JP3730534B2

JP3730534B2 - 光周波数コム発生器の製造方法

Info

Publication number: JP3730534B2
Application number: JP2001150029A
Authority: JP
Inventors: ウイディヤトモコバンバン; 義宣中山; 元伸興梠; 修仲本; 成嘉三澤
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2021-05-18
Also published as: JP2002341394A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位相変調機能を備えた光共振器を用いた光周波数コム発生器の製造方法に関し、光通信、光ＣＴ、光周波数標準機など多波長でコヒーレンス性の高い標準光源、又は、各波長間のコヒーレンス性も利用できる光源を必要とする分野に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば光周波数を高精度に測定する場合に光周波数コム発生器（Optical Frequency Comb Generator）が使用されている。すなわち、２つのレーザ光をヘテロダイン検波してその差周波数を測定する場合、その帯域は受光素子の帯域で制限され、おおむね数十ＧＨｚ程度であるので、光周波数コム発生器を用いて広帯域なヘテロダイン検波系を構築するようにしている。光周波数コム発生器は、入射したレーザ光の側帯波を等周波数間隔毎に数百本発生させるもので、発生される側帯波の周波数安定度はもとのレーザ光のそれとほぼ同等である。そこで、この側帯波と被測定レーザ光をヘテロダイン検波することにより、数ＴＨｚに亘る広帯域なヘテロダイン検波系を構築することができる。
【０００３】
図６は、従来のバルク型光周波数コム発生器３００の構造を示している。
【０００４】
このバルク型光周波数コム発生器３００は、光位相変調器３１１と、この光位相変調器３１１を介して互いに対向するように設置された反射鏡３１２，３１３からなる光共振器３１０が使用されている。
【０００５】
この光共振器３１０において、反射鏡３１２を介して僅かな透過率で入射された光Ｌinは、反射鏡３１２，３１３間で共振し、その一部の光Ｌout が反射鏡３１３を通して出射される。光位相変調器３１１は、電界を印加することによって屈折率が変化する光位相変調のための光学材料からなり、この光共振器３１０を通過する光に対して、電極３１６に印加される交番電源ｆｍの出力に応じた位相変調をかける。
【０００６】
この光共振器３１０に入射された光Ｌinは、反射鏡３１２，３１３間で共振しており、光位相変調器３１１により位相変調を受け、反射鏡３１３を通して、光周波数コム出力光Ｌout として出射される。
【０００７】
なお、バルク型光周波数コム発生器では、バルク型位相変調器を構成する電気光学結晶基板を空洞マイクロ波共振器に挿入して駆動する構造を採用することにより高効率が得られている。
【０００８】
また、図７図（Ａ），（Ｂ）は、導波路型光周波数コム発生器４００の構造を示している。
【０００９】
この導波路型光周波数コム発生器４００は、電極４０１の形成された位相変調素子基板４０２の部分に光導波路４０３が作製されている。
【００１０】
通常、この種の導波路型光位相変調器による光周波数コム発生器には、電気光学定数が大きく取れる向きに電界の向きを合わせるために、図７（Ａ）の導波路型光周波数コム発生器４００の断面図を図７（Ｃ）に示すように、中央の電極４１２の真下に光導波路４０３が作製されていて、両側の電極４１１から中央の電極４１２へ電気力線が入るときに図中で紙面の上下の電界がかかるように結晶方位をあわせる方式（ニオブ酸リチウム基板のときはｚ板と呼んでいる）のものと、図７（Ｂ）の導波路型光周波数コム発生器４００の断面図を図７（Ｄ）に示すように、光導波路４０３の両脇上に電極４１１が作製されていて、紙面の横向きの電界によって位相変調するように結晶方位を合わせる方式（同じくｘ板、ｙ板）のものがある。
【００１１】
これら光導波路４０３を作製する光学材料基板（例えばニオブ酸リチウム基板）４０２は通常０．５ｍｍ以上あるのに対し、光導波路４０３を通るの光ビーム自体の直径は高々３０μｍ程度であるので、低電圧駆動を実現するためには、図７（Ａ）や図７（Ｂ）のようにせざるを得なかった。
【００１２】
一方、図７（Ｅ）のように構成することができれば、理想的である（この場合、結晶方位は、ニオブ酸リチウムの場合では、ｚ板が望ましい）が、電極４１２と電極４２２の電極間距離を図７（Ａ）や図７（Ｂ）の場合に匹敵する間隔にするためには、光学材料基板４０２自体を非常に薄くしなければならず、プロセス上破損等困難があった。また、光学材料基板４０２を極めて薄くした場合、その構造を図８（Ａ）に示すとともに、図８（Ｂ）に光学材料基板４０２における屈折率分布を示し、さらに、図８（Ｃ）に光導波路４０１の光量分布を示してあるように、光導波路４０１を通過する導波光が電極４２２に触れてしまうことになる。
【００１３】
なお図７（Ｅ）は、電極の構造を図７（Ｃ）や図７（Ｄ）と対比するために、一例を示したもので、必ずしもこのような構造である必要はない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来より、マイクロ波共振器を用いることで位相変調を掛ける光周波数コムなどの位相変調素子においては、その構成上、
（１）ニオブ酸リチウムなどの位相変調素子による位相変調を掛けるための電極間距離が長くなるため高い電界を掛けにくい、
（２）（１）により必要な位相変調を掛ける為にはマイクロ波の投入電力が非常に大きくなるため、発生する熱によって動作が不安定になる、
（３）（２）を改良するために光導波路型光周波数コム発生器を用いるものの、進行波型電極構成をとる場合のマイクロ波とファブリペロー共振器中(ニオブ酸リチウム)中を伝搬する光波の位相整合するのが難しい、
（４）（３）をさらに改良するために、Ｑの高いマイクロ波共振器を用いる方式では１０ＧＨｚを超えるような超高周波のマイクロ波による変調用の光周波数コムなどを作製するには、構造を小型にしなければならなくなるが、作製精度など多くの困難が発生する、
（５）しかも光導波路型の（３）や(４)においてなおＷクラスの電力を要し省電力化には不十分である、
などの問題があった。
【００１５】
したがって、従来の光周波数コム発生器では、マイクロ波の投入電力は少なくともＷクラス〜数十Ｗクラスを必要とし、マイクロ波電源が大型化し、冷却など附帯部分に対する負荷が極端に大きかったその一つの原因は、ニオブ酸リチウム結晶は、基本的にマイクロ波にとっては吸収材料であるためで、目的とする光の位相変調のために、必要以上に大型のニオブ酸リチウム結晶を使用せざるを得ないことにある。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の問題点に鑑み、マイクロ波電力が大きいことを改善し、マイクロ波共振器による位相変調部分に低電圧でも高電界がかかるようにできるようにするために、電極間距離を狭くすることができるようにし、マイクロ波と光共振器の位相整合をとることができ、小型化を実現し、数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚという超高周波にも対応できるようにした光周波数コム発生器の製造方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光周波数コム発生器の製造方法は、表面側に光共振を起こさせる光ビームを通す光導波路が形成されるとともに、屈折率の低いバッファ層が成膜された光学材料基板の表面に、上記光学材料基板の表面側に金属電極板を貼り付ける工程と、上記金属電極板を研磨治具を兼ねた補強材として上記光学材料基板の裏面側を研磨する工程と、上記光学材料基板の裏面に該光学材料基板よりも屈折率の低いバッファ層を成膜する工程と、マイクロ波共振器の空洞となる切り込みを上記光導波路に沿って該光導波路の両側に上記光学材料基板の裏面側から入れる工程と、上記光学材料基板の裏面側に金属電極板を貼り付ける工程とを有することを特徴とする。
【００１９】
すなわち、本発明では、光共振器を構成する結晶基板を基板厚方向に簡単に電界を掛けられるような構造にするために、
（１）研磨することで、不必要な部分を取り除く。ただし、研磨に必要な金属などによる導電性の補強材を位相変調素子に貼り付け、かつその補強材に研磨治具を取り付け、さらに、研磨終了、光周波数コム発生器構成後は、補強材を電極の一方としても使用する。
（２）位相整合するためには、マイクロ波共振器中のマイクロ波の群屈折率と光の結晶中の群屈折率が同じになる必要があるが、これを実現するためには、マイクロ波の群屈折率が数倍高いため、光共振器周辺に、マイクロ波共振器の群屈折率を下げるための空洞を設ける、すなわち、光共振器の両脇に空洞を作製するために、前記導電性補強材に光共振器の基板材の切り出し時に共振器用の切込も同時に作製することが可能な構造にする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
本発明に係る光周波数コム発生器は、例えば図１に示すように構成される。
【００２２】
この図１に示した光周波数コム発生器１００は、電界を印加することによって屈折率が変化する光位相変調のための光学材料基板１０２に、光共振を起こさせる光ビームを通す光導波路１０１を形成するとともに、相対向する２つの端面に反射膜を設けてなる光共振器１１０と、２分割された金属筐体１２１Ａ、１２１Ｂにより構成される空洞マイクロ波共振器１２０を備え、上記空洞マイクロ波共振器１２０内に上記光共振器１１０を収納してなる。
【００２３】
上記光学材料基板１０２には、光導波路１０１を挟んで対向する電極１０４Ａ，１０４Ｂが低屈折率バッファ層１０３Ａ，１０３Ｂを介して形成されている。
【００２４】
上記バッファ層１０３Ａ，１０３Ｂは、上記光学材料基板１０２よりも屈折率が低い誘電体低屈折率層であって、光を吸収する金属材料からなる電極１０４Ａ，１０４Ｂと光導波路１０１を分離するための機能を有する。
【００２５】
上記電極１０４Ａ，１０４Ｂは、空洞マイクロ波共振器１２０を構成する金属筐体１２１Ａ、１２１Ｂと共通としてもよいが、蒸着などによって、予め光学材料基板１０２の表面に作製した方が、光学材料基板１０２との密着性が良くなる。したがって、上記電極１０４Ａ，１０４Ｂは、金属筐体１２１Ａ、１２１Ｂに光学材料基板１０２を貼り付けるまえに、蒸着などによって作成される。
【００２６】
上記空洞マイクロ波共振器１２０は、マイクロ波のための空洞共振器であり、よく知られているように、左右に設ける方が共振器のＱを上げやすくかつ、周辺への漏れも少なくなるので、光学材料基板１０２の両側に空洞１２２Ａ，１２２Ｂが位置するように対称に構成されている。
【００２７】
上記金属筐体１２１Ａは、断面がＥ字状の金属ブロックであり、上記光学材料基板１０２を介して平板状の金属筐体１２１Ｂと突き合わせることにより、空洞マイクロ波共振器１２０の空洞１２２Ａ，１２２Ｂを形成する。
【００２８】
なお、上記空洞マイクロ波共振器１２０は、上記金属筐体１２１Ａと金属筐体１２１Ｂとの隙間を光学材料基板１０２と同じ構成の基板１０９Ａ，１０９Ｂで埋めることにより、構造上強化されている。
【００２９】
この空洞マイクロ波共振器１２０は、上記金属筐体１２１Ｂに設けられたコネクタ１０７を介してマイクロ波が給電されるようになっている。上記コネクタ１０７のコネクタピン１０６は上記金属筐体１２１Ａに接触している。
【００３０】
このような構造の光周波数コム発生器１００は、図２（Ａ）〜（Ｆ）に示すような工程を経て製造される。
【００３１】
すなわち、図２（Ａ）は、裏面側の加工を施す前の光学材料基板１０２である。光導波路１０１は、通常、光位相変調素子として機能するニオブ酸リチウムなどの光学材料基板１０２に、チタンなどの金属をドープすることで屈折率を高くし、光をガイドする構成になるが、図２（Ａ）の中央に示したように、上記光学材料基板１０２の表面側の非常に一部分のみに作製されている。ニオブ酸リチウム基板（厚さは０．５ｍｍ）に対し、バッファ層１０３Ａがｌμｍ程度その上に作製される電極１０４Ａは０．１μｍ、チタンをドープした深さ及び幅は３〜８μｍ程度であり、そこをガイドされて通る光ビームの太さも１０〜３０μｍ程度ということになる。したがって、光導波路１０１を作製した時点での光学材料基板１０２の裏面側の大部分は、何も使用していない部分であり、この厚さを通して電圧を掛けても、数十〜数百ボルトという高電圧を掛けなければ光を十分実用に耐える位相変調を行うことができない。
【００３２】
そこで、本願発明では、光学材料基板１０２の両面から電圧をかけるようにする。
【００３３】
すなわち、図２（Ｂ）に示すように、表面側に光共振を起こさせる光ビームを通す光導波路１０１が形成されるとともに、屈折率の低いバッファ層１０３Ａが成膜された光学材料基板１０２の電極１０４Ａの上に、金属電極板１５１Ａを導電的に貼り付ける。
【００３４】
次に、図２（Ｃ）に示すように、上記金属電極板１５１Ａを研磨治具を兼ねた補強材として上記光学材料基板１０２の裏面側（図中、矢印側）から研磨する。
【００３５】
次に、図２（Ｄ）に示すように、上記光学材料基板１０２の裏面に該光学材料基板１０２よりも屈折率の低いバッファ層１０３Ｂを成膜し、さらに、電極１０４Ｂを形成する。
【００３６】
次に、図２（Ｅ）に示すように、マイクロ波共振器１２０の空洞１２２Ａ，１２２Ｂとなる切り込みを上記光導波路１０１に沿って該光導波路１０１の両側に上記光学材料基板１０２の裏面側（図中、矢印側）から入れる。
【００３７】
さらに、図２（Ｆ）に示すように、上記光学材料基板１０２の裏面側から平板状の金属電極板１５１Ｂを貼り付ける。すなわち、上記金属電極板１５１Ａは、切り込みを入れることにより、断面がＥ字状の金属ブロックとなり、上記マイクロ波共振器１２０を構成する金属筐体１２１Ａとして用いられ、上記光学材料基板１０２を介して平板状の金属電極板１５１Ｂ（金属筐体１２１Ｂ）と突き合わせることにより、空洞マイクロ波共振器１２０の空洞１２２Ａ，１２２Ｂを形成する。そして、上記空洞マイクロ波共振器１２０の金属筐体１２１Ｂを兼ねる金属電極板１５１Ｂにコネクタ１０７を取り付け、上記コネクタ１０７のコネクタピン１０６を上記空洞マイクロ波共振器１２０の金属筐体１２１Ａを兼ねる上記金属電極板１５１Ａに接触させる。
【００３８】
このようにして製造される光周波数コム発生器１００では、光学材料基板１０２の両面から低電圧で高電界を光導波路１０１部分に掛けることが可能になる。しかも、光学材料基板１０２の切り出しに使用するダイシングソーなどの機能を使うことで、高精度で小型化にも容易に対応できるようになる。
【００３９】
ここで、上記光周波数コム発生器１００に実装される光学材料基板１０２は、図３（Ａ）に示すように、光導波路１０１を作製した光学材料基板１０２の少なくとも表面側には低屈折率のバッファ層１０３Ａが設けられている必要がある。これは、光導波路１０１を作製した光学材料基板１０２の表面側は導波光が直接金属（電極１０４Ａ）に触れることで、導波損失にならないためで、本発明の構成では、避けられない。このような構造の光学材料基板１０２における屈折率分布を図３（Ｂ）に示すとともに、光導波路１０１の光量分布を図３（Ｃ）に示してある。
【００４０】
さらに、図４（Ａ）に示すように、光学材料基板１０２の裏面を光学研磨し、光導波路１０１を作製した面と同様に、ＳｉＯ_２などの低屈折率バッファ層１０３Ｂを１μｍ程度設けるならば、光学材料基板１０２の研磨後の厚さをビームサイズぎりぎりまで研磨してかつＳ波損失を十分減らすことも可能になる。このような構造の光学材料基板１０２における屈折率分布を図４（Ｂ）に示すとともに、光導波路１０１の光量分布を図４（Ｃ）に示してある。
【００４１】
また、バッファ層１０３Ａ，１０３Ｂの上に金属電極１０４Ａ，１０４Ｂを蒸着などにより形成してことにより、光学材料基板１０２に掛かる電圧を均一にしやすくなる。その場合は、ほぼビームサイズに匹敵するところまで研磨することも可能になる。したがって、１０μｍのビームに対し、１０数μｍ程度の厚さの基板に対して、両側から電圧をかけることが可能になり、同じパワーの光であれば、小さいビームの場合、バルク型光周波数コム発生器のビーム径約１ｍｍの場合に比べて電気光学効果を大きく得ることが可能であり、一段と低電圧での位相変調が可能になる。
【００４２】
ここで、上記光周波数コム発生器１００に実装される光学材料基板１０２は、現実的な光導波路１０１の導波光のサイズが、シングルモードにおいて１０〜３０μｍ程度（パワーで１／ｅ^２の幅として）になり、周辺の金属などによる損失に影響しないためには、２倍から数倍程度は基板材のサイズを見込まなければならないため、僅かな損失を見込んで、１０μｍに対し少なくとも２０μｍ以上、できれば３０μｍ以上が望ましく、３０μｍ程度のビームサイズに対しては、少なくとも６０μｍ、望ましくは１００μｍ以上のサイズを必要とする。いずれの場合にしても、現状の５００μｍの基板厚を通して電圧を掛ける場合より、低電圧での駆動が可能になる。光学材料基板１０２の構造としては、縦横比１対１くらいの形状が望ましいが、ビーム径が楕円状である場合は、それにあわせて、長方形を取る場合もあり得る。これに対し、上記空洞マイクロ波共振器１２０の空洞１２２Ａ，１２２Ｂのサイズは、マイクロ波の共振周波数によって異なるが、断面サイズが１ｃｍ角程度から小さい方では数十μｍ程度で、このときの共振周波数は数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚとなる。
【００４３】
ここで、上記光周波数コム発生器１００の仕様の一例を示す。
【００４４】
使用光波長１．５５μｍ
使用マイクロ波周波数１０〜２０ＧＨｚ
光導波路伝搬ビーム径縦１２μｍ幅１８μｍ
光導波路基板断面サイズ縦４５μｍ幅４０μｍ
（研磨前ニオブ酸リチウム基板厚さは５００μｍ）
光導波路バッファ層厚さ約１μｍ
空洞共振器縦２００μｍ幅３ｍｍ
光導波路長さ５〜４０ｍｍ（ファブリペロー共振器長によって設定）
コネクタピンサイズ直径０．７ｍｍ長さ５．５ｍｍ
【００４５】
次に、図５に示す光周波数コム発生器２００について説明する。この光周波数コム発生器２００は、図１に示した光周波数コム発生器１００における空洞マイクロ波共振器１２０部分を改良したものであり、対応する構成要素については、２００番台の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００４６】
空洞マイクロ波共振器２２０は、光導波路２０１の両側の小さい空洞共振器２２２Ａ_１，２２２Ａ_２と、その外側に設けられた大きな空洞共振器２２２Ｂ_１，２２２Ｂ_２とからなる。
【００４７】
この光周波数コム発生器２００では、光導波路２０１を通過する導波光に位相変調を掛けるために、光導波路２０１の両側の小さい空洞共振器２２１Ａ_１，２２１Ａ_２の部分による共振マイクロ波を使うが、その外側に、使用するマイクロ波の共振条件より十分低い周波数の大きな空洞共振器２２２Ｂ_１，２２２Ｂ_２を設けることにより、両サイド壁面金属による損失を小さくし、かつ、小さい空洞共振器２２１Ａ_１，２２１Ａ_２部分で共振しているマイクロ波を、光導波路２０１中を伝搬する光ビームの伝搬速度と位相整合をとるようにしたものである。
【００４８】
なお、上記空洞マイクロ波共振器２２０は、３分割した金属筐体２２１Ａ_１，２２１Ａ_２，２２１Ｂにより構成されている。金属筐体２２１Ａ_１は、ニッケルクロムめっきを施した真鍮からなる。金属筐体２２１Ａ_２は、内壁に金めっきを施した銅からなる。さらに、金属筐体２２１Ｂは、内壁に金めっきを施した厚さ５ｍｍの銅からなる。
【００４９】
この空洞マイクロ波共振器２２０は、紙面垂直方向へ伝搬するＴＥモードを励振するようにしている。
【００５０】
なお、金属筐体２２１Ａ_１にニッケルクロムめっきを施すのは、空洞共振器２２０Ｂにおいて、共振に関係のないマイクロ波を吸収するためである。可能であれば、大きな空洞共振器２２２Ｂ_１，２２２Ｂ_２の周辺に、高抵抗導電材料などで構成するかめっきを施すとよい。不必要なモードを外部へ出すことにより性能を向上させることができるからである。又は、誘電体材料を使用して、不必要なモードを外部へ放射させてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る光周波数コム発生器の製造方法では、光導波路を作製した光学材料基板の表裏に低電圧をかけることで位相変調かけられるような構成を、高い加工精度で加工することができる。特に、ニオブ酸リチウム基板においては、光導波路の形状を円形に近い形でチタンを拡散させやすい特長をもつｚ板を容易に用いることができ、さらに、最もポッケルス定数が大きい表裏の方向の電界を、狭い電極間隔で掛けることができるので低電圧駆動可能な光周波数コム発生器を製造することができる。
【００５５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光導波路光周波数コム発生器の基本的な構成を模式的に示す正面図である。
【図２】上記光周波数コム発生器の製造工程を示す図である。
【図３】上記光周波数コム発生器に実装される光学材料基板の基本的な構造を示す図である。
【図４】上記光周波数コム発生器に実装される光学材料基板の実用的な構造を示す図である。
【図５】本発明に係る光導波路光周波数コム発生器の他の構成例を模式的に示す正面図である。
【図６】従来のバルク型光周波数コム発生器の構造を模式的に示す図である。
【図７】従来の導波路型光周波数コム発生器の構造を模式的に示す図である。
【図８】従来の導波路型光周波数コム発生器における光学材料基板の構造を示す図である。
【符号の説明】
１００，２００光周波数コム発生器、１０１，２０１光導波路、１０２，２０２光学材料基板、１０３Ａ，１０３Ｂ，２０３Ａ，２０３Ｂ低屈折率バッファ層、１０４Ａ，１０４Ｂ，２０４Ａ，２０４Ｂ電極、１０６，２０６コネクタピン、１０７，２０７コネクタ、１０９Ａ，１０９Ｂ，２０９Ａ，２０９Ｂ基板、１１０，２１０光共振器、１２０，２２０空洞マイクロ波共振器、１２１Ａ，１２１Ｂ，２２１Ａ_１，２２１Ａ_２，２２１Ｂ金属筐体、１２２Ａ，１２２Ｂ空洞、２２２Ａ_１，２２２Ａ_２，２２２Ｂ_１，２２２Ｂ_２空洞共振器、１５１Ａ，１５１Ｂ金属電極板

Claims

表面側に光共振を起こさせる光ビームを通す光導波路が形成されるとともに、屈折率の低いバッファ層が成膜された光学材料基板の表面に、上記光学材料基板の表面側に金属電極板を貼り付ける工程と、
上記金属電極板を研磨治具を兼ねた補強材として上記光学材料基板の裏面側を研磨する工程と、
上記光学材料基板の裏面に該光学材料基板よりも屈折率の低いバッファ層を成膜する工程と、
マイクロ波共振器の空洞となる切り込みを上記光導波路に沿って該光導波路の両側に上記光学材料基板の裏面側から入れる工程と、
上記光学材料基板の裏面側に金属電極板を貼り付ける工程とを有することを特徴とする光周波数コム発生器の製造方法。