(57)【要約】      （修正有）【課題】スタブ等のインピーダンス整合回路を使用することなく、小型化が可能で、大きな変調度を得ることができる光周波数コム信号発生器を提供する。【解決手段】強誘電体基板１上にマッハツェンダー型光導波路２が形成され、分岐導波路を伝搬する光波を変調する変調電極３１，３２を各分岐導波路に対応して設け、マッハツェンダー型光導波路から出力される光波が、所定の周波数差を有する複数の光周波数成分を同時に生成している光波となる光周波数コム信号発生器において、各変調電極は、電極長の異なる共振電極３１，３２を備え、１種類の変調信号を各変調電極に印加する給電線路は、１つの給電線路４０を２つに分岐し、分岐点４１から各共振電極への接続点４４，４５までの距離が等しく、さらに、接続点は、各共振電極に形成される定在波Ｗ１，Ｗ２の位相が同相であり、かつ給電線路と共振電極とは接続点４４，４５においてインピーダンス整合している。【選択図】図１
2013080011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体基板上に２つの分岐導波路を有するマッハツェンダー型光導波路が形成され、該分岐導波路を伝搬する光波を変調する変調電極を各分岐導波路に対応して設け、該マッハツェンダー型光導波路から出力される光波が、所定の周波数差を有する複数の光周波数成分を同時に生成している光波となる光周波数コム信号発生器において、
各変調電極は、電極長の異なる共振電極を備え、
１種類の変調信号を各変調電極に印加する給電線路は、１つの給電線路を２つに分岐し、分岐点から各共振電極への接続点までの距離が等しく、
さらに、該接続点は、各共振電極に形成される定在波の位相が同相であり、かつ該給電線路と該共振電極とは該接続点においてインピーダンス整合していることを特徴とする光周波数コム信号発生器。
【請求項２】
請求項１に記載の光周波数コム信号発生器において、該共振電極の電極端は、開放−開放、短絡−短絡、短絡−開放のいずれかの組み合わせを用いることを特徴とする光周波数コム信号発生器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光周波数コム信号発生器において、該分岐導波路に沿って配置された各共振電極の長さは、光周波数コム信号が発生する条件を満たすように各々長さが設定されていることを特徴とする光周波数コム信号発生器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の光周波数コム信号発生器において、各共振電極の長さ（Ｌ１，Ｌ２）を、Ｌ１＝ｎ１・ｃ／（２・ｆ・ｎｍ）、Ｌ2＝ｎ２・ｃ／（２・ｆ・ｎｍ）とし（ただし、ｎ１、ｎ２は自然数、fは共振周波数）、各分岐導波路にかかる変調度をＡ１、Ａ２としたとき、共振電極長Ｌ１、Ｌ２は、Ａ１／Ａ２＝Ａ１／（Ａ１＋π／２）＝（ｎ１／ｎ２）１／２の条件を満たすように各々長さが設定されていることを特徴とする光周波数コム信号発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光周波数コム信号発生器に関し、特に、マッハツェンダー型光導波路の２つの分岐導波路を伝搬する光波を変調する変調電極を各々に設け、所定の周波数差を有する複数の光周波数成分を同時に生成している光波を得る光周波数コム信号発生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信技術や光計測技術において、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信号発生器が利用されている。例えば、光周波数コム信号は、光計測のための短パルス光源として応用可能である。
【０００３】
光周波数コム信号の発生方法としては、特許文献１や非特許文献１のように、２電極型のマッハツェンダー（ＭＺ）型変調器と２種類の変調信号を用いて、平坦な光周波数コム信号を発生させる方法がある。
【０００４】
また、特許文献２のように、単一のＭＺ型変調器と１種類の変調信号を用いて、平坦な光周波数コム信号を発生させる方法がある。
【０００５】
特許文献１等のように、２電極型のＭＺ型変調器を用いて、平坦な光周波数コム信号を発生させる方法では、広いスペクトル帯域を得るために、大きな変調度が必要となる。例えば、２〜３ｐｓ程度の超短パルスを得るためには、数Ｗレベルの大きな高周波入力を必要としてきた。また、光周波数コム信号が発生する条件になるように、２種類の変調信号の振幅、位相を正確に調節する必要がある。
【０００６】
特許文献２のように、１種類の変調信号を用いて、平坦な光周波数コム信号を発生させる方法についても同様に、大きな変調度を必要とするという問題がある。この課題に対し、変調電極を共振型電極とすることで、変調効率の改善が期待できるが、インピーダンス整合のためにスタブを設ける必要があり、給電線路の回路が複雑になるとともに、光変調器を構成する基板のサイズが大きくなるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２４８６６０号公報
【特許文献２】特開２００９−１７５５７６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】坂本高秀  他，「マハツェンダ型光変調器を用いた超平坦光周波数コム発生のための条件」，信学技報，ｖｏｌ．１０５，ｎｏ．１７２，ｐｐ．４９−５３，Ｎｏｖ．２００５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、スタブ等のインピーダンス整合回路を使用することなく、小型化が可能で、大きな変調度を得ることができる光周波数コム信号発生器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、強誘電体基板上に２つの分岐導波路を有するマッハツェンダー型光導波路が形成され、該分岐導波路を伝搬する光波を変調する変調電極を各分岐導波路に対応して設け、該マッハツェンダー型光導波路から出力される光波が、所定の周波数差を有する複数の光周波数成分を同時に生成している光波となる光周波数コム信号発生器において、各変調電極は、電極長の異なる共振電極を備え、１種類の変調信号を各変調電極に印加する給電線路は、１つの給電線路を２つに分岐し、分岐点から各共振電極への接続点までの距離が等しく、さらに、該接続点は、各共振電極に形成される定在波の位相が同相であり、かつ該給電線路と該共振電極とは該接続点においてインピーダンス整合していることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光周波数コム信号発生器において、該共振電極の電極端は、開放−開放、短絡−短絡、短絡−開放のいずれかの組み合わせを用いることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光周波数コム信号発生器において、該分岐導波路に沿って配置された各共振電極の長さは、光周波数コム信号が発生する条件を満たすように各々長さが設定されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光周波数コム信号発生器において、各共振電極の長さ（Ｌ１，Ｌ２）を、Ｌ１＝ｎ１・ｃ／（２・ｆ・ｎｍ）、Ｌ2＝ｎ２・ｃ／（２・ｆ・ｎｍ）とし（ただし、ｎ１、ｎ２は自然数、fは共振周波数）、各分岐導波路にかかる変調度をＡ１、Ａ２としたとき、共振電極長Ｌ１、Ｌ２は、Ａ１／Ａ２＝Ａ１／（Ａ１＋π／２）＝（ｎ１／ｎ２）１／２の条件を満たすように各々長さが設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明により、強誘電体基板上に２つの分岐導波路を有するマッハツェンダー型光導波路が形成され、該分岐導波路を伝搬する光波を変調する変調電極を各分岐導波路に対応して設け、該マッハツェンダー型光導波路から出力される光波が、所定の周波数差を有する複数の光周波数成分を同時に生成している光波となる光周波数コム信号発生器において、各変調電極は、電極長の異なる共振電極を備え、１種類の変調信号を各変調電極に印加する給電線路は、１つの給電線路を２つに分岐し、分岐点から各共振電極への接続点までの距離が等しく、さらに、該接続点は、各共振電極に形成される定在波の位相が同相であり、かつ該給電線路と該共振電極とは該接続点においてインピーダンス整合しているため、小型化が可能で、大きな変調度を得ることができる光周波数コム信号発生器を提供することができる。
【００１５】
つまり、従来の２電極型の光変調器を用いた場合では、２種類の変調信号が必要であり、変調信号を光周波数コムが平坦化するような条件になるように、振幅と位相を調整する必要があった。本発明の光周波数コム信号発生器では、変調信号は１種類で良く、給電線路を２つに分岐し、分岐点から各変調電極までの距離（長さ）が等しいため、光周波数コムが平坦化するような条件になるように、別途、振幅や位相を調整する必要がない。
【００１６】
また、変調電極に共振電極を用いることで、変調効率が向上し、大きな変調度が得られると共に、低駆動電圧化も可能となる。特に、スタブや整合回路を用いず、給電位置の調整によるインピーダンス整合を行うため、簡易に作製が可能であり、またデバイスサイズの小型化が可能となる。
【００１７】
請求項２に係る発明により、共振電極の電極端は、開放−開放、短絡−短絡、短絡−開放のいずれかの組み合わせを用いることができるため、変調電極の配置に応じて適切な共振電極の構造を採用することができ、設計の自由度が大きくなる。
【００１８】
請求項３に係る発明により、分岐導波路に沿って配置された各共振電極の長さは、光周波数コム信号が発生する条件を満たすように各々長さが設定されているため、光周波数コム信号を簡単な構成で容易に得ることができる。
【００１９】
請求項４に係る発明により、各共振電極の長さ（Ｌ１，Ｌ２）を、Ｌ１＝ｎ１・ｃ／（２・ｆ・ｎｍ）、Ｌ2＝ｎ２・ｃ／（２・ｆ・ｎｍ）とし（ただし、ｎ１、ｎ２は自然数、fは共振周波数）、各分岐導波路にかかる変調度をＡ１、Ａ２としたとき、共振電極長Ｌ１、Ｌ２は、Ａ１／Ａ２＝Ａ１／（Ａ１＋π／２）＝（ｎ１／ｎ２）１／２の条件を満たすように各々長さが設定されているため、当該条件を満足するように共振電極長を調整するだけで、容易に光周波数コム信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の光周波数コム信号発生器の概略を説明する図である。
【図２】共振電極の端部が（ａ）開放−開放、（ｂ）開放−短絡、（ｃ）短絡−短絡となる場合の組み合わせを説明する図である。
【図３】基板の一部にＰＬＣ（プレーナ光回路）を用いた光周波数コム信号発生器の概略を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の光周波数コム信号発生器について、詳細に説明する。
本発明の光制御素子は、図１に示すように、強誘電体基板１上に２つの分岐導波路（２１，２２）を有するマッハツェンダー型光導波路２が形成され、該分岐導波路を伝搬する光波を変調する変調電極（３１，３２）を各分岐導波路に対応して設け、該マッハツェンダー型光導波路から出力される光波が、所定の周波数差を有する複数の光周波数成分を同時に生成している光波となる光周波数コム信号発生器において、各変調電極は、電極長の異なる共振電極（３１，３２）を備え、１種類の変調信号を各変調電極に印加する給電線路は、１つの給電線路４０を２つに分岐し、分岐点４１から各共振電極への接続点（４４，４５）までの距離が等しく、さらに、該接続点は、各共振電極に形成される定在波（点線で示した波形。Ｗ１，Ｗ２）の位相が同相であり、かつ該給電線路と該共振電極とは該接続点（４４，４５）においてインピーダンス整合していることを特徴とする。
【００２２】
強誘電体基板１としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）結晶が好適に利用される。本発明の光制御素子では、図１のように、光導波路上に共振型電極を配置する構成が、最も効果的な変調が期待できるため、Ｚカット型の基板が好ましい。
【００２３】
光導波路２は、基板にリッジを形成する方法や基板の一部の屈折率を調整する方法、又は両者を組み合わせた方法で形成することが可能である。リッジ型導波路では、光導波路となる基板部分を残すように、その他の部分を機械的に切削したり、化学的にエッチングを施すことで除去する。また、光導波路の両側に溝を形成することも可能である。屈折率を調整する方法では、Ｔｉなどを熱拡散法したり、プロトン交換法などを利用することで、光導波路に対応する基板表面の一部の屈折率を、基板自体の屈折率より高くなるよう構成する。
【００２４】
変調電極は、共振電極（３１，３２）などの信号電極や給電線路（共振電極に変調信号を供給する配線。４０，４２，４３）と、接地電極（不図示）などで構成されている。変調電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。また、各電極は、必要に応じて、基板との間にＳｉＯ２膜などのバッファ層を介して配置されている。バッファ層には、光導波路を伝搬する光波が、変調電極により吸収又は散乱されることを防止する効果を有している。また、バッファ層の構成としては、必要に応じ、薄板の焦電効果を緩和するため、Ｓｉ膜などを組み込むことも可能である。
【００２５】
次に、図１に示す光変調器が光周波数コム信号発生器として機能するための条件について説明する。
以下では、変調電極は共振型とし、両端は開放とした。給電線路に供給された変調信号は二つに分岐され、それぞれ共振電極に接続される。分岐点から共振線路への接続点までの距離は等しくなるように調整する。共振電極への接続点はインピーダンスが整合し、それぞれの電極に立つ定在波が同相となる位置とする。
【００２６】
ＭＺ変調器に入力される高周波信号は正弦波とし、両アームにかかる位相変調を以下の式（１）ようにあらわす。ただし、ｉは、各共振電極を区別するために付したものであり、ｉ＝１は一方の共振電極１（符号３１）、ｉ＝２は他方の共振電極２（符号３２）を意味する。
θｉ＝Ａｉ・ｓｉｎ（ωｍｔ）＋Ｂｉ        ・・・・（１）
【００２７】
ここでは高周波信号による位相変調の振幅、ωｍは変調周波数、ＢｉはＤＣバイアスによる位相変調分を含めて光波が分岐導波路（以下、「アーム」とも言う。）を進行したときの直流的な位相進みである。アーム１（符号２１）とアーム２（符号２２）に入力される高周波信号は、分岐点４１から接続点（４４，４５）までの距離（給電線路４２及び４３の長さ）を等しくし、タイミングが完全に一致しているとした。
【００２８】
ＭＺ型光変調の出力波形は、次式（２）で表すことができる。
Ｅ＝１／２Ｅｉｎ・ｅｉ（ω０＋ｎ・ωｍ）ｔ・ｅｉＢ１・［Ｊｎ（Ａ）＋Ｊｎ（Ａ＋ΔＡ）・ｅｉΔθ］
・・・・（２）
【００２９】
式（２）において、Ｊｎ（・）はｎ次の第１種ベッセル関数であり、Ａ、ΔＡ、Δθはそれぞれ、以下のような意味を示す。
共振電極１における位相変調の変調効率（振幅値）Ａ１＝Ａ
共振電極２における位相変調の変調効率（振幅値）Ａ２＝Ａ＋ΔＡ
２つのアーム間の直流的な光位相差Δθ＝Ｂ１−Ｂ２
また、ω０は光変調器に入射する光の周波数である。また、ｎは周波数コム成分の変調次数に対応しており、級数を構成している要素は、それぞれ周波数コム成分の電界に対応している。
【００３０】
それぞれの周波数コム成分が現われる周波数は式（２）からわかるようにω０＋ｎωｍである。式（２）から、それぞれの周波数コム成分のパワーを求めると、以下の式（３）となる。
Ｐｎ＝１／４・Ｐｉｎ・［Ｊｎ２（Ａ）＋Ｊｎ２（Ａ＋ΔＡ）＋２Ｊｎ（Ａ）Ｊｎ（Ａ＋ΔＡ）・ｃｏｓ（Δθ）］        ・・・・（３）
Ｐｉｎは変調器に入射する光のパワーである。
【００３１】
今、Ａが十分大きいとき、
±ΔＡ＋Δθ＝π        ・・・・（４）
の条件のときに、ｎによらずＰｎは、
Ｐｎ＝Ｐｉｎ・［１−ｃｏｓ（２Δθ）］／［２ｐ（２Ａ１＋ΔＡ）］    ・・・・（５）
と一定の値となる。特に、
ΔＡ＝１／２π，Δθ＝１／２π又は３／２π        ・・・・（６）
のとき出射光パワーが最大となる。
【００３２】
つまり式（６）の条件を満たすようにアーム１とアーム２の変調効率を調整することができれば、変調信号は１種類でよいことがわかる。
図１のように、それぞれの共振電極の長さをＬ１、Ｌ２とする。周波数ｆで共振するためには、それぞれの共振電極長は式（７−１，７−２）を満たせば良い。
Ｌ１＝ｎ１・ｃ／（２・ｆ・ｎｍ）        ・・・・（７−１）
Ｌ２＝ｎ２・ｃ／（２・ｆ・ｎｍ）        ・・・・（７−２）
ここでｆは変調周波数、ｎｍはマイクロ波の実効屈折率、ｃは真空中の光速、ｎ１，ｎ２はそれぞれ独立な自然数である。
【００３３】
今、アーム１の変調効率がＡ １である場合、 アーム２の変調効率Ａ２は、式（８）となる。
Ａ２＝Ａ１・（ｎ２／ｎ１）１／２        ・・・・（８）
式（６）を満たすような電極長は、式（９）を満たすように調整すればよい。
Ａ１／Ａ２＝Ａ１／（Ａ１＋π／２）＝（ｎ１／ｎ２）１／２    ・・・（９）
【００３４】
例えば、光周波数コムが発生するように、それぞれのアームの変調効率をＡ１＝４．５π、Ａ２＝５．０π とした場合、アーム１と２の共振電極はそれぞれ、Ｌ１＝９／２Λｍ、Ｌ２＝１１／２Λｍとすればよい。なお、Λｍはマイクロ波の波長を意味する。
【００３５】
以上のように、本発明の光周波数コム信号発生器では、変調電極を共振型とすることで変調効率を向上させるとともに、電極長Ｌ１，Ｌ２の調整だけで、平坦な光周波数コム発生条件を満たすように構成されている。
【００３６】
光周波数コムが発生する条件は複数あり、また共振電極の端は、図２（ａ）のように開放−開放の組み合わせ（共振電極３の両端が接地電極５と短絡していない。）だけでなく、図２（ｂ）のように開放−短絡の組み合わせ、図２（ｃ）のように短絡−短絡の組み合わせでも可能である。
【００３７】
共振電極で光周波数コムを発生させるためには、式（９）を満たす必要がある。以下の、表１に開放−開放、表２に開放−短絡、表３には短絡−短絡の場合において、光周波数コムが発生する共振電極長を示した。発生しない場合は×、発生する場合は○とした。
【００３８】
【表１】
2013080011.tif 000003
【００３９】
【表２】
2013080011.tif 000004
【００４０】
【表３】
2013080011.tif 000005
【００４１】
表１〜３より、共振電極の端部が開放又は短絡に変更された場合でも、限られた条件ではあるが、２つの共振電極により光周波数コム信号が発生可能であることが理解される。
【００４２】
本発明の光周波数コム信号発生器は、図１に示すものに限らず、図３のように、ＰＬＣ（プレーナ光回路）を用いて構成することも可能である。例えば、光導波路２の一部を石英や半導体などの光導波路が形成できる基板１０に形成して、強誘電体基板１と接合することで、光周波数コム信号発生器を構成する。
【００４３】
さらに、本発明の光周波数コム信号発生器では、給電線路と共振電極とのインピーダンス整合は、両者の接続点を調整することで、容易に両者のインピーダンスを整合させることが可能である。しかしながら、インピーダンス整合をより改善するため、必要に応じ、共振電極に接続される給電線路に、スタブや整合回路を付加することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上説明したように、本発明によれば、スタブ等のインピーダンス整合回路を使用することなく、小型化が可能で、大きな変調度を得ることができる光周波数コム信号発生器を提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００４５】
１  強誘電体基板
２  光導波路
３１，３２  共振電極
【図１】
2013080011.tif 000006
【図２】
2013080011.tif 000007
【図３】
2013080011.tif 000008