JP2018205546A - Widebnad light generator - Google Patents

Widebnad light generator Download PDF

Info

Publication number
JP2018205546A
JP2018205546A JP2017111136A JP2017111136A JP2018205546A JP 2018205546 A JP2018205546 A JP 2018205546A JP 2017111136 A JP2017111136 A JP 2017111136A JP 2017111136 A JP2017111136 A JP 2017111136A JP 2018205546 A JP2018205546 A JP 2018205546A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical
broadband light
phase modulator
light generator
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2017111136A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
圓佛 晃次
Kouji Enbutsu
晃次 圓佛
忠永 修
Osamu Tadanaga
修 忠永
毅伺 梅木
Takeshi Umeki
毅伺 梅木
貴大 柏崎
Takahiro Kashiwazaki
貴大 柏崎
拓志 風間
Takushi Kazama
拓志 風間
真志 阿部
Shinji Abe
真志 阿部
笠原 亮一
Ryoichi Kasahara
亮一 笠原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP2017111136A priority Critical patent/JP2018205546A/en
Publication of JP2018205546A publication Critical patent/JP2018205546A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

To provide a wideband light generator.SOLUTION: A wideband light generator of the present invention comprises a mode synchronous fiber laser, and a dispersion adding unit composed of a single mode fiber laser for compressing the pulse width of each pulse in an optical pulse train generated by the mode synchronous fiber laser and outputting wideband light. The wideband light generator is further characterized in that the mode synchronous fiber laser consists of a phase synchronous loop, including an electrooptical phase modulator within the phase synchronous loop, the electrooptical phase modulator including an electrooptical phase modulator structure that includes a substrate, a core containing lithium niobate of higher refractive index than the substrate and joined to the substrate, and an electrode structure for applying a modulation signal to the core.SELECTED DRAWING: Figure 9

Description

本発明は、広帯域光発生装置に関する。   The present invention relates to a broadband light generator.

近年その潜在能力の高さから広帯域な光源が求められており、様々な機関において広帯域光源の研究・開発、さらには商用化の検討が活発である。最近では広帯域光源の光通信、光計測の分野への応用の検討も活発化している。この光通信、光計測の分野においては広帯域性に加え、光周波数間隔の揃った光源への期待が拡大している(非特許文献1)
その期待に応えるべく多くの広帯域光源技術が提案されている。これまで、広帯域の光の生成方法としてモード同期法が開発されてきた。モード同期法はレーザ発振器において、発振モード間の位相関係を固定させることで、極限的に短い光パルスを発生させることにより広帯域な光源を得る手法であり、これまで広帯域光源の実用に一般的に用いられてきた。さらに近年では、より高帯域化をめざし、モード同期Tiサファイヤ固体レーザとフォトニック結晶ファイバ(PCF)による発生法が一般的となっていた。
In recent years, a broadband light source has been demanded due to its high potential, and research and development of a broadband light source and further commercialization are actively conducted in various organizations. Recently, studies on application of broadband light sources to the fields of optical communication and optical measurement have been activated. In the fields of optical communication and optical measurement, in addition to broadband characteristics, expectations for light sources with uniform optical frequency intervals are expanding (Non-Patent Document 1).
Many broadband light source technologies have been proposed to meet these expectations. Until now, a mode-locking method has been developed as a method for generating broadband light. The mode-locking method is a technique for obtaining a broadband light source by generating extremely short light pulses by fixing the phase relationship between the oscillation modes in a laser oscillator. Has been used. Furthermore, in recent years, a generation method using a mode-locked Ti sapphire solid-state laser and a photonic crystal fiber (PCF) has become common for higher bandwidth.

これらの技術に対して近年、短パルスレーザからの光パルスを高非線形ファイバ(HNLF)などの非線形媒質に入射し、そこで起きる非線形効果によりスペクトルを拡大させることにより、通信波長帯から赤外波長までに及ぶ更なる超広帯域の光を得る手法の検討が活発化している。この広帯域光源は、そのスペクトルの広帯域な連続性からスーパーコンティニューム光と呼ばれたり、光周波数軸上でみると櫛状に発振スペクトルが規則正しく並んでいるため、光スペクトル形状から光周波数コムとも呼ばれたりしており、光通信用光源や光周波数計測などへの応用に向けて活発に開発されている。   In recent years, optical pulses from short pulse lasers are incident on nonlinear media such as highly nonlinear fibers (HNLF), and the spectrum is expanded by nonlinear effects that occur in these technologies. Studies on obtaining ultra-wideband light that spans a wide range are intensifying. This broadband light source is called supercontinuum light because of its broad spectrum continuity, or because the oscillation spectrum is regularly arranged in a comb shape on the optical frequency axis, it is also called an optical frequency comb from the shape of the optical spectrum. It has been actively developed for application to light sources for optical communication and optical frequency measurement.

このスーパーコンティニューム光や光周波数コムと呼ばれる超広帯域光の発生には光パルスを生成する短パルスレーザの違いにより複数の方法・構成が提案されている。   For the generation of ultra-wideband light called supercontinuum light or optical frequency comb, a plurality of methods and configurations have been proposed depending on the difference between short pulse lasers that generate optical pulses.

非線形ファイバループ型モード同期レーザを用いる方法はエルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)とファイバループにより、ループ内で生じる非線形偏波回転を利用し光パルスを生成する方法である。このファイバループを用いた広帯域光源はファイバ部品との親和性がよく、安定性が高いメリットを有する。   The method using a nonlinear fiber loop type mode-locked laser is a method of generating an optical pulse by using an erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) and a fiber loop and utilizing nonlinear polarization rotation generated in the loop. The broadband light source using this fiber loop has a good affinity with fiber parts and has the advantage of high stability.

このように近年の広帯域光源では短パルスレーザにより生成した光パルスを高非線形ファイバなどの非線形媒質に入射し、そこで発現する非線形光学効果によりスペクトルを拡大させることにより超広帯域の光源を得る方法が一般的となっている。   As described above, in recent broadband light sources, an optical pulse generated by a short pulse laser is incident on a nonlinear medium such as a highly nonlinear fiber, and a method of obtaining an ultra-wideband light source by expanding the spectrum by the nonlinear optical effect generated there It is the target.

日経サイエンス2008年7月号、P86−94 訳者 稲場 肇「最も精確なものさし 光コム」Nikkei Science July 2008 Issue, P86-94 Translated by Inaba Satoshi “The Most Accurate Measure Hikari Com” W. Imajuku and A. Takada, IEEE J. Quantum Electron. 39, 799 (2003).W. Imajuku and A.I. Takada, IEEE J. et al. Quantum Electron. 39, 799 (2003). E. Yamazaki, A. Takada, and T. Morioka, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 12, 536 (2006).E. Yamazaki, A .; Takada, and T.K. Morioka, IEEE J.M. SeI. Top. Quantum Electron. 12, 536 (2006). Yoshiaki Nakajima, 18 January 2010 / Vol. 18, No. 2 / OPTICS EXPRESS 1667Yoshiaki Nakajima, 18 January 2010 / Vol. 18, no. 2 / OPTICS EXPRESS 1667 Kana Iwakuni, 18 June 2012 / Vol. 20, No. 13 / OPTICS EXPRESS 13769Kana Iwakuni, 18 June 2012 / Vol. 20, no. 13 / OPTICS EXPRESS 13769 M. Asobe, T. Umeki, and O.Tadanaga, “Phase sensitive amplification with noise figure below the 3 dB quantum limit using CW pumped PPLN waveguide,” Optics Express 20, 13164−13172, 2012M.M. Asobe, T .; Umeki, and O.I. Tadanaga, “Phase sensitive amplification with noise figure bellow the 3 dB quantum limit using CW pumped PPLN waveguide,” Optics 4- 13 Exp 20 Enbutsu, Koji, et al. "Integratedquasi−phase−matched second−harmonic generator and electro−optic phase modulator for low−noise phase−sensitiveamplification.” Optics letters 40.14 (2015): 3336−3339Enbutsu, Koji, et al. "Integratedquasi-phase-matched second-harmonic generator and electro-optic phase modulator for low-quantitative 33-40.

以下に、広帯域光源の課題について述べる。ファイバループ型短パルスレーザなどにより生成した光パルスを高非線形ファイバなどの非線形媒質に入射して広帯域な光を発生させる何れの手法においても、短パルスレーザから出力される光パルスの光出力は現状、10mW程度に制限され、そのままでは非線形効果による広帯域化が困難であるため、これらの検討ではスペクトル拡大のための高非線形ファイバ中での4光波混合を発生させるために必要なパワーレベルまでEDFAなどの光増幅器を用いて光パルスを増幅することにより広帯域化が行われている。しかしながらこの光増幅器を用いる構成においては、以下に述べる課題が存在する。   Below, the problem of a broadband light source is described. The optical output of the optical pulse output from the short pulse laser is the current status in any method that generates a broadband light by injecting an optical pulse generated by a fiber loop type short pulse laser into a nonlinear medium such as a highly nonlinear fiber. Because it is limited to about 10 mW and it is difficult to increase the bandwidth by using the nonlinear effect as it is, in these studies, EDFA and the like are used up to the power level necessary for generating four-wave mixing in the highly nonlinear fiber for spectrum expansion. Broadening the bandwidth by amplifying an optical pulse using an optical amplifier. However, the configuration using this optical amplifier has the following problems.

前述のように高非線形ファイバでの4光波混合(FWM)を発生させるために光パルスをEDFAで高出力化する必要があるが、EDFAで加わる自然放出光(ASE)雑音が、生成される広帯域光の信号・雑音比(SNR)を劣化させる原因となっている。EDFAで過剰に付加されるASE雑音はスペクトル拡大のための4光波混合で発生する光のSNRを劣化することが知られている。(非特許文献3)。このASE雑音の影響はEDFAへの入力パワーが低いほど強く現れるため、広帯域光のSNRを高く確保するにはEDFAへの入力パワーを高く保つこと、すなわち短パルスレーザからの光パルスの出力を高めることがきわめて重要となる。広帯域光源は広範囲な波長域を有することは勿論のこととして、高いSNRを有することは光源の応用上、極めて重要である。   As described above, in order to generate four-wave mixing (FWM) in a highly nonlinear fiber, it is necessary to increase the output of an optical pulse with an EDFA, but a spontaneous emission light (ASE) noise added by the EDFA is generated in a wide band. This is a cause of deteriorating the signal / noise ratio (SNR) of light. It is known that ASE noise added excessively by the EDFA deteriorates the SNR of light generated by four-wave mixing for spectrum expansion. (Non-Patent Document 3). Since the influence of the ASE noise becomes stronger as the input power to the EDFA is lower, in order to secure a high SNR of broadband light, the input power to the EDFA is kept high, that is, the output of the optical pulse from the short pulse laser is increased. Is extremely important. In addition to having a wide wavelength range, a broadband light source has a high SNR, which is extremely important for light source applications.

例えば広帯域光源を光周波数計測に用いる場合、広帯域光から自己参照法により発生させたビート信号をOE変換し、RFスペクトルからキャリアエンベロープオフセット周波数(fceo)やパルス繰り返し周波数(frep)を、さらに広帯域光と被測定レーザと干渉させ、ビート信号fbeatを決定し被測定レーザの光周波数を決定するが、スペクトル拡大用EDFAからのASE雑音に起因する広帯域光のSNRの劣化は、OE変換後のRFスペクトル上のノイズフロアを上昇させてしまう。その結果、fceoなどの周波数の識別・判別が困難になり、ミスカウントの増加を引き起こし周波数測定精度を悪化させてしまうため、光パルス増幅用のEDFAへの入力パワーを高く確保し高いSNRの広帯域光を生成することが必要不可欠である。   For example, when a broadband light source is used for optical frequency measurement, beat signals generated from the broadband light by the self-reference method are OE-converted, and the carrier envelope offset frequency (fceo) and pulse repetition frequency (frep) are further converted from the RF spectrum to the broadband light. The beat signal fbeat is determined and the optical frequency of the laser to be measured is determined. However, the SNR degradation of the broadband light caused by the ASE noise from the spectrum expansion EDFA is caused by the RF spectrum after OE conversion. Raise the upper noise floor. As a result, it becomes difficult to identify and discriminate frequencies such as fceo, which causes an increase in miscounts and deteriorates frequency measurement accuracy. Therefore, high input power to the EDFA for optical pulse amplification is ensured and a high SNR wideband It is essential to generate light.

このような広帯域光源のSNRの劣化の問題は、光通信やガスセンシングなどの応用分野においても同様であり伝送容量の低下やセンシング感度の低下などの悪影響を与えるため避けなければならない。   The problem of degradation of the SNR of such a broadband light source is the same in application fields such as optical communication and gas sensing, and must be avoided because it adversely affects transmission capacity and sensing sensitivity.

換言するとEDFAへの入力パワーすなわち短パルスレーザの出力をできる限り大きく確保することによりこの問題は回避できる。そのためにはファイバループ励起用に高出力のLDを用いたりするなどして短パルスレーザからのパルス出力を増大すればよい。しかしながら現状の光源構成において、このような高出力励起LDを適用するだけでは広帯域光のSNR劣化の問題を解決することは困難である。   In other words, this problem can be avoided by securing as much as possible the input power to the EDFA, that is, the output of the short pulse laser. For this purpose, the pulse output from the short pulse laser may be increased by using a high output LD for fiber loop excitation. However, in the current light source configuration, it is difficult to solve the problem of SNR degradation of broadband light only by applying such a high-power excitation LD.

その最大の理由は短パルスレーザを構成する光部品である変調器の光入力パワー耐性の低さにある。以下、この変調器の光入力パワー耐性について説明する。   The biggest reason is the low optical input power tolerance of the modulator which is an optical component constituting the short pulse laser. Hereinafter, the optical input power tolerance of this modulator will be described.

図1に従来の広帯域光源である広帯域光発生装置の基本構成を示す。図1は、短パルスレーザ100は光増幅器110と接続し、光増幅器110は分散補償光ファイバ120と接続し、分散補償光ファイバ120は高非線形ファイバ130と接続する構成を示している。   FIG. 1 shows a basic configuration of a broadband light generating apparatus which is a conventional broadband light source. FIG. 1 shows a configuration in which the short pulse laser 100 is connected to an optical amplifier 110, the optical amplifier 110 is connected to a dispersion compensating optical fiber 120, and the dispersion compensating optical fiber 120 is connected to a highly nonlinear fiber 130.

図2に広帯域光発生装置を構成する短パルスレーザ100の一つの形態として非線形ファイバループレーザを用いたモード同期(ファイバ)レーザ100aを示す。図2は、シングルモード(光)ファイバ(SMF)202を介して、光アイソレータ201、エルビウム添加ファイバ(EDF)203、位相変調器204、偏波コントローラ205、光カップラ206、光カップラ207、及び非線形ファイバループレーザ励起用LD光源208が接続する構成を示している。図2に示す非線形ファイバループレーザを用いたモード同期レーザはEDF203とファイバループにより、ループ内で生じる非線形偏波回転を利用し光パルスを生成する。ここでこの非線形ファイバループレーザは環境の変化によりループ長の変化や、音響的雑音の影響などによりループ内の位相の安定性が崩され、そのままでは長期間安定した発振が困難である。   FIG. 2 shows a mode-locked (fiber) laser 100a using a nonlinear fiber loop laser as one form of the short pulse laser 100 constituting the broadband light generator. FIG. 2 shows an optical isolator 201, an erbium-doped fiber (EDF) 203, a phase modulator 204, a polarization controller 205, an optical coupler 206, an optical coupler 207, and a non-linearity via a single mode (optical) fiber (SMF) 202. A configuration in which a fiber loop laser excitation LD light source 208 is connected is shown. The mode-locked laser using the nonlinear fiber loop laser shown in FIG. 2 generates an optical pulse by using the nonlinear polarization rotation generated in the loop by the EDF 203 and the fiber loop. Here, this nonlinear fiber loop laser loses the stability of the phase in the loop due to the change of the loop length due to the change of the environment and the influence of acoustic noise, and it is difficult to oscillate stably for a long time as it is.

そのためファイバループを短パルスレーザでは長期安定動作のため位相同期ループ(PLL)を構成することが一般的である。PLLは以下のように動作する。ループ内に204に示す位相変調器を挿入し、出力パルスパワーが最大となるようフィードバック回路から得られた補償信号を位相変調器204に印加することによりループ内の位相変化を相殺する。ここで光源の動作環境の様々な外乱の影響を吸収するためには応答速度が速い位相変調器を使用することが必要となる。また当然のこととして位相変調器には低損失性も要求される。   Therefore, it is common to form a phase-locked loop (PLL) for a long-term stable operation in a short pulse laser with a fiber loop. The PLL operates as follows. A phase modulator indicated by 204 is inserted into the loop, and the compensation signal obtained from the feedback circuit is applied to the phase modulator 204 so that the output pulse power becomes maximum, thereby canceling the phase change in the loop. Here, in order to absorb the influence of various disturbances in the operating environment of the light source, it is necessary to use a phase modulator having a high response speed. Of course, the phase modulator is also required to have low loss.

図2に示すような非線形ファイバループ型短パルスレーザにおいて位相変調器が不可欠であるが、これらの変調器には高駆動電圧が必要であることや変調器の存在が短パルスレーザからのパルスの出力パワーを低下させていることが課題となっていた。   Phase modulators are indispensable for nonlinear fiber loop type short pulse lasers as shown in FIG. 2. However, these modulators require a high drive voltage and the presence of the modulator is a pulse from a short pulse laser. Decreasing output power has been a problem.

非線形ファイバループ型においては、これまでの検討でPLLによる安定動作実現のため、高速な応答速度を有する位相変調器であるバルク結晶を用いたEO位相変調器が使用されてきた。図3にバルク結晶を用いたEO位相変調器400の構成例を示す。位相変調器400は、レンズ402、電極404、及び電極404に接するEO結晶403からなる。電極404は、交流電源405と接続する。EO効果は酸化物結晶材料における電子の応答に起因したポッケルス効果により得られるきわめて高速な屈折率変化・すなわち位相変調が可能であり、ピエゾ素子を用いた位相変調器の帯域に比べはるかに広い帯域を示す。そのため近年EO位相変調器をPLLに用いた広帯域光源が検討され、その広帯域光源を適用した光周波数測定においてきわめて長期間の安定動作が確認されている(非特許文献4)。しかしながらその高速性から環境変化によるファイバループ長変動に伴う位相変動に高速に追従できるものの、バルク結晶型であるため電極404の間隔を狭くすることが困難であるため駆動電圧が高いことが問題であった。さらに問題となるのは光の結合効率である。光ファイバ401とのEO結晶403との光学的な結合効率が低くループ内の光損失を招き、光パルスの出力パワーの低下を招いてしまう問題があった。   In the nonlinear fiber loop type, an EO phase modulator using a bulk crystal, which is a phase modulator having a high response speed, has been used in order to realize a stable operation by a PLL in the studies so far. FIG. 3 shows a configuration example of an EO phase modulator 400 using a bulk crystal. The phase modulator 400 includes a lens 402, an electrode 404, and an EO crystal 403 in contact with the electrode 404. The electrode 404 is connected to the AC power source 405. The EO effect is capable of very fast refractive index change / phase modulation obtained by the Pockels effect due to the electron response in the oxide crystal material, which is a much wider band than that of a phase modulator using a piezo element. Indicates. Therefore, in recent years, a broadband light source using an EO phase modulator in a PLL has been studied, and an extremely long-term stable operation has been confirmed in optical frequency measurement using the broadband light source (Non-Patent Document 4). However, because of its high speed, it can follow the phase fluctuation accompanying the fluctuation of the fiber loop length due to environmental changes at a high speed. However, since it is a bulk crystal type, it is difficult to reduce the interval between the electrodes 404, and thus the drive voltage is high. there were. A further problem is the light coupling efficiency. There is a problem in that the optical coupling efficiency between the optical fiber 401 and the EO crystal 403 is low, leading to light loss in the loop and a decrease in the output power of the optical pulse.

このバルク結晶型EO位相変調器の高駆動電圧の問題および接続に伴う光損失の問題を回避するため、近年ファイバとの接続性に富む導波路型電気光学位相変調器(EOPM)を適用する検討がなされている。非特許文献5では導波路型EOPMを用いて発生した広帯域光により長時間の光周波数計測実験が成功している。   In order to avoid the problem of high driving voltage and optical loss due to connection of this bulk crystal type EO phase modulator, in recent years it has been studied to apply a waveguide type electro-optic phase modulator (EOPM) which is rich in connectivity with fibers. Has been made. In Non-Patent Document 5, a long-time optical frequency measurement experiment has been successful with broadband light generated using a waveguide type EOPM.

導波路型EOPMの中で特にTi拡散LN結晶を用いたWG型電気光学変調器(EOM)は高速性に加え光学的接続の親和性に富むことや低駆動電圧性から商用の光ファイバ通信システムで変調信号の生成に用いられているなどの実績があり広く普及している変調器である。 図4にTi拡散LN結晶導波路(Ti拡散WG503)を用いた従来型のEO位相変調器(EOPM)500の構成例を示す。導波路構造により光を閉じ込め、さらに微細加工技術により電極404の間隔をμmオーダーまで狭く形成することが可能であるため、図3に示すバルク型EO位相変調器EOPMに比べ、駆動電圧を大幅に低減することか可能である。さらに導波路型であるため入出力用の光ファイバ401との光学的結合効率が高いため低損失性の利点を有する。   Among the waveguide type EOPMs, the WG type electro-optic modulator (EOM) using Ti diffused LN crystal is a commercial optical fiber communication system because of its high compatibility with optical connection and low driving voltage. It is a widely used modulator with a track record of being used for generating modulation signals. FIG. 4 shows a configuration example of a conventional EO phase modulator (EOPM) 500 using a Ti diffusion LN crystal waveguide (Ti diffusion WG503). Light can be confined by the waveguide structure, and the distance between the electrodes 404 can be narrowed down to the μm order by microfabrication technology. Therefore, the driving voltage is greatly increased compared to the bulk type EO phase modulator EOPM shown in FIG. It can be reduced. Furthermore, since it is of the waveguide type, the optical coupling efficiency with the input / output optical fiber 401 is high, so that it has the advantage of low loss.

以上のように、短パルスレーザからの光パルス光を高非線形ファイバにより広帯域化する構成の広帯域光源においてTi拡散 WG型EOMの適用の検討されている。しかしながら、Ti拡散WG型EOMはフォトリフラクティブ効果に起因した「光損傷」と呼ばれる入力パワーに依存した特性劣化の問題が存在する。   As described above, the application of the Ti diffusion WG type EOM is being studied in a broadband light source having a configuration in which optical pulse light from a short pulse laser is widened with a highly nonlinear fiber. However, the Ti diffusion WG type EOM has a problem of characteristic deterioration depending on input power called “optical damage” due to the photorefractive effect.

ここで、このTi拡散WG型EOMにおける光損傷の問題について2次元の光導波路構造を用いて説明する。   Here, the problem of optical damage in this Ti diffusion WG type EOM will be described using a two-dimensional optical waveguide structure.

図5にTi拡散WGを用いた従来型のEOPM(EO位相シフターとも称する)500の断面図を示す。LN基板602上には光バッファー層603が形成され、光バッファー層603上には電極404が形成されている。電極404は、交流電源405に接続している。Ti拡散WG503ではLN結晶基板602表面にTiを拡散させることにより屈折率を上昇させコア601を形成する。コア601での屈折率分布は概ねガウス分布型で連続して広がっていると考えてよい。図6にTi拡散WGのx、y軸方向の屈折率分布の概観を模式的に示す。また図7に図6に示すガウス型屈折率分布を有する導波路を伝搬する光のx、y軸方向のモードフィールド形状の概観を模式的に示す。図6および7において曲線(a)はそれぞれ光損傷が生じていない場合の屈折率分布およびモードフィールド形状である。ここでLN基板602では、高温化でTiを拡散させる際に生じた結晶欠陥や不純物などによりキャリアが励起されて拡散し、屈折率が変化するフォトリフラクティブ効果が起きやすくなっている。この状態の導波路への入力光パワーを次第に大きくしていくとフォトリフラクティブ効果によりコア領域において光強度分布にほぼ比例した屈折率変化が生じ導波光の中心部の屈折率が周囲に比べて上昇する(図6内曲線(b))。したがって導波路の比屈折率差Δnが上昇し、光の閉じ込め効果が高まりモードフィールド径が小さくなり(図7内曲線(b))、中心部の光強度が低入力パワー入射時に比べて高くなる。その結果さらに中心部の屈折率が増大する。このように入力パワーを強くすると相互作用によりモードフィールドと屈折率分布の狭窄化が連続して発生する自己収束現象が現れる。また、導波路構造がy軸に対して非対称であるため、モードフィールド中心位置も変化し、光ファイバのモードフィールドとの軸ずれを引き起こす。さらに入力パワーを強めていくとついには導波モードが存在できなくなり入力光は基板全体に広がってしまう。導波路と入出力用光ファイバの結合効率は光電界分布のオーバーラップ積分に依存するため、導波路側のモードフィールド変化や軸ずれにより結合効率が低下し、変調器モジュールの挿入損失が増大してしまう重要な問題が存在する。   FIG. 5 shows a cross-sectional view of a conventional EOPM (also referred to as an EO phase shifter) 500 using a Ti diffusion WG. An optical buffer layer 603 is formed on the LN substrate 602, and an electrode 404 is formed on the optical buffer layer 603. The electrode 404 is connected to the AC power source 405. In the Ti diffusion WG 503, the core 601 is formed by increasing the refractive index by diffusing Ti on the surface of the LN crystal substrate 602. It can be considered that the refractive index distribution in the core 601 is generally Gaussian and continuously spread. FIG. 6 schematically shows an overview of the refractive index distribution in the x- and y-axis directions of the Ti diffusion WG. FIG. 7 schematically shows an overview of the mode field shape in the x- and y-axis directions of light propagating through the waveguide having the Gaussian refractive index profile shown in FIG. Curves (a) in FIGS. 6 and 7 are the refractive index distribution and the mode field shape when no optical damage occurs, respectively. Here, in the LN substrate 602, carriers are excited and diffused by crystal defects or impurities generated when Ti is diffused at a high temperature, and a photorefractive effect in which the refractive index changes is likely to occur. When the input light power to the waveguide in this state is gradually increased, the refractive index change in the core region is approximately proportional to the light intensity distribution due to the photorefractive effect, and the refractive index at the center of the guided light increases compared to the surroundings. (Curve (b) in FIG. 6). Accordingly, the relative refractive index difference Δn of the waveguide is increased, the light confinement effect is increased, the mode field diameter is reduced (curve (b) in FIG. 7), and the light intensity at the center is higher than that at the time of low input power incidence. . As a result, the refractive index of the central portion further increases. When the input power is increased in this way, a self-convergence phenomenon in which the mode field and the refractive index profile are continuously narrowed by the interaction appears. In addition, since the waveguide structure is asymmetric with respect to the y-axis, the center position of the mode field also changes, causing an axial deviation from the mode field of the optical fiber. When the input power is further increased, the waveguide mode can no longer exist and the input light spreads over the entire substrate. Since the coupling efficiency between the waveguide and the input / output optical fiber depends on the overlap integral of the optical electric field distribution, the coupling efficiency decreases due to the mode field change and axial deviation on the waveguide side, and the insertion loss of the modulator module increases. There is an important problem that will occur.

この光損傷の影響を評価するために、高い入力パワーの光を市販のファイバ入出力型Ti拡散LNEOPMに入射した場合の挿入損失の経時変化を測定した。図8に測定結果のグラフを示す。図8においてx軸は光の入射時間、y軸は挿入損失の変化量である。評価においてパルス光の平均入力パワーとして100mW、および200mWの2つの条件で実験を行った。図8から分かるように評価の結果、入射時間が長くなるに従い、損失は増加し、また入力パワーの増大によっても損失は増加することが分かった。   In order to evaluate the influence of this optical damage, the time-dependent change in insertion loss was measured when light of high input power was incident on a commercially available fiber input / output Ti diffused LNEOPM. FIG. 8 shows a graph of measurement results. In FIG. 8, the x-axis is the incident time of light, and the y-axis is the amount of change in insertion loss. In the evaluation, an experiment was performed under two conditions of 100 mW and 200 mW as an average input power of pulsed light. As can be seen from FIG. 8, as a result of the evaluation, it was found that the loss increases as the incident time becomes longer, and the loss increases as the input power increases.

以上のように現在一般的な導波路型変調器であるTi拡散WG型EOPMを用いても、高光損傷耐性が備わっていないため、光損傷によりEOPMへの入力パワーが制限される。そのため短パルスレーザからの光パルスを高出力化することが極めて困難である。したがってバルク型EOPMを適用した構成における光パワーの低下の問題と同様、前述のようにスペクトル拡大のためのEDFAへの入力パワーが低下するため高非線形ファイバ(HNL:Highly nonlinear fiber)への入力光に光増幅器からのASEが増大することになり4光波混合でスペクトル拡大された広帯域光の信号対雑音比SNRを劣化させていた。そのためこのようなSNRの劣化の少ない広帯域光源が望まれていた。   As described above, even if the Ti diffusion WG type EOPM, which is a general waveguide type modulator, is used, since it does not have high optical damage resistance, the input power to the EOPM is limited by optical damage. Therefore, it is extremely difficult to increase the output of the light pulse from the short pulse laser. Therefore, the input light to the highly nonlinear fiber (HNL) is reduced because the input power to the EDFA for spectrum expansion decreases as described above, as well as the problem of the decrease in optical power in the configuration using the bulk type EOPM. As a result, the ASE from the optical amplifier is increased, and the signal-to-noise ratio SNR of the broadband light whose spectrum is expanded by four-wave mixing is deteriorated. Therefore, such a broadband light source with little SNR degradation has been desired.

本発明の目的はこのような課題を解決するために高光損傷耐性を有したWG型EOPMを適用し、SNRの高く、長期間安定動作可能な広帯域光発生装置を提供することである。   In order to solve such problems, an object of the present invention is to provide a broadband light generation device that applies a WG type EOPM having high optical damage resistance and has a high SNR and can operate stably for a long period of time.

この広帯域光発生装置に関する技術を鋭意精査した結果、発明者らは広帯域光発生装置中の短パルスレーザを構成するWG型EOPMに直接接合型LN導波路によるEOPMを適用することにより解決可能であることを見出した。近年、これまで説明した光損傷耐性に乏しいTi拡散LN導波路に対して、直接接合法と呼ばれる方法により作製した光損傷耐性に富むLN導波路の非線形光学効果を用いた低雑音光増幅技術やEOPMが報告されており(非特許文献6、7)、ワット級の入力光パワーに対しても導波構造が破壊されることなく安定的に機能していることが確認されている。直接接合法はZnOやMgOをドープした光損傷耐性の高いLN結晶(それぞれZnLN、 MgLN)基板を屈折率の低い他の基板と直接接合・アニールすることにより接合し導波構造を形成する。この直接接合法はZnLNや MgLNを導波路のコア層に用いることにより光損傷耐性を向上させ、高パワーの光を入射することを可能とする技術である。発明者らは検討の結果、この直接接合LN導波路をPLLのためのEOPM用WGに用いることにより、光パルスの出力を高めることでき、スペクトル拡大のための光増幅器への入力パワーを高く確保可能とすることによりこれまでの広帯域光発生装置に比べSNRが高く、長期間安定動作可能な広帯域光発生装置を実現可能である結論に至った。   As a result of diligent research on the technology related to the broadband light generating device, the inventors can solve the problem by applying EOPM using a direct junction type LN waveguide to the WG type EOPM constituting the short pulse laser in the broadband light generating device. I found out. In recent years, a low-noise optical amplification technique using the nonlinear optical effect of an LN waveguide rich in optical damage resistance manufactured by a method called a direct bonding method, compared with the Ti diffusion LN waveguide poor in optical damage resistance described so far, EOPM has been reported (Non-Patent Documents 6 and 7), and it has been confirmed that the waveguide structure functions stably without destroying the watt-class input optical power. In the direct bonding method, a light-damage resistant LN crystal (ZnLN, MgLN respectively) substrate doped with ZnO or MgO is directly bonded and annealed with another substrate having a low refractive index to form a waveguide structure. This direct bonding method is a technique that improves the optical damage resistance by using ZnLN or MgLN for the core layer of the waveguide and allows high-power light to enter. As a result of the study, the inventors have been able to increase the output of the optical pulse by using this direct junction LN waveguide for the WG for the EOPM for the PLL, and ensure a high input power to the optical amplifier for the spectrum expansion. As a result, it was concluded that a broadband light generating device having a higher SNR than conventional broadband light generating devices and capable of stable operation for a long period of time can be realized.

このような目的を達成するため、本発明の広帯域光発生装置の一様態は、
モード同期ファイバレーザと、
前記モード同期ファイバレーザで生成された光パルス列の各光パルスのパルス幅を圧縮して広帯域光を出力するシングルモード光ファイバから構成された分散付与部とを有する広帯域光発生装置において、
前記モード同期ファイバレーザは位相同期ループからなり、前記位相同期ループ内に電気光学位相変調器を有し、
前記電気光学位相変調器は、基板と、前記基板より高い屈折率のニオブ酸リチウムを含む前記基板に接合されたコアと、前記コアに変調信号を印加するための電極構造を含む光導波路型の電気光学変調器構造とを含むことを特徴とする広帯域光発生装置である。
In order to achieve such an object, one aspect of the broadband light generator of the present invention is:
A mode-locked fiber laser;
In a broadband light generator having a dispersion imparting unit composed of a single mode optical fiber that outputs a broadband light by compressing a pulse width of each optical pulse of an optical pulse train generated by the mode-locked fiber laser,
The mode-locked fiber laser comprises a phase-locked loop, and has an electro-optic phase modulator in the phase-locked loop;
The electro-optic phase modulator is an optical waveguide type including a substrate, a core bonded to the substrate including lithium niobate having a higher refractive index than the substrate, and an electrode structure for applying a modulation signal to the core. A broadband light generator comprising an electro-optic modulator structure.

前記電気光学位相変調器は、集中定数型電極構造を備えていてもよい。   The electro-optic phase modulator may include a lumped constant electrode structure.

前記前記電気光学位相変調器は、コプレーナ型電極構造を備えていてもよい。   The electro-optic phase modulator may have a coplanar electrode structure.

前記基板はタンタル酸リチウムの結晶を含み、前記コアは、ZnまたはMgの少なくとも1つがドープされたニオブ酸リチウムの結晶を含む。   The substrate includes a crystal of lithium tantalate, and the core includes a crystal of lithium niobate doped with at least one of Zn or Mg.

本発明により、従来の広帯域光発生装置に比べSNRが高く、長期間安定動作可能な広帯域光発生装置を実現できる。   According to the present invention, it is possible to realize a broadband light generator that has a higher SNR than conventional broadband light generators and can operate stably for a long period of time.

従来の広帯域光発生装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the conventional broadband light generator. ファイバループモード同期レーザを用いた短パルスレーザの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the short pulse laser using a fiber loop mode-locked laser. バルク結晶を用いた従来型のファイバループ光路長調整用位相変調器例を示す図である。It is a figure which shows the example of the conventional phase modulator for fiber loop optical path length adjustment using a bulk crystal. Ti拡散LN結晶導波路を用いた従来型のEO位相変調器例を示す図である。It is a figure which shows the example of the conventional type EO phase modulator using Ti diffused LN crystal waveguide. Ti拡散LN結晶導波路を用いた従来型位相変調器の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the conventional type | mold phase modulator using Ti diffused LN crystal waveguide. (a) 光損傷によるTi拡散LN結晶導波路コア領域の屈折率変化の概念図であって、x軸方向の屈折率分布を示す図である。(b) 光損傷によるTi拡散LN結晶導波路コア領域の屈折率変化の概念図であって、y軸方向の屈折率分布を示す図である。(a) It is a conceptual diagram of the refractive index change of the Ti diffusion LN crystal waveguide core area | region by optical damage, Comprising: It is a figure which shows the refractive index distribution of an x-axis direction. (b) It is a conceptual diagram of the refractive index change of the Ti diffusion LN crystal waveguide core area | region by optical damage, Comprising: It is a figure which shows the refractive index distribution of a y-axis direction. (a) 光損傷によるTi拡散LN結晶導波路の基本伝搬モードのモードフィールド変化の概念図であって、 x軸方向のモードフィールド分布を示す図である。(b) 光損傷によるTi拡散LN結晶導波路の基本伝搬モードのモードフィールド変化の概念図であって、y軸方向のモードフィールド分布を示す図である。(a) It is a conceptual diagram of the mode field change of the fundamental propagation mode of Ti diffusion LN crystal waveguide by optical damage, Comprising: It is a figure which shows the mode field distribution of an x-axis direction. (b) It is a conceptual diagram of the mode field change of the fundamental propagation mode of Ti diffusion LN crystal waveguide by optical damage, Comprising: It is a figure which shows the mode field distribution of a y-axis direction. Ti拡散LN結晶導波路を用いた従来型EO変調器の挿入損失変化を示す図である。It is a figure which shows the insertion loss change of the conventional EO modulator using Ti diffused LN crystal waveguide. 実施の形態1に係る広帯域光発生装置の構成を示す図である。1 is a diagram illustrating a configuration of a broadband light generation apparatus according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係る直接接合型LN結晶導波路を用いたEO位相変調器の構成を示す図である。1 is a diagram showing a configuration of an EO phase modulator using a direct junction type LN crystal waveguide according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係る直接接合型LN結晶導波路と従来型EO変調器の挿入損失変化の比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison of the insertion loss change of the direct junction type | mold LN crystal waveguide based on Embodiment 1, and the conventional EO modulator. 実施の形態1に係る広帯域光発生装置および光周波数計測系を示す図である。It is a figure which shows the broadband light generation device and optical frequency measurement system which concern on Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係る光周波数計測系におけるキャリアエンベロープオフセット周波数スペクトルの測定結果を示す図である。6 is a diagram illustrating a measurement result of a carrier envelope offset frequency spectrum in the optical frequency measurement system according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態2に係る直接接合型LN結晶導波路を用いたコプレーナ型EO位相変調器の構成を示す図である。6 is a diagram showing a configuration of a coplanar EO phase modulator using a direct junction LN crystal waveguide according to Embodiment 2. FIG.

以下、本発明の広帯域光発生装置の形態について、図を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定されず、本明細書等において開示する発明の趣旨から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。また、異なる実施の形態に係る構成は、適宜組み合わせて実施することが可能である。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the broadband light generating apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the description of the embodiments described below, and it is obvious to those skilled in the art that various changes in form and details can be made without departing from the spirit of the invention disclosed in this specification and the like. is there. In addition, structures according to different embodiments can be implemented in appropriate combination. Note that in the structures of the invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals, and repetitive description thereof is omitted.

[第1の実施の形態]
図9に非線形ファイバループによる短パルスレーザと高非線形ファイバを用いた広帯域光発生装置1000の実施の形態の構成例を示す。図9には、ファイバループによるモード同期レーザ100aと、Er添加ファイバ(増幅器)と、高非線形ファイバとを備えた広帯域光発生装置1000が示されている。ファイバループ102中には、Er添加ファイバ103と、伝搬する偏光を任意の偏光状態に制御する偏波コントローラ105と、発振するレーザ光の進行方向を決めるためのアイソレータ101と、Er添加ファイバ103の励起を行うためにファイバループ102の外部に配置した励起LD108から出力された励起光をファイバループ102に挿入するカプラ106と、ファイバループ102中の光を外部に出力するための分岐手段107とが配置されている。さらにファイバループ102内にはPLL用位相変調器1001が挿入されている。ファイバループは、シングルモード(光)ファイバから構成されている。分岐手段107によって出力された光パルス列の光強度は光増幅器110によって、増幅され、分散付与部として機能する分散補償光ファイバ120によって、パルス幅は圧縮され、高非線形ファイバ130によって、その非線形光学効果によって光パルスのパルス幅を広帯域に拡張することにより、光を外部に出力する。本明細書では、シングルモード光ファイバから構成された分散補償光ファイバ120の部分を分散付与部という。
[First Embodiment]
FIG. 9 shows a configuration example of an embodiment of a broadband light generation apparatus 1000 using a short pulse laser and a highly nonlinear fiber by a nonlinear fiber loop. FIG. 9 shows a broadband light generator 1000 including a mode-locked laser 100a using a fiber loop, an Er-doped fiber (amplifier), and a highly nonlinear fiber. In the fiber loop 102, an Er-doped fiber 103, a polarization controller 105 that controls the propagating polarized light to an arbitrary polarization state, an isolator 101 for determining the traveling direction of the oscillating laser light, and an Er-doped fiber 103 are provided. A coupler 106 for inserting the pumping light output from the pumping LD 108 arranged outside the fiber loop 102 for pumping into the fiber loop 102 and a branching unit 107 for outputting the light in the fiber loop 102 to the outside. Has been placed. Further, a PLL phase modulator 1001 is inserted in the fiber loop 102. The fiber loop is composed of a single mode (optical) fiber. The optical intensity of the optical pulse train output by the branching means 107 is amplified by the optical amplifier 110, the pulse width is compressed by the dispersion compensating optical fiber 120 functioning as a dispersion providing unit, and the nonlinear optical effect is obtained by the highly nonlinear fiber 130. The light is output to the outside by extending the pulse width of the optical pulse to a wide band. In the present specification, a portion of the dispersion compensating optical fiber 120 configured from a single mode optical fiber is referred to as a dispersion providing unit.

本実施の形態において、PLL用の光路長変化補償のための直接接合LN導波路による位相変調器1001を以下の手法により作製した。図10に本実施の形態に係る位相変調器の断面構造を示す。まず屈折率の高い大きさ3インチのzカットZNLN基板とそれよりも屈折率の低い大きさ3インチのzカットMgLN基板1102をウェハ表面に吸着している水酸基の分子間力を利用して直接張り合わせた後、アニール処理を行い接合界面に酸素結合が形成させて2枚を接合する。その後、導波路コア厚に用いるZnLN基板を所望のコア厚まで研削、研磨を行いスラブ型の導波路を作製する。そしてコア層上にフォトリソグラフィー技術により導波路パターンを有したエッチングマスクを形成する。さらにエッチングマスクが形成されたコア面に対してCF系およびArガスを用いたドライエッチングによってリッジ状のコア1101を形成しチャネル光導波路を作製した。そのコアは、Mgがドープされたニオブ酸リチウムの結晶を含んでいる。その後リッジ状のコアが形成された面に光学バッファー層1103となる、例えば、SiO2膜をECRプラズマCVD法により形成した。次に変調電極形成のため、金薄膜をEB蒸着により形成した後、フォトリソグラフィーにより光学バッファー層上に電極パターンを有するフォトレジストを形成した。その後、金をウェットエッチングにより除去し集中定数型電極を形成した。図10に示すようにリッジ状のコア上の電極1105とリッジ状のコア脇のエッチング面の電極1104間に電圧を与え、TM偏光の入射光に対してLN結晶の大きな電気光学定数r33を使用できるよう、リッジ状のコア内に基板に垂直な電界が高効率に印加されるよう設計されている。電極1104の膜厚と電極1105の膜厚は、略等しい。本実施の形態における導波路構造はリッジ型であるため、導波路の比屈折率差をTi拡散型WGに比べて大きくすることが可能であるためリッジ状のコア部へ光を強く閉じ込めることが可能であるため、効果的に導波光に変調することが可能である。本実施の形態では、光学バッファー層1103として、SiO2膜を用いたが、SiNx膜を用いてもよい。 In the present embodiment, a phase modulator 1001 using a direct junction LN waveguide for compensating for an optical path length change for PLL is manufactured by the following method. FIG. 10 shows a cross-sectional structure of the phase modulator according to the present embodiment. First, a 3-inch z-cut ZNLN substrate having a high refractive index and a 3-inch z-cut MgLN substrate 1102 having a lower refractive index are directly utilized using the intermolecular force of the hydroxyl group adsorbed on the wafer surface. After bonding, an annealing process is performed to form an oxygen bond at the bonding interface, and the two sheets are bonded. Thereafter, a ZnLN substrate used for the waveguide core thickness is ground and polished to a desired core thickness to produce a slab type waveguide. Then, an etching mask having a waveguide pattern is formed on the core layer by photolithography. Further, a ridge-shaped core 1101 was formed on the core surface on which the etching mask was formed by dry etching using CF and Ar gas, and a channel optical waveguide was manufactured. The core contains crystals of lithium niobate doped with Mg. Thereafter, for example, an SiO 2 film to be the optical buffer layer 1103 is formed on the surface on which the ridge-shaped core is formed by an ECR plasma CVD method. Next, in order to form a modulation electrode, a gold thin film was formed by EB vapor deposition, and then a photoresist having an electrode pattern was formed on the optical buffer layer by photolithography. Thereafter, the gold was removed by wet etching to form a lumped constant electrode. As shown in FIG. 10, a voltage is applied between the electrode 1105 on the ridge-shaped core and the electrode 1104 on the etched surface beside the ridge-shaped core, and a large electro-optic constant r 33 of the LN crystal is applied to the incident light of TM polarized light. The electric field perpendicular to the substrate is designed to be applied with high efficiency in the ridge-shaped core so that it can be used. The film thickness of the electrode 1104 and the film thickness of the electrode 1105 are substantially equal. Since the waveguide structure in the present embodiment is a ridge type, the relative refractive index difference of the waveguide can be made larger than that of the Ti diffusion type WG, and thus light can be strongly confined in the ridge-shaped core. Since this is possible, it is possible to effectively modulate the guided light. In this embodiment, an SiO 2 film is used as the optical buffer layer 1103, but an SiN x film may be used.

リタデーション法により本実施の形態の位相変調を強度変調に変換し、変調の応答速度を評価した結果、MHzオーダーの正弦波電圧の印加に対して強度変調光が十分応答していることが分かった。次にこの直接接合LN導波路を用いてファイバ入出力型のEOMモジュールを作製し、入力光パワーに対する挿入損失の経時変化を測定した。図11に測定結果のグラフを示す。図8同様、図11においてでx軸は光の入射時間、y軸は挿入損失の変化量である。またパルス光の平均入力パワー条件も図8での実験と同様100mW、および200mWの2つの条件で実験を行った。図11から分かるように評価の結果、100時間以上の長期にわたる光の入射時においても挿入損失の変化がきわめて少ないことが明らかとなり、直接接合LN導波路の高い光損傷耐性を確認した。   As a result of converting the phase modulation of the present embodiment into intensity modulation by the retardation method and evaluating the response speed of the modulation, it was found that the intensity-modulated light sufficiently responded to the application of a sinusoidal voltage in the order of MHz. . Next, a fiber input / output EOM module was fabricated using this directly bonded LN waveguide, and the change over time in the insertion loss with respect to the input optical power was measured. FIG. 11 shows a graph of measurement results. As in FIG. 8, in FIG. 11, the x-axis is the light incident time, and the y-axis is the amount of change in insertion loss. Also, the average input power condition of the pulsed light was tested under two conditions of 100 mW and 200 mW as in the experiment in FIG. As can be seen from FIG. 11, as a result of the evaluation, it was revealed that the change in insertion loss was very small even when light was incident for a long time of 100 hours or more, and the high optical damage resistance of the direct junction LN waveguide was confirmed.

次にこのEOMモジュールをPLL用位相変調器に適用した広帯域光発生装置1000の特性を評価するため、広帯域光の光周波数測定実験を行った。生成した広帯域光は1オクターブ以上の光周波数帯域を有していたため広帯域光とその第2高調波との干渉を用いることが可能であった。そこでf-2f自己参照法により生成した広帯域光のSNR改善効果の評価を行った。   Next, in order to evaluate the characteristics of the broadband light generator 1000 in which this EOM module is applied to a phase modulator for PLL, an optical frequency measurement experiment of broadband light was performed. Since the generated broadband light has an optical frequency band of one octave or more, it is possible to use interference between the broadband light and its second harmonic. Therefore, the SNR improvement effect of broadband light generated by the f-2f self-referencing method was evaluated.

図12に本実施の形態に係る広帯域光発生装置1000および光周波数計測系1200を示す。図12において1301は偏波コントローラ、1302は周期分極反転ニオブ酸リチウム結晶(PPLN)導波路、1303は光バンドパスフィルタ、1304はフォトディテクターである。本実施の形態における光周波数計測系では、PPLN導波路内で広帯域光の第2高調波(SHG)を生成させると同時に広帯域光とSHG光を干渉させ、ビート信号を得た。このビート信号をRFスペクトラムアナライザーにより検出することにより、広帯域光のキャリアエンベロープオフセット周波数fceoを測定した。図13に測定したビート信号スペクトルのグラフを示す。ビート信号スペクトルを評価したところ、Ti拡散EOPMをPLL用に適用した場合のfceoのSNRが40dB程度が限界であったことに対し、本実施の形態の場合のfceoのSNRは51dB以上であることが分かった。Ti拡散EOPMをPLL用変調器に適用した構成では光損傷を回避するため光パルスの出力は平均パワーが10mWに制限されていたことに対し、光損傷耐性の高い直接接合型LN導波路製EOMを適用することによりファイバレーザの出力が100mWと高出力化が可能であったため、パルス増幅に用いるEDFAへの入力パワーを十分大きく確保できEDFAでの過剰雑音の影響を効果的に抑制することによりfceo信号のSNRを10dB以上、大幅に改善すること可能であった。   FIG. 12 shows a broadband light generation apparatus 1000 and an optical frequency measurement system 1200 according to this embodiment. In FIG. 12, 1301 is a polarization controller, 1302 is a periodically poled lithium niobate crystal (PPLN) waveguide, 1303 is an optical bandpass filter, and 1304 is a photodetector. In the optical frequency measurement system according to the present embodiment, the second harmonic (SHG) of the broadband light is generated in the PPLN waveguide, and at the same time, the broadband light and the SHG light are interfered to obtain a beat signal. By detecting this beat signal with an RF spectrum analyzer, the carrier envelope offset frequency fceo of broadband light was measured. FIG. 13 shows a graph of the measured beat signal spectrum. When the beat signal spectrum was evaluated, the limit of fseo SNR when Ti diffusion EOPM was applied to PLL was about 40 dB, whereas the fseo SNR in the present embodiment was 51 dB or more. I understood. In the configuration in which the Ti diffusion EOPM is applied to the PLL modulator, the optical pulse output is limited to an average power of 10 mW in order to avoid optical damage, whereas an EOM made of a direct junction LN waveguide having high optical damage resistance. Since the output of the fiber laser can be increased to 100 mW by applying the EDFA, sufficiently large input power to the EDFA used for pulse amplification can be secured, and the influence of excess noise in the EDFA can be effectively suppressed. It was possible to greatly improve the SNR of the fceo signal by 10 dB or more.

[第2の実施の形態]
次に、本発明の実施の形態2について図14を用いて説明する。図14は、本発明の実施の形態2における広帯域光発生装置の位相変調器の断面を示す図である。実施の形態2では、実施の形態1で用いた位相変調器の電界印加用電極が集中定数型電極であることに対してより高速に応答する進行波型電極を導波路コア上に装荷している点が異なる。この進行波型電極は以下の方法で作製した。
[Second Embodiment]
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 14 is a diagram showing a cross section of the phase modulator of the broadband light generation apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. In the second embodiment, a traveling wave type electrode that responds more rapidly to the fact that the electric field application electrode of the phase modulator used in the first embodiment is a lumped constant type electrode is loaded on the waveguide core. Is different. This traveling wave type electrode was produced by the following method.

まず、LT基板(タンタル酸リチウム基板)1401上に、リッジ状のコア1402を接合した。このリッジ状のコアは、Znがドープされたニオブ酸リチウムの結晶を含んでおり、ZnLN層と呼ぶこともできる。次いで、リッジ状のコア1402を覆うように、光学バッファー層1403を形成した。光学バッファー層は、例えば、SiO2膜からなる。フォトリソグラフィーにより光学バッファー層上に電極以外の箇所にフォトレジストを形成した。その後、電極材料である金をメッキ法で30μmの厚さに光学バッファー層上のフォトレジストが形成されていない箇所に成膜し、不要なレジストを除去することにより、中心導体1404及び接地導体1405からなるコプレーナ型電極(CPW電極)1406を形成した。中心導体1404はリッジ状のコア1402と重なり、接地導体1405はリッジ状のコア1402と重ならない。また、中心導体1404の膜厚と接地導体1405の膜厚は、異なる。実装の形態1と同様、図14に示すようにリッジ状のコア上の電極(中心導体)1404とリッジ状のコア脇の電極(接地導体)1405間に電圧を与え、TM偏光の入射光に対してLN結晶の大きな電気光学定数r33を使用できるよう、リッジ状のコア内に基板に垂直な電界が高効率に印加されるよう設計されている。また図14に示すように電極の周囲に光学バッファー層1403、例えば、SiO2膜を配置し、電極を伝搬する高周波信号の実効的な誘電率を下げ、光の屈折率に近づけることにより速度整合を図り高周波信号電圧を効率よく位相変化に変換するコプレーナ電極構造としている。本実施の形態では、光学バッファー層1403として、SiO2膜を用いたが、SiNx膜を用いてもよい。 First, a ridge-shaped core 1402 was joined on an LT substrate (lithium tantalate substrate) 1401. This ridge-shaped core contains a crystal of lithium niobate doped with Zn, and can also be called a ZnLN layer. Next, an optical buffer layer 1403 was formed so as to cover the ridge-shaped core 1402. The optical buffer layer is made of, for example, a SiO 2 film. Photoresist was formed on the optical buffer layer at locations other than the electrodes by photolithography. Thereafter, gold, which is an electrode material, is formed by plating on a portion of the optical buffer layer where the photoresist is not formed to a thickness of 30 μm, and unnecessary resist is removed to thereby remove the central conductor 1404 and the ground conductor 1405. A coplanar electrode (CPW electrode) 1406 made of the above was formed. The center conductor 1404 overlaps with the ridge-shaped core 1402, and the ground conductor 1405 does not overlap with the ridge-shaped core 1402. Further, the film thickness of the center conductor 1404 and the film thickness of the ground conductor 1405 are different. Similarly to the first embodiment, as shown in FIG. 14, a voltage is applied between the electrode (center conductor) 1404 on the ridge-shaped core and the electrode (ground conductor) 1405 on the side of the ridge-shaped core, and the incident light of TM polarized light is applied. On the other hand, an electric field perpendicular to the substrate is designed to be applied with high efficiency in the ridge-shaped core so that the large electro-optic constant r 33 of the LN crystal can be used. Further, as shown in FIG. 14, an optical buffer layer 1403, for example, a SiO 2 film is disposed around the electrode, and the effective dielectric constant of the high-frequency signal propagating through the electrode is lowered, and the speed matching is made close to the refractive index of light. Thus, a coplanar electrode structure that efficiently converts a high-frequency signal voltage into a phase change is obtained. In this embodiment, an SiO 2 film is used as the optical buffer layer 1403, but an SiN x film may be used.

以上のように作製したコプレーナ電極構造を適用した位相変調器を用いた結果、PLL用の光路長変化補償の応答速度が実施の形態1で用いた集中定数型電極を適用した位相変調器を用いた広帯域光発生装置に比べて、ファイバループにおける位相同期の安定性が向上し、広帯域光のfceoの連続測定可能時間を実施の形態1に比べて10倍以上の長時間計測可能であった。   As a result of using the phase modulator to which the coplanar electrode structure manufactured as described above is applied, the response speed of the optical path length change compensation for PLL is the phase modulator to which the lumped constant electrode used in the first embodiment is applied. Compared with the conventional broadband light generator, the stability of the phase synchronization in the fiber loop was improved, and the continuous measurement time of the broadband light fceo could be measured for 10 times or more compared with the first embodiment.

本発明は、広帯域光発生装置に適用することができる。   The present invention can be applied to a broadband light generator.

100 短パルスレーザ
100a モード同期(ファイバ)レーザ
101 アイソレータ
102 ファイバループ
103 Er添加ファイバ
105 偏波コントローラ
106 カプラ
107 分岐手段
108 励起LD
110 光増幅器
120 分散補償光ファイバ
130 高非線形ファイバ
201 光アイソレータ
202 シングルモード(光)ファイバ(SMF)
203 エルビウム添加ファイバ(EDF)
204 位相変調器
205 偏波コントローラ
206、207 光カップラ
208 非線形ファイバループレーザ励起用LD光源
400 位相変調器
401 光ファイバ
402 レンズ
403 EO結晶
404 電極
405 交流電源
500 EOPM
503 Ti拡散WG
601 コア
602 LN(結晶)基板
603 光バッファー層
1000 広帯域光発生装置
1001 PLL用位相変調器
1101 コア
1102 MgLN基板
1103 光学バッファー層
1105 電極
1104 電極
1200 光周波数計測系
1301 偏波コントローラ
1302 周期分極反転ニオブ酸リチウム結晶(PPLN)導波路
1303 光バンドパスフィルタ
1304 フォトディテクター
1401 LT基板
1402 コア
1403 光学バッファー層
1404 電極(中心導体)
1405 電極(接地導体)
1406 コプレーナ型電極(CPW電極)
100 short pulse laser 100a mode-locked (fiber) laser 101 isolator
102 Fiber loop 103 Er-doped fiber 105 Polarization controller 106 Coupler 107 Branch means 108 Pumping LD
DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 Optical amplifier 120 Dispersion compensation optical fiber 130 Highly nonlinear fiber 201 Optical isolator 202 Single mode (optical) fiber (SMF)
203 Erbium-doped fiber (EDF)
204 Phase modulator 205 Polarization controller 206, 207 Optical coupler 208 Nonlinear fiber loop laser excitation LD light source 400 Phase modulator 401 Optical fiber 402 Lens 403 EO crystal 404 Electrode
405 AC power supply 500 EOPM
503 Ti diffusion WG
601 Core 602 LN (crystal) substrate 603 Optical buffer layer 1000 Broadband light generator 1001 PLL phase modulator 1101 Core 1102 MgLN substrate 1103 Optical buffer layer 1105 Electrode 1104 Electrode 1200 Optical frequency measurement system 1301 Polarization controller 1302 Periodic polarization inversion niobium Lithium acid crystal (PPLN) waveguide 1303 Optical band pass filter 1304 Photo detector 1401 LT substrate 1402 Core 1403 Optical buffer layer 1404 Electrode (center conductor)
1405 Electrode (Grounding conductor)
1406 Coplanar electrode (CPW electrode)

Claims (4)

モード同期ファイバレーザと、
前記モード同期ファイバレーザで生成された光パルス列の各光パルスのパルス幅を圧縮して広帯域光を出力するシングルモード光ファイバから構成された分散付与部と、
を有する広帯域光発生装置において、
前記モード同期ファイバレーザは位相同期ループからなり、前記位相同期ループ内に電気光学位相変調器を有し、
前記電気光学位相変調器は、
基板と、前記基板より高い屈折率のニオブ酸リチウムを含む前記基板に接合されたコアと、前記コアに変調信号を印加するための電極構造とを備える光導波路型の電気光学変調器構造を含むことを特徴とする広帯域光発生装置。
A mode-locked fiber laser;
A dispersion imparting unit composed of a single mode optical fiber that compresses the pulse width of each optical pulse of the optical pulse train generated by the mode-locked fiber laser and outputs broadband light;
In a broadband light generator having
The mode-locked fiber laser comprises a phase-locked loop, and has an electro-optic phase modulator in the phase-locked loop;
The electro-optic phase modulator is
An optical waveguide type electro-optic modulator structure comprising a substrate, a core bonded to the substrate including lithium niobate having a higher refractive index than the substrate, and an electrode structure for applying a modulation signal to the core A broadband light generator characterized by that.
請求項1に記載の広帯域光発生装置において、
前記電気光学位相変調器は、集中定数型電極構造を備えることを特徴とする広帯域光発生装置。
The broadband light generator according to claim 1,
The electro-optic phase modulator has a lumped-constant electrode structure.
請求項1に記載の広帯域光発生装置において、
前記電気光学位相変調器は、コプレーナ型電極構造を備えることを特徴とする広帯域光発生装置。
The broadband light generator according to claim 1,
The electro-optic phase modulator includes a coplanar electrode structure, and a broadband light generator.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の広帯域光発生装置において、
前記基板はタンタル酸リチウムの結晶を含み、
前記コアは、ZnまたはMgの少なくとも1つがドープされたニオブ酸リチウムの結晶を含む
ことを特徴とする広帯域光発生装置。
In the broadband light generating device according to any one of claims 1 to 3,
The substrate comprises a crystal of lithium tantalate;
The said core contains the crystal | crystallization of lithium niobate doped with at least one of Zn or Mg. The broadband light generator characterized by the above-mentioned.
JP2017111136A 2017-06-05 2017-06-05 Widebnad light generator Pending JP2018205546A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017111136A JP2018205546A (en) 2017-06-05 2017-06-05 Widebnad light generator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017111136A JP2018205546A (en) 2017-06-05 2017-06-05 Widebnad light generator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2018205546A true JP2018205546A (en) 2018-12-27

Family

ID=64957723

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017111136A Pending JP2018205546A (en) 2017-06-05 2017-06-05 Widebnad light generator

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2018205546A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020235441A1 (en) * 2019-05-22 2020-11-26 ウシオ電機株式会社 Broadband pulsed light source, spectrometry device, and spectrometry method

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0818139A (en) * 1994-06-29 1996-01-19 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Laser pulse oscillator
JP2008251723A (en) * 2007-03-29 2008-10-16 Tohoku Univ Pulse laser light source
WO2012098911A1 (en) * 2011-01-20 2012-07-26 日本電信電話株式会社 Optical amplifier device
JP2013038849A (en) * 2011-08-04 2013-02-21 Honda Motor Co Ltd Voltage boosting control
JP2013120202A (en) * 2011-12-06 2013-06-17 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Device and method for generating pulse light
JP2014211528A (en) * 2013-04-18 2014-11-13 日本電信電話株式会社 Optical switch element and laser oscillator
JP2015075614A (en) * 2013-10-09 2015-04-20 日本電信電話株式会社 Optical frequency comb generator
JP2015227992A (en) * 2014-06-02 2015-12-17 日本電信電話株式会社 Vector optical modulator and optical transmitter

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0818139A (en) * 1994-06-29 1996-01-19 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Laser pulse oscillator
JP2008251723A (en) * 2007-03-29 2008-10-16 Tohoku Univ Pulse laser light source
WO2012098911A1 (en) * 2011-01-20 2012-07-26 日本電信電話株式会社 Optical amplifier device
JP2013038849A (en) * 2011-08-04 2013-02-21 Honda Motor Co Ltd Voltage boosting control
JP2013120202A (en) * 2011-12-06 2013-06-17 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Device and method for generating pulse light
JP2014211528A (en) * 2013-04-18 2014-11-13 日本電信電話株式会社 Optical switch element and laser oscillator
JP2015075614A (en) * 2013-10-09 2015-04-20 日本電信電話株式会社 Optical frequency comb generator
JP2015227992A (en) * 2014-06-02 2015-12-17 日本電信電話株式会社 Vector optical modulator and optical transmitter

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
UMEKI, T., ET AL.: ""Highly Efficient Wavelength Converter Using Direct-Bonded PPZnLN Ridge Waveguide"", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, vol. Volume: 46, Issue: 8, JPN6020019075, 16 April 2010 (2010-04-16), pages 1206 - 1213, ISSN: 0004281038 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020235441A1 (en) * 2019-05-22 2020-11-26 ウシオ電機株式会社 Broadband pulsed light source, spectrometry device, and spectrometry method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11809061B2 (en) Optical frequency comb generation in integrated lithium niobate devices
US20170187161A1 (en) Low carrier phase noise fiber oscillators
Sohler et al. Erbium-doped lithium niobate waveguide lasers
US11105979B2 (en) Graphene microcavity frequency combs and related methods of manufacturing
US11175563B2 (en) All-microwave stabilization of microresonator-based optical frequency combs
CN110247290B (en) Dual comb generation from a single laser cavity via spectral subdivision
JP2014211528A (en) Optical switch element and laser oscillator
Yu et al. Femtosecond pulse generation via an integrated electro-optic time lens
US20220123516A1 (en) Chip-integrated mode-locked lasers based on thin-film nonlinear waveguides
JP2018139279A (en) Optical fiber laser device
JP6580554B2 (en) Generator for at least three coherent laser beams in the infrared and visible regions
JP2018205546A (en) Widebnad light generator
JPH09246638A (en) Mode synchronous fiber laser operation stabilizing method
JP2015200800A (en) Wavelength conversion element and optical frequency comb generation device
Meng et al. Intracavity pumped optical parametric oscillator bidirectional ring laser as a differential interferometer
Dong et al. A coupled all-optical microwave oscillator with large tuning range based on SBS
JP2017207687A (en) Broadband stabilization light source
Cheng et al. On-chip synchronous pumped $\chi^{(3)} $ optical parametric oscillator on thin-film lithium niobate
CN113917762B (en) Key-starting type Shan Guzi-state optical micro-comb generation method based on film lithium niobate
Dong et al. An all-optical coupled microwave oscillator based on stimulated Brillouin scattering
Englebert et al. Phase Sensitive Amplification in a Periodically Poled Silica Fiber
Dizaji et al. All-optical radio frequency spectrum analyzer based on cross-phase modulation in a silicon-rich nitride waveguide
Hamdash et al. Experimental and small-signal analysis of microwave photonic phase shifter based on slow and fast light using linear and nonlinear semiconductor optical amplifiers
JPH02310982A (en) Mode synchronous fiber laser device
Howerton et al. SBS suppression using a depolarized source for high power fiber applications

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190626

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20200423

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200609

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20201208