(57)【要約】【課題】ＷＧ型ＥＯＭにおける光損傷耐性をより高くする。【解決手段】電気光学位相変調器１０２および電気光学強度変調器１０３は、基板１１１、基板１１１より高い屈折率のニオブ酸リチウムから構成されて基板１１１とは別体に形成されたコア１１２、およびコア１１２に周波数の信号を印加するための電極構造１１４を備える光導波路型の電気光学変調器構造から構成されている。【選択図】  図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続したレーザ光を出力する光源と、
所望とする周波数で前記レーザ光を位相変調して前記周波数のパルス繰り返し周波数を有する光パルス列を生成する電気光学位相変調器と、
前記電気光学位相変調器で生成された光パルス列の強度を前記周波数で変調する電気光学強度変調器と、
前記電気光学強度変調器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
を備え、
前記電気光学位相変調器および前記電気光学強度変調器は、
基板、前記基板より高い屈折率のニオブ酸リチウムから構成されて前記基板とは別体に形成されたコア、および前記コアに前記周波数の信号を印加するための電極構造を備える光導波路型の電気光学変調器構造から構成されている
ことを特徴とする広帯域安定化光源。
【請求項２】
請求項１記載の広帯域安定化光源において、
前記電気光学強度変調器は、２つの前記電気光学変調器構造によるマッハツェンダー干渉構造とされていることを特徴とする広帯域安定化光源。
【請求項３】
請求項１または２記載の広帯域安定化光源において、
前記電気光学位相変調器および前記電気光学強度変調器は、同一の前記基板の上に形成されていることを特徴とする広帯域安定化光源。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の広帯域安定化光源において、
前記基板はタンタル酸リチウムの結晶から構成され、
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から構成されている
ことを特徴とする広帯域安定化光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広帯域な光を発生する広帯域安定化光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、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および開発がされ、さらには商用化の検討が活発にされている。最近、広帯域光源の光通信および光計測の分野への応用の検討も活発化している。この光通信および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１参照）。
【０００３】
このような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て広帯域な光源を得る技術であり、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、より広帯域化をめざし、モード同期Ｔｉサファイヤ固体レーザおよびフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）を用いて広帯域光を発生させる方法が一般的となっている。
【０００４】
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、これにより発生する非線形効果を用いてスペクトルを拡大させ、通信波長帯から赤外波長までに及ぶさらなる超広帯域の光を得る技術の検討が活発化している。この広帯域光源は、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、また、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ている。この広帯域光源は、光通信用光源および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。
【０００５】
上述した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。
【０００６】
例えば、電光学変調法は、一般的なモード同期技術を用いず、ＣＷ光を電気光学効果により位相変調し、さらに位相変調光を強度変調することにより光パルスを発生させ、この光パルスを非線形ファイバに入力してスペクトルを拡大して広帯域光を得ている。この電光学変調法は、市販の変調器や光部品を用いて構成可能であることから、現在活発に検討されている（非特許文献２参照）。
【０００７】
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、これにより発現する非線形光学効果を用いてスペクトルを拡大させて超広帯域の光源を得る方法が一般的となっている。
【０００８】
電気光学変調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の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程度に制限されている。このような背景のため、現状では、非線形効果による広帯域化が困難である。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、Ｅｒドープ光ファイバ増幅器（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。
【０００９】
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。
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。
【００１０】
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、非特許文献４参照）。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。このため、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極めて重要となる。広帯域光源は、広範囲な波長域を有することはもちろんのこととして、高いＳＮＲを有することは光源の応用上において極めて重要である。
【００１１】
例えば、広帯域光源を光周波数計測に用いる場合、まず、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光電変換し、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）や周波数間隔ｆrepを設定する。さらに、広帯域光と被測定レーザと干渉させてビート信号ｆbeatを決定し、被測定レーザの光周波数を決定する。
【００１２】
この場合、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、光電変換後のＲＦスペクトル上のノイズフロアを上昇させてしまう。この結果、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。従って、広帯域光源を光周波数計測に用いる場合、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となる。
【００１３】
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。
【００１４】
換言すると、ＥＤＦＡへ入力する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上述した問題は回避できる。このためには、高出力のＣＷ光源を適用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。
【００１５】
しかしながら、現状の光源構成においては、このような高出力ＣＷ光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。この最大の理由は、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。
【００１６】
まず、現在の一般的な広帯域光源の基本構成について、図７を用いて説明する。図７は、従来の一般的な広帯域光源の構成を示す構成図である。この広帯域光源は、短パルスレーザ５０１、光増幅器５０２、分散補償光ファイバ５０３、高非線形光ファイバ５０４を備える。
【００１７】
また、短パルスレーザ５０１は、図８に示す構成による電気光学変調により得られる。ＣＷ光源５１１から出力された光を電気光学位相変調器５１２で位相変調し、正のチャープ部を電気光学強度変調器５１３でパルス化して生成する。次いで、生成した正チャープパルスを負の分散媒体である１．５５μｍ帯のシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）５１４を伝搬させることにより、パルスを圧縮して光パルスを得る（非特許文献５参照）。この構成においては、高速かつ光ファイバとの結合効率のよい、低損失な光導波路（Wave Guide；ＷＧ）型変調器が必要となる。
【００１８】
ＷＧ型変調器の中で特に、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。以下、Ｔｉ拡散ＬＮ結晶導波路（Ｔｉ拡散ＷＧ）を用いた従来型のＥＯ位相変調器（ＥＯＰＭ）について図９を用いて説明する。図９は、ＥＯＰＭの構成例を示す構成図である。
【００１９】
このＥＯＰＭは、入力側の光ファイバ６０１、レンズ６０２ａ、レンズ６０２ｂ、Ｔｉ拡散ＷＧ６０３、出力側のレンズ６０４ａ、レンズ６０４ｂ、光ファイバ６０５を備える。また、Ｔｉ拡散ＷＧ６０３には、導波部分を挟んで電極６０６ａ、電極６０６ｂが設けられ、電源６０７により電圧が印加可能とされている。
【００２０】
このＥＯＰＭは、Ｔｉ拡散ＷＧ６０３に形成した光導波路構造により光を閉じ込める。また、このＥＯＰＭでは、半導体装置に用いられている微細加工技術により、電極６０６ａと電極６０６ｂとの間隔をμｍオーダーまで狭く形成することが可能である。
【００２１】
これらのことにより、図１０に示すバルク型ＥＯＰＭに比べ、駆動電圧を大幅に低減することが可能である。さらに導波路型であるため入力用の光ファイバ６０１，出力用の光ファイバ６０５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。なお、図１０に示すバルク型ＥＯＰＭは、入力側の光ファイバ７０１、レンズ６０２、Ｔｉ拡散結晶部７０３、出力側のレンズ７０４、光ファイバ７０５を備える。また、Ｔｉ拡散結晶部７０３には、電極７０６ａ、電極７０６ｂが設けられ、電源７０７により電圧が印加可能とされている。
【００２２】
図８を用いて説明した電気光学変調型の短パルスレーザを用いた広帯域光源では、多くの場合、Ｔｉ拡散ＷＧ型ＥＯＭを使用し、ＣＷ光に位相変調および強度変調を施すことにより広帯域な光を発生させている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】S. カンディフ、 J. イー、 J. ホール、「最も精確なものさし 光コム」、日経サイエンス、７月号、８６−９４頁、２００８年。
【非特許文献２】A. Ishizawa et al., "Octave-spanning frequency comb generated by 250 fs pulse train emitted from 25 GHz externally phase-modulated laser diode for carrier-envelope-offset-locking", Electronics Letters, vol.45, no.19, pp.1343-1344, 2010.
【非特許文献３】W. Imajuku and A. Takada, "Noise Figure of Phase-Sensitive Parametric Amplifier Using a Mach-Zehnder Interferometer With Lossy Kerr Media and Noisy Pump", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.39, no.6, pp.799-812, 2003.
【非特許文献４】E. Yamazaki et al., "Noise Figure of Parametric Wavelength Conversion With Quasi-Phase-Matched LiNbO3 Waveguide", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.12, no.4, pp.536-543, 2006.
【非特許文献５】T. KOBAYASHI et al., "Optical Pulse Compression Using High-Frequency Electrooptic Phase Modulation", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.24, no.2, pp.382-387, 1988.
【非特許文献６】M. Asobe et al., "Phase sensitive amplification with noise figure below the 3 dB quantum limit using CW pumped PPLN waveguide", Optics Express, vol.20, no.12, pp.13164-13172, 2012.
【非特許文献７】K. Enbutsu et al., "Integrated quasi-phase-matched second-harmonic generator and electro-optic phase modulator for low-noise phase-sensitive amplification", Optics Letters, vol.40, no.14, pp.3336-3339, 2015.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
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。
【００２５】
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。図１１は、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）の構成を示す断面図である。図１１では、導波方向に垂直な断面を示している。このＥＯＰＭは、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）の結晶からなる基板８０１に、Ｔｉを拡散させて屈折率を高くしたコア８０２を備え、このコア８０２により光導波路（ＷＧ）を構成している。
【００２６】
コア８０２における屈折率分布は、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。この屈折率分布状態について、図１２Ａ、図１２Ｂに示す。また、Ｔｉ拡散ＷＧを伝搬する光のｘ、ｙ軸方向のモードフィールド形状について、図１３Ａ、図１３Ｂに示す。図１２Ａ、図１２Ｂの（ａ）は、光損傷が生じていない場合の屈折率分布である。また、図１３Ａ、図１３Ｂの（ａ）は、光損傷が生じていない場合のモードフィールド形状である。
【００２７】
コア８０２を形成した基板８０１では、高温下で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Ｔｉ拡散ＷＧ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８０２の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る。これにより、図１２Ａ、図１２Ｂの（ｂ）に示すように、Ｔｉ拡散ＷＧの中心部の屈折率が周囲に比べて上昇する。
【００２８】
この屈折率上昇により、Ｔｉ拡散ＷＧの比屈折率差Δｎが上昇し、図１３Ａ、図１３Ｂの（ｂ）に示すように、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、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。この結果、さらに中心部の屈折率が増大する。
【００２９】
このように、上述したＴｉ拡散ＷＧでは、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、光導波路構造が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８０１の全体に広がってしまう。Ｔｉ拡散ＷＧ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、Ｔｉ拡散ＷＧ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という重要な問題が存在する。
【００３０】
上述した従来のＴｉ拡散ＷＧにおける光損傷の影響を評価するために、市販のファイバ入出力型Ｔｉ拡散ＬＮＥＯＰＭに、高い入力パワーの光を入射した場合の挿入損失の経時変化を測定した。この結果を図１４に示す。図１４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１４に示すように、入射時間（動作時間）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。
【００３１】
上述したように、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。こ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。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、ＨＮＬＦ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。
【００３２】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＷＧ型ＥＯＭにおける光損傷耐性をより高くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明に係る広帯域安定化光源は、連続したレーザ光を出力する光源と、所望とする周波数でレーザ光を位相変調して周波数のパルス繰り返し周波数を有する光パルス列を生成する電気光学位相変調器と、電気光学位相変調器で生成された光パルス列の強度を周波数で変調する電気光学強度変調器と、電気光学強度変調器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備え、電気光学位相変調器および電気光学強度変調器は、基板、基板より高い屈折率のニオブ酸リチウムから構成されて基板とは別体に形成されたコア、およびコアに周波数の信号を印加するための電極構造を備える光導波路型の電気光学変調器構造から構成されている。
【００３４】
上記広帯域安定化光源において、電気光学強度変調器は、２つの電気光学変調器構造によるマッハツェンダー干渉構造とされている。
【００３５】
上記広帯域安定化光源において、電気光学位相変調器および電気光学強度変調器は、同一の基板の上に形成されているとよい。
【００３６】
上記広帯域安定化光源において、基板はタンタル酸リチウムの結晶から構成され、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から構成されていればよい。
【発明の効果】
【００３７】
以上説明したことにより、本発明によれば、ＷＧ型ＥＯＭにおける光損傷耐性がより高くなるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態１における広帯域安定化光源の構成を示す構成図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態１における広帯域安定化光源の一部構成を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、電気光学強度変調器１０３の構成例を示す斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、電気光学位相変調器１０２の構成例を示す斜視図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１における広帯域安定化光源の電気光学位相変調器１０２、電気光学強度変調器１０３を構成する光導波路型の電気光学変調器の、入力光パワーに対する挿入損失の経時変化を測定した結果を示す特性図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１における広帯域安定化光源のＳＮＲ改善効果の評価を行うための周波数測定系の構成を示す構成図である。
【図５】図５は、図４を用いて実施した実施の形態１における広帯域安定化光源で用いる光導波路型の電気光学変調器の周波数測定結果を示す特性図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２における広帯域安定化光源の一部構成を示す斜視図である。
【図７】図７は、従来の一般的な広帯域光源の構成を示す構成図である。
【図８】図８は、従来の一般的な広帯域光源の短パルスレーザ５０１の構成を示す構成図である。
【図９】図９は、Ｔｉ拡散ＬＮ結晶導波路を用いた従来型のＥＯ位相変調器の構成を示す構成図である。
【図１０】図１０は、バルク型ＬＮ結晶を用いた従来型のＥＯ位相変調器の構成を示す構成図である。
【図１１】図１１は、Ｔｉ拡散ＬＮ結晶導波路を用いた従来型のＥＯ位相変調器の構成を示す断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、Ｔｉ拡散ＬＮ結晶導波路を用いた従来型のＥＯ位相変調器におけるコア８０２における屈折率分布状態を示す特性図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、Ｔｉ拡散ＬＮ結晶導波路を用いた従来型のＥＯ位相変調器におけるコア８０２における屈折率分布状態を示す特性図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、Ｔｉ拡散ＬＮ結晶導波路を用いた従来型のＥＯ位相変調器におけるコア８０２におけるモードフィールド形状を示す特性図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、Ｔｉ拡散ＬＮ結晶導波路を用いた従来型のＥＯ位相変調器におけるコア８０２におけるモードフィールド形状を示す特性図である。
【図１４】図１４は、市販のファイバ入出力型Ｔｉ拡散ＬＮＥＯＰＭに光を入射した場合の挿入損失の経時変化を測定した結果を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００４０】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態１における広帯域安定化光源の構成を示す構成図である。また、図１Ｂは、本発明の実施の形態１における広帯域安定化光源の一部構成を示す断面図である。
【００４１】
この広帯域安定化光源は、光源１０１、電気光学位相変調器１０２、電気光学強度変調器１０３、分散付与部１０４を備える。
【００４２】
光源１０１は、連続したレーザ光を出力する。電気光学位相変調器１０２は、所望とする周波数でレーザ光を位相変調して周波数のパルス繰り返し周波数を有する光パルス列を生成する。電気光学強度変調器１０３は、電気光学位相変調器１０２で生成された光パルス列の強度を上記周波数で変調する。例えば、図示しない信号発生器を用いて所望とする周波数の信号を生成して用いればよい。
【００４３】
分散付与部１０４は、シングルモード光ファイバから構成され、電気光学強度変調器１０３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。なお、電気光学強度変調器１０３は、電気光学位相変調器１０２の前段もしくは後段に配置すればよい。電気光学強度変調器１０３により、電気光学位相変調器１０２によってダウンもしくはアップチャーピングした片方を選択して光透過させ、電気光学位相変調器１０２で発生したＤＣベース部分を取り除く。これにより、分散付与部１０４で各パルスのパルス幅を圧縮する際のＤＣ成分の抑圧に寄与することができる。
【００４４】
また、実施の形態１の広帯域安定化光源は、光増幅器１０５、分散補償光ファイバ１０６、高非線形光ファイバ１０７を備える。光増幅器１０５は、例えば、Ｅｒドープ光ファイバ増幅器であり、分散付与部１０４により出力された光（光パルス列）の光強度を増幅する。例えば、光増幅器１０５内の進行型自己位相変調効果などの非線形効果を用いて段階的に光増幅し、光分裂を起こさずにスペクトル帯域幅を拡大する。
【００４５】
分散補償光ファイバ１０６は、光増幅器１０５で増幅された光パルスより短パルス発生を行う。分散補償光ファイバ１０６を出力した光パルス列は、高非線形光ファイバ１０７に入力し、広スペクトル帯域光（ＳＣ光）として出力される。高非線形光ファイバ１０７において、非線形感受率の大きい材料を使用すれば、高効率に所望の広スペクトル帯域光を発生でき、光源１０１からの供給エネルギーの最低閾値を低く抑制することが可能である。
【００４６】
ここで、電気光学位相変調器１０２および電気光学強度変調器１０３は、図１Ｂに示すように、基板１１１、基板１１１より高い屈折率のニオブ酸リチウムから構成されて基板１１１とは別体に形成されたコア１１２、およびコア１１２に周波数の信号を印加するための電極構造１１４を備える光導波路型の電気光学変調器構造から構成されている。なお、図１Ｂに示す例では、コア１１２を覆って形成された絶縁層１１３を備え、絶縁層１１３を介して電極構造１１４が形成されている。
【００４７】
例えば、電気光学強度変調器１０３は、図２Ａの斜視図に示すように、基板１１１ａの上に形成された２つの電気光学変調器構造によるマッハツェンダー干渉構造とされている。基板１１１ａの上には、基板１１１ａより高い屈折率のニオブ酸リチウムから構成された入力部コア１１２ａ、第１アームコア１１２ｂ、第２アームコア１１２ｃ、出力部コア１１２ｄを備える。基板１１１ａは、例えば、タンタル酸リチウムの結晶から構成されている。各コアは、例えば、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から構成されている。
【００４８】
入力部コア１１２ａが、第１アームコア１１２ｂ、第２アームコア１１２ｃの２つに分岐し、また、出力部コア１１２ｄに結合する。第２アームコア１１２ｃの上に、絶縁層１１３ａを介して第１電極１１４ａが形成されている。第１アームコア１１２ｂの上に、絶縁層１１３ａを介して第２電極１１４ｂが形成されている。また、絶縁層１１３ａの上には、第３電極１１４ｃも形成されている。
【００４９】
基板１１１ａの平面上で、第３電極１１４ｃと第２電極１１４ｂとで第１電極１１４ａを挾むように各々の電極が配置されている。このようにコプレーナ型電極構造とすることで、第１アームコア１１２ｂおよび第２アームコア１１２ｃに対しては、基板に垂直な電界が高効率に印加されるようにする。入力される所望とする周波数の信号により、第１アームコア１１２ｂおよび第２アームコア１１２ｃには、上記周波数で電界が印加され、第２アームコア１１２ｃでは、電気光学効果（ポッケルス効果）により上記周波数で屈折率が変化する。
【００５０】
このため、入力部コア１１２ａより入力し、第１アームコア１１２ｂおよび第２アームコア１１２ｃに分岐して通過する光は、上記周波数で位相が変調される。この結果、第１アームコア１１２ｂおよび第２アームコア１１２ｃが結合する出力部コア１１２ｄより出力される光は、入力される信号の周波数で強度変調されるものとなる。
【００５１】
次に、電気光学位相変調器１０２は、図２Ｂの斜視図に示すように、基板１１１ｂの上に形成された１つの電気光学変調器構造から構成されている。基板１１１ｂの上には、基板１１１ｂより高い屈折率のニオブ酸リチウムから構成された入力部コア１１２ｄ、変調部コア１１２ｅ、出力部コア１１２ｆを備える。基板１１１ｂは、例えば、タンタル酸リチウムの結晶から構成されている。各コアは、例えば、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から構成されている。
【００５２】
入力部コア１１２ｅ、変調部コア１１２ｅ、および出力部コア１１２ｆが直線状に連続して形成されている。変調部コア１１２ｅの上に、絶縁層１１３ｂを介して第１電極１１４ｄが形成されている。また、絶縁層１１３ｂの上には、基板１１１ａの平面上で第１電極１１４ｄを挾むように、第２電極１１４ｅおよび第３電極１１４ｆも形成されている。このようにコプレーナ型電極構造とすることで、変調部コア１１２ｅに対しては、基板に垂直な電界が高効率に印加されるようにする。
【００５３】
従って、入力される所望とする周波数の信号により、変調部コア１１２ｅには、上記周波数で電界が印加される。このため、入力部コア１１２ｅより入力して変調部コア１１２ｅを通過する光には、上記周波数で位相が変調される。この結果、変調部コア１１２ｅを通過して出力部コア１１２ｆより出力される光は、入力される信号の周波数で位相が変調されるものとなる。
【００５４】
上述したように、基板１１１と、基板１１１より高い屈折率のニオブ酸リチウムから構成されて基板１１１とは別体に形成されたコア１１２とから構成した光導波路型の電気光学変調器構造により、電気光学位相変調器１０２および電気光学強度変調器１０３を構成したので、ＷＧ型ＥＯＭにおける光損傷耐性をより高くすることができる。
【００５５】
Ｔｉの拡散によりコアを構成する場合とは異なり、実施の形態１におけるコア１１２においては、結晶欠陥や不純物などの存在が抑制され、フォトリフラクティブ効果が抑制されている。また、光導波路の構造を、導波方向に垂直な断面において対称とするとができる。この結果、実施の形態１によれば、光損傷耐性をより高くすることが可能となる。
【００５６】
また、上述した光導波路型の電気光学変調器構造は、コアをリッジ型としているため、光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り、コアの部分へ光を強く閉じ込めることが可能であり、効果的に導波光を変調することが可能となっている。
【００５７】
また、光学的なバッファー層となる絶縁層１１３を配置することで、電極構造１１４を伝搬する高周波信号の実効的な誘電率を下げて光の屈折率に近づけることにより、速度整合が図れるようになる。
【００５８】
また、電気光学強度変調器１０３をマッハツェンダー干渉構造としているので、２つのアームでの位相シフト量の大きさが同じでかつ変化量の正負を常に逆とすることができ、プッシュプル動作が可能であるため半波長駆動電圧Ｖπを大きく低減できるようになる。
【００５９】
また、コアをニオブ酸リチウムから構成したことによる高い光の閉じ込め効果により、コアの幅などの寸法を小さくすることが可能となり、各電極の間隔を狭くすることが可能であり、高密度化が可能となる。
【００６０】
発明者らによる従来の広帯域光源に関する技術を鋭意精査した結果、広帯域光源中の短パルスレーザを構成するＷＧ型ＥＯＭに、直接接合型ＬＮ導波路によるＥＯＭを適用することにより、光損傷耐性の問題が解決可能であることを見出した。
【００６１】
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、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が報告されている（非特許文献６、非特許文献７参照）。この技術では、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。
【００６２】
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（ＺｎＬＮやＭｇＬＮ）による基板を、屈折率の低い他の基板と直接接合・加熱することにより接合し、光導波構造を形成する。この直接接合法により作製したＺｎＬＮやＭｇＬＮによる基板の部分を、光導波路のコアとすることで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。
【００６３】
発明者らは検討の結果、直接接合ＬＮ導波路をＥＯＭ用ＷＧに用いることにより、光パルスの出力を高めることができ、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源に比べＳＮＲが高く、長期間安定動作可能な広帯域光源を実現可能であるとの結論に至った。
【００６４】
次に、上述した実施の形態１における光導波路型の電気光学変調器構造の作製方法について説明する。
【００６５】
まず、Ｚｎがドープされたｚカットのニオブ酸リチウムによるＺｎＬＮ基板（直径３インチ）を用意する。また、この基板より屈折率の低いＬｉＴａＯ3によるＬＴ基板（直径３インチ）を用意する。次に、各基板表面に吸着している水素基の分子間力を利用し、ＺｎＬＮ基板とＬＴ基板とを直接張り合わせ（当接させ）、この後、加熱処理を行い接合界面に酸素結合を形成させて接合する。これにより、ＬＴ基板の上にｚカットのニオブ酸リチウムによるＺｎＬＮ層が形成された状態が得られる。
【００６６】
次に、ＬＴ基板の上のＺｎＬＮ層を、所望のコア厚まで薄くする。例えば、よく知られた研削・研磨によりＺｎＬＮ層を薄くすればよい。次に、薄くしたＺｎＬＮ層を、公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングし、コアを形成する。まず、薄くしたＺｎＬＮ層の上に、感光性レジストを塗布してレジスト層を形成する。次に、形成したレジスト層をフォトリソグラフィー技術によりパターニングしてコア形状のマスクパターンを形成する。
【００６７】
次に、例えば、ふっ化炭素系ガスおよびＡｒガスを用いた反応性イオンエッチングにより薄くしたＺｎＬＮ層をエッチングすることで、マスクパターンの形状を薄くしたＺｎＬＮ層に転写する。この後、マスクパターンを除去すれば、ＬＴ基板の上に、ｚカットのニオブ酸リチウム（結晶）によるリッジ形状のコアが得られ、このコアによるチャネル光導波路が作製される。次に、コアが形成されているＬＴ基板の上に、例えば、よく知られたＥＣＲプラズマＣＶＤ法によりＳｉＯ2を堆積することで、絶縁層が形成できる。
【００６８】
次に、絶縁層の上に、電極形成位置に開口部を備えるリフトオフマスクを形成する。前述同様に、フォトリソグラフィー技術を用いて感光性レジストによりリフトオフマスクを形成すればよい。次に、リフトオフマスクの上に電極材料を堆積する。例えば、よく知られためっき法により、Ａｕを堆積してＡｕ膜を形成する。Ａｕ膜は、厚さ３０μｍ程度に形成すればよい。この後、リフトオフマスクを除去する。リフトオフマスクを除去することで、上記開口部以外の領域のＡｕ膜もリフトオフマスクと同時に除去され、電極形成位置にＡｕ膜が残り、電極が形成された状態となる（リフトオフ法）。
【００６９】
次に、実施の形態１における広帯域安定化光源の電気光学位相変調器１０２、電気光学強度変調器１０３を構成する光導波路型の電気光学変調器を作製し、入力光パワーに対する挿入損失の経時変化を測定した。この測定結果を図３に示す。図３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。パルス光の平均入力パワーとして１００ｍＷ、および２００ｍＷの２つの条件で測定を行った。
【００７０】
図３に示すように、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極めて少ない。このように、実施の形態１における広帯域安定化光源の電気光学位相変調器１０２、電気光学強度変調器１０３を構成する光導波路型の電気光学変調器は、高い光損傷耐性を備えることが分かる。
【００７１】
次に、実施の形態１における広帯域安定化光源の特性を評価した結果について説明する。この評価では、広帯域安定化光源より得られる広帯域光の光周波数測定実験を行った。生成する広帯域光は、１オクターブ以上の光周波数帯域を有しているため、広帯域光とこの第２高調波との干渉を用いることが可能である。従って、よく知られたｆ−２ｆ自己参照法により、広帯域安定化光源より生成した広帯域光のＳＮＲ改善効果の評価を行った。
【００７２】
まず、周波数測定系の構成について図４を用いて説明する。この測定系は、偏波コントローラ２０１、波長変換干渉部２０２、フィルタ２０３、光検出部２０４を備える。
【００７３】
波長変換干渉部２０２は、実施の形態１における広帯域安定化光源２００より生成されて偏波コントローラ２０１を通過した広帯域光の短波長成分より２倍波である第１の変換光を生成し、かつ広帯域光の長波長成分より３倍波である第２の変換光を生成し、生成した第１の変換光と第２の変換光とを干渉させる。この干渉により第１の変換光と第２の変換光との差周波成分を含むビート信号が発生する。
【００７４】
フィルタ２０３は、波長変換干渉部２０２より出力されるビート信号より、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）雑音などの雑音成分を除去する。光検出部２０４は、フィルタ２０３で雑音成分が除去されたビート信号を検出する。光検出部２０４は、例えば、ＲＦスペクトラムアナライザーである。光検出部２０４が検出する差周波成分には、キャリアエンベロープオフセット周波数ｆCEOが含まれる。
【００７５】
波長変換干渉部２０２では、まず、周波数が「（キャリアエンベロープオフセット周波数ｆCEO）×２＋（繰り返し周波数ｆrepの整数倍）」の２倍波を発生する。また、波長変換干渉部２０２では、周波数が「（キャリアエンベロープオフセット周波数ｆCEO）×３＋（繰り返し周波数ｆrepの整数倍）」の３倍波を発生する。これらの２倍波と３倍波が干渉し、この結果得られるビート信号を光検出部２０４で測定することで、キャリアエンベロープオフセット周波数（ｆCEO）を検出することができる。
【００７６】
波長変換干渉部２０２は、例えば、前段に位置する第１の周期分極反転配列結晶部および後段に位置する第２の周期分極反転配列結晶部を備える。これらは、例えば、ニオブ酸リチウムを結晶材料とする周期分極反転ＬＮ（Periodically Poled lithium niobate；ＰＰＬＮ）から構成したリッジ構造の光導波路（リッジ導波路）より構成すればよい。前段と後段とで異なる（２つの）ピッチの周期反転構造を備えるデュアルピッチＰＰＬＮとすればよい。
【００７７】
各々の周期分極反転配列結晶部は、隣り合う結晶部分の分極を反転させた状態で複数の結晶部分を直列に配列している。第１の周期分極反転配列結晶部では、周期をΛ1とし、第２の周期分極反転配列結晶部では、周期をΛ2としている。周期Λ1が長波長成分の２倍波発生に対応し、周期Λ2が、短波長成分の２倍波発生に対応している。
【００７８】
上述した構成の波長変換干渉部２０２において、第１の周期分極反転配列結晶部において生成される第１の長波長成分の２倍波と、第２の長波長成分とが、第２の周期分極反転配列結晶部において和周波（３倍波）をとることで第２の変換光が生成される。また、第２の周期分極反転配列結晶部においては、ＳＣ光短波長成分の２倍波をとることで第１の変換光が生成される。
【００７９】
上述したように、波長変換干渉部２０２の第１の周期分極反転配列結晶部で、ＳＣ光のある基本光（波長λ1L；第１の長波長成分）の２倍波（λ2L＝λ1L／２）を生成し、第２の周期分極反転配列結晶部で、この２倍波（λ2L）とＳＣ光のある基本光（波長λ1L'；第２の長波長成分）との和周波（波長λ3L；第２の変換光）を生成する（ここで、１／λ3L＝１／λ2L＋１／λ1L'である）。
【００８０】
また、これと同時に、第２の周期分極反転配列結晶部で、ＳＣ光のある基本光（波長λ1R；短波長成分）の２倍波（λ2R＝λ1R／２；第１の変換光）を生成する。生成した３倍波（λ3L；第２の変換光）と２倍波（λ2R；第１の変換光）が波長領域でオーバーラップすると、両者が干渉し、ビート信号を検出することが可能になり、広帯域安定化光源２００より生成される広帯域光のキャリアエンベロープオフセット周波数ｆceoが測定できる。
【００８１】
測定の結果を図５に示す。ビート信号スペクトルを評価したところ、従来のＴｉの拡散によりコアを構成した光導波路型の電気光学変調器構造を用いた場合のｆceoのＳＮＲは、４０ｄＢ程度が限界であったことに対し、実施の形態１の広帯域安定化光源２００では、ｆceoのＳＮＲが４９ｄＢ以上であることが分かった。
【００８２】
従来の広帯域光光源では、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に制限されていたが、光損傷耐性の高い光導波路型の電気光学変調器を適用することにより出力パワーが１００ｍＷと高出力化が可能となる。これにより、パルス増幅に用いる光増幅器への入力パワーを十分大きく確保でき、光増幅器での過剰雑音の影響を効果的に抑制することができ、ｆceo信号のＳＮＲを約１０ｄＢと大幅に改善すること可能である。
【００８３】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図６を用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態２における広帯域安定化光源の一部構成を示す斜視図である。実施の形態２では、電気光学位相変調器１０２および電気光学強度変調器１０３を、同一の基板３１１の上に形成している。他の構成は、前述した実施の形態１と同様であり、以下では説明を省略する。
【００８４】
電気光学位相変調器１０２は、基板３１１の上に形成された１つの電気光学変調器構造から構成されている。基板３１１の上には、基板３１１より高い屈折率のニオブ酸リチウムから構成された入力部コア３１２ａ、変調部コア３１２ｂ、連結部コア３１２ｃを備える。基板３１１は、例えば、タンタル酸リチウムの結晶から構成されている。各コアは、例えば、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から構成されている。
【００８５】
入力部コア３１２ａ、変調部コア３１２ｂ、および連結部コア３１２ｃが直線状に連続して形成されている。変調部コア３１２ｂの上に、絶縁層３１３を介して第１電極３１４ａが形成されている。また、絶縁層３１３の上には、基板３１１の平面上で第１電極３１４ａを挾むように、第２電極３１４ｂおよび第３電極３１４ｃも形成されている。このようにコプレーナ型電極構造とすることで、変調部コア３１２ｂに対しては、基板に垂直な電界が高効率に印加されるようにする。
【００８６】
次に、電気光学強度変調器１０３は、基板３１１の上に形成された２つの電気光学変調器構造によるマッハツェンダー干渉構造とされている。基板３１１の上には、基板３１１より高い屈折率のニオブ酸リチウムから構成された第１アームコア３１２ｄ、第２アームコア３１２ｅ、出力部コア３１２ｆを備える。各コアは、例えば、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から構成されている。
【００８７】
電気光学位相変調器１０２から続く連結部コア３１２ｃが、第１アームコア３１２ｄ、第２アームコア３１２ｅの２つに分岐し、また、出力部コア３１２ｆに結合する。第２アームコア３１２ｅの上に、絶縁層３１３を介して第１電極３１４ａが形成されている。第１アームコア３１２ｄの上に、絶縁層３１３を介して第２電極３１４ｂが形成されている。また、絶縁層３１３の上には、第３電極３１４ｃも形成されている。
【００８８】
基板３１１の平面上で、第３電極３１４ｃと第２電極３１４ｂとで第１電極３１４ａを挾むように各々の電極が配置されている。このようにコプレーナ型電極構造とすることで、第２アームコア３１２ｅに対しては、基板に垂直な電界が高効率に印加されるようにする。
【００８９】
上述したように構成することで、電気光学位相変調器１０２と電気光学強度変調器１０３とを光ファイバで接続する構成に比較し、本質的に光導波路−ファイバ間結合損失および光コネクタ接続損失をなくすことができる。この結果、光パルス（広帯域光）の出力をより高くすることが可能となる。このように、電気光学位相変調器１０２および電気光学強度変調器１０３を、同一の基板上に形成した実施の形態２によれば、前述同様に特性を評価すると、ｆceoのＳＮＲが５２ｄＢ以上であることが分かった。
【００９０】
以上に説明したように、本発明によれば、基板より高い屈折率のニオブ酸リチウムから構成されて基板とは別体に形成されたコアによる光導波路型の電気光学変調器構造で、電気光学位相変調器および電気光学強度変調器を構成するようにしたので、ＷＧ型ＥＯＭにおける光損傷耐性をより高くすることができる。
【符号の説明】
【００９１】
１０１…光源、１０２…電気光学位相変調器、１０３…電気光学強度変調器、１０４…分散付与部、１０５…光増幅器、１０６…分散補償光ファイバ、１０７…高非線形光ファイバ、１１１…基板、１１２…コア、１１３…絶縁層、１１４…電極構造。
【図１Ａ】
2017207687.tif 000003
【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
2017207687.tif 000005
【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2017207687.tif 000010
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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