JP5299859B2 - 超平坦光周波数コム信号発生器 - Google Patents

Description

本発明は，マハツェンダ型光変調器を用い，平坦性の高い光周波数コム信号を発生する超平坦光周波数コム信号発生器に関する。より詳しく説明すると，本発明は，マハツェンダ型光変調器の両アームに設けられる電極を非対称とすることにより，単一の変調信号を用いても，簡潔かつ安定に光周波数コムを発生できる光周波数コム発生器に関する。

近年，等間隔の周波数差を有する複数の光周波数成分を同時に生成する機能を持った光周波数コム発生技術に大きな期待が集まっている。このような光周波数コムを発生できる光周波数コム発生装置は，光波長多重分割多重システムにおける波長多重光源や，超高速光伝送及び光計測のための短パルス光源として応用されうる。また，光周波数コム発生装置は，絶対周波数測定のための光周波数基準や，マイクロ波，ミリ波周波数帯の局発信号の遠隔供給に応用することが検討されている（W. D. Jemison et al., MWP’01, pp.169−172,2001）。また，光周波数コム発生装置は，無線望遠鏡などの天文観測システムで用いられるアレイアンテナの制御信号として用いることも検討されている（J. M. Payne and W. P. Shillue, MWP’02, pp.9-12, 2002）。

光周波数コムの発生方法として，半導体や光ファイバを用いたモード同期レーザを用いるものの他，LiNbO₃変調器などの光変調技術を用いたものが検討されてきた（例えば，下記非特許文献１〜３）。

光周波数コムは，平坦なスペクトル特性を持つこと，すなわち各周波数成分が等しい光強度を持つことが理想的である。LiNbO₃変調器を用いて光周波数コムを生成する場合においても，平坦なスペクトル特性を有する光周波数コムを得ることは重要な課題である。大きな振幅を有する駆動信号を用いてLiNbO₃変調器を駆動すると，電気光学効果により位相変調光を得ることができる。その結果，光周波数コムを得ることができるものの，発生する光信号のうち高次変調成分の光強度は各次数に応じたベッセル関数に従うこととなる。そして，ベッセル関数は，次数により位相が異なった準周期的関数である。そのため，位相変調光の各周波数成分の光強度は駆動信号の振幅に大きく依存し平坦なスペクトル特性を得ることが難しいという問題がある。

これに対し，光位相変調器と光強度変調器とを併用し，平坦なスペクトル特性を有する光周波数コム信号を発生する方法が提案されている。この方法では，光位相変調器と光強度変調器とを同じ周波数の同期信号で駆動し，初段の光位相変調器を大振動駆動することにより，高次変調成分を発生させた後に，直結された後段の変調器により強度変調が施される。位相変調光の各周波数成分から生成される側波帯成分は，隣接次数の周波数成分と干渉し，光スペクトルの凹凸が緩和される。また，時間軸上では，光強度を制御することにより，位相変調光の非線形チャープ部のみが選択的に生成される。

しかし，以上の従来の手法では，スペクトル平坦性の高い光周波数コムを取得できるが，二つの光変調器を直結した同期駆動が不可欠であった。したがって，光周波数コム発生装置の構成が複雑になるという問題がある。

そこで，本発明者らは，単一のマハツェンダ型光変調器の両アームに異なる振幅の正弦波信号で大振幅駆動させ，また，駆動電圧の調整により生成されるコムの各周波数成分の合成ベクトル強度を一定値とすることで，光周波数間隔が等しく，かつ平坦な光スペクトル特性を持った，光周波数コム信号を発生する光周波数コム発生器を開発した。

この光周波数コム発生器は単一のマハツェンダ型光変調器のみを用いて光周波数コム信号を発生できるので，装置が簡便であり，きわめて優れたものであった。しかしながら，この光周波数コム発生器においても，単一のマハツェンダ型光変調器の両アームに異なる振幅の正弦波信号で大振幅駆動させるため，２種類の変調信号が必要であるという問題がある。
M. Sugiyama et al., OFC’02, FB6, 2002. T. Sakamoto et al., MWP’04, MC16, 2004. T. Kawanishi et al., IEICE Electron Express, Vol. 1, pp.217-221, 2004

本発明は，単一の光変調器（好ましくは位相変調器などを用いず，光変調器は単一のマハツェンダ型光変調器のみ）を用い，１種類の変調信号により，光周波数間隔が等しく，かつ平坦な光スペクトル特性を持った光周波数コム信号を発生すること，及びそのような光周波数コム信号を得ることができる光周波数コム発生器を提供することを目的とする。

本発明は，上記のような光周波数コム発生器を用いた光パルス発生器を提供することを上記とは別の目的とする。

本発明は，基本的には,マッハツェンダ型光変調器の第１の導波路(4)に沿って設けられた第１の変調電極(15)と，前記第２の導波路(5)に沿って設けられた第２の変調電極(16)の長さを異ならせるか，第１の導波路(4)及び第２の導波路(5)のいずれか又は両方を変調効率が最大となる位置に関して非対称となるようにずらすことで，単一の変調信号を用いても，平坦なスペクトル特性を有する光周波数コムを得ることができるという知見に基づくものである。光位相変調器は，本来，入力信号の位相を変調するためのものであるから，入力光信号の位相が所定量変調された信号のみが出力されることが期待される。しかしながら，光位相変調器では，所定量変調された信号以外に，複数の周波数の光スペクトルがノイズとして発生する。そして，複数の周波数成分の強度は，ベッセル関数に従う。よって，２つの光位相変調器から出力される光信号を合波し，ノイズとして出力される各周波数成分を効果的に利用し，各周波数成分の光強度を適切に補うことで，単一の光変調器を用いても平坦なスペクトル特性を有する光周波数コムを得ることができる。

そして，光周波数コムを得るためには，マハツェンダ変調器の両アームからの出力が合波された場合に，光周波数コム信号となるように合波される前の光信号を調整すればよい。本発明では，そのような観点から，バイアス信号や変調信号を印加すると共に，それぞれのアームに設けられる変調電極の長さを調整するか，又は導波路を非対称とする。

具体的には，本発明の第１の側面にかかる光周波数コム発生装置は，光の入力部(2)と，前記入力部に入力した光が分岐する分岐部(3)と，前記分岐部(3)から分岐した光が伝播する第１の導波路(4)と，前記分岐部(3)から分岐した上記とは別の光が伝播する第２の導波路(5)と，前記第１の導波路と前記第２の導波路から出力される光信号が合波される合波部(6)と，前記合波部で合波された光信号が出力される光信号の出力部(7)とを含む導波路部分(8)と；前記第１の導波路を駆動する第１の駆動信号(9)と前記第２の導波路を駆動する第２の駆動信号(10)を得るための駆動信号系(11)と；前記第１の導波路及び前記第２の導波路に印加するバイアス信号(12,13)を得るためのバイアス信号系(14)を具備し， 前記第１の駆動信号(9)及び前記第２の駆動信号(10)は一つの駆動信号系(11)から得られ，前記第１の導波路(4)に沿って設けられた第１の変調電極(15)と，前記第２の導波路(5)に沿って設けられた第２の変調電極(16)の長さをそれぞれｌ_１及びｌ_２としたときに，ｌ_１とｌ_２とは異なり，前記駆動信号系(11)及びバイアス信号系(14)は，前記第１の駆動信号(9)，前記第２の駆動信号(10)及びバイアス信号(12,13)が，下記式(I)を満たすように駆動する光周波数コム発生装置などに関する。ΔＡ±Δθ＝π／２ (I)
（ここで，ΔＡ及びΔθは，それぞれΔＡ≡（Ａ_１−Ａ_２）／２，及びΔθ≡（θ_１−θ_２）／２と定義され，Ａ_１及びＡ_２はそれぞれ前記第１の駆動信号及び前記第２の駆動信号の電極への入力時における前記第１の駆動信号及び前記第２の駆動信号に誘導される光位相シフト振幅を示し，θ_１及びθ_２はそれぞれ第１の導波路及び第2の導波路内で誘導される光位相シフト量を示す）。なお，本明細書において，前記第１の駆動信号により誘導される光位相シフト振幅（Ａ_１）を単に，前記第１の駆動信号の振幅ともよび，前記第２の駆動信号により誘導される光位相シフト振幅（Ａ_２）を単に，前記第２の駆動信号の振幅ともよぶ。また，“駆動信号の振幅”とは，文脈に応じて，駆動信号により誘導される光位相シフト振幅を意味する。

後述するように，上記式（I）を満たすように駆動することにより，合波される２つの位相変調器（導波路と駆動信号を印加する電極とにより位相変調器を構成する。）からの光信号が互いに補い合って平坦なスペクトル特性を有する光周波数コムを得ることができることとなる。

本発明の第１の側面にかかる光周波数コム発生装置の好ましい態様は，前記駆動信号系(11)及びバイアス信号系(14)は，前記第１の駆動信号(9)，前記第２の駆動信号(10)及びバイアス信号(12,13)が，前記式(I)の替わりに，下記式(II)を満たすように駆動する上記に記載の光周波数コム発生装置である。
ΔＡ＝Δθ＝π／４ （II）
（ただし，ΔＡ及びΔθは，上記と同義である。）

式(II)は，式(I)を満たすから，式(II)のように駆動すれば，平坦なスペクトル特性を有する光周波数コムを得ることができる。また，後述するように，式(II)を満たすように駆動すれば，効率よく平坦なスペクトル特性を有する光周波数コムを得ることができる。

本発明の第１の側面にかかる光周波数コム発生装置の好ましい態様は，前記第１の駆動信号の振幅（Ａ_１）と前記第２の駆動信号の振幅（Ａ_２）とが異なる上記いずれかに記載の光周波数コム発生装置である。

一般に，デュアルドライブ型の光変調器では，２つの駆動信号の振幅を同じとする。しかし，本発明では，平坦なスペクトル特性を有する光周波数コムを得られるように駆動信号を設定するので，２つの駆動信号が所定の条件を満たすように制御されるため，２つの駆動信号の振幅が異なる。

本発明の第１の側面にかかる光周波数コム発生装置の好ましい態様は，前記導波路部分(8)が，マハツェンダ型導波路である上記いずれかに記載の光周波数コム発生装置である。

マハツェンダ型導波路，及びマハツェンダ型導波路と駆動信号系とを含んだ光変調器（マハツェンダ変調器）は，公知である。したがって，マハツェンダ型導波路を具備する光周波数コム発生装置であれば，公知のマハツェンダ型導波路と駆動信号系を用いて容易に光周波数コム発生装置を製造できる。なお，マハツェンダ型導波路を構成する分岐後の二つの導波路をそれぞれアームともよぶ。マハツェンダ導波路は，例えば，略六角形状の導波路（これが２つのアームを構成する）を具備し，並列する２つの位相変調器を具備するようにして構成される。位相変調器は，導波路に沿った電極により達成できる。

マハツェンダ変調器は，両アームで誘導される光位相変移量が異なるため，各アームで生成される周波数成分の印加電圧に対する振動周期も異なる。この駆動電圧に対する振動位相差が両アーム間で９０度となるよう駆動電圧を調整することにより，生成されるコムの各周波数成分の合成ベクトル強度を一定値とすることで，合波された光スペクトルにおける光強度の周波数依存性を軽減することができ，その結果，平坦な光周波数コムを得ることができる。

本発明の第１の側面にかかる光周波数コム発生装置の好ましい態様は，第１の変調電極（１５）と前記第２の変調電極（１６）とは，電気的に接続され，前記駆動信号系(１１)は，駆動信号が前記第２の変調電極（１６）に入力され，その第２の変調電極（１６）から出力された変調信号が前記第１の変調電極（１５）に入力され，前記第２の変調電極（１６）に印加される変調信号と，前記第１の変調電極（１５）に印加される変調信号は，同相となるように変調信号を駆動する，上記いずれかに記載の光周波数コム発生装置に関する。この場合でも，第１の変調電極（１５）及び第２の変調電極（１６）の長さを調整することで，変調効率を調整できる。また，電極の断面構造を調整することによっても，変換効率を調整することができる。このように，駆動信号系（１１）からの駆動信号が第２の変調電極（１６）に入力され，その第２の変調電極（１６）から出力された変調信号を第１の変調電極（１５）に入力されるようにすることで，電力効率を３ｄＢ程度改善することができる。

本発明の第１の側面にかかる光周波数コム発生装置の好ましい態様は，前記導波路部分(８)は，ドメイン反転された強誘電体結晶基板上に設けられる，上記いずれかに記載の光周波数コム発生装置に関する。このようにドメイン反転（結晶軸を反転した構造）の強誘電体結晶（ＬＮ結晶）を用いることで，各導波路に対し，同相かつ同符号の変調を施すことができるので，ひとつの電極から両端の電極に位相シフトを与えることができ，その結果，１電極のみでコム発生を行うことができることとなる。

本発明の第１の側面にかかる光周波数コム発生装置の好ましい利用態様は，上記いずれかに記載の光周波数コム発生装置と，前記光周波数コム発生装置からの出力が入力されるバンドパスフィルタと，前記バンドパスフィルタからの出力が入力される分散ファイバとを具備する光パルス発生装置に関する。すなわち，上記した光周波数コム発生装置に，バンドパスフィルタと光ファイバとを接続するだけで，簡単にピコ秒パルスレーザ又はフェムト秒パルスレーザといった超短パルスレーザを得ることができる。

本発明の第２の側面にかかる光周波数コム発生装置は，光の入力部(2)と，前記入力部に入力した光が分岐する分岐部(3)と，前記分岐部(3)から分岐した光が伝播する第１の導波路(4)と，前記分岐部(3)から分岐した上記とは別の光が伝播する第２の導波路(5)と，前記第１の導波路と前記第２の導波路から出力される光信号が合波される合波部(6)と，前記合波部で合波された光信号が出力される光信号の出力部(7)とを含む導波路部分(8)と；前記第１の導波路を駆動する第１の駆動信号(9)と前記第２の導波路を駆動する第２の駆動信号(10)を得るための駆動信号系(11)と；前記第１の導波路及び前記第２の導波路に印加するバイアス信号(12,13)を得るためのバイアス信号系(14)と；を具備し，前記第１の駆動信号(9)及び前記第２の駆動信号(10)は一つの駆動信号系(11)から得られ，前記第１の導波路と前記第２の導波路のいずれか又は両方が，上記式（I）の関係を満たすように，変調効率が最大となる条件からずれており，前記駆動信号系(11)及びバイアス信号系(14)は，前記第１の駆動信号(9)，前記第２の駆動信号(10)及びバイアス信号(12,13)が，上記式(I)を満たすように駆動する光周波数コム発生装置である。

本発明では，所定の条件において光変調器を駆動することにより，単一の光変調器によって，平坦なスペクトル特性を有する光周波数コムを発生することができる。これにより，2種類の駆動信号（変調信号）を印加するマハツェンダ型光変調器を用いた光周波数コム発生器に比べ,構造が簡潔になるほか,二つの変調信号により駆動する必要がなくなるので，駆動系が簡潔になるほか操作も容易になる。

本発明は，上記のような光周波数コム発生器を用いた光パルス発生器を提供できるので，上記した効果を有する光パルス発生器を提供できることとなる。

[光周波数コム発生装置]
以下，図面を用いて本発明の光周波数コム発生装置について説明する。図１は，本発明の光周波数コム発生装置の概略図である。図1に示されるように，本発明の第１の側面にかかる光周波数コム発生装置(1)は，光の入力部(2)と，前記入力部に入力した光が分岐する分岐部(3)と，前記分岐部(3)から分岐した光が伝播する第１の導波路(4)と，前記分岐部(3)から分岐した上記とは別の光が伝播する第２の導波路(5)と，前記第１の導波路と前記第２の導波路から出力される光信号が合波される合波部(6)と，前記合波部で合波された光信号が出力される光信号の出力部(7)とを含む導波路部分(8)と；前記第１の導波路を駆動する第１の駆動信号(9)と前記第２の導波路を駆動する第２の駆動信号(10)を得るための駆動信号系(11)と；前記第１の導波路及び前記第２の導波路に印加するバイアス信号(12,13)を得るためのバイアス信号系(14)とを具備する。

そして，前記第１の駆動信号(9)及び前記第２の駆動信号(10)は一つの駆動信号系(11)から得られ，前記第１の導波路(4)に沿って設けられた第１の変調電極(15)と，前記第２の導波路(5)に沿って設けられた第２の変調電極(16)の長さをそれぞれｌ_１及びｌ_２としたときに，ｌ_１とｌ_２とは異なり，前記駆動信号系(11)及びバイアス信号系(14)は，前記第１の駆動信号(9)，前記第２の駆動信号(10)及びバイアス信号(12,13)が，下記式(I)を満たすように駆動する。
ΔＡ±Δθ＝π／２ (I)
（ここで，ΔＡ及びΔθは，それぞれΔＡ≡（Ａ_１−Ａ_２）／２，及びΔθ≡（θ_１−θ_２）／２と定義され，Ａ_１及びＡ_２はそれぞれ前記第１の駆動信号及び前記第２の駆動信号の電極への入力時における前記第１の駆動信号及び前記第２の駆動信号に誘導される光位相シフト振幅を示し，θ_１及びθ_２はそれぞれ第１の導波路及び第2の導波路内で光路長差及びバイアス信号などにより誘導される光位相シフト量を示す）。すなわち，この態様に係る本発明の光周波数コム発生器は，上記式(I)のように前記第１の駆動信号(9)，前記第２の駆動信号(10)及びバイアス信号(12,13)を駆動する前記駆動信号系(11)及びバイアス信号系(14)を具備するものである。そして，駆動の制御は，信号系に含まれるか信号系に取り付けられたコンピュータなどの制御部で制御すればよい。

後述するように，上記式（I）を満たすように駆動することにより，合波される２つの位相変調器（導波路と駆動信号を印加する電極とにより位相変調器を構成する。）からの光信号が互いに補い合って平坦なスペクトル特性を有する光周波数コムを得ることができることとなる。

駆動信号が式（Ｉ）を満たす場合，ｌ_１及びｌ_２は，理想的には，後述する式を満たすように設計すればよい。

本発明の第１の側面にかかる光周波数コム発生装置の好ましい態様は，前記式(I)の替わりに，下記式(II)を満たすように駆動する上記に記載の光周波数コム発生装置である。
ΔＡ＝Δθ＝π／４ （II）
（ただし，ΔＡ及びΔθは，上記と同義である。）。すなわち，この態様に係る本発明の光周波数コム発生器は，上記式(II)のように前記第１の駆動信号(9)，前記第２の駆動信号(10)及びバイアス信号(12,13)を駆動する前記駆動信号系(11)及びバイアス信号系(14)を具備するものである。

式(II)は式(I)を満たすから，式(II)のように駆動すれば，平坦なスペクトル特性を有する光周波数コムを得ることができる。また，後述するように，式(II)を満たすように駆動すれば，効率よく平坦なスペクトル特性を有する光周波数コムを得ることができる。

本発明の第１の側面にかかる光周波数コム発生装置の好ましい態様は，前記第１の駆動信号の振幅（Ａ_１）と前記第２の駆動信号の振幅（Ａ_２）とが異なる上記いずれかに記載の光周波数コム発生装置である。

駆動信号の振幅が大きい場合に，下記のとおり式(I)の条件において平坦な光周波数コムスペクトルを得ることができるので，駆動信号の振幅として，π以上があげられ，２πもしくは３π以上であればより好ましい。一方，本発明では，２つの駆動信号の振幅が異なることが好ましいので，振幅差の値として，０〜πがあげられ，０．５πもしくは０〜０．２５πであればより好ましい。

一般に，デュアルドライブ型の光変調器では，2つの駆動信号の振幅を同じとする。しかし，本発明では，平坦なスペクトル特性を有する光周波数コムを得られるように駆動信号を設定するので，2つの駆動信号が所定の条件を満たすように制御されるため，2つの駆動信号の振幅が異なる。

本発明の第１の側面にかかる光周波数コム発生装置の好ましい態様は，前記導波路部分(8)が，マハツェンダ型導波路である上記いずれかに記載の光周波数コム発生装置である。

マハツェンダ型導波路，及びマハツェンダ型導波路と駆動信号系とを含んだ光変調器（マハツェンダ変調器）は，公知である。したがって，マハツェンダ型導波路を具備する光周波数コム発生装置であれば，公知のマハツェンダ型導波路と駆動信号系を用いて容易に光周波数コム発生装置を製造できる。なお，マハツェンダ型導波路を構成する分岐後の二つの導波路をそれぞれアームともよぶ。マハツェンダ導波路は，例えば，略六角形状の導波路（これが２つのアームを構成する）を具備し，並列する２つの位相変調器を具備するようにして構成される。位相変調器は，導波路に沿った電極により達成できる。

マハツェンダ変調器は，両アームで誘導される光位相変移量が異なるため，各アームで生成される周波数成分の印加電圧に対する振動周期も異なる。この駆動電圧に対する振動位相差が両アーム間で90度となるよう駆動電圧を調整することにより，生成されるコムの各周波数成分の合成ベクトル強度を一定値とすることで，合波された光スペクトルにおける光強度の周波数依存性を軽減することができ，その結果，平坦な光周波数コムを得ることができる。なお，光コムは，その帯域幅に応じた光パルス信号を生成することができるので，光周波数コム発生装置は，超高精度な多周波数光パルス発生器ということもできる。すなわち，本発明は，上記した光周波数コム発生装置の構成を適宜具備する多周波数光パルス発生器をも提供する。

図２は，本発明の好ましい上記とは別の態様の光周波数コム発生装置の構成を示す概略図である。図１では，駆動信号系からの駆動信号が分岐され，分岐された駆動信号が第１の変調電極(15)と，第２の変調電極(16)とにそれぞれ印加されていた。しかしながら，この実施態様では，いずれかの変調電極に印加された駆動信号からの出力を別の電極へ印加する。その際に，例えば印加される変調信号が逆位相（又は同位相）となるように，適宜位相を調整しても良い。具体的には，駆動信号系（１１）からの駆動信号が第２の変調電極（１６）に入力され，その第２の変調電極（１６）から出力された変調信号を第１の変調電極（１５）に入力されるようにし，式（Ｉ）又は式（ＩＩ）を満たすように駆動すればよい。そして，第２の変調電極（１６）に印加される変調信号と，第１の変調電極（１５）に印加される変調信号は，同相となるように印加することが好ましい。この場合でも，第１の変調電極（１５）及び第２の変調電極（１６）の長さを調整することで，変調効率を調整できる。また，電極の断面構造を調整することによっても，変換効率を調整することができる。このように，駆動信号系（１１）からの駆動信号が第２の変調電極（１６）に入力され，その第２の変調電極（１６）から出力された変調信号を第１の変調電極（１５）に入力されるようにすることで，電力効率を３ｄＢ程度改善することができる。

[各要素の説明]
以下，本発明の光周波数コム発生装置などの各構成について説明する。

本発明の光周波数コム発生装置に用いられる光源として，連続光（ＣＷ）を出力できる光源があげられ，分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）があげられる。定光出力動作タイプのＤＦＢレーザが，高い単一波長選択性を有するので好ましい。光の帯域として，C-bandのみならず，その長波側のL-band 又はその短波側のS-bandであってもよい。光強度として，1mW〜50mWがあげられる。

本発明の光周波数コム発生装置に用いられる導波路として，光変調器に用いられる公知の導波路を適宜用いることができる。本発明の光変調器の好ましい態様は，マハツェンダ型光変調器であるから，以下マハツェンダ型光変調器を中心に説明する。通常，マハツェンダ導波路や電極は基板上に設けられる。基板及び各導波路は，光を伝播することができるものであれば，特に限定されない。例えば，ＬＮ（LiNbO₃）基板上に，Ti拡散のニオブ酸リチウム導波路を形成しても良いし，シリコン（Si）基板上に二酸化シリコン（SiO₂）導波路を形成しても良い。また，InPやGaAs基板上にInGaAsP，GaAlAs導波路を形成した光半導体導波路を用いても良い。

図３は，本発明における非対称断面を有する導波路を示す略図である。図３に示される例は，Ｚカットのものである。このような断面を有する場合は第１の変調電極及び第２の変調電極の長さを同じとしても良いし，図１又は図２に示されるようにそれら電極の長さを異ならせても良い。図３に示すものは，ＺカットのＬＮ導波路であり，導波路の上方には熱電極が設けられている。そして，第２の導波路（５）は，変調効率が最大となる位置からずれている。図３において，中央に位置するグランド電極の位置から電極（１６）の中央までの距離をｌとした場合，第２の導波路（５）は，変調効率が最大となる位置から０．１ｌ以上１ｌ以下，好ましくは０．２ｌ以上０．５ｌ以下，より好ましくは０．３ｌ以上０．４ｌ以下ずれていれば良い。ただし，このずれは，上記の式（Ｉ）を満たすように調整できるものであれば特に限定されない。

図４は，本発明における非対称断面を有する導波路を示す略図である。図４に示されるものはＸカットのものである。この場合，適宜中心となる熱電極の位置を境にして基板の分極を反転させても良い。なお，図４に示す例は，中心に熱電極を有し，２つの導波路をはさんでそれぞれグランド電極が設けられている。この例においても，上記と同様，中央に位置するグランド電極の位置から電極（１６）の中央までの距離をｌとした場合，第２の導波路（５）は，変調効率が最大となる位置から０．１ｌ以上１ｌ以下，好ましくは０．２ｌ以上０．５ｌ以下，より好ましくは０．３ｌ以上０．４ｌ以下ずれていれば良い。ただし，このずれは，上記の式（Ｉ）を満たすように調整できるものであれば特に限定されない。このようにドメイン反転（結晶軸を反転した構造）の強誘電体結晶（ＬＮ結晶）を用いることで，各導波路に対し，同相かつ同符号の変調を施すことができるので，ひとつの電極から両端の電極に位相シフトを与えることができ，その結果，１電極のみでコム発生を行うことができることとなる。

基板として，ＸカットＺ軸伝搬となるように切り出されたニオブ酸リチウム （LiNbO₃：LN）が好ましい。これは大きな電気光学効果を利用できるため低電力駆動が可能であり，かつ優れた応答速度が得られるためである。この基板のＸカット面（ＹＺ面）の表面に光導波路が形成され，導波光はＺ軸（光学軸）に沿って伝搬することとなる。Ｘカット以外のニオブ酸リチウム基板を用いても良い。また，基板として，電気光学効果を有する三方晶系，六方晶系といった一軸性結晶，又は結晶の点群がＣ_3V，Ｃ₃，Ｄ₃，Ｃ_3h，Ｄ_3hである材料を用いることができる。これらの材料は，電界の印加によって屈折率変化が伝搬光のモードによって異符号となるような屈折率調整機能を有する。具体例としては，ニオブ酸リチウムの他に，タンタル酸リチウム （LiTO₃：LT），β−BaB₂O₄（略称BBO），LiIO₃等を用いることができる。

変調電極は，好ましくは高周波電気信号源と接続される。高周波電気信号源は，変調電極へ伝達される信号を発生するためのデバイスであり，公知の高周波電気信号源を採用できる。変調電極に入力される高周波信号の周波数（ｆ_ｍ）として，例えば１ＧＨｚ〜100ＧＨｚがあげられる。高周波電気信号源の出力としては，一定の周波数を有する正弦波があげられる。なお，この高周波電気信号源の出力には位相変調器が設けられ，出力信号の位相を制御できるようにされていることが好ましい。なお，高周波電気信号源から出力された電気信号は，分岐され，分岐された一方の電気信号は変調器（遅延器）などで位相などが調整されて変調電極へ印加されるものがあげられる。

変調電極は，たとえば金，白金などによって構成される。変調電極の幅としては，１μｍ〜10μｍがあげられ，具体的には５μｍがあげられる。変調電極の長さとしては，変調信号の波長の(f_m)の0.1倍〜0.9倍があげられ，0.18〜0.22倍，又は0.67倍〜0.70倍があげられ，より好ましくは，変調信号の共振点より20〜25%短いものがあげられる。このような長さとすることで，スタブ電極との合成インピーダンスが適度な領域に留まるからである。より具体的な変調電極の長さとしては，3250μｍがあげられる。以下では，共振型電極と，進行波型電極について説明する。

共振型光電極（共振型光変調器）は，変調信号の共振を用いて変調を行う電極である。共振型電極としては公知のものを採用でき，例えば特開2002-268025号公報，「川西哲也，及川哲，井筒雅之，"平面構造共振型光変調器"，信学技報，TECHNICAL REPORT OF IEICE, IQE2001-3(2001-05)」に記載のものを採用できる。

進行波型電極（進行波型光変調器）は，光波と電気信号を同方向に導波させ導波している間に光を変調する電極（変調器）である（例えば，西原浩，春名正光，栖原敏明著，「光集積回路」（改訂増補版）オーム社，119頁〜120頁）。進行波型電極は公知のものを採用でき，例えば，特開平11−295674号公報，特開平11−295674号公報，特開2002−169133号公報，特開2002-40381号公報，特開2000-267056号公報，特開2000-471159号公報，特開平10-133159号公報などに開示されたものを用いることができる。

進行波型電極として，好ましくは，いわゆる対称型の接地電極配置（進行波型の信号電極の両側に，少なくとも一対の接地電極が設けられているもの）を採用するものがあげられる。このように，信号電極を挟んで接地電極を対称に配置することによって，信号電極から出力される高周波は，信号電極の左右に配置された接地電極に印加されやすくなるので，高周波の基板側への放射を，抑圧できる。

本発明では，第１の導波路(4)に沿って設けられた第１の変調電極(15)と，前記第２の導波路(5)に沿って設けられた第２の変調電極(16)のそれぞれの単位長さ当りの（位相）変調効率をそれぞれκ_１及びκ_２としたときに，κ_１とκ_２とは異なっている。

理想的にはκ_１及びκ_２は，次式を満たせばよい

ここで，κ_１及びκ_２は，[rad／ｍ]は，変調器における各アームの単位長さ当りの（位相）変調効率を示し，ε[rad／Ｖ]はバイアス電圧に対する単位電圧当りの変調効率を示し，それぞれを示し，Lは電極長を表す。

κ_１及びκ_２は，式（Ｉ）を満たすように調整できる範囲であれば特に限定されるものではない。具体的なκ_１及びκ_２の比として，例えば，κ_１／κ_２が１．０１以上３以下があげられ，１．１以上２以下であれば好ましく，１．２以上１．５以下であればより好ましい。このように電極を非対称として駆動することで，スペクトル平坦条件を満たすことができる。

本発明の光周波数コム発生装置は，前記第１の導波路に印加する第１のバイアス信号(12)と前記第２の導波路に印加する第２のバイアス信号(13)とを得るためのバイアス信号系を具備する。バイアス信号系は，２つのアームに印加されるバイアス電圧を制御するための信号系である。バイアス信号系は，具体的には，バイアス電源系とバイアス調整電極を含む。バイアス調整電極は，バイアス電源系に接続され２つのアーム間のバイアス電圧を制御することにより，２つのアームを伝播する光の位相を制御するための電極である。バイアス調整電極へは，好ましくは通常直流または低周波信号が印加される。ここで低周波信号における「低周波」とは，例えば，0Ｈｚ〜500ＭＨｚの周波数を意味する。なお，この低周波信号の信号源の出力には電気信号の位相を調整する位相変調器が設けられ，出力信号の位相を制御できるようにされていることが好ましい。

変調電極とバイアス調整電極とは，別々に構成されてもよいし，ひとつの電極がそれらを兼ねたものでもよい。すなわち，変調電極は，ＤＣ信号とＲＦ信号とを混合して供給する給電回路（バイアス回路）と連結されていてもよい。

なお，本発明の光周波数コム発生装置においては，各電極に印加される信号のタイミングや位相を適切に制御するため，各電極の信号源と電気的に（又は光信号により）接続された制御部が設けられることが好ましい。そのような制御部は，変調電極及びバイアス調整電極に印加される信号の変調時間を調整するように機能する。すなわち，各電極による変調が，ある特定の信号に対して行われるように，光の伝播時間を考慮して調整する。この調整時間は，各電極間の距離などによって適切な値とすればよい。

[光周波数コム発生装置の製造方法]
本発明の光周波数コム発生装置は，基板，基板上に設けられた導波路，電極，信号源，などからなる。そして，導波路の形成方法としては，チタン拡散法等の内拡散法やプロトン交換法など公知の形成方法を利用できる。すなわち，本発明の光周波数コム発生装置は，例えば以下のようにして製造できる。まず，ニオブ酸リチウムのウエハー上に，フォトリソグラフィー法によって，チタンをパターニングし，熱拡散法によってチタンを拡散させ，光導波路を形成する。この際の条件は，チタンの厚さを１００〜２０００オングストロームとし，拡散温度を５００〜２０００℃とし，拡散時間を１０〜４０時間とすればよい。基板の主面に，二酸化珪素の絶縁バッファ層（厚さ０．５〜２μｍ）を形成する。次いで，これらの上に厚さ１５〜３０μｍの金属メッキからなる電極を形成する。次いでウエハーを切断する。このようして，チタン拡散導波路が形成された光変調器が形成される。

光周波数コム発生装置は，また，たとえば以下のようにしても製造できる。まず基板上に導波路を形成する。導波路は，ニオブ酸リチウム基板表面に，プロトン交換法やチタン熱拡散法を施すことにより設けることができる。例えば，フォトリソグラフィー技術によってＬＮ基板上に数マイクロメートル程度のＴｉ金属のストライプを，ＬＮ基板上に列をなした状態で作製する。その後，ＬＮ基板を１０００℃近辺の高温にさらしてＴｉ金属を当該基板内部に拡散させる。このようにすれば，ＬＮ基板上に導波路を形成できる。

また，電極は上記と同様にして製造できる。例えば，電極を形成するため，光導波路 の形成と同様にフォトリソグラフィー技術によって，同一幅で形成した多数の導波路の両脇に対して電極間ギャップが１マイクロメートル〜５０マイクロメートル程度になるように形成することができる。

なお，シリコン基板を用いる場合は，たとえば以下のようにして製造できる。シリコン（Si）基板上に火炎堆積法によって二酸化シリコン（SiO₂）を主成分とする下部クラッド層を堆積し，次に，二酸化ゲルマニウム（GeO₂）をドーパントとして添加した二酸化シリコン（SiO₂）を主成分とするコア層を堆積する。その後，電気炉で透明ガラス化する。次に，エッチングして光導波路部分を作製し，再び二酸化シリコン（SiO₂）を主成分とする上部クラッド層を堆積する。そして，薄膜ヒータ型熱光学強度変調器及び薄膜ヒータ型熱光学位相変調器を上部クラッド層に形成する。

[スペクトル平坦化条件]
次に，図１に示す光周波数コム発生装置により，光スペクトルが平坦化された光周波数コムが得られることを示す。図５は，本発明の光周波数コム発生装置の光周波数コムが発生する概念を説明するための図である。マハツェンダ変調器の各アームを駆動するRF信号をそれぞれRF-aおよびRF-bとする。RF-aおよびRF-bは，振幅をそれぞれＡ_ａ（これはＡ_１に対応する。）及びＡ_ｂ（これはＡ_２に対応する）とし，変調周波数をωとすると，以下の式(1)ように表すことができる。
RF-a=Ａ_asinωt, RF-b=Ａ_bsinωt (1)

一方，マハツェンダ変調器への入力光の振幅をＥ_ｉｎとすると，マハツェンダ変調器の出力光による電界Ｅ_ｏｕｔは，式(2)で表すことができる。ただし，式(2)中，J_ｋ(・)は，k次のベッセル関数を表す。

次に，変換効率η_ｋを，ｋ次の周波数コム成分強度Ｐ_ｋの入力光強度Ｐ_ｉｎに対する相対比として定義する。駆動振動が大振幅信号である時，すなわち，Ａ_ｉ(t)(i=a又はb)が十分に大きい時，変換効率η_ｋは，下式(3)のように近似展開できる。

ただし，／Ａ（エーバー），ΔＡ及びΔθはそれぞれ，次式（４）で定義される。
／Ａ≡（Ａ_１＋Ａ_２）／２， ΔＡ≡（Ａ_１−Ａ_２）／２，Δθ≡（θ_１−θ_２）／２ (4)

ここで，平坦なスペクトル特性を得る条件は，η_ｋがｋに依存しない時，すなわち式(3)が変調次数kに対して独立となる時である。よって，平坦なスペクトル特性を得る条件は，式(5)と導かれる。
ΔＡ±Δθ＝π／２ (5)
従って，平坦なスペクトル特性を持った光周波数コムを得るためには，式(5)を満たすようにマハツェンダ変調器を駆動すればよい。なお，式（５）における±は，プラスであってもマイナスであってもよい。

[変換効率の最大化]
次にこのスペクトル平坦化条件の下で変換効率η_ｋが最大化される条件を求める。式(5)を式(3)に代入すると，変換効率η_ｋは，次式(6)のように簡単な式で表すことができる。

従って，式(7)を満たすときに，変換効率η_ｋは最大化されることがわかる。
ΔＡ＝Δθ＝π／４ (7)
そして，式(7)を満たす時の最大変換効率η_{ｋ，ｍａｘ}は次式(8)で表すことができる。

以上から，マハツェンダ変調器により平坦光周波数コムを得るための平坦化条件式は式(5)（ΔＡ±Δθ＝π/2）であるといえる。一方，平坦化条件式を満たしつつ光周波数コムの生成化効率が最大となるのは，最大効率平坦化条件である式(7)（ΔＡ＝Δθ＝π/4）を満たす場合である。なお，式(7)は，マハツェンダ変調器が２/π点にバイアスされ，駆動正弦波信号RF-aおよびRF-bにより誘導される位相変移の最大位相差がπであることを意味する。

[動作説明]
本発明の光周波数コム発生装置の基本動作は，図５に示すとおりである。すなわち，マハツェンダ変調器の二つのアームに駆動信号RF-a及びRF-bを印加するとともに，位相を反転させたバイアス信号−Δθ及びΔθを，それぞれ印加する。入力光信号の中心波長をλ_０とすると，出力される光周波数コム信号は，λ_０から駆動信号の周波数に応じた周波数分（すなわち波長分）だけずれた複数の周波数成分を有するものとなる。

光コムは，その帯域幅に応じた光パルス信号を生成することができるので，光周波数コム発生装置は，超高精度な多周波数光パルス発生器ということもできる。すなわち，光コム発生器を用いて光パルスを発生する方法は，公知であるが，上記の光パルス発生装置は，本発明の光コム発生器を用いるので，先に説明したような効果を享受できることとなる。なお，本発明の光パルス発生装置は，上記した上記した光周波数コム発生装置及び光周波数コム発生方法の各構成要素や各工程を適宜採用できる。
光コム発生器を用いて光パルスを発生する方法は，公知であるが，上記の光パルス発生装置は，本発明の光コム発生器を用いるので，先に説明したような効果を享受できることとなる。

さらに，光コム発生装置により発生された各周波数成分は，同期が取れており，それらの位相成分は一定であるから，各周波数成分の振幅及び位相を調整することにより，超短パルス列を生成でき，また任意の波形を生成できる。すなわち，本発明の光周波数コム発生装置は，光パルス発生装置又は任意波形生成装置としても利用することができる。

図６は，本発明の光周波数コム発生装置の好ましい利用態様である光パルス発生装置の概略図である。図６に示されるとおり，この光パルス発生装置（２１）は，上記いずれかに記載の光周波数コム発生装置（１）と，前記光周波数コム発生装置からの出力が入力されるバンドパスフィルタ（２２）と，前記バンドパスフィルタからの出力が入力される分散ファイバ（２３）とを具備する。光コム発生装置により得られる各周波数成分は，出力される光周波数コムが超平坦モードであるから，下記式のように表現できる。

上記の式中，Ａ_ｋは，出力信号の振幅を示し，Φ_ｋ（以下Φとも記載する）は，出力信号の位相を示す。ｋは，出力信号の周波数成分の次数を示す。

すなわち，超平坦コム信号が発生されるので，振幅が周波数の次数ｋによらず一定となり，位相Φは周波数次数ｋの２次関数となる。そして，光コム発生器の出力に符号が逆の−Φの位相シフトを与えることにより，位相差を０とすることができる。その場合，時間波形はインパルス関数となり，短光パルスを合成できる。そして，波長分散を持った一般的な単一モードファイバの与える位相シフトは光周波数次数の２次関数であることが知られており，適切な長さのファイバを用いることで，簡単に−Φを与えることができる。そのときのファイバ長さは，理想的には下記式で示されるので，その理想式に基づき適宜調整した長さＬとすればよい。

上記式において，β_２は，ファイバ中の群速度を示す。

すなわち，上記した光周波数コム発生装置に，バンドパスフィルタと光ファイバとを接続するだけで，簡単にピコ秒パルスレーザ又はフェムト秒パルスレーザといった超短パルスレーザを得ることができる。

実際にＭＺＭ型導波路を有する光周波数コム発生装置を用い，光コム周波数発生器の光源としてレーザダイオード（１５５０ｎｍ，ｐ＝５．８ｄｂ），光コム周波数発生器の変調信号周波数として１０ＧＨｚのものを用いたところ，２．２ｐｓのパルス列を得ることができた。そして、１ｎｍバンドパスフィルタを用い，１１００ｍのシングルモードファイバを用いた。その結果，図７に示されるような超短パルスを得ることができた。

光波長多重分割多重伝送システムにおける多波長光源，超高速光伝送・光計測のための短パルス光源等への応用が期待できる。また，絶対周波数測定のための光周波数基準，マイクロ波・ミリ波周波数帯の局発信号の遠隔供給，無線望遠鏡等天文観測システムで用いられるアレイアンテナの制御信号などとしての応用できる。

図１は，本発明の光周波数コム発生装置の概略図である。 図２は，本発明の好ましい上記とは別の態様の光周波数コム発生装置の構成を示す概略図である。 図３は，本発明における非対称断面を有する導波路を示す略図である。 図４は，本発明における非対称断面を有する導波路を示す略図である。 図５は，本発明の光周波数コム発生装置の光周波数コムが発生する概念を説明するための図である。 図６は，本発明の光周波数コム発生装置の好ましい利用態様である光パルス発生装置の概略図である。 図７は，得られたピコ秒パルスの図面に替わるグラフである。

符号の説明

１ 光周波数コム発生装置； ２ 入力部； ３ 分岐部； ４ 第１の導波路；５ 第２の導波路； ６ 合波部； ７ 出力部； ８ 導波路部分； ９ 第１の駆動信号；１０ ２の駆動信号； １１ 駆動信号系； １２ バイアス信号； １３ バイアス信号； １４ バイアス信号系； １５ 第１の変調電極； １６ 第２の変調電極； ２１ 光パルス発生装置； ２２ バンドパスフィルタ； ２３ 分散ファイバ

Claims (5)

1. 光の入力部(2)と，前記入力部に入力した光が分岐する分岐部(3)と，前記分岐部(3)から分岐した光が伝播する第１の導波路(4)と，前記分岐部(3)から分岐した上記とは別の光が伝播する第２の導波路(5)と，前記第１の導波路と前記第２の導波路から出力される光信号が合波される合波部(6)と，前記合波部で合波された光信号が出力される光信号の出力部(7)とを含む導波路部分(8)と，
   前記第１の導波路(4)を駆動する光位相シフト振幅がπ以上である第１の駆動信号(9)と，前記第２の導波路(5)を駆動する光位相シフト振幅がπ以上である第２の駆動信号(10)を得るための駆動信号系(11)と，
   前記第１の導波路(4)及び前記第２の導波路(5)に印加するバイアス信号(12,13)を得るためのバイアス信号系(14)と，
   を具備し，
   前記第１の駆動信号(9)及び前記第２の駆動信号(10)は一つの駆動信号系(11)から得られ，
   前記第１の導波路(4)に沿って設けられた第１の変調電極(15)と，前記第２の導波路(5)に沿って設けられた第２の変調電極(16)の長さをそれぞれｌ_１及びｌ_２としたときに，ｌ_１とｌ_２とは異なり，
   前記第１の変調電極(15)と前記第２の変調電極(16)とは，電気的に接続され，
   前記駆動信号系(11)は，駆動信号が前記第２の変調電極(16)に入力され，その第２の変調電極(16)から出力された変調信号が前記第１の変調電極(15)に入力されるものであり，
   前記駆動信号系(11)及びバイアス信号系(14)は，前記第１の駆動信号(9)，前記第２の駆動信号(10)及びバイアス信号(12,13)が，下記式(I)を満たすように駆動する光周波数コム発生装置。
   ΔＡ±Δθ＝π／２ (I)
   （ここで，ΔＡ及びΔθは，それぞれΔＡ≡（Ａ_１−Ａ_２）／２，及びΔθ≡（θ_１−θ_２）／２と定義され，Ａ_１及びＡ_２はそれぞれ第１の変調電極及び第２の変調電極に誘導される光位相シフト振幅を示し，θ_１及びθ_２はそれぞれ第１の導波路及び第２の導波路内で誘導される光位相シフト量を示す）
2. 前記式(I)の替わりに，下記式(II)を満たすように駆動する請求項１に記載の光周波数コム発生装置。
   ΔＡ＝Δθ＝π／４ （II）
   （ただし，ΔＡ及びΔθは，上記と同義である。）
3. 前記導波路部分(8)が，マハツェンダ型導波路である請求項１に記載の光周波数コム発生装置。
4. 前記導波路部分(８)は，ドメイン反転された強誘電体結晶基板上に設けられる，請求項１に記載の光周波数コム発生装置。
5. 請求項１に記載の光周波数コム発生装置と，前記光周波数コム発生装置からの出力が入力されるバンドパスフィルタと，前記バンドパスフィルタからの出力が入力される分散ファイバとを具備する光パルス発生装置。

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