JP2013140192A

JP2013140192A - 光周波数コム発生装置

Info

Publication number: JP2013140192A
Application number: JP2011286759A
Authority: JP
Inventors: Tatsutoshi Shioda; 達俊塩田
Original assignee: Nagaoka University of Technology NUC
Current assignee: Nagaoka University of Technology NUC
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-07-18

Abstract

【課題】
入射した広帯域光（典型的には、白色光）から交流電圧の強さに応じて周波数間隔が変動する光周波数コムを発生する光周波数コム発生装置を提供する。
【解決手段】
平行に配置された第１透明基板１１１と第２透明基板１１２とからなる透明基板対１１、前記第１透明基板１１１と第２透明基板１１２との間に充填された液晶１２、前記第１透明基板１１１の何れか一方の面側に形成した第１半透明ミラー１３１と、前記第２透明基板１１２の何れか一方の面側に形成した第２半透明ミラー１３２とからなるミラー対１３、前記第１透明基板１１１の何れか一方の面側に形成した第１電極１４１と、前記第２透明基板１１２の何れか一方の面側に形成した第２電極１４２とからなる透明電極対１４、および、前記第１電極１４１と前記第２電極１４２との間に交流電圧ｖを加える交流電源１５、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、入射した帯域光から交流電圧の強さに応じて周波数間隔が変動する光周波数コムを発生できる光周波数コムの発生装置に関する。

光周波数コムは近年種々の分野で応用されるようになっている。
たとえば、光周波数コムを光通信に応用することで、大量のデータをＴＨｚのオーダで高速伝送することができる。また、光周波数コムを距離計測の分野に応用することで、ミクロン単位からｋｍ単位までの距離計測装置を高精度に行うことができる。

光周波数コム発生装置として、図１２に示すファブリーペロー共振器を用いた光変調器８が知られている（特許文献１）。
この光変調器８は、電気光学結晶８１（ＬｉＮｂＯ₃）と、電気光学結晶８１を挟むように平行配置された入射ミラー８２１，出射ミラー８２２と、電気光学結晶８１に信号を与える一対の電極８３１，８３２とからなる。電極８３１，８３２にはマイクロ波発振器８４が接続される。

入射ミラー８２１には図示しないレーザ光源からの単一スペクトル光が入射される。入射光Ｌ₀はマイクロ波発振器８４により外部位相変調される。これにより、出射ミラー８２２から、間隔が変調周波数ｆ_mである光周波数コムＦＣが出射される。
また、光周波数コム発生装置として、図１３（Ａ）の斜視図、図１３（Ｂ）の側面図に示す光変調器（ＶＩＰＡ）も知られている。
この光変調器９は、微小間隔で平行配置した一対のミラー９１，９２からなる。ミラー９１にはスリットＳＬが形成されており、このスリットＳＬに白色光ＷＬを注入することで、空間分離した光周波数コムを生成することができる。

特開２００６−３３７８３２

図１２に示す光周波数コム発生装置（光変調器８）では、レーザ光源が必要であるため、装置が大型化する。
また、掃引の中心周波数がレーザ光源の周波数に依存するので（ゼロＨｚを中心にした掃引ができないので）、距離測定の場合に不都合が生じる。
図１３（Ａ），（Ｂ）に示す光周波数コム発生装置（光変調器９）は、コムの周波数間隔を変えることができない。
また、光周波数コムは空間に分離するため、光周波数コムを単一のビームとして扱う用途（たとえば、光通信の用途）には不向きである。
本発明の目的は、入射した広帯域光（典型的には、白色光）から交流電圧の強さに応じて周波数間隔が変動する光周波数コムを発生する光周波数コム発生装置に関する。

本発明は（１）〜（４）を要旨とする。
（１）
平行に配置された第１透明基板と第２透明基板とからなる透明基板対、
前記第１透明基板と前記第２透明基板との間に充填された液晶、
前記第１透明基板の何れか一方の面側に形成した第１半透明ミラーと、前記第２透明基板の何れか一方の面側に形成した第２半透明ミラーとからなるミラー対、
前記第１透明基板の何れか一方の面側に形成した第１電極と、前記第２透明基板の何れか一方の面側に形成した第２電極とからなる透明電極対、
および、
前記第１電極と前記第２電極との間に交流電圧を加える交流電源、
を備え、
前記第１透明基板の前記液晶が充填されていない側の面から帯域を持つ光が入射され、前記第２透明基板の前記液晶が充填されていない側の面から前記交流電圧に対応する周波数間隔の光周波数コム光が出射される、
ことを特徴とする光周波数コム発生装置。
「帯域を持つ光」とは、典型的には白色光である。レーザ光等の単一スペクトル光や狭帯域幅光は含まないが、所定の帯域幅を持つ光は含む。

（２）
前記第１電極が前記第１半透明ミラーと共用され、および／または、前記第２電極が前記第２半透明ミラーと共用されることを特徴とする（１）に記載の光周波数コム発生装置。

（３）
平行に配置された第１透明基板と第２透明基板とからなる透明基板対、
前記第１透明基板と第２透明基板との間に充填された液晶、
前記第１透明基板の何れか一方の面側に形成した半透明ミラー、
前記第２透明基板の何れか一方の面側に形成した反射ミラー、
前記第１透明基板の何れか一方の面側に形成した第１電極と、前記第２透明基板の何れか一方の面側に形成した第２電極とからなる透明電極対、および、
前記第１電極と前記第２電極との間に交流電圧を加える交流信号源、
を備え、
前記第１透明基板の前記液晶が充填されていない側の面から帯域を持つ光が入射され、前記第２透明基板の前記液晶が充填されていない側の面から前記交流電圧に対応する周波数間隔の光周波数コム光が出射される、
ことを特徴とする光周波数コム発生装置。

（４）
前記第１電極が前記第１半透明ミラーと共用され、および／または、前記第２電極が前記第２半透明ミラーと共用されることを特徴とする（３）に記載の光周波数コム発生装置。

２枚のミラーは、基板の裏表にそれぞれ配置可能なので、ミラー配置の組み合わせは４通りである。
また、それぞれについて、電極の配置も４通りあるので、合わせて、１６通りのミラー配置の組み合わせがある。
さらに、２枚のミラーは、ともに半透明の場合と、一方が半透明、他方が反射（実質上全反射と同様の作用を奏するような反射率をもつ反射）とがあるので、総計で３２通りのミラー配置の組み合わせがある。一方が半透明、他方が反射のミラーにより共振器を構成したときは、反射のミラー側の基板は透明で無くてもよい場合がある（反射ミラーと電極を共用した場合や、反射ミラーが内側で電極が外側にある場合）。
なお、液晶に代えて、屈折率が電界により変化する材料を採用することも可能である。

入射光として白色光等の広い帯域の光を採用でき、かつ、空間分離することのない光周波数コムを得ることができる。
ミラーの面方向と、電極の面方向とが同じなので、装置のコンパクト化が可能となるし、製造プロセスも簡易化できる。ミラーと電極とを共有したときには、これらの効果は特に顕著である。
ミラー面間の距離の設計の自由度が高いので、目的に応じた周波数間隔の光周波数コムを生成することができる。
基板厚を大きくすることで２つのミラーの間の距離を調整する（大きくとる）ことができるので、周波数コムの大きさを調整することも容易である。

図１は本発明の第１実施形態の第１の例を示す説明図である。図２は本発明の第１実施形態の第２の例を示す説明図である。図３は本発明の第２実施形態の第１の例を示す説明図である。図４は本発明の第２実施形態の第２の例を示す説明図である。図５は、本発明の光周波数コム発生装置を距離測定装置に適用した例を示す図である。図６は、入力（白色光）と、光周波数コムの関係を示す図である。図７は、サンプル（アルミニウムミラー）の表面の位置を示す画像（干渉波形を示す図である。図８は、電源の電圧の値に応じて生成される光コム周波数コムを表すグラフである。図９は、ある電圧値のときのコム間隔と、電圧がゼロのときのコム間隔との差を表すグラフである。図１０は、液晶に与える電圧をゼロボルトから所定の電圧に変化させたときの、ＣＣＤ上の移動量が次数ごとに変化する様子を示すグラフである。図１１は、３４０Ｖを加えたときの次数ごとに一つのピークを描いたグラフである。従来技術のファブリーペロー共振器を用いた光周波数コム発生装置の説明図である。従来技術のバイパーを用いた光周波数コム発生装置の説明図である。

図１は本発明の第１実施形態の第１の例を示す説明図である。
図１において光周波数コム発生装置１Ａは、透明基板対１１と、液晶１２と、ミラー対１３と、透明電極対１４と、交流電源１５と、配向膜対１６とを備えている。
透明基板対１１は、平行に配置された第１透明基板１１１と第２透明基板１１２とからなる。

液晶１２は、第１透明基板１１１と第２透明基板１１２との間に充填されている。
液晶１２の第１透明基板１１１に接する側には配向膜１６１が形成され、第２透明基板１１２に接する側には配向膜１６２が形成されている。この配向膜１６１，１６２はポリイミド樹脂からなる。

ミラー対１３は、第１透明基板１１１の液晶１２側の面とは反対側に形成した第１半透明ミラー１３１と、第２透明基板１１２の液晶１２側の面とは反対側に形成した第２半透明ミラー１３２とからなる。
透明電極対１４は、第１透明基板１１１の液晶１２側の面に形成した第１電極１４１と、第２透明基板１１２の液晶１２側の面に形成した第２電極１４２とからなる。

図１の光周波数コム発生装置１Ａでは、第１半透明ミラー１３１と第１電極１４１とが別々に形成され、また第２半透明ミラー１３２と第２電極１４２とが別々に形成されている。
交流電源１５は、第１電極１４１と前記第２電極１４２との間に交流電圧ｖ_ACを加える。
第１透明基板１１１の液晶１２側の面から帯域を持つ光ＢＬが入射され、第２透明基板１１２の液晶１２が充填されていない側の面から交流電圧に対応する周波数間隔の光周波数コム光ＦＣが出射される。

図２は本発明の第１実施形態の第２の例を示す説明図である。
図２において光周波数コム発生装置１Ｂは、透明基板対１１と、液晶１２と、交流電源１５と、液晶１２の外面に形成した配向膜対１６と、透明基板対１１の外面に形成した導体ミラー対１７とを備えている。

図１の光周波数コム発生装置１Ａでは、第１半透明ミラー１３１と第１電極１４１とを別々に形成したが、図２の光周波数コム発生装置１Ｂでは、第１半透明導体ミラー１７１が第１半透明ミラーと第１電極とを共用している。また、図１の光周波数コム発生装置１Ａでは、第２半透明ミラー１３２と第２電極１４２とが別々に形成されたが、図２の光周波数コム発生装置１Ｂでは、第２半透明導体ミラー１７２が第２半透明ミラーと第２電極とを共用している。

図３は本発明の第２実施形態の第１の例を示す説明図である。
図３において光周波数コム発生装置２Ａは、透明基板対２１と、液晶２２と、ミラー対２３と、透明電極対２４と、交流電源２５と、配向膜対２６とを備えている。

透明基板対２１、液晶２２、透明電極対２４、交流電源２５および配向膜対２６は、図１において説明した透明基板対１１、液晶１２、透明電極対１４、交流電源１５および配向膜対１６と同じであるが、反射ミラー対が図１の実施形態とは異なる。

すなわち図１では、反射ミラー（ミラー対１３）として第１半透明ミラー１３１と第２半透明ミラー１３２とから構成した。図３では反射ミラーとして、半透明ミラー２３１と、反射ミラー２３２が使用される。半透明ミラー２３１は、第１透明基板２１１の液晶１２側の面とは反対側に形成され、反射ミラー２３２は第２透明基板２１２の液晶１２側の面とは反対側に形成してある。

図４は本発明の第２実施形態の第２の例を示す説明図である。
図４において光周波数コム発生装置２Ｂは、図３の光周波数コム発生装置２Ａと同様、透明基板対２１と、液晶２２と、ミラー対２３と、透明電極対２４と、交流電源２５と、配向膜対２６とを備えている。

図３の光周波数コム発生装置２Ａでは、半透明ミラー２３１と第１電極２４１とを別々に形成したが、図４の光周波数コム発生装置２Ｂでは、半透明ミラー２３１と第１電極２４１とを共用している。また、図３の光周波数コム発生装置２Ａでは、反射ミラー２３２と第２電極２４２とを別々に形成したが、図４の光周波数コム発生装置２Ｂでは、第２半透明ミラー２３２と第２電極２４２とを共用している。

図５は、本発明の光周波数コム発生装置を距離測定装置に適用した例を示す図である。
図において、広帯域光源ＳＬＤからの白色光が光ファイバーを介して光周波数コム発生装置１に入射される。光周波数コム発生装置１からのコム光はファイバーポート、レンズ系を介してマッハツェンダー干渉計に入力される。サンプルを介したコム光は入力される。

ＳＰＭは、時間遅延を空間分離する素子である。電圧ゼロのときのコム間隔をＦＳＲ１とする。ＦＳＲ１は、ｃ／（２ｎｄ）で表される。ｃは光速、ｄは共振器長、ｎは共振器内部の屈折率、すなわち液晶，基板（ガラス）等を合わせた屈折率である。

干渉が現れる位置Ｌは、Ｌ＝ｍｃ／（２×ＦＳＲ２）で表される。ここで、ｍは干渉次数である。
Ｌの微小変化ΔＬは、
ΔＬ＝ｍｃ（ＦＳＲ１−ＦＳＲ２）／２ＦＳＲ１²
で表される。

図５の光周波数コム発生装置では、機械的な可動部が全く不必要となった。
図６は、入力（白色光）と、光周波数コムの関係を示す図である。
図７は、サンプル（アルミニウムミラー）の表面の位置を示す画像（干渉波形を示す図である。同図のグラフは、横軸が位置（写真画像上の縦方向の位置）を表している。本発明では光周波数コムを使用して検出しているので、干渉波形が、繰り返しＣＣＤ上に画像として表れる。

図８は、電源の電圧の値に応じて生成される光コム周波数コムを表している。
各電圧によって表れる光周波数コムのコム間隔は、電圧の値が大きくなれば広くなる例が示されている。
図９は、ある電圧値のときのコム間隔と、電圧がゼロのときのコム間隔との差を表している。

前述したように、干渉波形は繰り返しＣＣＤ上の現れるので、どの次数に基づく干渉波形かを特性する必要がある。電圧に応じて、上述したコム間隔の差が異なるので、ゼロボルトから所定の電圧に変化させたときの、ＣＣＤ上の移動量を検出することで、次数を特定することができる（図１０参照）。
これにより、サンプル位置を正確に知ることができる。

なお、図１１は、３４０Ｖを加えたときの次数ごとに一つのピークを描いた図である。図１１は、ゼロ次と１次のピーク間距離、ゼロ次と２次のピーク間距離等を表すもので、この図と図１０の３４０Ｖのグラフが対応している。

１１：透明電極対
１１１：第１透明基板
１１２：第２透明基板
１２：液晶
１３：ミラー対
１３１：第１半透明ミラー
１３２：第２半透明ミラー
１４：透明電極対
１４１：第１電極
１４２：第２電極
１５：交流電源
１６：配向膜対
１６１：第１配向膜
１６２：第２配向膜
２１：透明電極対
２１１：第１透明基板
２１２：第２透明基板
２２：液晶
２３：ミラー対
２３１：透明ミラー
２３２：反射ミラー
２４：透明電極対
２４１：第１電極
２４２：第２電極
２５：交流電源
２６：配向膜対
２６１：第１配向膜
２６２：第２配向膜

Claims

平行に配置された第１透明基板と第２透明基板とからなる透明基板対、
前記第１透明基板と前記第２透明基板との間に充填された液晶、
前記第１透明基板の何れか一方の面側に形成した第１半透明ミラーと、前記第２透明基板の何れか一方の面側に形成した第２半透明ミラーとからなるミラー対、
前記第１透明基板の何れか一方の面側に形成した第１電極と、前記第２透明基板の何れか一方の面側に形成した第２電極とからなる透明電極対、
および、
前記第１電極と前記第２電極との間に交流電圧を加える交流電源、
を備え、
前記第１透明基板の前記液晶が充填されていない側の面から帯域を持つ光ＢＬが入射され、前記第２透明基板の前記液晶が充填されていない側の面から前記交流電圧に対応する周波数間隔の光周波数コム光が出射される、
ことを特徴とする光周波数コム発生装置。
前記第１電極が前記第１半透明ミラーと共用され、および／または、前記第２電極が前記第２半透明ミラーと共用されることを特徴とする請求項１に記載の光周波数コム発生装置。
平行に配置された第１透明基板と第２透明基板とからなる透明基板対、
前記第１透明基板と第２透明基板との間に充填された液晶、
前記第１透明基板の何れか一方の面側に形成した半透明ミラー、
前記第２透明基板の何れか一方の面側に形成した反射ミラー、
前記第１透明基板の何れか一方の面側に形成した第１電極と、前記第２透明基板の何れか一方の面側に形成した第２電極とからなる透明電極対、および、
前記第１電極と前記第２電極との間に交流電圧を加える交流信号源、
を備え、
前記第１透明基板の前記液晶が充填されていない側の面から帯域を持つ光が入射され、前記第１透明基板の前記液晶が充填されていない側の面から前記交流電圧に対応する周波数間隔の光周波数コム光が出射される、
ことを特徴とする光周波数コム発生装置。
前記第１電極が前記第１半透明ミラーと共用され、および／または、前記第２電極が前記第２半透明ミラーと共用されることを特徴とする請求項３に記載の光周波数コム発生装置。