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公開番号2025150665
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-09
出願番号2024051675
出願日2024-03-27
発明の名称マイクロ光共振器、及び光周波数コム発生装置
出願人国立大学法人徳島大学
代理人
主分類G02F 1/365 20060101AFI20251002BHJP(光学)
要約【課題】光周波数コムの起動において、温度上昇に伴う共振器の熱変形による共振波長および屈折率が変化するため、励起光の波長を精度よくソリトン化する領域に移動させることが難しいという課題があった。また、励起光を掃引する機能は、励起光の波長を変化させる必要があり小型化およびコスト面で大きな課題であった。
【解決手段】励起光の掃引を行わず、かつ直径が統計的な確立に基づいて無秩序に分布する同一呼び径の複数の第1から第n番目のリング導波路を設ける。この複数の第1から第n番目のリング導波路内に、熱変形アクチュエーターがそれぞれ設けられ、熱変形アクチュエーターがアクチュエーターヒーターで同時に加熱し、その後冷却することでソリトン光コムの立ち上げを行う。複数個ある第1から第n番目のリング導波路の中のどれか一つが励起光の波長がリング導波路のソリトン化領域に合わせればよいので、ソリトン光コム生成をより確実にできる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
レーザー光源装置から照射される所定の波長を有する励起光の入力を受け付ける入力部と、３次非線形光学効果を有する材質により構成され、直径が統計的な確立に基づいて無秩序に分布する同一呼び径の第１から第ｎ番目のリング導波路と、前記入力部からの前記励起光を入力し、第１～第ｎ番目の前記リング導波路と光学的にそれぞれ結合する位置に設けられ、少なくとも前記励起光の一部を第１から第ｎ番目の前記リング導波路のうちの特定のリング導波路に前記励起光のエヴァネッセント光を入力し、前記第１の導波路から互いに等しい周波数間隔である複数の櫛状のスペクトラムを有する光周波数コムを取り出す直線導波路と、前記直線導波路および第１から第ｎ番目のリング導波路の周りを囲み、前記直線導波路および第１から第ｎ番目の前記リング導波路の屈折率より低い屈折率で形成されたクラッドと、第１から第ｎ番目の前記リング導波路の内側にそれぞれ形成された第１から第ｎ番目の前記リング導波路の径を増減させる第１から第ｎ番目の熱変形アクチュエーターと、第１から第ｎ番目の前記熱変形アクチュエーターを加熱する第１から第ｎ番目のアクチュエーターヒーターと、前記熱変形アクチュエーターの温度を検出するアクチュエーター温度センサーと、前記熱変形アクチュエーターを冷却する基板と、を有することを特徴とするマイクロ光共振器。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
第１から第ｎ番目の前記熱変形アクチュエーターと第１から第ｎ番目の前記アクチュエーターヒーターがそれぞれ接していることを特徴とする請求項１から２記載のマイクロ光共振器。
【請求項３】
第１から第ｎ番目の前記熱変形アクチュエーターと前記基板が接していることを特徴とする請求項１から３記載のマイクロ光共振器。
【請求項４】
レーザー光源装置から照射される所定の波長を有する励起光の入力を受け付ける入力部と、３次非線形光学効果を有する材質により構成され、直径が統計的な確立に基づいて無秩序に分布する同一呼び径の第１から第ｎ番目のリング導波路と、前記入力部からの前記励起光を入力し、第１から第ｎ番目の前記リング導波路と光学的にそれぞれ結合する位置に設けられ、少なくとも前記励起光の一部を第１から第ｎ番目の前記リング導波路のうちの特定のリング導波路に前記励起光のエヴァネッセント光を入力し、前記第１の導波路から互いに等しい周波数間隔である複数の櫛状のスペクトラムを有する光周波数コムを取り出す直線導波路と、前記直線導波路および第１から第ｎ番目の前記リング導波路の周りを囲み、前記直線導波路および第１から第ｎ番目の前記リング導波路の屈折率より低い屈折率で形成されたクラッドと、前記第１から第ｎ番目のリング導波路の内側にそれぞれ形成された前記リング導波路の径を増減させる第１から第ｎ番目の熱変形アクチュエーターと、前記第１から第ｎ番目の前記熱変形アクチュエーターを加熱する第１から第ｎ番目のアクチュエーターヒーターと、前記熱変形アクチュエーターの温度を検出するアクチュエーター温度センサーと、前記熱変形アクチュエーターを冷却する基板と、前記クラッドを所定の温度に加熱する第２のヒーターと、前記クラッドの温度を検出する第２の温度センサーと、前記クラッドの基準温度を周囲環境温度より高い値に制御する温度制御装置と、を有することを特徴とする光周波数コム発生装置。
【請求項５】
前記直線導波路から出力されるソリトン光コムを検出するソリトン光コム検出器と、ソリトン光コム立ち上げ時毎に、前記クラッドの基準温度を一定量ずつ上昇させるクラッド温度調整部と、ソリトン光コムの立ち上げをコントロールするソリトン光コム起動制御部とを有する請求項４記載の光周波数コム発生装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、光周波数コムの周波数制御装置及び方法に関し、特に、ソリトン光コムの起動を確実に行い、かつ連続してソリトン光コムを生成し維持するためのマイクロ光共振器、及び光周波数コム発生装置に関する。
続きを表示（約 2,600 文字）【背景技術】
【０００２】
光周波数コムは、周波数軸上に等間隔に並んだ成分（モード）からなる櫛（コム）形のスペクトラムを持つ光信号である。光周波数コムを起動するには、キャビティ内を異常分散状態にするだけでは不十分であり、特殊な手順を踏む必要がある。この手法は2014年に、周回型光導波路へ導入する連続波（ＣＷ）レーザー光源の波長を、その共振周波数付近で連続的に掃引する手法が発見され、この方法を基本とする手法が多く研究されている。しかし上記の手法による起動では、周回型光導波路における二つの要因による共振周波数のシフト、具体的にはカー非線形効果による光学的なシフトと、温度上昇による材料そのものの屈折率の変化及び熱膨張に起因する熱的なシフトの両方を考慮しなければならず、非常に複雑である。
【０００３】
以下に従来の光周波数コム発生装置について説明する。
そのマイクロ光共振器を図１４に示す。図１４(a)は導波路の平面図であり、図１４(b)は、ｘ軸の断面図を表している。３０aはシリコン基板２９上に成膜された二酸化ケイ素（SiO2）で形成された第１のクラッド層である。この第１のクラッド層３０aの一部をエッチング除去して周回型光共振器である共振器３２および導波路３１が埋め込まれている。その上に第２のクラッド層３０ｂが形成される。共振器３２はリング状であり、導波路３１は直線で構成される。共振器３２と導波路３１は僅かな隙間dを介して配置されている。なお、隙間ｄのｚ方向側面は、ドライエッチングで加工された面によって形成されている。また、共振器３２と導波路３１は窒化シリコンで構成されている。
【０００４】
以上のように構成された従来の光周波数コム発生装置について、以下その動作について説明する。
導波路３１には、図外の連続波（ＣＷ）レーザー光源光源装置から照射される励起光の入力を受け付ける入力部３３が接続され、ＣＷレーザー光源光源装置からＣＷレーザー光である励起光３４が導波路３１に入射される。入射される励起光３４は波長λ１を有する連続波である。図１５（ａ）に入射励起光３４の波長スペクトラムを示す。励起光３４の共振波長λ１と共振器３２の共振波長が重なると、励起光３４は導波路３１から染み出たいわゆるエヴァネッセント波として共振器３２内に取り込まれる。そして共振器内の異なる波長を有する各モードがそろった状態になると、ピークが重なり強め合う干渉により、パルス３７が発生する。この状態をモード同期という。また、このパルスを光コムという。
【０００５】
図１６にモード同期の概念を示す。モード間隔は繰り返し周波数frepで表され、
frep =mc/(2nL) m=1,2,3,・・・・
となる。ｎは導波路の材質の有効屈折率で、Ｌは共振器の周長、ｃは光速である。
光コムは、周波数軸上で見たとき、図１５（ｂ）のようなモードが櫛のように等間隔に並ぶスペクトラムを有する。
【０００６】
ここで、図１７を用いてマイクロ光共振器の波長掃引について説明する。
光コムは励起光３４をマイクロ光共振器の共振波形３６の共振波長λ２に対して、短波長側から長波長側へ波長掃引することで発生する。ここで励起光３４の波長λ１とマイクロ光コムの共振波長λ２との距離をデチューニング量とする。共振波長λ２の位置をゼロデチューンという。ゼロデチューンより短波長側をブルーデチューン、長波長側をレッドデチューンと言い、ブルーデチューン側からデチューン量を小さくしていくと、励起光３４は導波路３１からエヴァネッセント波として共振してカップリングパワーが共振器３２内に導かれる。これによって共振器３２内の光パワーが徐々に増加していく。そして励起光３４のカップリングパワーが非線形光学効果の閾値より大きくなった時、四光波混合（ＦＷＭ）によってコムモードが発生する。このとき発生するのはカオス光コムである。
【０００７】
マイクロ光共振器を用いて発生する櫛状スペクトル群を大別すると、カオス光コムとソリトン光コムに分けることができる。このうちモード同期されない状態の光コムをカオス光コムという。一方、モード同期されており位相、周波数、パルス波形などの面で最も安定した状態の光コムをソリトン光コムという。ソリトン光コムを発生させるためには、励起光３４の波長λ１がゼロチューンの波長λ２を超えたレッドデチューンに移行したソリトン化領域３８を捉える必要がある。
【０００８】
図１８は、励起光３４がレッドデチューンのソリトン化領域に至る経過を示した図である。図１８（１）において励起光３４は波長λ１を長波長側へシフトしていく。図１８（２）において励起光３４が共振波形にかかると徐々に光エネルギーが共振器３２内に流入する。この光エネルギーによって共振器３２は発熱する。この熱によって共振器３２のリング径が熱膨張し共振波長λ２が長波長側にシフトする。３５は熱による共振器の共振波長変化（δλ２）である。さらにリング内の光強度が高くなれば、発熱により屈折率も増加する。また、カー効果も表れる。
【０００９】
これらを回避するには速いスピードで共振のピークを通り抜ける必要がある。その後、図１８（３）において、励起光３４が共振のピークを追い越してレッドチューンの中のソリトン化領域に達し停止する。このように励起光３４が、共振波形３６のピークを通過し、高い光強度を共振器３２内に注入した後、ソリトン化領域に至り停止させる必要がある。以上、これらの動作でソリトン光コムが得られることになる。なお前述の励起光３４をマイクロ光共振器の共振波形３６の共振波形３６の共振波長λ２に対して、短波長側から長波長側へ波長掃引する手段として、高速波長シフターを用いる。また、高速波長シフターにより減衰した光強度を増幅する光信号増幅器（ＥＤＦＡ）が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
米国特許第３１６８２９号明細書
【非特許文献】
（【００１１】以降は省略されています）

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