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公開番号2025136959
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-19
出願番号2024035902
出願日2024-03-08
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 20060101AFI20250911BHJP(光学)
要約【課題】光周波数コムを起動において、共振器の熱変形による共振波長および屈折率変化するため、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問題を有していた。また、励起光を共振器のソリトン化領域に掃引する機能は、励起光の波長を変化させる必要があり小型化・コスト面で大きな課題であった。さらに、ソリトン光コムの連続生成が外部温度変化で不安定化をもたらしていた。
【解決手段】励起光の波長掃引を行わず励起光を直線導波路に導き、直径がわずかに異なる複数の第1～第n番目のリング導波路を設ける。この複数の第1～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ヒーターで順次に加熱し冷却しソリトン光コムの立ち上げを行う。また、マイクロ光共振器は、熱伝導率の高い材質で、かつ外部空間に対する熱伝達率が低い構造の基板上に設けられる。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項１】
レーザー光源光源装置から照射される所定の周波数を有する励起光の入力を受け付ける入力部と、熱伝導率性の高い材料からなり、かつ外部空間への熱伝達特性が小さい基板と、３次非線形光学効果を有する材質により構成され、直径がわずかに異なる第１～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、前記第１～第ｎ番目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前記第１～第ｎ番目の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、前記リング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前記複数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～第ｎ番目の導波路の屈折率より低い屈折率で前記基板上に形成されたクラッドと、前記第１～第ｎ番目のリング導波路の内側に配置され、前記基板上に形成された前記リング導波路の中心と同軸に設けられた第１～第ｎ番目の円筒状の熱変形アクチュエーターと、前記第１～第ｎ番目の熱変形アクチュエーターを加熱する第１～第ｎ番目のヒーターと、前記第１～第ｎ番目の熱変形アクチュエーターの温度を検出する第１～第ｎ番目の温度センサーと、を有するマイクロ光共振器。
続きを表示（約 820 文字）【請求項２】
内部に複数の真空空洞を有する前記基板を有する請求項１記載のマイクロ光共振器。
【請求項３】
前記基板内に設けられた複数の真空空洞の上下面を支える枠部が、前記基板より熱伝導率が小さい材質で構成されたことを特徴とする請求項２記載のマイクロ光共振器。
【請求項４】
レーザー光源光源装置から照射される所定の周波数を有する励起光の入力を受け付ける入力部と、熱伝導率性の高い材料で、内部に真空空洞を有する基板と、３次非線形光学効果を有する材質により構成され、直径がわずかに異なる第１～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、前記第１～第ｎ番目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前記第１～第ｎ番目の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、前記直線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前記複数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～第ｎ番目のリング導波路の屈折率より低い屈折率で前記基板上に形成されたクラッドと、前記第１～第ｎ番目のリング導波路の内側に配置され、前記基板上に形成された前記リング導波路の中心と同軸に設けられた第１～第ｎ番目の円筒状の熱変形アクチュエーターと、前記第１～第ｎ番目の熱変形アクチュエーターの温度を制御する第１～第ｎ番目の温度制御装置と、を有する光周波数コム発生装置。
【請求項５】
内部に複数の真空空洞を有する前記基板を有する請求項４記載の光周波数コム発生装置。
【請求項６】
前記基板内に設けられた複数の真空空洞の上下面を支える枠部が、前記基板より熱伝導率が小さい材質で構成されたことを特徴とする請求項５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光周波数コムの周波数制御装置及び方法に関する。
続きを表示（約 2,400 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１８に示す。図１８(a)は導波路の平面図であり、図１８(b)は、ｘ軸の断面図を表している。３３aは基板３２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３３a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３５および導波路３４が埋め込まれている、その上に第２のクラッド層３３ｂが形成される。共振器３５はリング状であり、導波路３４は直線で構成される。共振器３５と導波路３４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３５と導波路３４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３４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３７の入力を受け付ける入力部３６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３７が導波路３４に入射される。入射される励起光３７は波長λ１を有する連続波である。
【０００５】
図１９（ａ）に入射励起光３７の波長スペクトラムを示す。励起光３７の共振波長λ１と共振器３５の共振波長が重なると、励起光３７は導波路３４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３５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４０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。
【０００６】
図２０にモードの概念を示す。モード間隔は繰り返し周波数frepで表され、
frep =c/(2nL)
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１９（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。
【０００７】
次に、図２１を用いてマイクロ光共振器の波長シフトについて説明する。
光コムは励起光３７をマイクロ光共振器の共振波形３９の共振波長λ２に対して、短波長側から長波長側へ波長シフトすることで発生する。ここで励起光３７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３７は導波路３４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３５内に導かれる。
【０００８】
これによって共振器３５内の光パワーが徐々に増加していく。そして励起光３７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。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。
【０００９】
ソリトン光コムを発生させるためには、励起光３７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４１を捉える必要がある。図２２は、励起光３７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２２（１）において励起光３７は波長λ１を長波長側へシフトしていく。図２２（２）において励起光３７が共振波形にかかると徐々に光エネルギーが共振器３５内に流入する。この光エネルギーによって共振器３５は発熱する。この熱によって共振器３５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。さらに屈折率も増加する。また、リング内の光強度が高くなればカー効果が表れる。これ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２２（３）において、励起光３７が共振のピークを追い越してソリトン化領域に達し停止する。このようにソリトン光コムを発生させるには励起光３７が、共振波形３９のピークを通過し、高い光強度を共振器３５内に注入した後、ソリトン化領域に至り停止する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
米国特許第１０２６８１００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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