…入射端光反射膜体
６…出射端光反射膜体
８−１、８−２・・・８−ｍ…波長選択性カプラー
９…光合波器
１０…全光波透過路
１１−１、１１−２・・・１１−ｍ…波長選択性カプラー

Claims (4)

1. 電気光学的効果を有する基板と、この基板上に形成され、互に異なる波長λ_１、λ_２・・・λ_ｍを有する複数（ｍ）の光波からなる多波長光波を入射し、出射するための光入射端部及び光出射端部を有する光導波路と、この光導波路に光位相変調電圧を印加するための変調用電極とを含む光変調器と、
   前記光変調器の光入射端及び光出射端に設けられ、前記多波長光波を透過して前記光導波路中に入射し、かつ光出射端から光入射端に向って進行する光波を反射する入射端光反射膜体、及び前記光入射端から光出射端に向って進行する前記多波長光波を反射し、かつ光導波路の外に出射する出射端光反射膜体とを有し、
   前記光導波路は、互に同一の材料から形成され、かつ互に等しい長さを有する複数（ｍ）の光導波路部Ｇ_１、Ｇ_２・・・Ｇ_ｍを含み、これら光導波路部Ｇ_１、Ｇ_２・・・Ｇ_ｍに入射される波長λ_１、λ_２・・・λ_ｍの光波のそれぞれに対応する自由スペクトル空間ＦＳＲ_１、ＦＳＲ_２・・・ＦＳＲ_ｍが、その最小値の１以上の整数倍にほぼ等しくなるように、前記光導波路部Ｇ_１、Ｇ_２・・・Ｇ_ｍの実効屈折率が調整されており、
   前記入射端光反射膜体と、前記光導波路部の出射端が連結している出射端光反射膜体との間の光導波路部の各々において、当該光導波路部に入射された光波が、反射共振して、多波長光の均斉な周波数コムを発生させることを特徴とする、均斉な多波長光周波数コム発生装置。
2. 前記光導波路部Ｇ_１、Ｇ_２・・・Ｇ_ｍの各々の出射端が、波長選択性カプラーを介して、１個の全光波合波器に連結し、この全光波合波器が、前記出射端光反射膜体に連結されており、前記波長選択性カプラーが、当該光導波路部から出射された出射光波及び、この光波の前記出射端光反射体による反射光波のみを通す、請求項１に記載の装置。
3. 前記光導波路Ｇ_１、Ｇ_２・・・Ｇ_ｍの各々の入射端が、波長選択性カプラーを介して、１個の全光波透過路に連結し、この全光波透過路が、前記入射端光反射膜体に連結されており、前記波長選択性カプラーが、それに連結されている光導波路に入射される特定波長の入射光波及び前記出射端光反射膜体による反射光波のみを通す、請求項１に記載の装置。
4. 前記光導波路部の実効屈折率を調整するために、前記光導波路部の形成材料の種類、幅及び／又は厚さを調整する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。

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