(57)【要約】【課題】本発明は、広帯域光発生装置に関する。【解決手段】本発明の広帯域光発生装置において、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し、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含む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である。【選択図】図９
2018205546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広帯域光発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】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」
【非特許文献２】Ｗ． Ｉｍａｊｕｋｕ ａｎｄ Ａ． Ｔａｋａｄａ, ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． ３９, ７９９ (２００３)．
【非特許文献３】Ｅ． Ｙａｍａｚａｋｉ, Ａ． Ｔａｋａｄａ, ａｎｄ Ｔ． Ｍｏｒｉｏｋａ, ＩＥＥＥ Ｊ． Ｓｅl． Ｔｏｐ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． １２, ５３６ (２００６)．
【非特許文献４】Ｙｏｓｈｉａｋｉ Ｎａｋａｊｉｍａ, １８ Ｊａｎｕａｒｙ ２０１０ / Ｖｏｌ． １８, Ｎｏ． ２ / ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ １６６７
【非特許文献５】Ｋａｎａ Ｉｗａｋｕｎｉ, １８ Ｊｕｎｅ ２０１２ / Ｖｏｌ． ２０, Ｎｏ． １３ / ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ １３７６９
【非特許文献６】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, ２０１２
【非特許文献７】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）： ３３３６−３３３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【発明の効果】
【００３２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来の広帯域光発生装置の構成例を示す図である。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】(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。
【図７】(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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】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。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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。
【００３５】
［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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
［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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、広帯域光発生装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
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）
【図１】
2018205546.tif 000003
【図２】
2018205546.tif 000004
【図３】
2018205546.tif 000005
【図４】
2018205546.tif 000006
【図５】
2018205546.tif 000007
【図６】
2018205546.tif 000008
【図７】
2018205546.tif 000009
【図８】
2018205546.tif 000010
【図９】
2018205546.tif 000011
【図１０】
2018205546.tif 000012
【図１１】
2018205546.tif 000013
【図１２】
2018205546.tif 000014
【図１３】
2018205546.tif 000015
【図１４】
2018205546.tif 000016