CN115769447A - 光频梳装置及计测装置 - Google Patents

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J·杰尔曼
B·库伊肯
K·V·加斯
A·赫尔曼斯
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Universiteit Gent
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Abstract

光频梳装置(10A)具备：光波导(13w)；反射镜(13m1)，设置在光波导(13w)的第1位置；反射镜(13m2)，设置在光波导(13w)的与第1位置不同的第2位置；增益介质(13g)及可饱和吸收体(13sa)，设置在反射镜(13m1)与反射镜(13m2)之间；以及控制部，将从光波导(13w)的端部输出的光频梳的重复频率及载波包络偏移频率的一方固定，并使另一方变化。

Description

光频梳装置及计测装置
技术领域
本发明涉及光频梳装置及计测装置。
背景技术
通过向对象物照射光并得到透过了对象物的光或被对象物反射了的光的频谱，能够调查关于对象物的光学频率的特性。以往，为了得到较高的频率的光的频谱，使用强度波动的光源和衍射光栅或棱镜等进行分光。因此，所得到的频谱的精度被限制。
但是，通过光频梳(optical frequency comb)技术，能够精密地得到光的频谱。所谓光频梳，是指由多个离散性等间隔的纵模形成的梳状的频谱。在本说明书中，将具有光频梳的激光称作“光频梳激光”或简称作“光频梳”。在非专利文献1至3中，公开了产生光频梳的光频梳装置。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：A.L.Gaeta et al.，“Photonic－chip－based frequency combs”，Nature Photonics，2019，Vol.13，pp.158－169
非专利文献2：J.Riemensberger et al.，“Massively parallel coherent laserranging using a soliton microcomb”，Nature，2020，Vol.581，pp.161－170
非专利文献3：Z.Wang et al.，“A III－V－on－Si ultra－dense comb laser”，Light：Science&Applications，2017，Vol.6，e16260
发明内容
发明要解决的课题
为了将光频梳应用于各种各样的用途，要求能够精度良好地使频率变化。
本发明提供能够精度良好地使频率变化的光频梳装置等。
用来解决课题的手段
本发明的一技术方案的光频梳装置具备：光波导；第1反射镜，设置在上述光波导的第1位置；第2反射镜，设置在上述光波导的与上述第1位置不同的第2位置；增益介质及可饱和吸收体，设置在上述第1反射镜与上述第2反射镜之间；以及控制部，将从上述光波导的端部输出的光频梳的重复频率及载波包络偏移频率的一方固定，并使另一方变化。
此外，本发明的一技术方案的光频梳装置具备：光波导；第1反射镜，设置在上述光波导的第1位置；第2反射镜，设置在上述光波导的与上述第1位置不同的第2位置；增益介质及可饱和吸收体，设置在上述第1反射镜与上述第2反射镜之间；以及信号发生器，向上述可饱和吸收体供给高频信号；上述信号发生器通过使上述高频信号的频率变化而使从上述光波导的端部输出的光频梳的重复频率变化。
本发明的一技术方案的计测装置具备：上述一技术方案的光频梳装置；射出部，将上述光频梳朝向对象物射出；光检测部，供由上述对象物带来的上述光频梳的反射光进行入射；以及运算部，基于由上述光检测部得到的检测结果，计算到上述对象物的距离或上述对象物的速度。
发明效果
根据本发明的一技术方案的光频梳装置等，能够精度良好地使频率变化。
附图说明
图1A是示意地表示光频梳激光的电场的时间变化的图。
图1B是示意地表示光频梳激光的频谱的图。
图2A是示意地表示由集成在半导体基板上的包含增益介质的谐振器构成的光频梳激光源的俯视图。
图2B是示意地表示图2A的IIB－IIB线所示的位置的光频梳激光源的剖视图。
图2C是示意地表示图2B所示的剖面中的光的传输路径的剖视图。
图3是表示FMCW的距离测定的原理的图。
图4是表示将载波包络偏移频率进行调制前后的频率轴上的光频梳的图。
图5是表示将重复频率进行调制前后的频率轴上的光频梳的图。
图6是示意地表示实施方式1的光频梳装置的一例的图。
图7是示意地表示实施方式2的光频梳装置的一例的图。
图8是示意地表示实施方式3的光频梳装置的一例的图。
图9是示意地表示实施方式的变形例的光频梳装置的一例的图。
图10是示意地表示实施方式4的计测装置的结构的图。
图11是示意地表示实施方式4的计测装置的检测部的结构的图。
具体实施方式
(本发明的概要)
本发明的一技术方案的光频梳装置，具备：光波导；第1反射镜，设置在上述光波导的第1位置；第2反射镜，设置在上述光波导的与上述第1位置不同的第2位置；增益介质及可饱和吸收体，设置在上述第1反射镜与上述第2反射镜之间；以及控制部，将从上述光波导的端部输出的光频梳的重复频率及载波包络偏移频率的一方固定，并使另一方变化。
由此，重复频率及载波包络偏移频率双方不同时变化，所以能够使光频梳的频率精度良好地变化为希望的频率。另外，作为频率的变化的一例，能够进行频率调制。
此外，例如也可以是，上述控制部包括：电流源，向上述增益介质供给电流；以及信号发生器，向上述可饱和吸收体供给高频信号。
由此，能够根据向增益介质供给的电流的大小实现载波包络偏移频率的固定或变化。此外，能够根据向可饱和吸收体供给的高频信号的频率实现重复频率的固定或变化。
此外，例如也可以是，上述电流源通过使上述电流的大小变化而使上述载波包络偏移频率变化；上述信号发生器将上述高频信号的频率固定。
由此，通过使载波包络偏移频率变化，能够容易地进行光频梳的多个模(即频率成分)的变化。此外，由于能够将重复频率固定，所以能够容易地在检测器中进行各模的分离。因此，能够容易地进行基于FMCW(Frequency-modulated Continuous-wave(调频连续波))的距离计测。
此外，例如也可以是，上述电流源将上述电流的大小固定；上述信号发生器通过使上述高频信号的频率变化而使上述重复频率变化。
由此，在使重复频率变化了的情况下也能够进行基于FMCW的距离计测。
此外，例如也可以是，本发明的一技术方案的光频梳装置还具备设置在上述第1反射镜与上述第2反射镜之间的相位调制器；上述控制部还包括向上述相位调制器供给电压的电压源；上述电压源通过使上述电压的大小变化而使上述载波包络偏移频率变化；上述信号发生器将上述高频信号的频率固定。
由此，通过使载波包络偏移频率变化，能够容易地进行光频梳的多个模(即频率成分)的变化。此外，由于能够将重复频率固定，所以能够在检测器中容易地进行各模的分离。因此，能够容易地进行基于FMCW的距离计测。
此外，例如也可以是，本发明的一技术方案的光频梳装置还具备半导体基板；上述光波导、上述第1反射镜、上述第2反射镜、上述增益介质及上述可饱和吸收体集成于上述半导体基板。
由此，能够使光频梳装置小型化。此外，与具备CW激光源和使从CW激光源射出的激光发生谐振而产生光频梳的微谐振器的情况相比，能够容易地进行频率的变化。即，在进行来自CW激光源的激光的频率的变化的情况下，在理论上也能够得到重复频率或载波包络偏移频率变化了的光频梳。但是，难以一边进行CW激光源的激光的频率的变化一边持续取得CW激光源与微谐振器的谐振，不能维持频率的变化的精度。相对于此，在如本发明的一技术方案的光频梳装置那样包含增益介质的片上光频梳装置中，通过控制部，能够使光频梳的频率精度良好地变化为希望的频率。
此外，例如也可以是，上述控制部集成于上述半导体基板。
由此，能够实现光频梳装置的更加小型化。
此外，本发明的一技术方案的光频梳装置，具备：光波导；第1反射镜，设置在上述光波导的第1位置；第2反射镜，设置在上述光波导的与上述第1位置不同的第2位置；增益介质及可饱和吸收体，设置在上述第1反射镜与上述第2反射镜之间；以及信号发生器，向上述可饱和吸收体供给高频信号；上述信号发生器通过使上述高频信号的频率变化而使从上述光波导的端部输出的光频梳的重复频率变化。
由此，能够根据高频信号的频率的变化，使重复频率精度良好地变化。
此外，例如也可以是，本发明的另一技术方案的光频梳装置还具备向上述增益介质供给电流的电流源；上述电流源将上述电流的大小固定。
由此，重复频率及载波包络偏移频率的两者不同时变化，所以能够使光频梳的频率精度良好地变化为希望的频率。
此外，本发明的一技术方案的计测装置，具备上述各技术方案的光频梳装置；射出部，将上述光频梳朝向对象物射出；光检测部，供由上述对象物带来的上述光频梳的反射光进行入射；以及运算部，基于由上述光检测部得到的检测结果，计算到上述对象物的距离或上述对象物的速度。
由此，能够将载波包络偏移频率及重复频率的一方固定，使另一方变化，所以能够容易地进行基于FMCW的距离计测。
此外，例如也可以是，上述光检测部还供上述光频梳进行入射；上述运算部基于上述反射光和上述光频梳在上述光检测部中干涉而产生的拍频信号，计算上述距离或上述速度。
由此，通过利用拍频信号，不仅是距离，还能够容易地计算速度。
此外，例如也可以是，上述光检测部包括：分离器，将入射的光按频率进行分离；以及多个受光器，接收被分离后的每个频率的光。
由此，能够进行基于波分复用(WDM：Wavelength Division Multiplexing)方式等的检测。由于能够将多个模分开进行检测，所以能够将各模的调制范围确保得较大。
此外，例如也可以是，上述射出部使上述光频梳向按频率而不同的方向射出。
由此，能够同时计测多地点的距离及/或速度。
以下，参照附图对实施方式具体地进行说明。
另外，以下说明的实施方式都表示总括性或具体性的例子。以下实施方式中表示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置及连接形态、步骤、步骤的顺序等作为一例而并不意欲限定本发明。此外，关于以下实施方式的构成要素中的、在独立权利要求中没有记载的构成要素，设为任意的构成要素进行说明。
此外，各图是示意图，并不一定严格地图示。因而，例如，在各图中比例尺等并不一定一致。此外，在各图中，对于实质上相同的结构赋予相同的标号，将重复的说明省略或简化。
此外，在本说明书中，平行或一致等表示要素间的关系性的用语、矩形等表示要素的形状的用语以及数值范围，不是仅表示严格意义的表现，而是意味着实质上同等的范围、例如也包含几个百分点左右的差异的表现。
此外，在本说明书中，用语“上方”及“下方”不是指绝对的空间识别中的上方(铅直上方)及下方(铅直下方)，而是用作基于层叠结构中的层叠顺序而由相对位置关系规定的用语。此外，用语“上方”及“下方”不仅适用于两个构成要素相互隔开间隔配置并在两个构成要素之间存在其他构成要素的情况，还适用于两个构成要素相互密接配置从而两个构成要素相接的情况。
此外，在本说明书中，“第1”、“第2”等序数词只要没有特别声明就不是指构成要素的数量或顺序，而是以避免同种构成要素的混同、进行区别的目的来使用。
(光频梳)
首先，参照图1A及图1B，说明光频梳(即光频梳激光)的电场的时间变化及频谱。
图1A是示意地表示光频梳激光的电场的时间变化的例子的图。在图1A中，横轴表示时间，纵轴表示激光的电场。
如图1A所示，光频梳激光由以重复周期Trep产生的光脉冲列形成。重复周期Trep例如是100ps以上100ns以下。各光脉冲的半峰全宽由Δt表示。各光脉冲的半峰全宽Δt例如是10fs以上1ps以下。
光频梳激光源包括激光谐振器，该激光谐振器通过激励光的输入或电荷注入而产生光频梳激光。激光谐振器的详细情况在后面叙述。关于激光谐振器，有光脉冲的包络线传播的群速度vg与光脉冲内的波传播的相速度vp不同的情况。起因于群速度vg与相速度vp的差异，如果将相邻的两个光脉冲以包络线一致的方式重叠，则这些光脉冲内的波的相位偏移
Figure BDA0004000540330000061
Figure BDA0004000540330000062
比2π小。设激光谐振器的环程长(round-trip length)为L，光脉冲列的重复周期由Trep＝L/vg表示。
图1B是示意地表示光频梳激光的频谱的图。在图1B中，横轴表示频率，纵轴表示激光的强度。
如图1B所示，光频梳激光具有由多个离散性等间隔线形成的梳状的频谱。多个离散性等间隔线的频率相当于激光谐振器的纵模的谐振频率。光频梳的与相邻的两个等间隔线的间隔对应的重复频率(repetition frequency)由frep＝1/Trep表示。重复频率frep例如是10MHz以上10GHz以下。在激光谐振器的光路长L是30cm、并且群速度vg大致等于真空中的光速(＝3×108m/s)的情况下，重复周期Trep成为1ns，重复频率frep成为1GHz。
在设光频梳的半峰全宽为Δf的情况下，Δf＝1/Δt。光频梳的半峰全宽Δf例如是1THz以上100THz以下。将假定为等间隔线存在至零频率附近的情况下的距零频率最近的等间隔线的频率称作载波包络偏移频率(carrier envelope offset frequency)。载波包络偏移频率由
Figure BDA0004000540330000071
表示。载波包络偏移频率fCEO比重复频率frep低。如果将载波包络偏移频率fCEO设为第0个模频率(mode frequency)，则光频梳的第n个模频率fn由fn＝fCEO+nfrep表示。设第n个模频率fn下的电场的振幅及相位分别为En及
Figure BDA0004000540330000072
图1A所示的光频梳激光的电场E(t)由
Figure BDA0004000540330000073
表示。
(光频梳装置)
接着，参照图2A及图2B，简单地进行说明集成在半导体基板上的类型的光频梳装置、即片上(on chip)光频梳装置。光频梳装置也被称作光频梳激光源。
图2A是示意地表示具有集成在半导体基板上的包含增益介质的谐振器的光频梳激光源的俯视图。图2B是示意地表示图2A的IIB－IIB线所示的位置的光频梳激光源的剖视图。为了参考，示意地表示了相互正交的X轴、Y轴及Z轴，这是为了说明的方便，并不限制使用时的朝向。此外，在图2B中，对于n掺杂层13d1、p掺杂层13d2及13d3、低折射率层14b及保护层16没有赋予表示截面的阴影。
如图2A及图2B所示，光频梳激光源10具备谐振器13、半导体基板14和保护层16。图示的例子中的半导体基板14的表面与XY平面平行。如图2B所示，半导体基板14例如具有将Si等的高折射率层14a和SiO2等的低折射率层14b以该顺序在Z轴方向上层叠的层叠构造。高折射率层14a的折射率比低折射率层14b的折射率高。半导体基板14也可以不包括高折射率层14a。保护层16例如使用SiO2等无机绝缘性材料或BCB(苯并环丁烯)等有机绝缘性材料形成。保护层16以将低折射率层14b的上表面覆盖的方式设置。
谐振器13是具有规定的光路长的激光谐振器的一例。如图2A所示，谐振器13包括半导体层13s、中间层13i、光波导13w和反射镜(mirror)13m1及13m2。此外，如图2B所示，谐振器13包括n掺杂层13d1和p掺杂层13d2及13d3。此外，谐振器13包括增益介质13g及可饱和吸收体13sa。半导体层13s的一部分分别作为增益介质13g及可饱和吸收体13sa发挥功能。
在图2A中，谐振器13的半导体层13s的平面形状由虚线表示。半导体层13s在两端形成有锥部。锥部的前端在俯视下与中间层13i重叠。此外，中间层13i也在两端形成有锥部。锥部的前端在俯视下与光波导13w重叠。由此，穿过半导体层13s的光经由中间层13i效率良好地向光波导13w传输。即，在光频梳激光源10中，光波导13w、中间层13i及半导体层13s分别作为使光通过的路径发挥功能。
如图2B所示，谐振器13的光波导13w被埋入在半导体基板14的低折射率层14b中。光波导13w也可以设置在低折射率层14b上。光波导13w例如可以由从包括SiN及Si的组中选择的至少1个高折射率材料形成。光波导13w的折射率比半导体基板14的低折射率层14b的折射率及保护层16的折射率高。由此，光能够通过全反射而在光波导13w内传输。
中间层13i设置在光波导13w与半导体层13s之间。中间层13i例如由a－Si(非晶硅)形成。中间层13i的折射率比光波导13w的折射率高，比半导体层13s的折射率低。另外，关于中间层13i，只要折射率满足光波导13w<中间层13i<半导体层13s，也可以由其他半导体形成。假如在没有设置中间层13i的情况下，由于半导体层13s的折射率与光波导13w的折射率差较大，所以光难以从折射率大的半导体层13s向折射率小的光波导13w传输。因此，在半导体层13s与光波导13w之间，光的传输时的损耗变大。通过设有中间层13i，能够使各层间的折射率差变小。因此，通过设置中间层13i，如图2C所示，能够使光从半导体层13s低损耗地向光波导13w传输。另外，图2C是示意地表示图2B所示的剖面中的光的传输路径的剖视图。中间层13i在半导体层13s的折射率与光波导13w的折射率差比较小的情况下也可以省略。
如图2C所示，在光波导13w中，距反射镜13m1较近的第1部分13w1和距反射镜13m2较近的第2部分13w2作为光的传输路径发挥功能。第1部分13w1是光波导13w中的、增益介质13g及可饱和吸收体13sa与反射镜13m1之间的部分。第2部分13w2是光波导13w中的、增益介质13g及可饱和吸收体13sa与反射镜13m2之间的部分。
反射镜13m1设置在光波导13w的第1位置。具体而言，反射镜13m1设置在光波导13w的端部。反射镜13m1例如可以由分布式布拉格反射器形成。在分布式布拉格反射器中，通过起因于折射率的周期构造的布拉格反射将光反射。反射镜13m1将在光波导13w中进行了传输的光反射。反射镜13m1只要具有反射功能则例如也可以由金属形成。此外，反射镜13m1也可以是环路反射镜(loop mirror)那样的由半导体形成的反射元件。关于反射镜13m2也是同样的。反射镜13m2设置在光波导13w的与第1位置不同的第2位置。具体而言，反射镜13m2在光波导13w中设置在与反射镜13m1相反侧的端部。
反射镜13m2与反射镜13m1相比反射率低。具体而言，反射镜13m1的反射率实质上等于100％，相对于此，反射镜13m2的反射率例如是70％以上90％以下。反射镜13m2虽然将在光波导13w中进行了传输的光的大部分反射，但使一部分原样透过。透过反射镜13m2后的光成为光频梳激光5。
如图2B所示，半导体层13s被n掺杂层13d1和p掺杂层13d2及13d3夹着。n掺杂层13d1和p掺杂层13d2及13d3的配置关系也可以相反。
半导体层13s、n掺杂层13d1以及p掺杂层13d2及13d3被埋入在保护层16中。另外，n掺杂层13d1的下表面也可以与半导体基板14的表面接触。n掺杂层13d1也可以与中间层13i接触。
半导体层13s例如可以由III－V族的半导体材料形成。III－V族的半导体材料例如可以包括从由ZnSe、InGaAlP、InGaAs、GaInAsP、GaInAsSb、InP、GaN、GaAs、InGaAs、AlGaAs、AlInGaN构成的组中选择的至少1个材料。
半导体层13s包括增益介质13g及可饱和吸收体13sa。增益介质13g及可饱和吸收体13sa设置在反射镜13m1与反射镜13m2之间。具体而言，增益介质13g及可饱和吸收体13sa设置在反射镜13m1与反射镜13m2之间的光的传输路径上。
增益介质13g是半导体层13s的一部分，是被n掺杂层13d1和p掺杂层13d2夹着的部分。可饱和吸收体13sa是半导体层13s的一部分，是被n掺杂层13d1和p掺杂层13d3夹着的部分。
n掺杂层13d1是n型的半导体层。n掺杂层13d1通过在与半导体层13s相同的III－V属的半导体材料中掺杂n型杂质而形成。作为n型杂质，例如可以使用Si等4价的元素、或硒(Se)等6价的元素等。
p掺杂层13d2及13d3是p型的半导体层。p掺杂层13d2及13d3通过在与半导体层13s相同的III－V属半导体材料中掺杂p型杂质而形成。作为p型杂质，例如可以使用锌(Zn)等2价的元素。p掺杂层13d2和p掺杂层13d3例如具有相同的组成。
p掺杂层13d2和p掺杂层13d3相互分离。对于p掺杂层13d2及13d3，分别安装着相互不同的电极(未图示)。对于p掺杂层13d2，经由电极注入电流。对于p掺杂层13d3，在与n掺杂层13d1之间被施加反偏压。通过该电压施加，半导体层13s的与p掺杂层13d3接触的部分作为可饱和吸收体13sa发挥功能。另外，可饱和吸收体13sa也可以使用碳纳米管形成。也可以将可饱和吸收体13sa与反射镜13m1及13m2一体化。
与p掺杂层13d2同样，对于n掺杂层13d1也安装着未图示的电极。被从分别安装于n掺杂层13d1及p掺杂层13d2的电极进行了电荷注入的半导体层13s的一部分作为受激发射光的增益介质13g发挥功能。该受激发射出的光经由中间层13i和光波导13w而在反射镜13m1与反射镜13m2之间被反复反射。即，受激发射出的光通过多次穿过增益介质13g而被放大。被放大后的光利用可饱和吸收体13sa而成为被模同步的光脉冲列。仅与谐振器13的光路长即对谐振器长乘以折射率后的值对应的波长被放大。由此，从谐振器13发出光频梳激光5。另外，谐振器13的光路长是反射镜13m1与反射镜13m2之间的光路长。
(FMCW)
实施方式的光频梳装置能够用于FMCW。以下，使用图3说明FMCW的原理。图3是表示FMCW的距离测定的原理的图。在图3中，横轴表示时间，纵轴表示激光的频率。
关于FMCW，对从CW光源射出的激光进行时间性频率调制。在图3的情况下，在时间宽度T的期间中进行ΔF的频率调制。这里的频率调制是线性调制。即，频率的变化的比例是一定的。
在用于到对象物的距离测定的情况下，将频率调制后的激光分支为两个，将一方作为参照光(图3中的实线)、将另一方作为测定光而向对象物照射。由受光器检测被对象物反射而返回来的反射光(图3中的长虚线)。此时，在参照光和测定光(即反射光)间有频率差Δf。这来源于测定光往来于对象物的时间差。因而，通过对频率差Δf乘以cT/2ΔF，能够测定到对象物的距离。即，距离由以下的式(1)表示。
(1)距离＝Δf×c×T/(2×ΔF)
这里，c表示光速。例如，如果设T＝40μs，ΔF＝4GHz，使Δf＝4MHz，则到对象物的距离通过上述式(1)能够计算为6m。
(光频梳的频率调制的两个方法)
在本发明的计测装置中，将基于该FMCW的测距方式应用于光频梳装置。
如已述那样，在光频梳中，存在重复频率frep及载波包络偏移频率fCEO这两个频率参数。因而，只要能够将某一方调制，就能够与FMCW同样地进行测距。
首先，使用图4说明仅将载波包络偏移频率fCEO调制的情况。图4是表示将载波包络偏移频率fCEO调制前后的频率轴上的光频梳的图。具体而言，图4的(a)表示调制前的光频梳，(b)表示调制后的光频梳。在(a)及(b)的各自中，横轴表示光的频率，纵轴表示光的强度。
在设调制前的载波包络偏移频率的值为fCEO的情况下，在某个时刻，载波包络偏移频率成为fCEO+δfCEO的值。随之，第n个模频率fn能够表示为fn＝(fCEO+δfCEO)+nfrep。并且，通过将一个个模(具体而言，各频率成分的光)看作来自CW光源的激光，能够同时进行许多FMCW。
接着，使用图5说明仅将重复频率frep调制的情况。图5是表示将重复频率frep调制的前后的频率轴上的光频梳的图。图5的(a)表示调制前的光频梳，(b)表示调制后的光频梳。在(a)及(b)的各自中，横轴表示光的频率，纵轴表示光的强度。
在设调制前的重复频率的值为frep的情况下，在某个时刻，重复频率成为frep+δfrep的值。随之，第n个模频率fn能够表示为fn＝fCEO+n(frep+δfrep)。该情况下也与图4的情况同样，通过将一个个模看作来自CW光源的激光，能够同时进行许多FMCW。
另外，作为进行频率的调制的方法，有EOM(电光学调制)及基于温度调整的谐振器长的调制等。但是，在内置增益介质的片上光频梳装置中，即使将向增益介质施加的电流量进行调制、或者通过温度调整将谐振器长进行调制，重复频率frep和载波包络偏移频率fCEO的两者也发生变化。因此，难以使光频梳装置作为FMCW发挥功能。
因此，在本发明中，在光频梳装置中装入将重复频率frep和载波包络偏移频率fCEO中的某一方调制并将另一方固定的调制部。以下，对本发明的实施方式的光频梳装置的具体结构进行说明。
(实施方式1)
首先，参照图6说明本发明的实施方式1的光频梳装置的结构例。图6是示意地表示本实施方式的光频梳装置10A的图。光频梳装置10A的基本构造与图2A及图2B所示的光频梳激光源10相同。以下，以与图2A及图2B所示的光频梳激光源10的不同点为中心进行说明，将共通点的说明省略或简化。
如图6所示，作为不同点，光频梳装置10A新具备调制部21A。调制部21A是控制部的一例，具备调制电流源17m和固定RF信号发生器18。
调制电流源17m与增益介质13g相连，向增益介质13g供给大小被调制后的电流(以下记作调制电流)。具体而言，调制电流源17m连接于p掺杂层13d2和n掺杂层13d1，从p掺杂层13d2向n掺杂层13d1流过调制电流。由此，对被p掺杂层13d2和n掺杂层13d1夹着的增益介质13g供给调制电流。
固定RF信号发生器18与可饱和吸收体13sa相连，对可饱和吸收体13sa供给频率固定的高频信号(以下记作固定RF信号)。具体而言，固定RF信号发生器18连接于p掺杂层13d3和n掺杂层13d1，向p掺杂层13d3与n掺杂层13d1之间供给频率固定的高频电压信号作为固定RF信号。由此，向被p掺杂层13d3和n掺杂层13d1夹着的可饱和吸收体13sa供给固定RF信号。
调制电流源17m通过对向增益介质13g供给的电流的大小进行调制，从而对载波包络偏移频率进行调制。此时，通过对电流的大小进行调制，不仅载波包络偏移频率被调制，重复频率也被调制。
相对于此，固定RF信号发生器18通过将高频信号的频率固定，从而将重复频率固定。这来源于：通过固定RF信号，可饱和吸收体13sa具有作为开闭器(shutter)的作用，对谐振器内的脉冲间隔进行控制。
通过以上，实现了仅对载波包络偏移频率进行了调制的光频梳装置10A，所以能够进行基于FMCW的距离的测定。更具体地讲，光频梳装置10A能够同时进行多地点的距离的测定。关于具体的距离的测定在后面进行说明。
(实施方式2)
接着，参照图7说明本发明的实施方式2的光频梳装置的结构例。图7是示意地表示本实施方式的光频梳装置10B的图。光频梳装置10B的基本构造与图2A及图2B所示的光频梳激光源10相同。以下，以与图2A及图2B所示的光频梳激光源10的不同点为中心进行说明，将共通点的说明省略或简化。
如图7所示，作为不同点，光频梳装置10B新具备相位调制器20和调制部21B。
相位调制器20***在光波导13w中。相位调制器20设置在反射镜13m1与反射镜13m2之间。在本实施方式中，两个相位调制器20分别***在第1部分13w1及第2部分13w2中。
调制部21B是控制部的一例，具备固定电流源17、固定RF信号发生器18和调制电压源19m。
固定电流源17与增益介质13g相连，对增益介质13g供给大小固定的电流(以下记作固定电流)。具体而言，固定电流源17连接于p掺杂层13d2和n掺杂层13d1，从p掺杂层13d2向n掺杂层13d1流过固定电流。由此，对被p掺杂层13d2和n掺杂层13d1夹着的增益介质13g供给固定电流。
固定RF信号发生器18与可饱和吸收体13sa相连，对可饱和吸收体13sa供给RF信号。固定RF信号发生器18的具体连接与实施方式1相同。调制电压源19m与相位调制器20相连，对相位调制器20供给电压。
固定电流源17通过将向增益介质13g供给的电流的大小固定，从而将载波包络偏移频率固定。此外，固定RF信号发生器18通过将RF信号的频率固定从而将重复频率固定。因而，在该状态下不发生频率调制。
相对于此，调制电压源19m通过对电压的大小进行调制，从而对载波包络偏移频率进行调制。具体而言，相位调制器20根据被供给的电压而改变折射率。由于相位调制器20存在于光波导13w内，所以光频梳的相位被调制。由此，光频梳的载波包络偏移频率被调制。此时，不仅载波包络偏移频率被调制，重复频率也会被调制，但是由于RF信号的频率被固定，从而重复频率被固定。
通过以上，实现了仅对载波包络偏移频率进行了调制的光频梳装置10B，所以能够同时进行基于FMCW的距离的测定。
另外，光频梳装置10B也可以代替相位调制器20而具备加热器那样的温度调节机构。温度调节机构能够根据电压来变更光波导13w的温度。光波导13w根据温度变化而膨胀或收缩，从而折射率变化。即，温度调节机构与相位调制器20同样，能够使光波导13w的折射率变化。因而，通过对温度调节机构连接调制电压源19m、供给大小被调制后的电压，能够实现与上述相同的情况。另外，温度调节机构能够对光波导13w施加热即可，也可以不配置在光波导13w内。
在本实施方式中，由于向增益介质13g供给的电流被固定，所以光频梳的强度不易被调制。因此，能够将光频梳装置10B还用于对于光频梳需要一定强度的用途，能够提高通用性。
(实施方式3)
接着，参照图8说明本发明的实施方式3的光频梳装置的结构例。图8是示意地表示本实施方式的光频梳装置10C的图。光频梳装置10C的基本构造与图2A及图2B所示的光频梳激光源10相同。以下，以与图2A及图2B所示的光频梳激光源10的不同点为中心进行说明，将共通点的说明省略或简化。
如图8所示，作为不同点，光频梳装置10C新具备调制部21C。调制部21C是控制部的一例，具备固定电流源17和调制RF信号发生器18m。
固定电流源17与增益介质13g相连，向增益介质13g供给固定电流。固定电流源17的具体连接与实施方式2相同。
调制RF信号发生器18m与可饱和吸收体13sa相连，对可饱和吸收体13sa供给频率被调制后的RF信号(以下记作调制RF信号)。具体而言，调制RF信号发生器18m与p掺杂层13d3及n掺杂层13d1连接，对p掺杂层13d3与n掺杂层13d1之间供给频率被调制后的高频电压信号作为调制RF信号。由此，向被p掺杂层13d3和n掺杂层13d1夹着的可饱和吸收体13sa供给调制RF信号。
固定电流源17通过将向增益介质13g供给的电流的大小固定，从而将载波包络偏移频率固定。另一方面，调制RF信号发生器18m通过对RF信号的频率进行调制，从而对重复频率进行调制。
通过以上，实现了仅对重复频率进行了调制的光频梳装置10C，所以能够进行基于FMCW的距离的测定。
另外，在上述的各实施方式中，电流的大小、RF信号的频率以及电压的大小的调制与图3所示的情况同样地通过线性调制反复进行。在对载波包络偏移频率进行调制的情况下，第n个模的频率差是δfCEO，成为不依赖于n的值。因此，通过利用波分复用方式等将多个模分开检测，能够按每个模执行基于FMCW的距离测定。即，能够同时计测多地点的距离及/或速度。这样，在将多个模分开进行检测的情况下，由于不需要考虑各模的调制范围的重叠，所以能够将调制范围确保得较大。基于波分复用方式的检测例如可以通过将入射的光按频率进行分离的分离器(demultiplexer)、和接收被分离后的每个频率的光的多个受光器来实现。
另一方面，在对重复频率进行调制的情况下，第n个模的频率差是n×δfrep，成为依赖于n的值。因此，即使不将模分开而受光，也能够将各模进行区别。另外，该情况下，光频梳中包含的多个模各自的调制范围在不相互重叠的范围内进行。
固定电流源17、调制电流源17m、固定RF信号发生器18、调制RF信号发生器18m及调制电压源19m分别由包括电阻、电感器、电容器、变压器、二极管、晶体管等的至少1个的电子电路实现。电子电路可以由集成化的IC(Integrated Circuit)元件实现。
在各实施方式中，光波导13w、反射镜13m1及13m2、增益介质13g及可饱和吸收体13sa被集成于相同的半导体基板14。即，光频梳装置10A、10B及10C是所谓的片上光频梳装置。由此，实现光频梳装置10A、10B及10C的小型化。
此时，在各实施方式中，调制部21A、21B及21C分别与半导体基板14分体地构成，但并不限于此。例如，如图9所示，也可以将调制部21A也集成于半导体基板14。图9是示意地表示实施方式的变形例的光频梳装置10D的图。在图9中，是图6所示的光频梳装置10A的变形例，但在图7或图8所示的光频梳装置10B或10C中也可以将调制部21B或21C集成于半导体基板14。
(实施方式4)
接着，使用图10对具备光频梳装置的计测装置进行说明。
图10是示意地表示实施方式4的计测装置100的结构的图。图10所示的计测装置100计测到对象物101的距离及/或对象物101的移动速度。计测装置100具备光频梳装置10A、耦合器(coupler)111及112、循环器113、射出部120、检测器130和信号处理电路140。另外，计测装置100也可以代替光频梳装置10A而具备光频梳装置10B、10C或10D。
耦合器111及112及循环器113与将从光频梳装置10A射出的光频梳激光5导光的光纤连接。光纤构成为，将光频梳装置10A的输出部15到射出部120、从循环器113到检测器130、以及从耦合器111到耦合器112分别相连。
另外，输出部15如图6所示，设置在光波导13w的端部。具体而言，输出部15位于反射镜13m2的外侧，将通过了反射镜13m2的光频梳激光5向外部输出。输出部15例如包括对于光纤的耦合部。具体而言，输出部15是光栅耦合器，但并不限定于此。输出部15也可以通过边缘耦合(edge coupling)进行输出。
耦合器111使光频梳激光5分支为测定光5a和参照光5b。另外，耦合器111是使光以规定的强度比分支的元件，光的频率及波长等在分支后也不变化。即，测定光5a和参照光5b都是具有相同的载波包络偏移频率及重复频率的光频梳。测定光5a和参照光5b的强度比例如是9：1，但也可以是1：1。测定光5a经过循环器113从射出部120朝向对象物101射出。参照光5b经过耦合器112向检测器130入射。
射出部120是将测定光5a朝向对象物101射出的光学元件。射出部120例如是棱镜或衍射光栅。射出部120使测定光5a向按频率而不同的方向射出。在图10中，从射出部120朝向对象物101延伸的多个实线的箭头表示测定光5a中包含的各频率成分的光。各光被对象物101的不同部位反射。通过该反射而产生的反射光5c回到射出部120，被循环器113朝向耦合器112导光。另外，循环器113是用来限制光的行进方向的光学元件，抑制被从射出部120导光的反射光5c回到耦合器111。
耦合器112将参照光5b与反射光5c耦合，使其向检测器130入射。耦合比例如是1：1，但并不限定于此。
检测器130是光检测部的一例，参照光5b和反射光5c入射，生成与入射的光的强度对应的电信号并输出。在检测器130中，参照光5b与反射光5c干涉从而产生拍频(beat)信号。检测器130输出表示拍频信号的时间波形的电信号。另外，检测器130例如是光电二极管等光电变换元件。
信号处理电路140是运算部的一例，基于检测器130的检测结果，计算到对象物101的距离及/或对象物101的速度。具体而言，信号处理电路140基于拍频信号计算距离及/或速度。由信号处理电路140进行的距离的计算方法如使用图3说明的那样。此外，关于距离，也能够基于通常的FMCW的方法来计算。
在本实施方式中，由于参照光5b及反射光5c都是光频梳，所以通过按频率进行运算，能够计算到被照射了对应的频率的光的部位的距离、及/或该部位的移动速度。由此，能够同时计测到对象物101的多个部位的距离及/或速度。即，计测装置100能够进行基于FMCW的多点同时测定。
另外，检测器130也可以如图11所示那样，包括将入射的光按频率进行分离的分离器131和接收被分离后的每个频率的光的多个受光器132。多个受光器132与被分离的多个频率一对一地建立了对应。这样，通过按频率将信号分离并受光，能够将各频率成分的光精度良好地受光，能够提高距离计测及速度计测的精度。
(其他实施方式)
以上，基于实施方式对1个或多个形态的光频梳装置及计测装置进行了说明，但本发明并不限定于这些实施方式。只要不脱离本发明的主旨，对本实施方式施以本领域技术人员想到的各种变形后的形态、以及将不同实施方式的构成要素组合而构建的形态也包含在本发明的范围内。
例如，调制部也可以不具备调制电流源或固定电流源。即，也可以是，对于增益介质，不是通过电的激励而是通过光学激励进行受激发射。例如，调制部也可以代替调制电流源或固定电流源而具备激光源。激光源作为对于增益介质的激励光而将激光向增益介质照射。激光源能够通过对激光的强度进行调制而对载波包络偏移频率fCEO进行调制。此外，激光源能够通过将激光源的强度固定而将载波包络偏移频率fCEO固定。
此外，例如，调制部也可以将重复频率frep及载波包络偏移频率fCEO中的进行固定的频率和进行调制的频率切换。即，进行固定的频率及进行调制的频率也可以不总是相同，调制部也可以根据状况来切换进行固定的频率及进行调制的频率。
具体而言，调制部也可以包括包含第1模式和第2模式的两个动作模式，第1模式将重复频率frep固定并对载波包络偏移频率fCEO进行调制，第2模式对重复频率frep进行调制并将载波包络偏移频率fCEO固定。调制部也可以进行从第1模式向第2模式的切换以及从第2模式向第1模式的切换。
此外，例如，控制部进行的频率的变化也可以不是频率的调制。例如，控制部也可以使重复频率及载波包络偏移频率的某一方在两个规定值之间变化。
此外，上述的各实施方式在权利要求的范围或其等价的范围中能够进行各种变更、替换、附加、省略等。
产业上的可利用性
本发明能够作为能够精度良好地使频率变化的光频梳装置等加以利用，例如能够用于对象物的检测、分析及测距装置等。
标号说明
5 光频梳激光
5a 测定光
5b 参照光
5c 反射光
10 光频梳激光源
10A、10B、10C、10D 光频梳装置
13 谐振器
13d1 n掺杂层
13d2、13d3 p掺杂层
13i 中间层
13g 增益介质
13m1、13m2 反射镜
13s 半导体层
13sa 可饱和吸收体
13w 光波导
13w1 第1部分
13w2 第2部分
14 半导体基板
14a 高折射率层
14b 低折射率层
15 输出部
16 保护层
17 固定电流源
17m 调制电流源
18 固定RF信号发生器
18m 调制RF信号发生器
19m 调制电压源
20 相位调制器
21A、21B、21C 调制部
100 计测装置
101 对象物
111、112 耦合器
113 循环器
120 射出部
130 检测器
131 分离器
132 受光器
140 信号处理电路

Claims (13)

1.一种光频梳装置，其特征在于，
具备：
光波导；
第1反射镜，设置在上述光波导的第1位置；
第2反射镜，设置在上述光波导的与上述第1位置不同的第2位置；
增益介质及可饱和吸收体，设置在上述第1反射镜与上述第2反射镜之间；以及
控制部，将从上述光波导的端部输出的光频梳的重复频率及载波包络偏移频率的一方固定，并使另一方变化。
2.如权利要求1所述的光频梳装置，其特征在于，
上述控制部包括：
电流源，向上述增益介质供给电流；以及
信号发生器，向上述可饱和吸收体供给高频信号。
3.如权利要求2所述的光频梳装置，其特征在于，
上述电流源通过使上述电流的大小变化而使上述载波包络偏移频率变化；
上述信号发生器将上述高频信号的频率固定。
4.如权利要求2所述的光频梳装置，其特征在于，
上述电流源将上述电流的大小固定；
上述信号发生器通过使上述高频信号的频率变化而使上述重复频率变化。
5.如权利要求2所述的光频梳装置，其特征在于，
还具备设置在上述第1反射镜与上述第2反射镜之间的相位调制器；
上述控制部还包括向上述相位调制器供给电压的电压源；
上述电压源通过使上述电压的大小变化而使上述载波包络偏移频率变化；
上述信号发生器将上述高频信号的频率固定。
6.如权利要求1～5中任一项所述的光频梳装置，其特征在于，
还具备半导体基板；
上述光波导、上述第1反射镜、上述第2反射镜、上述增益介质及上述可饱和吸收体集成于上述半导体基板。
7.如权利要求6所述的光频梳装置，其特征在于，
上述控制部集成于上述半导体基板。
8.一种光频梳装置，其特征在于，
具备：
光波导；
第1反射镜，设置在上述光波导的第1位置；
第2反射镜，设置在上述光波导的与上述第1位置不同的第2位置；
增益介质及可饱和吸收体，设置在上述第1反射镜与上述第2反射镜之间；以及
信号发生器，向上述可饱和吸收体供给高频信号；
上述信号发生器通过使上述高频信号的频率变化而使从上述光波导的端部输出的光频梳的重复频率变化。
9.如权利要求8所述的光频梳装置，其特征在于，
还具备向上述增益介质供给电流的电流源；
上述电流源将上述电流的大小固定。
10.一种计测装置，其特征在于，
具备：
权利要求1～9中任一项所述的光频梳装置；
射出部，将上述光频梳朝向对象物射出；
光检测部，供由上述对象物带来的上述光频梳的反射光进行入射；以及
运算部，基于由上述光检测部得到的检测结果，计算到上述对象物的距离或上述对象物的速度。
11.如权利要求10所述的计测装置，其特征在于，
上述光检测部还供上述光频梳进行入射；
上述运算部基于上述反射光和上述光频梳在上述光检测部中干涉而产生的拍频信号，计算上述距离或上述速度。
12.如权利要求10或11所述的计测装置，其特征在于，
上述光检测部包括：
分离器，将入射的光按频率进行分离；以及
多个受光器，接收被分离后的每个频率的光。
13.如权利要求10～12中任一项所述的计测装置，其特征在于，
上述射出部使上述光频梳向按频率而不同的方向射出。
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