JP2013205473A - Resonator system, light source device, and frequency filter - Google Patents

Resonator system, light source device, and frequency filter Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a resonator system which achieves high temperature stability and allows a resonance frequency of a resonator to be changed.SOLUTION: The resonator system includes a resonator, an electromagnetic wave source, a first control unit, a reception unit, a second control unit, and a third control unit. The resonator is provided with first and second resonator modes having first and second resonance frequencies respectively. The first and second resonance frequencies have temperature dependencies different from each other. The electromagnetic wave source makes a first electromagnetic wave impinge on the resonator. The first control unit controls the electromagnetic wave source so that the first frequency matches the first resonance frequency. The reception unit receives a second electromagnetic wave being an electromagnetic wave emitted out of the resonator as a result of resonance of the first electromagnetic wave with the second resonator mode. The second control unit controls the temperature of the resonator so as to maximize the intensity of the second electromagnetic wave. The third control unit controls an internal refractive index of the resonator so as to change a frequency maximizing the intensity of the second electromagnetic wave.

Description

本発明の実施形態は、共振器システム、光源装置、及び周波数フィルタに関する。   Embodiments described herein relate generally to a resonator system, a light source device, and a frequency filter.

共振器は、共振器固有の電磁波モード(共振器モード)の共鳴周波数と一致する周波数の電磁波のみを透過させる性質を持つ。このため、共振器は、光フィルタ、周波数安定なレーザ光を得るための参照用周波数などのように、光通信及び光計測の広い範囲で用いられている。   The resonator has a property of transmitting only an electromagnetic wave having a frequency that matches the resonance frequency of the electromagnetic wave mode (resonator mode) unique to the resonator. For this reason, the resonator is used in a wide range of optical communication and optical measurement, such as an optical filter and a reference frequency for obtaining a frequency-stable laser beam.

共振器の共鳴周波数は、共振器の温度に依存するため、温度揺らぎの影響を遮断することが困難な一般の環境では、高い周波数安定性が必要な用途に共振器を使用することができない。   Since the resonance frequency of the resonator depends on the temperature of the resonator, the resonator cannot be used for an application that requires high frequency stability in a general environment where it is difficult to block the influence of temperature fluctuation.

Physical Review B 83, 021801R, (2011)Physical Review B 83, 021801R, (2011) Optics Express 19, 14495, (2011)Optics Express 19, 14495, (2011) Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering 7913, 79131G, (2011)Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering 7913, 79131G, (2011)

共振器においては、共鳴周波数を変更できる機能が要求される場合がある。例えば、実際に作製した共振器の共鳴周波数がわずかに設計仕様の周波数と異なっている場合、光フィルタとして使用している中で透過スペクトルの周波数を変えたい場合などである。   In the resonator, a function capable of changing the resonance frequency may be required. For example, when the resonant frequency of an actually manufactured resonator is slightly different from the design specification frequency, or when it is desired to change the frequency of the transmission spectrum while being used as an optical filter.

本発明に係る本実施形態は、高い温度安定性を達成するとともに、共振器の共鳴周波数を変更することが可能な共振器システムを提供する。また、この共振器システムを用いた光源装置、及び周波数フィルタを提供する。   The present embodiment according to the present invention provides a resonator system that can achieve high temperature stability and can change the resonance frequency of the resonator. Moreover, the light source device and frequency filter using this resonator system are provided.

一実施形態に係る共振器システムは、共振器、第1の電磁波源、第1の制御部、受信部、第2の制御部、及び第3の制御部を含む。共振器は、第1の共鳴周波数を有する第1の共振器モードと第2の共鳴周波数を有する第2の共振器モードとを備え、前記第1の共鳴周波数と前記第2の共鳴周波数とが互いに異なる温度依存性を有する。第1の電磁波源は、前記共振器に、第1の周波数を有する第1の電磁波を入射する。第1の制御部は、前記第1の周波数が前記第1の共鳴周波数に一致するように、前記第1の電磁波源を制御する。受信部は、前記第2の共振器モードと共鳴して共振器外部に放出された電磁波である第2の電磁波を受信する。第2の制御部は、前記第2の電磁波の強度が極大になるように、前記共振器の温度を制御する。第3の制御部は、前記第2の電磁波の強度が極大となる周波数を変更するために、前記共振器内部の屈折率を制御する。   A resonator system according to an embodiment includes a resonator, a first electromagnetic wave source, a first controller, a receiver, a second controller, and a third controller. The resonator includes a first resonator mode having a first resonance frequency and a second resonator mode having a second resonance frequency, and the first resonance frequency and the second resonance frequency are They have different temperature dependencies. The first electromagnetic wave source makes a first electromagnetic wave having a first frequency incident on the resonator. The first control unit controls the first electromagnetic wave source so that the first frequency matches the first resonance frequency. The receiving unit receives a second electromagnetic wave that is an electromagnetic wave emitted to the outside of the resonator by resonating with the second resonator mode. The second control unit controls the temperature of the resonator so that the intensity of the second electromagnetic wave is maximized. The third control unit controls the refractive index inside the resonator in order to change the frequency at which the intensity of the second electromagnetic wave becomes maximum.

第1の実施形態に係る共振器システムを概略的に示すブロック図。1 is a block diagram schematically showing a resonator system according to a first embodiment. (a)及び(b)は第1の実施形態に係る温度安定化の方法を説明する図である。(A) And (b) is a figure explaining the method of temperature stabilization which concerns on 1st Embodiment. 共振器モードの共鳴周波数の温度依存性を説明するグラフ。The graph explaining the temperature dependence of the resonant frequency of resonator mode. 図1に示した共振器に電圧を印加したときの共振器モードの共鳴周波数の変化を示すグラフ。The graph which shows the change of the resonant frequency of the resonator mode when a voltage is applied to the resonator shown in FIG. 第1の実施形態に係る、第1及び第2の共振器モードを選択する方法を説明する図。The figure explaining the method to select the 1st and 2nd resonator mode based on 1st Embodiment. 第2の実施形態に係る共振器システムを概略的に示すブロック図。The block diagram which shows roughly the resonator system which concerns on 2nd Embodiment. (a)及び(b)は第2の実施形態に係る温度安定化の方法を説明する図である。(A) And (b) is a figure explaining the method of temperature stabilization which concerns on 2nd Embodiment. 第1及び第2の共振器モードの共鳴周波数並びにStokes光の周波数の温度依存性を説明するグラフ。The graph explaining the temperature dependence of the resonant frequency of 1st and 2nd resonator mode, and the frequency of Stokes light. 図6に示した共振器に電圧を印加したときの共振器モードの共鳴周波数の変化及びStokes光の周波数の変化を示すグラフ。The graph which shows the change of the resonant frequency of the resonator mode when a voltage is applied to the resonator shown in FIG. 6, and the change of the frequency of Stokes light. 第2の実施形態に係る、第1及び第2の共振器モードを選択する方法を説明する図。The figure explaining the method to select the 1st and 2nd resonator mode based on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る光源装置を概略的に示すブロック図。The block diagram which shows schematically the light source device which concerns on 3rd Embodiment. 第4の実施形態に係る光源装置を概略的に示すブロック図。The block diagram which shows schematically the light source device which concerns on 4th Embodiment. 第5の実施形態に係る光源装置を概略的に示すブロック図。The block diagram which shows roughly the light source device which concerns on 5th Embodiment.

以下、必要に応じて図面を参照しながら、実施形態に係る共振器システムを説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。   Hereinafter, the resonator system according to the embodiment will be described with reference to the drawings as necessary. Note that, in the following embodiments, the same numbered portions are assumed to perform the same operation, and repeated description is omitted.

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る共振器システムを概略的に示している。この共振器システムは、図1に示されるように、共振器100、光源110、周波数制御装置120、受光器130、温度制御装置140、電圧制御装置150、及び偏光ビームスプリッタ(PBS)160を備える。
(First embodiment)
FIG. 1 schematically shows a resonator system according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the resonator system includes a resonator 100, a light source 110, a frequency control device 120, a light receiver 130, a temperature control device 140, a voltage control device 150, and a polarization beam splitter (PBS) 160. .

共振器100は、例えば、複屈折結晶であるLiNbOを材料として作られる単一結晶共振器である。この共振器100は、例えば、長軸方向の半径が500μmであり且つ結晶のZ軸と平行な短軸方向の半径が10μmである回転楕円体状に形成されている。このような形状の共振器100では、長軸方向の円周に沿って光を伝播させると、ウィスパリングギャラリーモードという複数の共振器モードが生じる。   The resonator 100 is a single crystal resonator made of, for example, LiNbO that is a birefringent crystal. For example, the resonator 100 is formed in a spheroid shape having a radius in the major axis direction of 500 μm and a radius in the minor axis direction parallel to the Z axis of the crystal of 10 μm. In the resonator 100 having such a shape, when light is propagated along the circumference in the major axis direction, a plurality of resonator modes called whispering gallery modes are generated.

第1の実施形態においては第1の電磁波源としてレーザ光を発する光源を例に説明する。光源110は、レーザ光を発し、このレーザ光は、例えば図示しない光学系によって、共振器100に向けられる。本実施形態では、光源110が発するレーザ光は、常光線及び異常光線の両方を含む偏光(常光線と異常光線どちらとも平行ではない直線偏光又は円偏光)である。光源110としては、例えば、半導体レーザ、固体レーザ、色素レーザ、ガスレーザ、エキシマレーザ、自由電子レーザなどを利用することができる。周波数制御装置120は、レーザ光の中心周波数が共振器100の共振器モードのうちの1つ(第1の共振器モード)の共鳴周波数に一致するように、Pound−Drever−Hall法を使用して光源110を制御する。以下では、レーザ光の中心周波数をロックする対象になる1つの共振器モードを第1の共振器モードと呼ぶ。   In the first embodiment, a light source that emits laser light will be described as an example of the first electromagnetic wave source. The light source 110 emits laser light, and this laser light is directed to the resonator 100 by an optical system (not shown), for example. In the present embodiment, the laser light emitted from the light source 110 is polarized light including both ordinary and extraordinary rays (linearly polarized light or circularly polarized light that is not parallel to both ordinary and extraordinary rays). As the light source 110, for example, a semiconductor laser, a solid-state laser, a dye laser, a gas laser, an excimer laser, a free electron laser, or the like can be used. The frequency control device 120 uses the Pound-Drever-Hall method so that the center frequency of the laser light matches the resonance frequency of one of the resonator modes of the resonator 100 (first resonator mode). To control the light source 110. Hereinafter, one resonator mode that is a target for locking the center frequency of the laser light is referred to as a first resonator mode.

受光器(受信部ともいう)130は、共振器100から放出されるレーザ光(透過光)を受光して検出信号を生成する。検出信号は、受光した透過光の強度を示す。受光器130としては、例えば、フォトダイオードを利用することができる。透過光の偏光状態を調べるために、共振器100と受光器130との間に偏光ビームスプリッタ160を配置してもよい。   A light receiver (also referred to as a receiving unit) 130 receives the laser light (transmitted light) emitted from the resonator 100 and generates a detection signal. The detection signal indicates the intensity of the received transmitted light. As the light receiver 130, for example, a photodiode can be used. In order to examine the polarization state of the transmitted light, a polarizing beam splitter 160 may be disposed between the resonator 100 and the light receiver 130.

温度制御装置140は、受光器130から検出信号をフィードバック信号として受け取り、フィードバック信号に従って共振器100の温度を制御する。電圧制御装置150は、共振器100の共鳴周波数を変更するために、共振器100に電圧を印加する。   The temperature control device 140 receives the detection signal from the light receiver 130 as a feedback signal, and controls the temperature of the resonator 100 according to the feedback signal. The voltage control device 150 applies a voltage to the resonator 100 in order to change the resonance frequency of the resonator 100.

次に、図1の共振器システムを詳細に説明する。   Next, the resonator system of FIG. 1 will be described in detail.

まず、温度制御装置140が共振器100の温度を制御する方法を説明する。
一般に、共振器の共鳴周波数は、共振器の温度によって大きく変動する。例えば、LiNbOで作られているモノリシックな共振器では、共鳴周波数は1℃で数GHz変動する。共振器の共鳴周波数を一定に保つためには、共振器の温度を一定に保つ必要がある。共振器の温度を一定に保つ方法としては、共振器の複数個所に温度センサをつけて共振器の温度にフィードバックする方法や、自己参照型温度安定化法を利用することができる。自己参照型温度安定化法としては、第1の共振器モードの周波数が第2の共振器モードの周波数と一致する温度に固定する手法(第1の手法)、並びに、共振器への入射電磁波と共振器のメカニカルモード(音響モード)が結合して発生するStokes光の周波数が第2の共振器モードの周波数と一致する温度に固定する手法(第2の手法)がある。共振器システムは、自己参照型温度安定化法を利用することで高精度の温度制御を行うことが可能になる。
First, a method in which the temperature control device 140 controls the temperature of the resonator 100 will be described.
In general, the resonance frequency of a resonator greatly varies depending on the temperature of the resonator. For example, in a monolithic resonator made of LiNbO, the resonance frequency fluctuates several GHz at 1 ° C. In order to keep the resonance frequency of the resonator constant, it is necessary to keep the temperature of the resonator constant. As a method of keeping the temperature of the resonator constant, a method of attaching temperature sensors to a plurality of locations of the resonator and feeding back to the temperature of the resonator, or a self-reference temperature stabilization method can be used. As a self-reference type temperature stabilization method, a method of fixing the frequency of the first resonator mode to a temperature that matches the frequency of the second resonator mode (first method), and an electromagnetic wave incident on the resonator There is a method (second method) in which the frequency of the Stokes light generated by combining the mechanical mode (acoustic mode) of the resonator and the resonator is fixed at a temperature that matches the frequency of the second resonator mode. The resonator system can perform temperature control with high accuracy by using a self-reference temperature stabilization method.

本実施形態では、上述した第1の手法を用いて共振器100の温度を制御する。以下では、共振器の温度を共振器温度と呼ぶ。第1の手法は、複屈折結晶における常光線モード及び異常光線モードの屈折率の温度依存性の違いを利用するものであり、nK(ナノケルビン)〜pK(ピコケルビン)の温度安定性を達成する。   In the present embodiment, the temperature of the resonator 100 is controlled using the first method described above. Hereinafter, the temperature of the resonator is referred to as the resonator temperature. The first method uses the difference in temperature dependence of the refractive index between the ordinary ray mode and the extraordinary ray mode in the birefringent crystal, and achieves the temperature stability of nK (nanokelvin) to pK (picokelvin). .

第1の共振器モードの共鳴周波数をνとし、他の1つの共振器モード(第2の共振器モードと呼ぶ。)の共鳴周波数をνとする。これらの共鳴周波数ν及びνは、共振器温度に依存する。共振器温度Tが特定の温度Tlockである場合、第1の共振器モードの周波数νは第2の共振器モードの周波数νと一致する。即ち、ν(Tlock)=ν(Tlock)である。本実施形態では、共振器温度は、温度制御装置140によって、第1の共振器モードの周波数νが第2の共振器モードの周波数νと一致する温度に固定される。 The resonance frequency of the first resonator mode is ν 1, and the resonance frequency of the other resonator mode (referred to as the second resonator mode) is ν 2 . These resonance frequencies ν 1 and ν 2 depend on the resonator temperature. When the resonator temperature T is a specific temperature T lock , the frequency ν 1 of the first resonator mode coincides with the frequency ν 2 of the second resonator mode. That is, ν 1 (T lock ) = ν 2 (T lock ). In this embodiment, the resonator temperature is fixed to a temperature at which the frequency ν 1 of the first resonator mode matches the frequency ν 2 of the second resonator mode by the temperature control device 140.

第1の共振器モードの周波数νと第2の共振器モードの周波数νとが異なる場合、即ち、共振器温度が温度Tlockでない場合、図2(a)に示すように、光源110からの周波数νのレーザ光が共振器100に入射すると、第1の共振器モードと同じ偏光の光のみが共振器100を透過する。これに対し、第1の共振器モードの周波数νと第2の共振器モードの周波数νとが一致する場合、即ち、共振器温度が温度Tlockである場合、図2(b)に示すように、第1の共振器モードと同じ偏光の光とともに、第2の共振器モードと同じ偏光の光も共振器100を透過する。図2(a)及び(b)に示されるΔν(T)は、第1の共振器モードと第2の共振器モードとの周波数差を表す。 If a frequency [nu 1 of the first resonator mode frequency [nu 2 of the second resonator modes are different, i.e., if the cavity temperature is not the temperature T lock, as shown in FIG. 2 (a), the light source 110 When the laser beam having the frequency ν 1 from the laser beam enters the resonator 100, only the light having the same polarization as that in the first resonator mode is transmitted through the resonator 100. In contrast, if the frequency [nu 1 of the first resonator mode and a frequency [nu 2 of the second resonator modes are matched, i.e., if the cavity temperature is a temperature T lock, in FIG. 2 (b) As shown, light having the same polarization as that of the first resonator mode and light having the same polarization as that of the second resonator mode are transmitted through the resonator 100. Δν (T) shown in FIGS. 2A and 2B represents a frequency difference between the first resonator mode and the second resonator mode.

本実施形態では、後述するように、第1の共振器モードが常光線モードの中から選択されて第2の共振器モードが異常光線モードの中から選択され、或いは、第1の共振器モードが異常光線モードの中から選択されて第2の共振器モードが常光線モードの中から選択される。常光線と異常光線のどちらも含む偏光の光を入射光として使用することで、特定の温度Tlock以外の温度では共振器100で反射される偏光の光が、特定の温度Tlockで共振器100を透過するようになる。偏光ビームスプリッタ160は、共振器100からの透過光のうち、第1の共振器モードと同じ偏光の光を90度だけ反射し、第2の共振器モードと同じ偏光の光を通過させる。温度制御装置140は、フィードバック信号が示す透過光の強度が極大になる温度に、即ち、受光器130で第2の共振器モードと同じ偏光の光が検出される温度に、共振器温度を調節する。温度調節方法としては、例えば、ペルチェ素子などの熱電素子を使用する方法、変調したレーザにより温める方法などがある。 In the present embodiment, as will be described later, the first resonator mode is selected from the ordinary ray mode and the second resonator mode is selected from the extraordinary ray mode, or the first resonator mode is selected. Is selected from the extraordinary ray mode, and the second resonator mode is selected from the ordinary ray mode. The polarization of light either of the ordinary ray and the extraordinary ray comprises the use as the incident light, the polarization of the light is at a temperature other than the specific temperature T lock reflected by the resonator 100, the resonator at a specific temperature T lock 100 is transmitted. The polarization beam splitter 160 reflects light having the same polarization as that of the first resonator mode out of the transmitted light from the resonator 100 by 90 degrees and transmits light having the same polarization as that of the second resonator mode. The temperature control device 140 adjusts the resonator temperature to a temperature at which the intensity of transmitted light indicated by the feedback signal is maximized, that is, a temperature at which the light having the same polarization as the second resonator mode is detected by the light receiver 130. To do. Examples of the temperature adjustment method include a method using a thermoelectric element such as a Peltier element and a method of heating with a modulated laser.

ここで、共振器モードの共鳴周波数の温度依存性について説明する。
共振器の共振器モードのスペクトルは、例えば櫛形のような、ローレンツ型の透過域が等間隔に並んだ形状を有し、共振器モードのピーク周波数(共鳴周波数)及び間隔(フリースペクトルレンジ(FSR))は、共振器のサイズ及び共振器内部の屈折率で決定される。共振器モードの共鳴周波数の温度による変化率は、下記数式(1)で表される。

Figure 2013205473
Here, the temperature dependence of the resonance frequency of the resonator mode will be described.
The resonator mode spectrum of the resonator has a shape in which Lorentz-type transmission regions are arranged at regular intervals, such as a comb shape, and the peak frequency (resonance frequency) and interval of the resonator mode (free spectrum range (FSR)). )) Is determined by the size of the resonator and the refractive index inside the resonator. The rate of change of the resonance frequency of the resonator mode with temperature is expressed by the following formula (1).
Figure 2013205473

ただし、共振器温度Tにおける第eの共振器モードの共鳴周波数をν(T)、熱膨張係数をα、屈折率をn(T)とする。ここで、e=1、2である。 However, the resonance frequency of the e-th resonator mode at the resonator temperature T is ν e (T), the thermal expansion coefficient is α, and the refractive index is n e (T). Here, e = 1 and 2.

複数の共振器モードのうちの2つの共振器モード(第1及び第2の共振器モード)の共鳴周波数の温度依存性を図3に示す。図3に示されるように、共振器温度が温度Tlockである場合に、第1の共振器モードの共鳴周波数νが第2の共振器モードの共鳴周波数νと一致する。従って、温度制御装置140によって共振器温度が温度Tlockに固定されると、共振器100の全ての共振器モードの共鳴周波数も固定温度Tlockでの周波数に一意的に決定される。 FIG. 3 shows the temperature dependence of the resonance frequency of two resonator modes (first and second resonator modes) of the plurality of resonator modes. As shown in FIG. 3, when the resonator temperature is the temperature T lock , the resonance frequency ν 1 of the first resonator mode coincides with the resonance frequency ν 2 of the second resonator mode. Therefore, when the resonator temperature is fixed to the temperature T lock by the temperature control device 140, the resonance frequencies of all the resonator modes of the resonator 100 are also uniquely determined as the frequencies at the fixed temperature T lock .

次に、電圧制御装置150が共振器100の共鳴周波数を制御する方法を説明する。
自己参照型温度安定化法では、上述したように、共振器モードの共鳴周波数が一意的に決定される。本実施形態では、電気光学効果を利用して共振器100の屈折率を変化させることにより、共振器モードの共鳴周波数を変更することが可能である。本実施形態では、共振器100の共鳴周波数を変更する手法として、共振器100に電圧(静電場)を印加する手法を用いる。なお、共振器100の屈折率を変化させる方法は、電場を利用する手法に限らず、例えば磁場を利用する手法であってもよい。
Next, a method in which the voltage control device 150 controls the resonance frequency of the resonator 100 will be described.
In the self-referencing temperature stabilization method, as described above, the resonance frequency of the resonator mode is uniquely determined. In the present embodiment, the resonance frequency of the resonator mode can be changed by changing the refractive index of the resonator 100 using the electro-optic effect. In this embodiment, as a method of changing the resonance frequency of the resonator 100, a method of applying a voltage (electrostatic field) to the resonator 100 is used. Note that the method of changing the refractive index of the resonator 100 is not limited to a method using an electric field, and may be a method using a magnetic field, for example.

電気光学係数が有限な物質の場合、共振器モードの周波数の電圧Vによる変化率は、下記数式(2)で表される。

Figure 2013205473
In the case of a material having a finite electro-optic coefficient, the rate of change of the resonator mode frequency by the voltage V is expressed by the following formula (2).
Figure 2013205473

ただし、電圧が0の時の第eの共振器モードの共鳴周波数をν(0)、第eの共振器モードの一次の電気光学係数をr、電極間の距離をdとする。ある電圧Vを共振器100に印加した場合の第1及び第2の共振器モードの共鳴周波数の温度依存性を図4に示す。図4において、ν´(T)は、電圧Vを共振器100に印加した場合の第1の共振器モードの共鳴周波数を示し、ν´(T)は、電圧Vを共振器100に印加した場合の第2の共振器モードの共鳴周波数を示す。このように、電圧Vを共振器100に印加すると、電気光学効果によって共振器モードの共鳴周波数が異なる量だけ変化する。これにより、第1の共振器モードの共鳴周波数が第2の共振器モードの共鳴周波数と一致する固定温度が温度Tlock´にシフトする。この結果、固定温度における共振器モードの共鳴周波数がシフトする。 However, the resonance frequency of the e-th resonator mode when the voltage is 0 is ν e (0), the primary electro-optic coefficient of the e-th resonator mode is r e , and the distance between the electrodes is d. FIG. 4 shows the temperature dependence of the resonance frequency of the first and second resonator modes when a certain voltage V is applied to the resonator 100. In FIG. 4, ν 1 ′ (T) represents the resonance frequency of the first resonator mode when the voltage V is applied to the resonator 100, and ν 2 ′ (T) represents the voltage V applied to the resonator 100. The resonance frequency of the 2nd resonator mode at the time of applying is shown. Thus, when the voltage V is applied to the resonator 100, the resonance frequency of the resonator mode changes by a different amount due to the electro-optic effect. As a result, the fixed temperature at which the resonance frequency of the first resonator mode coincides with the resonance frequency of the second resonator mode is shifted to the temperature T lock ′. As a result, the resonance frequency of the resonator mode at a fixed temperature is shifted.

電圧を印加することによって共振器モードの共鳴周波数をシフトさせ、新しい周波数一致条件下(固定温度Tlock´)で温度安定化させることにより、温度安定化時の共鳴周波数を可変としている。即ち、自己参照型温度安定化法によって高い温度安定性を達成するとともに、共鳴周波数可変な共振器システムを実現することができる。さらに、周波数設定に利用するのは静電場であるため、高精度に且つ安定性も高い設定が容易であり、自己参照型温度安定化法によるnK(ナノケルビン)〜pK(ピコケルビン)の温度安定性を損なうことなく、固定温度での周波数をシフトさせることができる。このようにして、本実施形態の共振器システムは、電気光学効果を利用して「温度安定化に利用する信号(共振器100からの透過光)が強く放出されるときの周波数」を変化させている。 By applying a voltage, the resonance frequency of the resonator mode is shifted, and the temperature is stabilized under a new frequency matching condition (fixed temperature T lock ′), whereby the resonance frequency at the time of temperature stabilization is made variable. That is, a self-reference type temperature stabilization method can achieve high temperature stability and a resonator system with a variable resonance frequency. Furthermore, since the electrostatic field is used to set the frequency, it is easy to set with high accuracy and high stability, and the temperature is stabilized from nK (nanokelvin) to pK (picokelvin) by the self-reference temperature stabilization method. The frequency at a fixed temperature can be shifted without impairing the performance. In this way, the resonator system of the present embodiment uses the electro-optic effect to change the “frequency when a signal used for temperature stabilization (transmitted light from the resonator 100) is strongly emitted”. ing.

設定可能な共鳴周波数の範囲を広くするために、好ましくは、2つの共振器モードの電気光学係数の差が大きな結晶材料が共振器100の材料として使用される。また、数式(2)に示されるように、電極間の距離が小さいほど、共振モードの周波数が大きく変化する。従って、電極間の距離を小さくするように共振器100の大きさを小さくすることにより、同じ電圧でも共鳴周波数を大きくシフトさせることができる。   In order to widen the settable resonance frequency range, a crystal material having a large difference in electro-optic coefficient between the two resonator modes is preferably used as the material of the resonator 100. Further, as shown in Equation (2), the resonance mode frequency changes greatly as the distance between the electrodes decreases. Therefore, by reducing the size of the resonator 100 so as to reduce the distance between the electrodes, the resonance frequency can be greatly shifted even with the same voltage.

次に、図5を参照して、第1の共振器モード及び第2の共振器モードを選択する方法を説明する。
第1の手法を用いる場合には、特定の温度で2つ共振器モードの共鳴周波数が一致する必要がある。このため、図5のj番目の常光線モードとj+1番目(又はj−1番目)の常光線モードのように、FSRだけ離れて隣り合う2つの常光線モードを使用することは不可能である。図5に示されるように、j番目の常光線モードを第1の共振器モードとして選択する場合、常光線モードと直交する偏光の異常光線モードのうち、共鳴周波数を一致させることが可能な異常光線モード(k番目の異常光線モード)を第2の共振器モードとして選択することができる。ここでj及びkは整数である。なお、上述した例に代えて、第1の共振器モードを異常光線モードの中から選択し、第2の共振器モードを常光線モードの中から選択してもよい。
Next, a method for selecting the first resonator mode and the second resonator mode will be described with reference to FIG.
When the first method is used, the resonance frequencies of the two resonator modes need to match at a specific temperature. For this reason, it is impossible to use two ordinary ray modes that are separated by FSR and are adjacent to each other like the j-th ordinary ray mode and the j + 1th (or j−1) th ordinary ray mode in FIG. . As shown in FIG. 5, when the j-th ordinary ray mode is selected as the first resonator mode, among the extraordinary ray modes of polarized light orthogonal to the ordinary ray mode, the anomaly that can match the resonance frequency. The light beam mode (kth extraordinary light beam mode) can be selected as the second resonator mode. Here, j and k are integers. Instead of the above-described example, the first resonator mode may be selected from the extraordinary ray mode, and the second resonator mode may be selected from the ordinary ray mode.

次に、本実施形態の共振器システムの動作例について具体的に説明する。
本実施形態の共振器100では、共振器温度が25.0℃であるときに、第1の共振器モードの共鳴周波数νと第2の共振器モードの共鳴周波数νがともに280THzになるものとする。さらに、第1の共振器モードが常光線モードから選択され、第2の共振器モードが異常光線モードから選択されているものとする。25.0℃では、第1の共振器モードの屈折率nは2.2であり、第2の共振器モードの屈折率nは2.1である。即ち、n(25.0℃)=2.2であり、n(25.0℃)=2.1である。屈折率の温度依存性n(T)及びn(T)は、下記数式(3)で表される。

Figure 2013205473
Next, an operation example of the resonator system according to the present embodiment will be specifically described.
In the resonator 100 of this embodiment, when the resonator temperature is 25.0 ° C., the resonance frequency ν 1 of the first resonator mode and the resonance frequency ν 2 of the second resonator mode are both 280 THz. Shall. Further, it is assumed that the first resonator mode is selected from the ordinary ray mode, and the second resonator mode is selected from the extraordinary ray mode. At 25.0 ° C., the refractive index n 1 of the first resonator mode is 2.2, and the refractive index n 2 of the second resonator mode is 2.1. That is, n 1 (25.0 ° C.) = 2.2 and n 2 (25.0 ° C.) = 2.1. The temperature dependence n 1 (T) and n 2 (T) of the refractive index is expressed by the following mathematical formula (3).
Figure 2013205473

ここで、e=1,2である。さらに、X=1.41×10−6、Y=2.14×10−8、X=3.85×10−5、Y=1.15×10−7である。また、熱膨張係数αは2.9×10−6である。 Here, e = 1 and 2. Furthermore, X 1 = 1.41 × 10 -6 , Y 1 = 2.14 × 10 -8, X 2 = 3.85 × 10 -5, a Y 2 = 1.15 × 10 -7. The thermal expansion coefficient α is 2.9 × 10 −6 .

周波数制御装置120は、光源110からのレーザ光の中心周波数が第1の共振器モードの共鳴周波数νに一致するように、光源110を制御する。温度制御装置140は、異常光線モードと同じ偏光状態の光が受光器130で検出される温度、即ち、フィードバック信号に示される光の強度が極大になるように温度にフィードバックをかける。その結果、共振器温度が25.0℃に固定される。 The frequency control device 120 controls the light source 110 so that the center frequency of the laser light from the light source 110 matches the resonance frequency ν 1 of the first resonator mode. The temperature control device 140 applies a feedback to the temperature at which the light having the same polarization state as that in the extraordinary light mode is detected by the light receiver 130, that is, the intensity of the light indicated in the feedback signal is maximized. As a result, the resonator temperature is fixed at 25.0 ° C.

上述したように、共振器モードの共鳴周波数は、共振器モードの屈折率に依存する。本実施形態では、屈折率は、電圧制御装置150により共振器100に電圧を印加することで変更される。共振器100に電圧を印加するための1対の電極は、共振器100の短軸方向に対向して設けられ、電極間の距離は10μmである。共振器100に2Vの電圧を印加すると、25.0℃では、第1及び第2の共振器モードの共鳴周波数はそれぞれ1.3GHz、4GHzだけ高周波数側にシフトする。ここで、LiNbOの一次の電気光学係数r及びrはそれぞれ9.6×10−12及び3.09×10−11である。このように第1及び第2の共振器モードの電気光学係数が異なるため、2Vの電圧下で第1の共振器モードの共鳴周波数と第2の共振器モードの共鳴周波数とが一致する固定温度Tlock´はシフトする。この例では、固定温度Tlock´は、25.0℃から25.3℃にシフトし、固定温度Tlock´での第1及び第2の共振器モードの共鳴周波数は、280THzから2.7GHzだけシフトする。即ち、ν(25.3℃)=ν(25.3℃)=280.0027THzである。温度制御装置140は、フィードバック信号に示される光の強度が極大となる新しい固定温度Tlock´に固定し直す。このように共振器100に電圧を印加することにより、共振器の共鳴周波数を変更することができる。 As described above, the resonance frequency of the resonator mode depends on the refractive index of the resonator mode. In the present embodiment, the refractive index is changed by applying a voltage to the resonator 100 by the voltage control device 150. A pair of electrodes for applying a voltage to the resonator 100 are provided facing the minor axis direction of the resonator 100, and the distance between the electrodes is 10 μm. When a voltage of 2 V is applied to the resonator 100, at 25.0 ° C., the resonance frequencies of the first and second resonator modes are shifted to the higher frequency side by 1.3 GHz and 4 GHz, respectively. Here, the primary electro-optic coefficients r 1 and r 2 of LiNbO are 9.6 × 10 −12 and 3.09 × 10 −11 , respectively. Thus, since the electro-optic coefficients of the first and second resonator modes are different, the fixed temperature at which the resonance frequency of the first resonator mode and the resonance frequency of the second resonator mode coincide with each other under a voltage of 2V. T lock ′ shifts. In this example, the fixed temperature T lock ′ is shifted from 25.0 ° C. to 25.3 ° C., and the resonance frequency of the first and second resonator modes at the fixed temperature T lock ′ is 280 THz to 2.7 GHz. Just shift. That is, ν 1 (25.3 ° C.) = Ν 2 (25.3 ° C.) = 280.0027 THz. The temperature control device 140 fixes the light intensity indicated by the feedback signal to a new fixed temperature T lock ′ that maximizes the light intensity. By applying a voltage to the resonator 100 in this way, the resonance frequency of the resonator can be changed.

以上のように、第1の実施形態に係る共振器システムは、自己参照型温度安定化法を利用して共振器の温度制御を行う温度制御装置と、共振器に電圧を印加する電圧制御装置とを備えることにより、高い温度安定性を達成するとともに、共振器の共鳴周波数を変更することができる。   As described above, the resonator system according to the first embodiment includes the temperature control device that controls the temperature of the resonator using the self-reference temperature stabilization method, and the voltage control device that applies a voltage to the resonator. In addition to achieving high temperature stability, the resonance frequency of the resonator can be changed.

(第2の実施形態)
第2の実施形態では、共振器への入射電磁波と共振器のメカニカルモード(音響モード)が結合して発生するStokes光の周波数が第2の共振器モードの周波数と一致する温度に固定する手法(第2の手法)を、自己参照型温度安定化法として用いて、共振器の温度制御を行う。第2の実施形態では、第1の実施形態と異なる部分及び動作を主に説明し、第1の実施形態と同様の部分及び動作についての説明は適宜省略する。
(Second Embodiment)
In the second embodiment, a method of fixing the frequency of the Stokes light generated by combining the electromagnetic wave incident on the resonator and the mechanical mode (acoustic mode) of the resonator to a temperature that matches the frequency of the second resonator mode. The temperature control of the resonator is performed using (second method) as a self-reference type temperature stabilization method. In the second embodiment, parts and operations different from those in the first embodiment will be mainly described, and descriptions of parts and operations similar to those in the first embodiment will be omitted as appropriate.

図6は、第2の実施形態に係る共振器システムを概略的に示している。図6に示される共振器システムは、図1に示される共振器システムと実質的に同様の構成を有する。より具体的には、図1に示される共振器システムから偏光ビームスプリッタ160を除去した構成を有する。   FIG. 6 schematically shows a resonator system according to the second embodiment. The resonator system shown in FIG. 6 has substantially the same configuration as the resonator system shown in FIG. More specifically, the polarization beam splitter 160 is removed from the resonator system shown in FIG.

まず、本実施形態に係る、共振器100の温度を制御する方法を説明する。
第1の共振器モードの共鳴周波数をνとする。光源110からの周波数νのレーザ光が共振器100に入射すると、レーザ光が共振器100のメカニカルモードと結合し、それにより、図7(a)に示すように、周波数νからメカニカルモードの固有周波数νだけ低周波数側にシフトした光(Stokes光)が共振器100から放出される。共振器温度が特定の温度Tlockである場合には、図7(b)に示すように、Stokes光の周波数が例えば隣接の共振器モードなどの他の共振器モード(第2の共振器モード)の共鳴周波数νに一致し、Stokes光は、共鳴効果により強く放出される。即ち、Stokes光が強く放出される条件は、第1の共振器モードと第2の共振器モードとの周波数差Δν(T)がメカニカルモードの固有周波数ν(T)と一致することであり、即ち、Δν(Tlock)=ν(Tlock)を満たすことである。受光器130は、共振器100から放出されるStokes光(透過光)を受光し、受光した光の強度を示す検出信号をフィードバック信号として温度制御装置140に送出する。温度制御装置140は、フィードバック信号が示す強度が極大になる温度に共振器温度を固定する。
First, a method for controlling the temperature of the resonator 100 according to the present embodiment will be described.
The resonance frequency of the first resonator mode is ν 1 . When laser light of frequency [nu 1 from the light source 110 is incident on the resonator 100, the laser light is coupled with the mechanical mode of the resonator 100, thereby, as shown in FIG. 7 (a), a mechanical mode from the frequency [nu 1 The light (Stokes light) shifted to the lower frequency side by the natural frequency ν m is emitted from the resonator 100. When the resonator temperature is a specific temperature T lock , as shown in FIG. 7B, the frequency of the Stokes light is set to another resonator mode (second resonator mode) such as the adjacent resonator mode. ) of matching the resonant frequency [nu 2, Stokes light is strongly emitted by resonance effect. That is, the condition under which the Stokes light is strongly emitted is that the frequency difference Δν (T) between the first resonator mode and the second resonator mode matches the natural frequency ν m (T) of the mechanical mode. That is, Δν (T lock ) = ν m (T lock ) is satisfied. The light receiver 130 receives the Stokes light (transmitted light) emitted from the resonator 100 and sends a detection signal indicating the intensity of the received light to the temperature control device 140 as a feedback signal. The temperature control device 140 fixes the resonator temperature at a temperature at which the intensity indicated by the feedback signal is maximized.

第1の共振器モードと第2の共振器モードとの周波数差Δνとメカニカルモードの固有周波数νは温度依存性が異なるので、決まった温度Tlockでしか条件を満たさない。この特性を利用することにより、共振器温度を高精度に安定させることができる。なお、メカニカルモードの周波数の温度による変化量は下記数式(4)で表される。

Figure 2013205473
Since the frequency difference Δν between the first resonator mode and the second resonator mode and the natural frequency ν m of the mechanical mode are different in temperature, the condition is satisfied only at a predetermined temperature T lock . By utilizing this characteristic, the resonator temperature can be stabilized with high accuracy. The amount of change in the frequency of the mechanical mode depending on the temperature is expressed by the following mathematical formula (4).
Figure 2013205473

ただし、ある温度Tにおけるメカニカルモードの共鳴周波数をνm(T)、音速をυs(T)とする。   However, the resonance frequency of the mechanical mode at a certain temperature T is νm (T), and the sound speed is νs (T).

なお、共振器100からは、Stokes光とともに、メカニカルモードの固有周波数νだけ高周波数側にシフトした光(anti−Stokes光)も放出される。共振器システムは、Stokes光に代えて、anti−Stokes光を利用して温度制御を行うこともできる。本実施形態では、Stokes光を利用する場合を説明する。 The resonator 100 also emits light (anti-Stokes light) shifted to the higher frequency side by the natural frequency ν m of the mechanical mode together with the Stokes light. The resonator system can also perform temperature control using anti-Stokes light instead of Stokes light. In this embodiment, a case where Stokes light is used will be described.

第1及び第2の共振器モードの共鳴周波数とStokes光の周波数の温度依存性を図8に示す。図8に示されるように、第2の手法で固定される共振器温度は、Stokes光の周波数と第2の共振器モードの共鳴周波数とが一致する温度Tlockになる。温度制御装置140によって共振器温度が温度Tlockに固定されると、共振器100の全ての共振器モードの共鳴周波数も固定温度Tlockでの周波数に一意的に決定される。 FIG. 8 shows the temperature dependence of the resonance frequency of the first and second resonator modes and the frequency of the Stokes light. As shown in FIG. 8, the resonator temperature fixed by the second method is a temperature T lock at which the frequency of the Stokes light and the resonance frequency of the second resonator mode coincide. When the resonator temperature is fixed to the temperature T lock by the temperature control device 140, the resonance frequencies of all the resonator modes of the resonator 100 are also uniquely determined as the frequencies at the fixed temperature T lock .

次に、本実施形態に係る、共振器100の共鳴周波数を制御する方法を説明する。
第2の実施形態は、第1の実施形態と同様にして、電気光学効果を利用して共振器100の屈折率を変化させることにより、共振器モードの共鳴周波数を変更することが可能である。メカニカルモードの周波数は、電圧(電場)の印加によってほとんど変化しないことが知られている。従って、第2の手法を用いる場合には、図9に示すように、電場印加下での固定温度Tlock´における共振器モードの周波数及びStokes光の周波数を、実質的に共振器モードの周波数シフト分だけシフトすることができる。図9において、ν´(T)は、ある電圧Vを共振器100に印加した場合の第1の共振器モードの共鳴周波数を示し、ν´(T)は、電圧Vを共振器100に印加した場合の第2の共振器モードの共鳴周波数を示す。
Next, a method for controlling the resonance frequency of the resonator 100 according to the present embodiment will be described.
In the second embodiment, similarly to the first embodiment, the resonance frequency of the resonator mode can be changed by changing the refractive index of the resonator 100 using the electro-optic effect. . It is known that the frequency of the mechanical mode hardly changes with the application of voltage (electric field). Therefore, when using the second method, as shown in FIG. 9, the frequency of the resonator mode and the frequency of the Stokes light at the fixed temperature T lock ′ under application of an electric field are substantially equal to the frequency of the resonator mode. It is possible to shift by the shift amount. In FIG. 9, ν 1 ′ (T) represents the resonance frequency of the first resonator mode when a certain voltage V is applied to the resonator 100, and ν 2 ′ (T) represents the voltage V applied to the resonator 100. The resonance frequency of the second resonator mode when applied to is shown.

次に、図10を参照して、本実施形態に係る、第1の共振器モード及び第2の共振器モードを選択する方法を説明する。   Next, a method of selecting the first resonator mode and the second resonator mode according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

図10に示すように、j番目の常光線モードを第1の共振器モードとして選択すると、メカニカルモードの結合によりj番目のStokes光が発生する。このとき、j番目以外の常光線モード又はいずれかの(図10ではk番目の)異常光線モードを第2の共振器モードとして選択する。これに代えて、j番目の異常光線モードを第1の共振器モードとして選択し、j番目以外の異常光線モード又はいずれかの常光線モードを第2の共振器モードとして選択してもよい。   As shown in FIG. 10, when the jth ordinary ray mode is selected as the first resonator mode, the jth Stokes light is generated by the coupling of the mechanical mode. At this time, an ordinary ray mode other than the j-th or any extraordinary ray mode (k-th in FIG. 10) is selected as the second resonator mode. Alternatively, the jth extraordinary ray mode may be selected as the first resonator mode, and the extraordinary ray mode other than the jth or any ordinary ray mode may be selected as the second resonator mode.

次に、本実施形態の共振器システムの動作例について具体的に説明する。
本実施形態では、第1の共振器モードとして常光線モードを用い、第2の共振器モードとして異常光線モードを用いるものとする。さらに、共振器温度が25.0℃であるときに、第1の共振器モードの共鳴周波数νが280THzになり、第2の共振器モードの共鳴周波数νが280THzから0.1GHzだけ低周波数側にあり、共振器温度が25.0℃であるときに、メカニカルモードの固有周波数が0.1GHzであるとする。即ち、共振器温度が25.0℃のときに、Stokes光の周波数が第2の共振器モードの共鳴周波数νに一致する。25.0℃では、第1の共振器モードの屈折率nは2.2であり、第2の共振器モードの屈折率nは2.1である。即ち、n(25.0℃)=2.2であり、n(25.0℃)=2.1である。屈折率の温度依存性n(T)及びn(T)は、上記数式(3)で表される。
Next, an operation example of the resonator system according to the present embodiment will be specifically described.
In the present embodiment, the ordinary ray mode is used as the first resonator mode, and the extraordinary ray mode is used as the second resonator mode. Furthermore, when the resonator temperature is 25.0 ° C., the resonance frequency ν 1 of the first resonator mode is 280 THz, and the resonance frequency ν 2 of the second resonator mode is reduced by 280 THz to 0.1 GHz. When it is on the frequency side and the resonator temperature is 25.0 ° C., the natural frequency of the mechanical mode is assumed to be 0.1 GHz. That is, when the resonator temperature is 25.0 ° C., the frequency of the Stokes light matches the resonance frequency ν 2 of the second resonator mode. At 25.0 ° C., the refractive index n 1 of the first resonator mode is 2.2, and the refractive index n 2 of the second resonator mode is 2.1. That is, n 1 (25.0 ° C.) = 2.2 and n 2 (25.0 ° C.) = 2.1. The temperature dependence of the refractive index n 1 (T) and n 2 (T) is expressed by the above mathematical formula (3).

周波数制御装置120は、光源110からのレーザ光の中心周波数が第1の共振器モードの共鳴周波数νに一致するように、Pound−Drever−Hall法を使用して光源110を制御する。温度制御装置140は、Stokes光が受光器130で検出される温度、即ち、フィードバック信号に示される光の強度が極大になるように温度にフィードバックをかける。その結果、共振器温度が25.0℃に固定される。 The frequency control device 120 controls the light source 110 using the Pound-Drever-Hall method so that the center frequency of the laser light from the light source 110 matches the resonance frequency ν 1 of the first resonator mode. The temperature control device 140 applies feedback to the temperature such that the Stokes light is detected by the light receiver 130, that is, the intensity of the light indicated in the feedback signal is maximized. As a result, the resonator temperature is fixed at 25.0 ° C.

電圧制御装置150が共振器100に2Vの電圧を印加すると、25.0℃では、第1及び第2の共振器モードの共鳴周波数はそれぞれ1.3GHz、4GHzだけ高周波数側にシフトする。これにより、2Vの電圧下で第1の共振器モードの共鳴周波数と第2の共振器モードの共鳴周波数との差がメカニカルモードの固有周波数に一致する固定温度Tlock´は25.3℃にシフトし、共鳴周波数が2.7GHzだけシフトする。温度制御装置140は、フィードバック信号に示される光の強度が極大となる新しい固定温度Tlock´に固定し直す。 When the voltage controller 150 applies a voltage of 2V to the resonator 100, at 25.0 ° C., the resonance frequencies of the first and second resonator modes shift to the higher frequency side by 1.3 GHz and 4 GHz, respectively. As a result, the fixed temperature T lock ′ at which the difference between the resonance frequency of the first resonator mode and the resonance frequency of the second resonator mode matches the natural frequency of the mechanical mode at a voltage of 2 V is 25.3 ° C. The resonance frequency is shifted by 2.7 GHz. The temperature control device 140 fixes the light intensity indicated by the feedback signal to a new fixed temperature T lock ′ that maximizes the light intensity.

以上のように、第2の実施形態に係る共振器システムは、第1の実施形態と同様に、自己参照型温度安定化法を利用して共振器の温度制御を行う温度制御装置と、共振器に電圧を印加する電圧制御装置とを備えることにより、高い温度安定性を達成するとともに、共振器の共鳴周波数を変更することができる。   As described above, the resonator system according to the second embodiment is similar to the first embodiment in that the temperature control device that performs temperature control of the resonator using the self-reference temperature stabilization method, By providing a voltage control device that applies a voltage to the resonator, it is possible to achieve high temperature stability and to change the resonance frequency of the resonator.

(第3の実施形態)
図11は、第3の実施形態に係る光源装置を概略的に示している。図11に示される光源装置は、図1に示される共振器システムの構成に加えて、レーザ光源1170、及び周波数制御装置1180を備える。なお、本実施形態では光源装置が第1の実施形態に係る共振器システム(図1)を備える例を説明するが、光源装置は、第1の実施形態に係る共振器システムに代えて、第2の実施形態に係る共振器システム(図6)を備えるものであってもよい。
(Third embodiment)
FIG. 11 schematically shows a light source device according to the third embodiment. The light source device shown in FIG. 11 includes a laser light source 1170 and a frequency control device 1180 in addition to the configuration of the resonator system shown in FIG. In the present embodiment, an example in which the light source device includes the resonator system (FIG. 1) according to the first embodiment will be described. However, the light source device is replaced with the resonator system according to the first embodiment. The resonator system according to the second embodiment (FIG. 6) may be provided.

第3の実施形態においては第2の電磁波源としてレーザ光源を例に説明する。レーザ光源1170はレーザ光を発し、このレーザ光は図示しない光学系によって共振器100に向けられる。周波数制御装置1180は、レーザ光源1170の中心周波数が共振器100の第1の共振器モードの共鳴周波数に一致するように、レーザ光源1170を制御する。具体的には、周波数制御装置1180は、共振器100で反射されたレーザ光を検出し、この検出結果に基づいてレーザ光源1170の中心周波数を調整する。なお、レーザ光源1170の中心周波数は、共振器100の第1の共振器モードの共鳴周波数に一致するように制御される例に限らず、共振器100の他の共振器モードの共鳴周波数に一致するように制御されてもよい。   In the third embodiment, a laser light source will be described as an example of the second electromagnetic wave source. The laser light source 1170 emits laser light, and this laser light is directed to the resonator 100 by an optical system (not shown). The frequency control device 1180 controls the laser light source 1170 so that the center frequency of the laser light source 1170 matches the resonance frequency of the first resonator mode of the resonator 100. Specifically, the frequency control device 1180 detects the laser beam reflected by the resonator 100 and adjusts the center frequency of the laser light source 1170 based on the detection result. Note that the center frequency of the laser light source 1170 is not limited to the example controlled to match the resonance frequency of the first resonator mode of the resonator 100, but matches the resonance frequency of the other resonator modes of the resonator 100. It may be controlled to do.

第1の共振器モードの共鳴周波数は、第1の実施形態で説明した温度制御を行うことによって安定している。従って、この第1の共振器モードに周波数をロックしているレーザ光源1170は、非常に高い周波数安定性を得ることができる。さらに、共振器100と受光器130との間には、レーザ光源1170で生成されて共振器100を透過したレーザ光を光源装置の出力光として取り出すためにビームスプリッタ1190が設けられている。   The resonance frequency of the first resonator mode is stabilized by performing the temperature control described in the first embodiment. Therefore, the laser light source 1170 whose frequency is locked in the first resonator mode can obtain very high frequency stability. Further, a beam splitter 1190 is provided between the resonator 100 and the light receiver 130 in order to extract laser light generated by the laser light source 1170 and transmitted through the resonator 100 as output light of the light source device.

さらに、第1の実施形態で説明したように、共振器モードの共鳴周波数は、共振器100に電圧を印加することにより調節可能である。このように電圧の印加によって共振器モードの共鳴周波数を調節することで、出力光の周波数を調節することが可能となる。   Furthermore, as described in the first embodiment, the resonance frequency of the resonator mode can be adjusted by applying a voltage to the resonator 100. In this way, by adjusting the resonance frequency of the resonator mode by applying a voltage, the frequency of the output light can be adjusted.

以上のように、第3の実施形態に係る光源装置は、第1の実施形態に係る共振器システムを利用することにより、出力光の周波数が可変であるとともに、高い周波数安定性を実現することができる。   As described above, the light source device according to the third embodiment uses the resonator system according to the first embodiment so that the frequency of the output light is variable and high frequency stability is realized. Can do.

(第4の実施形態)
第4の実施形態では、第1の実施形態に係る共振器システムを光フィルタとして使用する一例を説明する。
図12は、第4の実施形態に係る光源装置を概略的に示している。この光源装置は、図1に示される共振器システムを光周波数フィルタとして使用する。具体的には、図12の光源装置は、図1に示される共振器システムの構成に加えて、白色光源1270及びビームスプリッタ1290を備える。なお、本実施形態では光源装置が第1の実施形態に係る共振器システム(図1)を備える例を説明するが、光源装置は、第1の実施形態に係る共振器システムに代えて、第2の実施形態に係る共振器システム(図6)を備えるものであってもよい。
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment, an example in which the resonator system according to the first embodiment is used as an optical filter will be described.
FIG. 12 schematically shows a light source device according to the fourth embodiment. This light source device uses the resonator system shown in FIG. 1 as an optical frequency filter. Specifically, the light source device of FIG. 12 includes a white light source 1270 and a beam splitter 1290 in addition to the configuration of the resonator system shown in FIG. In the present embodiment, an example in which the light source device includes the resonator system (FIG. 1) according to the first embodiment will be described. However, the light source device is replaced with the resonator system according to the first embodiment. The resonator system according to the second embodiment (FIG. 6) may be provided.

白色光源1270は白色光を発し、この白色光は図示しない光学系によって共振器100に向けられる。白色光を共振器100に入射すると、第1及び第2の共振器モードそれぞれからフリースペクトルレンジ(FSR)だけ離間したローレンツ型の透過域が並んだ(例えば櫛状のような)形状のスペクトルを有する透過光が得られる。ビームスプリッタ1290は、は、白色光源1270で生成されて共振器100を透過した光を光源装置の出力光として取り出すために、共振器100と受光器130との間に配置されている。   The white light source 1270 emits white light, and the white light is directed to the resonator 100 by an optical system (not shown). When white light is incident on the resonator 100, a spectrum having a shape (for example, a comb shape) in which Lorentz-type transmission regions separated from each of the first and second resonator modes by a free spectral range (FSR) are arranged. The transmitted light having is obtained. The beam splitter 1290 is disposed between the resonator 100 and the light receiver 130 in order to extract light generated by the white light source 1270 and transmitted through the resonator 100 as output light of the light source device.

共振器モードの共鳴周波数は、第1の実施形態で説明した温度制御を行うことによって安定しているので、透過スペクトルの周波数安定性も高い。即ち、共振器システムは、非常に高い周波数安定性を持つ光周波数フィルタとして利用することができる。   Since the resonance frequency of the resonator mode is stabilized by performing the temperature control described in the first embodiment, the frequency stability of the transmission spectrum is also high. That is, the resonator system can be used as an optical frequency filter having very high frequency stability.

さらに、共振器100に電圧を印加して共振器モードの周波数を変更すると、白色光源1270から共振器100に入射して共振器100を透過した透過光のスペクトルも同時にシフトする。   Furthermore, when a voltage is applied to the resonator 100 to change the frequency of the resonator mode, the spectrum of the transmitted light that has entered the resonator 100 from the white light source 1270 and passed through the resonator 100 is also shifted.

以上のように、第4の実施形態によれば、共振器100に印加する電圧を制御することで、共振器システムを、周波数可変且つ透過スペクトルの周波数安定性の高い光周波数フィルタとして利用することができる。   As described above, according to the fourth embodiment, by controlling the voltage applied to the resonator 100, the resonator system can be used as an optical frequency filter having a variable frequency and high frequency stability of the transmission spectrum. Can do.

(第5の実施形態)
第5の実施形態では、第1の実施形態に係る共振器システムを光フィルタとして使用する他の例を説明する。
(Fifth embodiment)
In the fifth embodiment, another example in which the resonator system according to the first embodiment is used as an optical filter will be described.

図13は、第5の実施形態に係る光源装置を概略的に示している。この光源装置は、図1に示される共振器システムを光周波数フィルタとして使用する。具体的には、図13の光源装置は、図1に示される共振器システムの構成に加えて、2色光源1370及びビームスプリッタ1390を備える。なお、本実施形態では光源装置が第1の実施形態に係る共振器システム(図1)を備える例を説明するが、光源装置は、第1の実施形態に係る共振器システムに代えて、第2の実施形態に係る共振器システム(図6)を備えるものであってもよい。   FIG. 13 schematically shows a light source device according to the fifth embodiment. This light source device uses the resonator system shown in FIG. 1 as an optical frequency filter. Specifically, the light source device of FIG. 13 includes a two-color light source 1370 and a beam splitter 1390 in addition to the configuration of the resonator system shown in FIG. In the present embodiment, an example in which the light source device includes the resonator system (FIG. 1) according to the first embodiment will be described. However, the light source device is replaced with the resonator system according to the first embodiment. The resonator system according to the second embodiment (FIG. 6) may be provided.

2色光源1370は、第1の光及び第2の光を含むレーザ光を発し、このレーザ光は、図示しない光学系によって共振器100に向けられる。ここでは、第1の光の周波数が280THzであり、第2の光の周波数が280THz+2.7GHzであるとする。共振器に電圧が印加されていないときには、2色光源1370からのレーザ光が共振器100に入射すると、共振器システムは、第2の光を反射して第1の光を透過する光選択フィルタとして機能する。一方、共振器に2Vの電圧が印加されているときには、共振器システムは、第1の光を反射して第2の光を透過する光選択フィルタとして機能する。ビームスプリッタ1390は、2色光源1370で生成されて共振器100を透過した光を光源装置の出力光として取り出すために、共振器100と受光器130との間に配置されている。   The two-color light source 1370 emits laser light including first light and second light, and this laser light is directed to the resonator 100 by an optical system (not shown). Here, it is assumed that the frequency of the first light is 280 THz and the frequency of the second light is 280 THz + 2.7 GHz. When no voltage is applied to the resonator, when the laser light from the two-color light source 1370 enters the resonator 100, the resonator system reflects the second light and transmits the first light. Function as. On the other hand, when a voltage of 2 V is applied to the resonator, the resonator system functions as an optical selection filter that reflects the first light and transmits the second light. The beam splitter 1390 is disposed between the resonator 100 and the light receiver 130 in order to extract light generated by the two-color light source 1370 and transmitted through the resonator 100 as output light of the light source device.

共振器モードの共鳴周波数は、第1の実施形態で説明した温度制御を行うことによって安定しているので、透過スペクトルの周波数安定性も高い。即ち、共振器システムは、非常に高い周波数安定性を持つ光周波数フィルタとして利用することができる。   Since the resonance frequency of the resonator mode is stabilized by performing the temperature control described in the first embodiment, the frequency stability of the transmission spectrum is also high. That is, the resonator system can be used as an optical frequency filter having very high frequency stability.

以上のように、第5の実施形態によれば、共振器100に印加する電圧を制御することで、共振器システムを、周波数可変且つ透過スペクトルの周波数安定性の高い光周波数フィルタとして利用することができる。   As described above, according to the fifth embodiment, by controlling the voltage applied to the resonator 100, the resonator system can be used as an optical frequency filter having a variable frequency and a high frequency stability of the transmission spectrum. Can do.

なお、各実施形態で説明した配置及び形状は一例であり、同様の効果が得られる異なる配置及び形状を用いることができる。さらに、共振器100の材料は、LiNbOの例に限らず、LiTaO、KDP、MgFなどの電気光学効果を持つ異なる材料を用いることができる。   In addition, the arrangement | positioning and shape demonstrated by each embodiment are examples, and the different arrangement | positioning and shape from which the same effect is acquired can be used. Furthermore, the material of the resonator 100 is not limited to the example of LiNbO, and different materials having an electro-optic effect such as LiTaO, KDP, and MgF can be used.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

100…共振器、110…光源、120…周波数制御装置、130…受光器、140…温度制御装置、150…電圧制御装置、160…偏光ビームスプリッタ、1170…レーザ光源、1180…周波数制御装置、1190,1290,1390…ビームスプリッタ、1270…白色光源、1370…2色光源。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Resonator, 110 ... Light source, 120 ... Frequency control device, 130 ... Light receiver, 140 ... Temperature control device, 150 ... Voltage control device, 160 ... Polarizing beam splitter, 1170 ... Laser light source, 1180 ... Frequency control device, 1190 , 1290, 1390 ... beam splitter, 1270 ... white light source, 1370 ... two-color light source.

Claims (7)

第1の共鳴周波数を有する第1の共振器モードと第2の共鳴周波数を有する第2の共振器モードとを備え、前記第1の共鳴周波数と前記第2の共鳴周波数とが互いに異なる温度依存性を有する、共振器と、
前記共振器に、第1の周波数を有する第1の電磁波を入射する第1の電磁波源と、
前記第1の周波数が前記第1の共鳴周波数に一致するように、前記第1の電磁波源を制御する第1の制御部と、
前記第2の共振器モードと共鳴して前記共振器外部に放出された電磁波である第2の電磁波を受信する受信部と、
前記第2の電磁波の強度が極大になるように、前記共振器の温度を制御する第2の制御部と、
前記第2の電磁波の強度が極大となる周波数を変更するために、前記共振器内部の屈折率を制御する第3の制御部と、
を具備することを特徴とする共振器システム。
A first resonator mode having a first resonance frequency and a second resonator mode having a second resonance frequency, wherein the first resonance frequency and the second resonance frequency are different from each other. Having a resonator,
A first electromagnetic wave source that inputs a first electromagnetic wave having a first frequency to the resonator;
A first controller that controls the first electromagnetic wave source so that the first frequency matches the first resonance frequency;
A receiving unit that receives a second electromagnetic wave that is an electromagnetic wave resonated with the second resonator mode and emitted to the outside of the resonator;
A second control unit for controlling the temperature of the resonator so that the intensity of the second electromagnetic wave is maximized;
A third control unit for controlling the refractive index inside the resonator in order to change the frequency at which the intensity of the second electromagnetic wave becomes maximum;
A resonator system comprising:
前記第2の電磁波は、前記第1の電磁波が前記第2の共振器モードと共鳴して前記共振器を透過した電磁波であることを特徴とする請求項1に記載の共振器システム。   2. The resonator system according to claim 1, wherein the second electromagnetic wave is an electromagnetic wave that is transmitted through the resonator after the first electromagnetic wave resonates with the second resonator mode. 前記第2の電磁波は、前記第1の電磁波が前記共振器のメカニカルモードと結合して発生した電磁波であって、前記第2の共振器モードと共鳴して前記共振器外部に放出された電磁波であることを特徴とする請求項1に記載の共振器システム。   The second electromagnetic wave is an electromagnetic wave generated by combining the first electromagnetic wave with a mechanical mode of the resonator, and is emitted to the outside of the resonator by resonating with the second resonator mode. The resonator system according to claim 1, wherein: 前記第3の制御部は、前記屈折率を制御するために、前記共振器に電場又は磁場を印加することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の共振器システム。   4. The resonator system according to claim 1, wherein the third control unit applies an electric field or a magnetic field to the resonator in order to control the refractive index. 5. 前記第1の電磁波源は、半導体レーザであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の共振器システム。   The resonator system according to claim 1, wherein the first electromagnetic wave source is a semiconductor laser. 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の共振器システムと、
前記第1の共振器モードを含む複数の共振器モードのうちの1つに周波数をロックされる第2の電磁波源と、
を具備することを特徴とする光源装置。
A resonator system according to any one of claims 1 to 5;
A second electromagnetic wave source whose frequency is locked to one of a plurality of resonator modes including the first resonator mode;
A light source device comprising:
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の共振器システムを具備する周波数フィルタ。   A frequency filter comprising the resonator system according to claim 1.
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