JP3758996B2

JP3758996B2 - 光導波路型光変調器及び光導波路型光周波数コム発生器

Info

Publication number: JP3758996B2
Application number: JP2001188669A
Authority: JP
Inventors: 義宣中山; 元伸興梠; 修仲本; 成嘉三澤; ウイディヤトモコバンバン
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: 2001-06-21
Filing date: 2001-06-21
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2021-06-21
Also published as: JP2003005142A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路型光変調器及び光導波路型光周波数コム発生器に関し、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】
光周波数コム発生器として、例えば光導波路型光周波数コム発生器が使用されている。
【０００４】
従来の光導波路型光周波数コム発生器は、広帯域の光導波路型光位相変調器の両端面に鏡を形成した光共振器を備え、その光共振器の自由スペクトル域の整数倍で光導波路型光位相変調器を駆動し、レーザ光を変調し光周波数コムを発生していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の如き構造の従来の光導波路型光周波数コム発生器では、広帯域の光導波路型光位相変調器を駆動するために多くの電力が必要であった。
【０００６】
低電力化のためには、電極をマイクロ波共振器構造にした狭帯域の光導波路型光位相変調器を用いる必要があると考えられる。ところが、光導波路型光位相変調器の電極構造で外部金属構造を用いない共振器を作成する場合、例えば図１２に示すように、光導波路３０１を形成した２電極構造のＹ−cut LiＮbＯ_３の基板３０２を用いた光変調器３００では、電極３０３Ａ、３０３Ｂの端を開放とし、開放端でマイクロ波の反射が起こるようにして光共振器を作成しようとすると、電極３０３Ａが細く電気抵抗が大きいために、ジュール熱が発生しマイクロ波がエネルギーを失い高品質なマイクロ波共振が得られない。すなわち高いＱ値がえられない。電極３０３Ａを細くすることは、インピーダンスマッチングを得るため、またマイクロ波の電極を伝わる速度と光の速度を一致させるため、さらに電界を狭い範囲に閉じ込め高い変調効率を得るための構造であるが、高いＱ値を得るためには不向きであった。また電極を超伝導材料などで作成すると、高いＱ値が得られるが、液体窒素温度まで冷却する必要があり実用的ではない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の問題点に鑑み、低電力駆動の光導波路型光変調器及び光導波路型光周波数コム発生器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
ところで、従来のバルク型光周波数コム発生器では、図１３に示すようにバルク型位相変調器を構成する電気光学結晶基板４１０を空洞マイクロ波共振器４２０に挿入して駆動する構造採用することにより高効率が得られている。
【０００９】
本発明では、上述の如き従来の問題点を解決するために、金属で囲まれた空洞マイクロ波共振器と結合させマイクロ波の伝播の電気抵抗損失を少なくし、さらに電界を狭い範囲に閉じ込め高い変調効率を得、かつマイクロ波の電極を伝わる速度と光の速度を一致させ、その結果高いＱ値の実用的な共振器型光変調器を実現する。
【００１０】
すなわち、本発明は、光変調を行うビーム光を通過させる光導波路が形成された電気光学結晶基板を空洞マイクロ波共振器に内蔵してなる光導波路型光変調器であって、上記空洞マイクロ波共振器と結合される電極を電気光学結晶基板の表面に光導波路を挟むように形成し、上記空洞マイクロ波共振器は、上記電気光学結晶基板の表面の電極と該電気光学結晶基板の表面側に設置された凹型の金属ブロックで構成され、上記空洞マイクロ波共振器を構成する金属平板の一部を上記電気光学結晶基板の表面に作成した電極が兼ねる構造とし、光導波路の反対側が解放されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る光導波路型光変調器は、例えば、さらに、空洞マイクロ波共振器の片側閉じている金属ブロックに開口を設け、上記空洞マイクロ波共振器を開放型の構造とされる。
【００１２】
また、上記光導波路型光変調器において、上記電極は、例えば、網目状に形成される。
【００１３】
さらに、上記光導波路型光変調器において、上記空洞マイクロ波共振器は、例えば、マイクロ波の電極を伝わる速度と光の速度を一致させた構造とする。
【００１４】
また、本発明は、光共振を起こさせるビーム光を通過させる光導波路が形成された電気光学結晶基板の相対向する２つの端面に入射端反射膜と出射端反射膜が形成されてなる光共振器を空洞マイクロ波共振器に内蔵してなる光導波路型光周波数コム発生器であって、上記空洞マイクロ波共振器と結合される電極を電気光学結晶基板の表面に光導波路を挟むように形成し、上記空洞マイクロ波共振器は、上記電気光学結晶基板の表面の電極と該電気光学結晶基板の表面側に設置された凹型の金属ブロックで構成され、上記空洞マイクロ波共振器を構成する金属平板の一部を上記電気光学結晶基板の表面に作成した電極が兼ねる構造とし、光導波路の反対側が解放されていることを特徴とする。
【００１５】
【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。
【００１６】
本発明では、図１に基本的な構造を示すように、バルク型光周波数コム発生器の空洞マイクロ波共振器構造を光導波路型光コム発生器に適用することにより低電力な光導波路型光コム発生器(２電極構造)を実現する。
【００１７】
すなわち、図１に示した光導波路型光コム発生器３０は、光共振を起こさせるビーム光Ｌ１を通過させる光導波路１１が形成された電気光学結晶基板１２の相対向する２つの端面に入射端反射膜１４Ａと出射端反射膜１４Ｂが形成されてなる光共振器１０と、金属で囲まれた空洞マイクロ波共振器２０とを備え、上記光共振器１０を空洞マイクロ波共振器２０に内蔵してなる。
【００１８】
上記空洞マイクロ波共振器２０は、光共振を起こさせる光ビームＬ１を伝播させ、かつそれぞれの光ビームＬ１に対応して光導波路１１に電界をかけるためものであって、図示しない給電アンテナに供給されるマイクロ波信号に共振することにより、上記マイクロ波信号に応じた電界を光導波路１１に印加する。
【００１９】
また、上記電気光学結晶基板１２は、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）など電圧で光を位相変調できる光学材料基板である。
【００２０】
上記光学結晶基板１２には、入射端反射膜１４Ａを介して基本波としての光ビームＬ１が入射され、入射端反射膜１４Ａと出射端反射膜１４Ｂにより構成されたファブリペロエタロンにより共振した光ビームＬ１の一部が、出射端反射膜１４Ｂを介して光周波数コムＬＣ１として出射される光導波路１１が形成されている。
【００２１】
上記入射端反射膜１４Ａと出射端反射膜１４Ｂは、それぞれ僅かに透過率もある反射鏡であって、クロム，金，アルミニウムあるいは誘電体多層膜などを蒸着することにより、上記電気光学結晶基板１２の相対向する２つの端面に形成されている。
【００２２】
上記電気光学結晶基板１２に形成された光導波路１１は、上記空洞マイクロ波共振器２０に内蔵されているので、マイクロ波信号に上記空洞マイクロ波共振器２０が共振することにより、上記マイクロ波信号に応じた電界が印加され、上記マイクロ波信号に応じて屈折率が変化する。これにより、上記光導波路１１は、入射端反射膜１４Ａを介して入射された基本波としての光ビームＬ１に対して上記マイクロ波信号に応じた光位相変調を施す光位相変調器として機能する。
【００２３】
このような構成の光共振器１０を空洞マイクロ波共振器２０に内蔵してなる光導波路型光コム発生器３０では、入射端反射膜１４Ａを介して光導波路１１に入射された基本波としての光ビームＬ１に対して、マイクロ波信号に応じて光位相変調することができ、光ビームＬ１の位相を変調して、出射端反射膜１４Ｂを介して光周波数コムＬＣ１を出射することができる。
【００２４】
なお、上記空洞マイクロ波共振器２０内のマイクロ波の伝播モードがＴＥモードである場合だと、電界は結晶に対して図の上下方向にかかるが、電界は結晶全体にほぼ一様にかかり、光導波路型変調器の利点である電界が光の通る部分領域に集中する特性ではない。そのため、電界が光導波路１１に集中せず十分な低電力な変調にはならないと考えられる。また空洞マイクロ波共振器２０に平面基板上に作成された電気光学変調器を如何に設置するかの問題も生じる。実際の光導波路は薄い平面の基板上に作成されるので図１のような構成は作成上難しい。
【００２５】
そこで、図２に要部を拡大して示すように、実用的な光導波路型光コム発生器１３０では、光共振器１１０の光導波路１１１を薄い平面の電気光学結晶基板１１２に形成し、この電気光学結晶基板１１２上に電極１１５Ａ，１１５Ｂを作成して空洞マイクロ波共振器構造と結合させるように、平面基板に適した空洞マイクロ波共振器１２０に光共振器１１０を挿入する。
【００２６】
そして、図３に示すように金属平板１２０ａ，１２０ｂで挟まれた空洞マイクロ波共振器１２０は、光導波路１１１の反対側の幅を電気光学結晶基板１１２の厚さよりも十分大きくし、平面基板を設置しやすい構造としてある。このような構成であると、電気光学結晶基板１１２が薄くても容易に設置できる。また、この空洞マイクロ波共振器１２０には、図３（ａ）に示す開放型空洞マイクロ波共振器１２０Ａと図３（ｂ）に示す非開放型空洞マイクロ波共振器１２０Ｂがあり、開放型空洞マイクロ波共振器１２０Ａは低周波数に向き、非開放型空洞マイクロ波共振器１２０Ｂは高周波数に向く傾向にあるが、原理的にはとちらでもよい。
【００２７】
ここで、上記電極１１５Ａ，１１５Ｂとしては、それぞれ全面電極を用いている。図４は、この時の電界強度分布の計算結果である。電界が中心（光の通る部分）に集中していることが分かる。このような構造の電極を用いることは、空洞マイクロ波共振部からの電流に対して、電流が広い面積の電極を通るため電流損失を少なくすることが可能である。
【００２８】
上記ではあらかじめ電気光学結晶基板１１２上に補助的な電極１１５Ａ，１１５Ｂを作成することが電界集中に役立つことを説明した。しかしながら空洞マイクロ波共振器１２０の光導波路１１１の反対側にもある程度電界はもれる。その電界のもれは電気光学結晶基板１１２の厚さ程度の範囲まで発生する。漏れ電界を減らすのは、電気光学結晶基板１１２の厚さを薄くすることで可能である。これにより大きな電界集中を得られる。ところが電気光学結晶基板１１２を薄くすることは、機械的な強度が劣化する可能性があり電気光学結晶基板１１２を薄くすることは最小限にとどめる必要がある。
【００２９】
そこで、上記電極１１５Ａ，１１５Ｂとして、図５の（ａ），（ｂ）、（ｃ）に示すように網状の電極構造を採用することにより、部分的に不要な電気力線を逓減し、静電容量を逓減する。
【００３０】
すなわち、網目状の電極１１５Ａ，１１５Ｂは、図６に示すように、光の通る部分の電界強度を高めるための空洞マイクロ波共振器１２０からの電流を流す線路として働くが、電気力線は電極下部に発生するのみで、網の空間部では電気力線は発生しない。よって平均的に見ると電気力線の数が減少し光の通る部分に対する電界集中を高めることができる。編み目電極の間隔はマイクロ波の波長より十分小さくすることによって周期構造による影響をなくすことができる。網目状の電極を作成する範囲は光が通過する部分から電気光学結晶基板１１２の厚み程度の範囲で十分である。
【００３１】
さらに、この構造でマイクロ波が電極１１５Ａ，１１５Ｂを伝わる速度と光の速度を一致させ、さらに電界を狭い範囲に閉じ込め高い変調効率を得ることができる。電極１１５Ａ，１１５Ｂの持つ静電容量が２５０ｐＦ／ｍ程度の分布を持つとするときのマイクロ波の位相速度を等価屈折率としてあらわしたのが図７及び図８である。
【００３２】
図７は、Ｈ＝０．０１５ｍ、Ｗ＝０．０００４ｍの開放型空洞マイクロ波共振器１２０Ａ、非開放型空洞マイクロ波共振器１２０Ｂを採用した場合の等価屈折率特性Ａ，Ｂを示している。光の速度は結晶中では等価屈折率であらわすと２．１８であり、図７では直線であらわしている。約１０ＧＨｚにおいてマイクロ波の等価屈折率は光の等価屈折率に一致し、この時マイクロ波の電極１１５Ａ，１１５Ｂを伝わる速度と光の速度が一致する。この周波数は、開放型空洞マイクロ波共振器１２０Ａ、非開放型空洞マイクロ波共振器１２０Ｂの違いやＨ及びＷの値をかえることで変更が可能である。例えば図８は非開放型空洞マイクロ波共振器１２０ＢでＷの値を変化させた場合の等価屈折率特性を示している。等価屈折率が２．１８になる範囲はＷを変化させることで５ＧＨｚから２０ＧＨｚまで可変であることが分かる。
【００３３】
以上説明した光導波路型光コム発生器１３０では、金属平板１２０ａ，１２０ｂで挟まれた空洞マイクロ波共振器１２０を用いていたが、次に説明する図９及び図１０に示す光導波路型光コム発生器２３０では、空洞マイクロ波共振器２２０を構成する金属平板の一部を電気光学結晶基板２１２に作成した電極２１５Ａ，２１５Ｂが兼ねる構造となっており、光導波路２１１の反対側は完全に解放されている。光導波路２１１側は、電気光学結晶基板２１２の表面の電極２１５Ａ，２１５Ｂと設置された凹型の金属ブロック２２０Ａの間で空洞マイクロ波共振器２２０が構成されている。この空洞マイクロ波共振器２２０には、励起用のマイクロ波入力が同軸線路によって空洞内部に直接結合するように、励起用空洞部が形成されている。
【００３４】
このような構造の光導波路型光コム発生器２３０は、金属平板で挟まれた空洞マイクロ波共振器２２０の作成が容易であり、しかも、小型化に有利である。この光導波路型光コム発生器２３０において、空洞マイクロ波共振器２２０の光の進む方向に垂直な面は開放端になっている。これは光周波数コム発生器として必要なモードとして端面で開放端となるようなモードを励起するためである。この場合、マイクロ波の電極を伝わる速度と光の速度を一致させるように空洞の大きさ等の調整を行っているとすると、光共振器２１０の自由スペクトル域の整数倍にこの空洞マイクロ波共振器２２０の共振周波数に一致することになる。
【００３５】
さらに、このような構造の光導波路型光コム発生器２３０では、図１１に示すように、空洞マイクロ波共振器２２０の片側閉じている金属ブロック２２０Ａに開口２２０ａを設け、空洞マイクロ波共振器２２０を開放型の構造とすることにより、直流バイアスの印加を容易に行うことが可能となる。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る導波路型光変調器では、光変調を行うビーム光を通過させる光導波路が形成された電気光学結晶基板を空洞マイクロ波共振器に内蔵して結合させることにより、マイクロ波の伝播の電気抵抗損失を少なくすることができる。
【００３７】
また、本発明に係る光導波路光変調器では、上記電気光学結晶基板上に光導波路を挟むように形成された電極を上記空洞マイクロ波共振器と結合させた構造とすることによって、電界を狭い範囲に閉じ込め高い変調効率を得ることができる。
【００３８】
また、本発明に係る光導波路型光変調器では、上記電極を網目状に形成した構造とすることにより、光の通る光導波路部分に対する電界集中を高めることができる。
【００３９】
さらに、本発明に係る光導波路型光変調器では、上記空洞マイクロ波共振器をマイクロ波の電極を伝わる速度と光の速度を一致させた構造とすることにより、高いＱ値の実用的な共振器型光変調器で効率よく光変調を行うことができる。
【００４０】
すなわち、本発明によれば、金属で囲まれた空洞マイクロ波共振器と結合させマイクロ波の伝播の電気抵抗損失を少なくし、さらに電界を狭い範囲に閉じ込め高い変調効率を得、かつマイクロ波の電極を伝わる速度と光の速度を一致させ、その結果高いＱ値の実用的な共振器型光変調器で効率よく光変調を行うことができる光導波路型光変調器を提供することができる。
【００４１】
また、本発明に係る光導波路型光周波数コム発生器では、光共振を起こさせるビーム光を通過させる光導波路が形成された電気光学結晶基板の相対向する２つの端面に入射端反射膜と出射端反射膜が形成されてなる光共振器を空洞マイクロ波共振器に内蔵して結合させることにより、マイクロ波の伝播の電気抵抗損失を少なくして、効率よく光周波数コムを発生することができる。
【００４２】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光導波路型光周波数コム発生器の基本的な構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】実用的な光導波路型光コム発生器の要部を拡大して示す斜視図である。
【図３】実用的な構造を有する開放型空洞マイクロ波共振器及び開放型空洞マイクロ波共振器の外観斜視図である。
【図４】上記実用的な構造を有する光導波路型光コム発生器において、空洞マイクロ波共振器と結合される電極を電気光学結晶基板上に光導波路を挟むように形成した場合の電界強度分布の計算結果を模式的に示す図である。
【図５】上記実用的な構造を有する光導波路型光コム発生器において採用される網状の電極構造を模式的に示す図である。
【図６】上記網状の電極構造を採用した光導波路型光コム発生器における、電気光学結晶基板を通る電気力線を模式的に示す図である。
【図７】開放型空洞マイクロ波共振器及び非開放型空洞マイクロ波共振器を採用した場合における電気光学結晶基板の等価屈折率特性を示す特性図である。
【図８】開放型空洞マイクロ波共振器でＷの値を変化させた場合における電気光学結晶基板の等価屈折率特性を示す特性図である。
【図９】本発明に係る光導波路型光コム発生器の他の構成例を模式的に示す図である。
【図１０】上記光導波路型光コム発生器の要部断面図である。
【図１１】上記光導波路型光コム発生器の変形例を示す要部断面図である。
【図１２】従来の光導波路型光コム発生器の構成を模式的に示す図である。
【図１３】従来のバルク型光周波数コム発生器の構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１０，１１０，２１０光共振器、１１，１１１，２１１光導波路、１２，１１２，２１２電気光学結晶基板、１４Ａ入射端反射膜、１４Ｂ出射端反射膜、２０，２２０空洞マイクロ波共振器、３０，１３０，２３０光導波路型光コム発生器、１１５Ａ，１１５Ｂ，２１５Ａ，２１５Ｂ電極、１２０ａ，１２０ｂ金属平板、１２０空洞マイクロ波共振器、１２０Ａ開放型空洞マイクロ波共振器、１２０Ｂ非開放型空洞マイクロ波共振器、２２０Ａ金属ブロック、２２０ａ開口

Claims

光変調を行うビーム光を通過させる光導波路が形成された電気光学結晶基板を空洞マイクロ波共振器に内蔵してなる光導波路型光変調器であって、
上記空洞マイクロ波共振器と結合される電極を電気光学結晶基板の表面に光導波路を挟むように形成し、
上記空洞マイクロ波共振器は、上記電気光学結晶基板の表面の電極と該電気光学結晶基板の表面側に設置された凹型の金属ブロックで構成され、
上記空洞マイクロ波共振器を構成する金属平板の一部を上記電気光学結晶基板の表面に作成した電極が兼ねる構造とし、光導波路の反対側が解放されていることを特徴とする光導波路型光変調器。
さらに、上記空洞マイクロ波共振器の片側を閉じている金属ブロックに開口を設け、上記空洞マイクロ波共振器を開放型の構造としたことを特徴とする請求項１記載の光導波路型光変調器。
上記電極は網目状に形成されていることを特徴とする請求項２記載の光導波路型光変調器。
上記空洞マイクロ波共振器は、マイクロ波の電極を伝わる速度と光の速度を一致させたことを特徴とする請求項３記載の光導波路型光変調器。
光共振を起こさせるビーム光を通過させる光導波路が形成された電気光学結晶基板の相対向する２つの端面に入射端反射膜と出射端反射膜が形成されてなる光共振器を空洞マイクロ波共振器に内蔵してなる光導波路型光周波数コム発生器であって、
上記空洞マイクロ波共振器と結合される電極を電気光学結晶基板の表面に光導波路を挟むように形成し、
上記空洞マイクロ波共振器は、上記電気光学結晶基板の表面の電極と該電気光学結晶基板の表面側に設置された凹型の金属ブロックで構成され、
上記空洞マイクロ波共振器を構成する金属平板の一部を上記電気光学結晶基板の表面に作成した電極が兼ねる構造とし、光導波路の反対側が解放されていることを特徴とする光導波路型光周波数コム発生器。