(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光を伝搬する未分岐で連続した１本の光導波路と、該光導波路で導かれたレーザ光を検出して電気信号を出力する光検出器と、前記光検出器に直接接続されているとともに前記光検出器から出力された電気信号を増幅して増幅信号を生成する半導体もしくは石英基板上に形成された増幅器と、を含む光−電気ループ回路が形成され、前記生成した増幅信号によって前記半導体レーザから出射されるレーザ光を変調する光−マイクロ波発振器であって、
前記光−電気ループ回路が、前記光導波路中に、前記光導波路の温度による屈折率変化を補償するシリコーン樹脂を含む屈折率補償部を備え、
前記光導波路が前記半導体レーザから前記光検出器にまでレーザ光を伝搬させるように構成され、
フィルタを使用することなく、光導波路の長さｌopt（ｍ）、電気回路部の長さｌelec（ｍ）、光パルスの群速度υg、およびマイクロ波の位相速度υMから（１）式に基づいて導出される発振周波数ｆ0でレーザ光を変調させてマイクロ波を発振させる
【数１】
0005290737.tif 000013
ことを特徴とする光−マイクロ波発振器。
【請求項２】
前記光導波路の長さが１．８ｃｍ以上６．０ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光−マイクロ波発振器。
【請求項３】
前記光導波路が、シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜から成るクラッドと、該シリコン酸化膜中に形成され不純物がドープされたコアとを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光−マイクロ波発振器。
【請求項４】
前記光導波路が、化合物半導体基板上に形成された化合物半導体又は石英から成る光導波路であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光−マイクロ波発振器。
【請求項５】
前記光導波路が、石英基板上に形成された化合物半導体又は石英から成る光導波路であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光−マイクロ波発振器。
【請求項６】
前記化合物半導体がＩｎＰ又はＧａＡｓであることを特徴とする請求項４又は５に記載の光−マイクロ波発振器。
【請求項７】
前記増幅器が、前記シリコン基板上に形成されたＣＭＯＳ(Complementary  Metal  Oxide  Semiconductor)トランジスタを含むことを特徴とする請求項１〜６の何れか一に記載の光−マイクロ波発振器。
【請求項８】
前記増幅信号が、前記半導体レーザの駆動電流を直接的に変調することを特徴とする請求項１〜７の何れか一に記載の光−マイクロ波発振器。
【請求項９】
前記光−電気ループ回路が、前記半導体レーザと前記光導波路との間に挿入された光変調器を更に有し、前記増幅信号は、前記光変調器を介して前記半導体レーザの出射光を変調することを特徴とする請求項１〜７の何れか一に記載の光−マイクロ波発振器。
【請求項１０】
前記光導波路の少なくとも一部が、半導体材料で構成されたフォトニック結晶構造を有することを特徴とする請求項１〜９の何れか一に記載の光−マイクロ波発振器。
【請求項１１】
前記光導波路のフォトニック結晶構造が、１００以上の群屈折率を有し、且つ、５ｃｍ以上の長さに形成されることを特徴とする請求項１０に記載の光−マイクロ波発振器。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一に記載の光−マイクロ波発振器を備えることを特徴とするパルス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光−マイクロ波発振器及びパルス発生装置に関し、更に詳しくは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のクロック信号を生成する発振器として特に好適な、高い周波数で発振可能な光−マイクロ波発振器、及び、そのような光−マイクロ波発振器を備えるパルス発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のコンピュータのクロック周波数は数ＧＨｚ程度と高速になっており、その際に誤動作を生じずにＣＰＵを動作させるためには、チップ間の同期を正確にとることが重要である。同期を正確にとるためには、電気配線の電磁ノイズを低減させること、及び、信号源であるクロック発生器の時間ジッタを低減させることが特に求められる。電磁ノイズの低減に関しては、近年、従来の電気配線を半導体光導波路などの光配線に置き換えた光インターコネクションと呼ばれる研究が盛んに行われている。しかし、時間ジッタを低減した高速な光インターコネクション用の高純度クロック発生器の提案は数少ない。
【０００３】
例えば、クロック周波数が２ＧＨｚのコンピュータシステムでは、その時間ジッタは、３５ｐｓで制限されてしまう。また、それ以上のクロック周波数では、更に時間ジッタの低減が求められているものの、その実現は容易ではない。これは、クロック信号は、一般に水晶発振器から発生する１０ＭＨｚ程度の電気信号を逓倍して生成されており、その際に逓倍器で発生する電気的なノイズが、時間ジッタの下限を決めてしまうためである。将来的には、コンピュータのクロック周波数は１０ＧＨｚを超えるものと考えられ、その際にＣＰＵの動作を正確に維持させるためには、より時間ジッタの小さな高純度なクロック発生器が求められる。
【０００４】
近年、時間ジッタの小さい高純度なクロック発生器もしくはマイクロ波発振器として、図９に示すような、光−マイクロ波発振器(Optoelectronic Oscillator：ＯＥＯ）の研究が米国、ロシアを中心に盛んに行われている。ここでクロック発生器とマイクロ波発振器は同じものを示している。ＯＥＯ１０Ｅは、半導体レーザ１１、光ファイバ２１、光検出器１３、電気信号用の増幅器１４、及び、フィルタ２２をループ状に接続し、特定の周波数で発振させるものである。発生したマイクロ波は、外部端子を兼ねるＲＦポート２３を介して取り出される。ＯＥＯ１０Ｅでは、このように、共振器の一部に、光ファイバ２１中を伝播する光パルスによって与えられる光遅延回路を用いている。このため、発振器への電磁ノイズの影響は、相対的に小さくなり、時間ジッタの特に小さな高純度なマイクロ波及び光パルスを発生できる。
【０００５】
一般に、ＯＥＯの発振周波数は、次式
【数１】
0005290737.tif 000002
で与えられる基本発振周波数ｆ０の整数倍のうち、回路全体の周波数応答関数の利得が最も高い周波数で発振する。式（１）においてｌｏｐｔおよびｌｅｌｅｃはそれぞれ、光導波路および電気回路部の長さ（ｍ）を示す。またυｇおよびυＭはそれぞれ、光パルスの群速度およびマイクロ波の位相速度である。特に群速度υｇは、次式
【数２】
0005290737.tif 000003
で表される。ここで、ｎｇは光遅延路の群屈折率、ｃは自由空間中の光速である。
【０００６】
式（１）から理解できるように、ＯＥＯは、ファイバ長や、フィルタ（電気フィルタ又は光フィルタ）の伝達関数を調整することにより、所望の周波数で直接的に発振させることができる。そのため、従来の水晶発振器のようにクロック周波数を逓倍する電気回路が不要となる。従って、ＯＥＯ１０Ｅの時間ジッタは、例えば１０ＧＨｚのクロック周波数で、１００ｆｓ程度までに抑えることができ、従来の水晶発振器をベースにしたクロック発生器と比較すると、２桁以上小さくできる利点がある。
【０００７】
上記利点を有することから、ＯＥＯは、セシウム（Ｃｓ）や、ルビジウム（Ｒｂ）などの原子を混入したガスセルと組み合わせた原子時計、光通信におけるレーザ光源、及び、クロック抽出器など、幅広い応用範囲が考えられており、研究が進められている。光−マイクロ波発振器は、特許文献１〜５、非特許文献１〜４にその記載がある。
【特許文献１】特表２００２−５３５８５３号公報
【特許文献２】米国仮特許第６０／１１７，５６８号公報
【特許文献３】米国仮特許第６０／１１７，４５２号公報
【特許文献４】米国仮特許第６０／１１７，４５１号公報
【特許文献５】特開平８−１８１３９号公報
【非特許文献１】T. L. Paoli and J. E. Ripper, “Frequency stabilization and narrowing of optical pulses from CW GaAs injection lasers,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 6, no. 6, pp. 335-338, Jun. 1970.
【非特許文献２】T. C. Damen and M. A. Duguay, “Optoelectronic regenerative pulser,”Electron. Lett., vol. 16, no. 5, pp. 166-167, Feb. 1980.
【非特許文献３】M. Nakazawa, M. Tokuda, and N. Uchida, “Self-sustained intensity oscillation of a laser diode introduced by a delayed electrical feedback using an optical fiber and an electrical amplifier,” Appl. Phys. Lett., vol. 39, no. 5, pp. 379-381, Sep. 1981
【非特許文献４】X. S. Yao and L. Maleki, “Optoelectronic microwave oscillator”, J. Opt. Soc. Am. B, vol. 13, no. 8, pp. 1725-1735, Aug. 1996.
【非特許文献５】S. Mino et al., “Planar lightwave circuit platform with coplanar waveguide for opto-electronic hybrid integration”, J. Lightwave Technol., vol. 13, No. 12, pp. 2320-232, Dec. 1995.
【非特許文献６】M. Yoshida et al., “Mode-Hop-Free, Optical Frequency Tunable 40-GHz  Mode-Locked Fiber Laser”, IEEE J. Quantum Electron., vol. 43, No. 8, pp. 704-708, Aug. 2007.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のＯＥＯは光遅延回路として光ファイバを用いたものが多く、光ファイバに発生する曲げ損失の影響のため、小型に集積することが困難である。このため、従来は、ＣＰＵ用のクロック信号の生成には、ＯＥＯの利用は難しいと考えられてきた。また、光ファイバ自体が、熱や機械的振動によりその長さや屈折率が変化し、実効的な光学長が変化するので、その防止や補償のために温度制御やファイバ長調整のための制御回路が必要となり、この事実も、ＯＥＯの小型化を困難にしていた。更に、光ファイバ以外の半導体レーザ、光検出器、増幅器、及び、電気フィルタなどの設計や作製が、個別に行われており、同一基板上に集積する妨げとなっていた。
【０００９】
本発明は、上記に鑑み、従来の光−マイクロ波発振器を改良し、１つの基板上に容易に集積可能な光−マイクロ波発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光を導く光導波路と、該光導波路で導かれたレーザ光を検出して電気信号を出力する光検出器と、該光検出器から出力された電気信号を増幅して増幅信号を生成する半導体もしくは石英基板上に形成された増幅器とを含む光−電気ループ回路が形成され、前記生成した増幅信号によって前記半導体レーザから出射されるレーザ光を変調する光−マイクロ波発振器であって、
前記光−電気ループ回路におけるマイクロ波および光パルスの遅延時間で定まる基本発振周波数、又は、該基本発振周波数の整数倍の高調波成分でマイクロ波および光パルスを発生させることを特徴とする光−マイクロ波発振器を提供する。
【００１１】
また、本発明は、上記光−マイクロ波発振器を有するパルス発生装置を提供する。
【００１２】
本発明の好適な態様の光−マイクロ波発振器では、従来のＯＥＯにおいて、光遅延回路として光ファイバに代えて石英の光導波路を、また、電気信号用の増幅器としてＣＭＯＳをベースとした電気の増幅器を、光フィルタとしてＳＧ−ＤＢＲを、それぞれ同一の基板上に集積化することにより、チップスケールのＯＥＯを実現するものである。集積化により、ＯＥＯのパッケージ化や温度調節が容易になり、従来のＯＥＯで問題となっていた環境の温度変化や振動による光ファイバの長さおよび屈折率変化を低減することができる。また、装置のコンパクト化により、光回路部の遅延時間が短くなるのを、共振器の一部にフォトニック結晶構造の導波路を導入することで防止することもできる。
【００１３】
フォトニック結晶構造の採用により、ＯＥＯの光回路部のＱ値：
【数３】
0005290737.tif 000004
を向上させることができる。式（３）においてｆｏｓｃ（＝Ｎｆ０，Ｎ：整数）は発振周波数、ｎｇはフォトニック結晶の群屈折率、ｃは自由空間中の光速、およびδは共振器内の損失定数である。ＯＥＯの時間ジッタは、このＱ値と温度変化および振動に起因する共振器長の変化とに大きく依存する。またこれ以外にも、シリコーン樹脂を用いた光導波路の採用により、半導体レーザおよび石英系光導波路の温度による実効的光学長の変化を補償する。これら手法により、マイクロ波の純度を損なわずに装置を小型化できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の光−マイクロ波発振器は、半導体基板上に形成される光導波路を採用することにより、時間ジッタが小さな高い発振周波数を有する光−マイクロ波発振器を単一の基板上に集積することが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。
第１の実施形態
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光−マイクロ波発振器〔以下、単に発振器と略称することもある）を示し、同図（ｂ）は、光−マイクロ波発振器に用いられる光導波路の断面図を示す。発振器１０は、アクティブ素子である半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）１１、光遅延回路である石英系光導波路１２、ＩｎＰ系の化合物半導体から成る光検出器１３、及び、ＣＭＯＳ  ＦＥＴから成る増幅器１４から構成され、全てシリコン基板上１５に集積されている。シリコン基板１５は、同図（ｂ）に示すように、表面にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）２４が形成されており、このシリコン酸化膜２４中に酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）がドープされて、光導波路１２のコア２５を構成する。本実施形態では、石英系光導波路１２は、埋込み型構造で形成されている。
【００１６】
ＤＦＢレーザ１１は、発振波長が１．５５μｍ、共振器長が１２５μｍで、ＩｎＧａＡｓＰ系の６層の量子井戸構造を有し、注入電流＝４０ｍＡで緩和振動周波数が１０ＧＨｚとなる半導体レーザである。ＤＦＢレーザ１１からの出力光を、アクティブアライメント、又は、パッシブアライメント技術を用いて、光導波路１２に結合させる。ＤＦＢレーザ１１は、発振波長が１．５５μｍであり、図示しないＩｎＰ基板上に形成されて、シリコン基板１５上でシリコン酸化膜が除去された部分に、ＡｕＳｎ半田によって固定されている。上記のようなシリコン基板上にレーザ、光検出器、および電気の増幅器などをハイブリッド集積する技術は例えば、非特許文献５に記述されている。
【００１７】
半導体レーザ１１と光導波路１２との光結合にあたっては、導波路端面からの反射を、半導体レーザ１１への影響が実質的に無視できる３０ｄＢ以下に抑える。この目的のため、光導波路１２の端面はＶ字又は７度に傾くように斜め状に加工し、表面にＡＲ（Anti-Refection）コーティングを施す。コーティング材料にはＡｌ２Ｏ３/ａ-Ｓｉ/Ａｌ３Ｏ３＝３０/２４/２３０ ｎｍを用いている。光導波路１２の構造は、上記埋込み型構造に代えてハイメサ構造でもよく、単一モード条件を満たす構造とする。光導波路１２は、例えば、コアが７μｍ幅で、７μｍ厚み、コアとクラッドの屈折率差は０．４５％である。光導波路１２の出力端（ポート）も、その入力端と同様に反射対策を施す。光導波路１２の出力端は、アクティブアライメント又はパッシブアライメント技術により、ＩｎＰ系の光検出器（受信器）１３に結合される。光検出器１３は、化合物半導体基板上に形成され、基板と一体となってシリコン基板１５の表面に、ＡｕＳｎ半田で固定されている。
【００１８】
光検出器１３の応答感度は０．６Ａ／Ｗで、その帯域は例えば１６ＧＨｚである。電気信号用の増幅器１４は、微小信号利得が２５ｄＢ以上であるＣＭＯＳをベースとしたＴＩＡ（Trans Impedance Amplifier)、又は、ＬＩＭ(Limiting Amplifier）で構成され、マイクロストリップ線路を介してその出力信号をＤＦＢレーザ１１のＲＦポートに入力する。
【００１９】
本実施形態の発振器１０では、フィルタを使用していないので、式（１）で与えられる基本発振周波数ｆ０でレーザ光が変調され、それと同時にマイクロ波が発振する。基本周波数ｆ０が例えば１０ＧＨｚとなるように、導波路長を１．８ｃｍとする。シリコン基板１５の温度、又は、ＤＦＢレーザ１１のバイアス電流によっても、周波数を微調整することができる。更に、光導波路１２の一部に、１：１のＹ分岐を取り付けて光出力の一部を取り出し、短パルス光源として用いることもできる。ＤＦＢレーザ１１のバイアス電流を、閾値付近の１５ｍＡに設定し、ＤＦＢレーザ１１を利得スイッチングモードで動作させると、ＤＦＢレーザ１１の光子寿命に相当する５ｐｓの短パルスが得られる。
【００２０】
第２の実施形態
本発明の第２の実施形態は、上記第１の実施形態に係る光−マイクロ波発振器を製造する方法に適用される。光−マイクロ波発振器は、ＩｎＰなどの化合物半導体の基板上に半導体レーザ、光導波路、及び、光検出器をモノリシックに形成する。製造プロセスでは、例えば、バットジョイント成長法を用い、レーザ又は光検出器となる活性層を含むアクティブ素子部分と、光導波路となるパッシブ部分とを形成する。アクティブ素子部分を構成するレーザ部及び光検出器は、埋め込み構造で形成できる。また、活性層には６層の量子井戸構造を用いている。レーザ及び光検出器は実施例１と同様の構造である。また、光導波路部はハイメサ構造で形成でき、そのコアは、例えば、ＩｎＧａＡｓＰで形成し、厚さが０．３μｍ、屈折率は３．３１とする。また、埋込深さは３．３μｍ、メサ幅２μｍであり、波長が１．５５μｍで単一モード発振する構造を採用する。製造にあたっては、ハイメサの光導波路を、ＳｉＮ膜をマスクとして用いたＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductive Coupling Plasma-Reactive Ion Etcher）法によるドライエッチングで作製する。
【００２１】
第３の実施形態
本発明の第３の実施形態は、上記第１の実施形態に係る光−マイクロ波発振器を製造する方法に適用される。光−マイクロ波発振器は、石英基板上にレーザおよび光検出器をハイブリッド集積技術により形成する。製造プロセスでは、シリコンを熱酸化することにより石英基板を形成し、その石英基板上に、例えばシリコンのハイメサ導波路を形成する。電子ビームレジストをマスクとして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法によりハイメサ構造を形成する。例えば、メサ深さは０．２μｍで、メサ幅は１μｍ、波長が１．５５μｍで、単一モードで伝搬する構造を採用する。半導体レーザ及び光検出器は、アクティブアライメント、又は、十字の目合わせマークを用いたパッシブアライメント技術を用いて調芯し、ＡｕＳｎ半田で石英基板上に固定する。
【００２２】
第４の実施形態
図２は、本発明の第４の実施形態に係る光−マイクロ波発振器の構成を示すブロック図である。石英系光導波路１２の出力端と光検出器１３との間にシリコーン光導波路１８を挿入している。その他の構成は、第１の実施形態の構成と同様である。本実施形態の光−マイクロ波発振器１０Ａでは、シリコーン光導波路１８の挿入により、ＤＦＢレーザ１１や半導体光導波路の温度変動に起因する実効的光学長の変動を補償している。
【００２３】
シリコーン光導波路１８による温度補償は以下の通りである。シリコーン樹脂の屈折率の温度依存性は、シリコン酸化膜を含む石英系材料と反対の関係にあるので、光−電気ループ回路内にシリコーン光導波路を挿入することにより、温度変化に起因する光導波路の実効的光学長の変化を補償することができる。
【００２４】
温度変動に起因する屈折率変化による石英系光導波路の光学長の変化は、石英系光導波路の長さをLsilica、石英の屈折率をｎsilicaとすると、
【数４】
0005290737.tif 000005
である。また、その屈折率変化を補償する、温度Ｔの変化に伴うシリコーンの光学長の変化は、シリコーンの長さをLsilicone、シリコーンの屈折率をｎsiliconeとすると、
【数５】
0005290737.tif 000006
である。
【００２５】
双方の温度に起因する屈折率変化による光学長の変化を補償するためには、
【数６】
0005290737.tif 000007
を満たせばよい。ここで、石英系導波路及びシリコーン光導波路の温度による屈折率変化は、室温（２５度）では、
【数７】
0005290737.tif 000008
【数８】
0005290737.tif 000009
である。これら数値を、（６）式に代入し、１．８ｃｍのステップインデックス型石英系光導波路の実効的光学長の変化を補償するためには、シリコーン光導波路の長さを０．０４９ｃｍとすればよいことが判る。
【００２６】
第５の実施形態
図３は、本発明の第５の実施形態に係る光−マイクロ波発振器の構成を示す。本実施形態の光−マイクロ波発振器１０Ｂでは、第２の実施形態の構成に加えて、半導体レーザ１１の出力端に光変調器１６の入力端を接続し、光変調器１６の出力端を石英系もしくはシリコンの光導波路１２の入力端に結合している。光変調器１６で変調に用いるＲＦ信号には、増幅器１４の出力信号を用いる。本実施形態では、光変調器１６を用いて半導体レーザ１１の出力光を変調するので、第１〜第４の実施形態の光−マイクロ波発振器１０、１０Ａにおける直接変調に比して、スペクトル歪みが小さく、時間ジッタが低減する。また、チャープ量が小さくなる。
【００２７】
また、シリコン導波路の温度変化に起因する共振器長の変化は、
【数９】
0005290737.tif 000010
である。挿入すべきシリコーン光導波路の長さは、先の石英系光導波路の数値に代えて、この数値を用いることで求められる。
【００２８】
第１〜第５の実施形態の光−マイクロ波発振器では、光導波路及び電気回路を伝搬する信号の伝播時間によって定まる基本周波数によって発振する。この場合、電気回路中の遅延は、光回路中の遅延に比して充分に小さいので、回路全体の遅延は、主として光回路中の遅延で設計できる。例えば、石英系導波路を採用する場合には、導波路長を約１．８ｃｍとすることにより、基本周波数１０ＧＨｚで発振する。
【００２９】
第６の実施形態
図４は、本発明の第６の実施形態に係る光−マイクロ波発振器１０Ｃの構成を示すブロック図である。本実施形態では、光導波路１２中に、群遅延時間を大きくするためにフォトニック結晶構造を有する光導波路１７を挿入した点で第１の実施形態と異なる。また、基本周波数ｆ０の整数倍の高調波の発振周波数から、１つの高調波成分を選択するために、光導波路中に光フィルタ１９を挿入している。
【００３０】
光フィルタ１９には、ＳＧ−ＤＢＲ又はファブリー・ペロー型光フィルタを用いる。本実施形態では、フォトニック結晶構造を有する光導波路１７を挿入したことにより、光導波路全体の伝播速度が、例えばシリコン酸化膜を光導波路に用いる例に比して極めて遅くなる。このため、特にコンパクトなサイズで信号の時間ジッタの小さい光−マイクロ波発振器１０Ｃを実現している。また、図１の実施形態に比して、より時間ジッタが小さなマイクロ波を発生できる。
【００３１】
本実施形態の光導波路では、光導波路の殆ど全てをフォトニック結晶構造の光導波路とすることにより、光導波路内の波速の伝播速度である群速度が、例えば第１の実施形態の光導波路に比して約１／７０程度に低下する。フォトニック結晶構造は、光導波路のコア中に、光の進行方向と直交する方向に延びる多数の空孔を、三角格子状に配置して得られる。本実施形態では、例えば図６の左図に示すように、光の進行方向に平行な空孔間隔をａ１、進行方向と直交する方向の空孔間隔をｗ１、空孔の直径をｒ１、空孔の深さをｄ１としたとき、ｒ１＝０．２９ａ１、ｗ１＝１．０８ａ１の構造を採用する。このときのフォトニック結晶導波路の分散関係を図６の右図に示す。図面は、清田らの論文「フォトニック結晶線欠陥導波路の低群速度効果を用いたレーザと光増幅器」、古河電工時報第１１８号（平成１８年７月発行）より引用している。図における分散曲線の傾き（ｄｗ／ｄｋ）が群速度（ｃ／ｎｇ）に相当する。ここでｗは光の角周波数、kは自由空間における波数である。線欠陥導波路の導入により、フォトニックバンドギャップ中に偶モード（Ｅｖｅｎ）と奇モード（Ｏｄｄ）が一つずつ形成される。このうち導波路中央に強い電磁界を有する偶モードが外部との結合の面で有利であり，ここでは偶モードを利用することを検討する。図において規格化波数であるｋ／（２π／ａ１）が０．５に近づくにつれて群屈折率ｎｇは非常に大きくなり，１００程度の値が期待できる。たとえば、波長を１．５５μｍ、ａ１＝７７５ｎｍとすると、群屈折率として１００以上の数値が得られる。
【００３２】
上記群屈折率の値は、通常の光ファイバの７０倍以上の大きさである。従来構造の光−マイクロ波発振器では、くり返し周波数の時間ジッタの小さいファイバーレーザを含むＯＥＯの中で、共振器長が約４ｍと短い発振器が知られている。このことは非特許文献６に記載されている。従って、フォトニック結晶構造の光導波路１７を約６ｃｍの長さで導入することにより、従来の４ｍ長の光ファイバを有するＯＥＯと同程度の遅延時間、及び、Ｑ値を得ることができる。ここで、基本発振周波数が５０ＭＨｚになるように、導波路長を５．０ｃｍに設定することで、基本周波数の整数倍の発振周波数として、１０ＧＨｚのマイクロ波を得るように定めることができる。
【００３３】
フォトニック結晶構造は、ドライエッチングプロセスを利用して作製可能である。まず、半導体基板（シリコンもしくはＩｎＰ基板）上に電子ビームレジストを塗布し、電子ビーム描画装置を利用して、フォトニック結晶パターンを描画する。描画された電子ビームレジストをマスクとして、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductive Coupling Plasma-Reactive Ion Etching）法により、半導体基板の表面から、垂直異方性エッチングを施すことで、空孔を形成する。本実施形態で使用可能なフォトニック結晶構造については、清田らの論文「フォトニック結晶線欠陥導波路の低群速度効果を用いたレーザと光増幅器」、古河電工時報第１１８号（平成１８年７月発行）にその記載がある。
【００３４】
ここで、本実施形態の光−マイクロ波発振器Ｃの発振周波数を１０ＧＨｚに設定する。基本発振周波数を５０ＭＨｚとしたので、本実施形態では、基本周波数の２００倍の高調波成分の周波数で発振させる必要がある。このため、所望の周波数のみを抽出するような光フィルタ１９を用いる。その光フィルタ１９として、ファブリー・ペロー型フィルタ又は光導波路に集積可能なＩｎＧａＡｓＰ系のＳＧ−ＤＢＲ（Sampled Grating-Distributed Bragg Reflector）をループ回路内に挿入する。ＳＧ−ＤＢＲは、例えば図７に示すような周期的な屈折率構造を有する。このＳＧ−ＤＢＲとサーキュレータを組み合わせた光フィルタの透過スペクトルは図８に示すような周期的なスペクトルとなる。このスペクトル間隔Δλｓは
【数１０】
0005290737.tif 000011
で与えられる。ここで、ｎgは群屈折率である。このとき波長λ＝１．５５μｍにおけるスペクトル間隔Δλｓが所望の発振周波数である１０ＧＨｚを与えるになるように、Ｌｓを４．６ｍｍに設定する。
【００３５】
次にファブリー・ペロー型（ＦＰ：Fabry・Perot）フィルタを用いる例について述べる。ＦＰフィルタとは図１０に示すように高い反射率を有する２枚の平面板でＩｎＧａＡｓＰなどの透明媒質を挟んだ構造を有する。また、両端面はＨＲ（High-Reflection）コーティングが施されている。ＦＰ型フィルタも周期的な透過スペクトルを有する。ＦＰ型の場合のスペクトル間隔は、
【数１１】
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である。ｎは、透明媒質の屈折率であり、ｄは透明媒質の厚さである。透明媒質に半導体である屈折率３．３のＩｎＧａＡｓＰを用いた場合、ｄを４．６ｍｍに設定すると、スペクトル間隔は１０ＧＨｚになる。
【００３６】
本実施形態では、フォトニック結晶構造を有する光導波路を、光−マイクロ波発振器の光電気ループ回路内に挿入することにより、光導波路における遅延時間を、第１〜第５の実施形態に比して充分に長くすることができる。従って、発振器の集積度の向上が可能となる。Ｑ値も従来の光ファイバを用いた光−マイクロ波発振器と同等のものが得られる。本実施形態では、全ループの長さが６ｃｍ程度であるため、ＯＥＯループを１辺が２〜３ｃｍの四角形に収まるまで小型化することができる。従来のＯＥＯは、一辺が５０ｃｍ以上の大きさであるため、本ＯＥＯの方が格段にコンパクトにＯＥＯループが集積されていることがわかる。
【００３７】
第７の実施形態
図５は、本発明の第７の実施形態に係る光−マイクロ波発振器を示すブロック図である。本実施形態の光−マイクロ波発振器１０Ｄは、第４の実施形態における光フィルタ１９に代えて、基本発振周波数が所望の周波数である１０ＧＨｚに相当するリング型の短い光導波路２０を、メインの光導波路１２と並列になるように挿入し、第２の共振器とする。第２の共振器の光導波路の共振器長は１．８ｃｍとした。これにより光−マイクロ波発振器は複合共振構造となり、短い共振器が先の実施形態におけるＳＧ−ＤＢＲなどの光フィルタの役割を果たす。なお、ここでは、２つ共振器の発振周波数が、所望の周波数で一致するように、フォトニック結晶構造の光導波路を含む光導波路１２及び短い共振器の光導波路２０の長さを設定する。
【００３８】
上記第１〜第７の本実施形態によれば、複雑で高価であった従来のＯＥＯループ回路に代えて、石英や半導体の光導波路およびＣＭＯＳベースの増幅器を用いることにより、ＯＥＯループをチップスケールまで小型化することができる。また、フォトニック結晶構造を導入することにより、Ｑ値は従来のＯＥＯと同程度の値を保ったまま、サイズをコンパクトにできる。サイズは１辺が２〜３ｃｍの四角形に収まる大きさである。さらにＱ値がコンパクト化によって損なわれていないため、時間ジッタは従来のＯＥＯと同様１００ｆｓ程度となる。これは水晶発振器を用いた電気のクロック発生器と比較すると２桁小さい値である。更に、チップスケールまで小型化することにより、パーソナルコンピュータのボード内に集積でき、ＣＰＵのクロック信号として用いることができる。従来のＣＰＵのクロック信号と比較すると、時間ジッタは２桁以上小さいため、１０ＧＨｚのパーソナルコンピュータへの使用が可能である。また、光通信用のパルス発生装置としても用いることが出来る。
【００３９】
なお、上記実施形態では、シリコン基板上にＯＥＯを集積形成した例を挙げたが、本発明における半導体基板は、シリコン基板に限らず、例えば、石英基板、或いは、ＩｎＰやＧａＡｓなどの化合物半導体基板を採用することも出来る。光導波路には、石英からなる光導波路や、ＩｎＰやＧａＡｓなどの化合物半導体を用いた光導波路が採用可能である。シリコン基板及び石英系光導波路を採用する場合には、特にＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板が好適に用いられる。
【００４０】
以上、本発明をその好適な実施態様に基づいて説明したが、本発明の光−マイクロ波発振器及びパルス発生装置は、上記実施態様の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施態様の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光−マイクロ波発振器のブロック図、（ｂ）は光導波路の断面図。
【図２】本発明の第４の実施形態に係る光−マイクロ波発振器のブロック図。
【図３】本発明の第５の実施形態に係る光−マイクロ波発振器のブロック図。
【図４】本発明の第６の実施形態に係る光−マイクロ波発振器のブロック図。
【図５】本発明の第７の実施形態に係る光−マイクロ波発振器のブロック図。
【図６】第６の実施形態で用いるフォトニック結晶構造の光導波路の模式的斜視図と分散曲線図。
【図７】第６の実施形態におけるＳＧ−ＤＢＲの屈折率分布を示す線図。
【図８】第６の実施形態で得られる透過スペクトルを示すグラフ。
【図９】従来の光−マイクロ波発振器のブロック図。
【図１０】一般的なＦＰフィルタの構造を示す断面図。
【符号の説明】
【００４２】
１０、１０Ａ〜１０Ｅ：光−マイクロ波発振器
１１：半導体レーザ
１２：光導波路
１３：光検出器
１４：電気の増幅器
１５：シリコン、石英もしくはＩｎＰ基板
１６：光変調器
１７：フォトニック結晶構造を有する光導波路
１８：シリコーン光導波路
１９：光フィルタ
２０：第２の共振器の光導波路
２１：光ファイバ
２２：電気フィルタ
２３：ＲＦポート
２４：シリコン酸化膜
２５：コア
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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