WO2021261240A1 - デュアル光周波数コム発生装置および計測装置 - Google Patents
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Definitions
- This disclosure relates to a dual optical frequency comb generator and a measuring device.
- the characteristics related to the optical frequency of the object can be investigated.
- spectroscopy has been performed using a light source having a fluctuating intensity and a diffraction grating or a prism. Therefore, the accuracy of the obtained frequency spectrum is limited.
- optical frequency comb means a comb-shaped frequency spectrum formed from a plurality of discrete equidistant longitudinal modes.
- optical frequency comb laser beam a laser beam having an optical frequency comb is referred to as "optical frequency comb laser beam”.
- optical frequency combs have the problem of being vulnerable to disturbances such as vibration. Further, the optical frequency comb is expected to be applied to various purposes other than the acquisition of the frequency spectrum. Therefore, high versatility is expected.
- the present disclosure provides a dual optical frequency comb generator and a measuring device that are compact, resistant to disturbance, and highly versatile.
- the dual optical frequency comb generator includes a semiconductor substrate, a first optical frequency comb laser light source including a first resonator, and a second resonator, and the first optical frequency comb laser light source is light.
- a second optical frequency comb laser light source having a different pulse repetition frequency, two or more output units including a first output unit and a second output unit, and a first optical frequency comb laser light source connecting the first output unit and the first output unit.
- the first optical frequency comb laser light source, the second optical frequency comb laser light source, the two or more output units, the first optical waveguide, the second optical waveguide, and the third optical waveguide are integrated on the semiconductor substrate. There is.
- the measuring device includes the dual optical frequency comb generator, a first optical fiber having one end connected to the first output section, and a second optical fiber having one end connected to the second output section.
- a circulator connected to the other end of the first optical fiber, a third optical fiber and a fourth optical fiber having one end connected to the circulator, and a collimeter connected to the other end of the third optical fiber. It includes a coupler that combines and outputs the light propagated through each of the third optical fiber and the fourth optical fiber, and a detector that detects the light output from the coupler.
- FIG. 1A is a diagram schematically showing a time change of an electric field of an optical frequency comb laser beam.
- FIG. 1B is a diagram schematically showing a frequency spectrum of an optical frequency comb laser beam.
- FIG. 2 is a diagram schematically showing an optical frequency comb laser light source having a ring resonator integrated on a semiconductor substrate.
- FIG. 3A is a top view schematically showing an optical frequency comb laser light source having a resonator including a gain medium integrated on a semiconductor substrate.
- FIG. 3B is a cross-sectional view schematically showing an optical frequency comb laser light source at the position shown by the line IIIB-IIIB in FIG. 3A.
- FIG. 4 is a diagram schematically showing an optical system in dual-com spectroscopy.
- FIG. 4 is a diagram schematically showing an optical system in dual-com spectroscopy.
- FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of obtaining a frequency spectrum of light in dual-com spectroscopy.
- FIG. 6 is a diagram schematically showing the configuration of the dual optical frequency comb generator and the measuring device according to the first embodiment.
- FIG. 7 is a diagram showing an example of an electric signal generated by the detector.
- FIG. 8 is a diagram schematically showing the configuration of the dual optical frequency comb generator and the measuring device according to the first modification of the first embodiment.
- FIG. 9 is a diagram schematically showing the configuration of the dual optical frequency comb generator and the measuring device according to the second modification of the first embodiment.
- FIG. 10 is a diagram schematically showing the configuration of the dual optical frequency comb generator and the measuring device according to the second embodiment.
- the dual optical frequency comb generator includes a semiconductor substrate, a first optical frequency comb laser light source including a first resonator, and a second resonator, and the first optical frequency comb laser light source is light.
- a second optical frequency comb laser light source having a different pulse repetition frequency, two or more output units including a first output unit and a second output unit, and a first optical frequency comb laser light source connecting the first output unit and the first output unit.
- the first optical frequency comb laser light source, the second optical frequency comb laser light source, the two or more output units, the first optical waveguide, the second optical waveguide, and the third optical waveguide are integrated on the semiconductor substrate. There is.
- optical frequency comb laser light source not only the optical frequency comb laser light source is integrated on the semiconductor substrate, but also two or more output units and three optical waveguides are integrated together.
- This integration makes the dual-com spectroscopy optical system compact and simple.
- the first output unit and the second output unit may be located on different sides of the semiconductor substrate.
- the two output units can be separated, so that the physical connection of the optical fiber to each of the two output units can be easily performed.
- first resonator and the second resonator may each include a gain medium located on the optical path.
- the two or more output units may include a coupling portion for an optical fiber.
- the two or more output units include a third output unit, and the second optical waveguide branches from a path connecting the second optical frequency comb laser light source and the second output unit, and the first A fourth optical waveguide coupled to the third output unit may be included.
- the measuring device includes the dual optical frequency comb generator, a first optical fiber having one end connected to the first output section, and one end connected to the second output section. Two optical fibers, a circulator connected to the other end of the first optical fiber, a third optical fiber and a fourth optical fiber having one end connected to the circulator, and a collimeter connected to the other end of the third optical fiber.
- a coupler that combines and outputs the light propagated through each of the third optical fiber and the fourth optical fiber, and a detector that detects the light output from the coupler.
- the measuring device includes the dual optical frequency comb generator, a first optical fiber having one end connected to the first output unit, and one end to the second output unit and the first output unit.
- a second optical fiber connected to one of the three output units, a circulator connected to the other end of the first optical fiber, a third optical fiber and a fourth optical fiber having one end connected to the circulator, and the third optical fiber.
- a collimeter connected to the other end of the optical fiber, a coupler that couples the third optical fiber and the fourth optical fiber, and a coupler that combines and outputs light propagated through each of the third optical fiber and the fourth optical fiber.
- a detector includes a first detector that detects light output from the coupler and a second detector that detects light output from the other of the second output unit and the third output unit. It may be.
- the measuring device may further include a sweep mechanism for sweeping the light emitted from the collimator.
- the position where the laser beam is irradiated to the object can be changed, so that two-dimensional information or three-dimensional information of the object can be obtained.
- the measuring device may include a signal processing circuit for measuring the spectrum of an object based on the detection result by the detector.
- the measuring device can be used as a gas sensor.
- the measuring device may include a signal processing circuit that measures the distance to the object based on the detection result by the detector.
- each figure is a schematic diagram and is not necessarily exactly illustrated. Therefore, for example, the scales and the like do not always match in each figure. Further, in each figure, substantially the same configuration is designated by the same reference numeral, and duplicate description will be omitted or simplified.
- the terms “upper” and “lower” do not refer to the upward direction (vertically upward) and the downward direction (vertically downward) in absolute spatial recognition, but are based on the stacking order in the laminated configuration. It is used as a term defined by the relative positional relationship. Also, the terms “upper” and “lower” are used not only when the two components are spaced apart from each other and another component exists between the two components, but also when the two components are present. It also applies when the two components are placed in close contact with each other and touch each other.
- optical frequency comb laser light and dual comb spectroscopy In the following, the basic principles of optical frequency comb laser light and dual comb spectroscopy will be briefly described before the specific embodiments of the present disclosure are described.
- FIG. 1A is a diagram schematically showing an example of a time change of an electric field of an optical frequency comb laser beam.
- the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the electric field of laser light.
- the optical frequency Komureza light is formed from the optical pulse train generated with a repetition period T rep.
- the repetition period Trep is, for example, 100 ps or more and 100 ns or less.
- the full width at half maximum of each optical pulse is represented by ⁇ t.
- the full width at half maximum ⁇ t of each optical pulse is, for example, 10 fs or more and 1 ps or less.
- the optical frequency comb laser source includes a laser resonator that emits an optical frequency comb laser beam by inputting excitation light or injecting charge.
- the details of the laser cavity will be described later.
- the laser resonator there is a case where the group velocity v g of the envelope of the optical pulse propagates, and the phase velocity v p waves in the optical pulse propagates differs. Due to the difference between the group velocity v g and the phase velocity v p, the overlapping two optical pulse adjacent to the envelope to match the wave phase in these light pulses is shifted by [Delta] [phi. ⁇ is smaller than 2 ⁇ .
- FIG. 1B is a diagram schematically showing a frequency spectrum of an optical frequency comb laser beam.
- the horizontal axis represents the frequency and the vertical axis represents the intensity of the laser beam.
- the optical frequency comb laser light has a comb-like frequency spectrum formed from a plurality of discrete evenly spaced lines.
- the frequencies of the plurality of discrete equidistant lines correspond to the resonant frequencies of the longitudinal mode in the laser cavity.
- the repetition frequency frep is, for example, 10 MHz or more and 10 GHz or less.
- the full width at half maximum ⁇ f of the optical frequency comb is, for example, 1 THz or more and 100 THz or less.
- the frequency of the equidistant lines closest to the zero frequency, assuming that the equidistant lines exist up to near the zero frequency, is called the carrier envelope offset frequency.
- the carrier envelope offset frequency f CEO is lower than the repeat frequency f rep.
- FIG. 2 is a diagram showing an optical frequency comb laser light source having an external light source and a ring resonator.
- the optical frequency comb laser light source includes an optical waveguide 3w, a ring resonator 3, and a semiconductor substrate 4.
- the optical waveguide 3w and the ring resonator 3 are integrated on the semiconductor substrate 4.
- the CW laser light source 1 is not integrated on the semiconductor substrate 4.
- the CW laser light source 1 emits the laser beam 2.
- the laser beam 2 has a single longitudinal mode and is adjusted to the resonance frequency of the ring resonator 3.
- the CW laser light source 1 emits a laser beam 2 toward the semiconductor substrate 4.
- the optical frequency comb laser light 5 is generated from the semiconductor substrate 4.
- the f rep at this time is equal to the value obtained by dividing the speed of light by the optical path length of the ring resonator 3.
- the optical path length of the ring resonator 3 is obtained by multiplying the resonator length of the ring resonator 3 by the refractive index.
- the resonator length is the circumference of the ring-shaped optical path.
- FIG. 3A is a top view schematically showing an optical frequency comb laser light source having a resonator including a gain medium integrated on a semiconductor substrate.
- FIG. 3B is a cross-sectional view schematically showing an optical frequency comb laser light source at the position shown by the line IIIB-IIIB in FIG. 3A.
- the X-axis, Y-axis, and Z-axis that are orthogonal to each other are schematically shown, but for convenience of explanation, the orientation during use is not limited.
- the optical frequency comb laser light source 10 includes a resonator 13, a semiconductor substrate 14, and a protective layer 16.
- the surface of the semiconductor substrate 14 in the illustrated example is parallel to the XY plane.
- the semiconductor substrate 14 has a laminated structure in which, for example, a high refractive index layer 14a such as Si and a low refractive index layer 14b such as SiO 2 are laminated in this order in the Z-axis direction.
- the refractive index of the high refractive index layer 14a is higher than that of the low refractive index layer 14b.
- the semiconductor substrate 14 does not have to include the high refractive index layer 14a.
- the protective layer 16 is formed by using, for example, an inorganic insulating material such as SiO 2 or an organic insulating material such as BCB (benzocyclobutene).
- the protective layer 16 is provided so as to cover the upper surface of the low refractive index layer 14b.
- the resonator 13 is an example of a laser resonator having a predetermined optical path length.
- the resonator 13 includes a semiconductor layer 13s, optical waveguides 13w1 and 13w2, and mirrors 13m1 and 13m2.
- the resonator 13 includes an n-doped layer 13d1 and p-doped layers 13d2 and 13d3.
- the resonator 13 includes a gain medium 13 g and a saturable absorber 13sa.
- a part of the semiconductor layer 13s functions as a gain medium 13g and a saturable absorber 13sa, respectively.
- the planar view shape of the semiconductor layer 13s in the resonator 13 is represented by a dotted line.
- the semiconductor layer 13s is formed with a taper at both ends. The tip of the taper overlaps each of the optical waveguides 13w1 and 13w2 in top view. As a result, the light passing through the semiconductor layer 13s is efficiently propagated to each of the optical waveguides 13w1 and 13w2.
- the optical waveguide 13w1 in the resonator 13 is embedded in the low refractive index layer 14b in the semiconductor substrate 14.
- the optical waveguide 13w1 may be provided on the low refractive index layer 14b.
- the optical waveguide 13w1 can be formed from at least one high refractive index material selected from the group consisting of Si or SiN.
- the refractive index of the optical waveguide 13w1 is higher than the refractive index of the low refractive index layer 14b and the refractive index of the protective layer 16 in the semiconductor substrate 14. Thereby, the light can propagate in the optical waveguide 13w1 by total reflection. The same applies to the optical waveguide 13w2.
- the mirror 13m1 can be formed, for example, from a distributed Bragg reflector. In a distributed Bragg reflector, light is reflected by Bragg reflection due to the periodic structure of the index of refraction.
- the mirror 13m1 is provided at the end of the optical waveguide 13w1.
- the mirror 13m1 reflects the light propagating through the optical waveguide 13w1.
- the mirror 13m1 may be formed of, for example, metal as long as it has a reflective function. The same applies to the mirror 13m2.
- the mirror 13m2 is provided at the end of the optical waveguide 13w2.
- the mirror 13m2 reflects the light propagating through the optical waveguide 13w2.
- the mirror 13m2 has a lower reflectance than the mirror 13m1. Specifically, the reflectance of the mirror 13m1 is substantially equal to 100%, whereas the reflectance of the mirror 13m2 is, for example, 90%.
- the mirror 13m2 reflects most of the light propagating through the optical waveguide 13w2, but allows some of it to pass through as it is. The light transmitted through the mirror 13 m2 becomes the optical frequency comb laser light 5.
- the semiconductor layer 13s is sandwiched between the n-doped layer 13d1 and the p-doped layers 13d2 and 13d3.
- the arrangement relationship between the n-doping layer 13d1 and the p-doping layers 13d2 and 13d3 may be reversed.
- the semiconductor layer 13s, the n-doped layer 13d1, and the p-doped layers 13d2 and 13d3 are embedded in the protective layer 16.
- the lower surface of the n-doped layer 13d1 may be in contact with the surface of the semiconductor substrate 14. Both ends of the n-doped layer 13d1 may be in contact with the optical waveguides 13w1 and 13w2, respectively.
- the semiconductor layer 13s can be formed from, for example, a group III-V semiconductor material.
- Group III-V semiconductor materials may include, for example, at least one material selected from the group consisting of ZnSe, InGaAlP, InGaAs, GaInAsP, GaInAsSb, InP, GaN, GaAs, InGaAs, AlGaAs, AlInGaN.
- the semiconductor layer 13s includes a gain medium 13 g and a saturable absorber 13sa.
- the gain medium 13g is a part of the semiconductor layer 13s and is a portion sandwiched between the n-doped layer 13d1 and the p-doped layer 13d2.
- the saturable absorber 13sa is a part of the semiconductor layer 13s and is a portion sandwiched between the n-doped layer 13d1 and the p-doped layer 13d3.
- the n-doped layer 13d1 is an n-type semiconductor layer.
- the n-doped layer 13d1 is formed by doping a semiconductor material of the same group III-V as the semiconductor layer 13s with an n-type impurity.
- a tetravalent element such as Si
- a hexavalent element such as selenium (Se), or the like can be used.
- the p-doped layers 13d2 and 13d3 are p-type semiconductor layers.
- the p-doped layers 13d2 and 13d3 are formed by doping the same III-V semiconductor material as the semiconductor layer 13s with a p-type impurity.
- a p-type impurity for example, a divalent element such as zinc (Zn) can be used.
- the p-doped layer 13d2 and the p-doped layer 13d3 have, for example, the same composition.
- the p-doping layer 13d2 and the p-doping layer 13d3 are separated from each other. Different electrodes (not shown) are attached to each of the p-doped layers 13d2 and 13d3. A current is injected into the p-doped layer 13d2 via the electrodes. A reverse bias voltage is applied to the p-doped layer 13d3 with the n-doped layer 13d1. By applying this voltage, a part of the semiconductor layer 13s that comes into contact with the p-doped layer 13d3 functions as the saturable absorber 13sa.
- the saturable absorber 13sa may be formed by using carbon nanotubes.
- the saturable absorber 13sa may be integrated with the mirrors 13m1 and 13m2.
- an electrode (not shown) is attached to the n-doping layer 13d1.
- a part of the semiconductor layer 13s charged with charge from the electrodes attached to each of the n-doped layer 13d1 and the p-doped layer 13d2 functions as a gain medium 13g in which light is induced and emitted.
- This stimulated emission light is repeatedly reflected between the mirror 13m1 and the mirror 13m2 via the optical waveguide 13w2. That is, it is amplified by passing through the gain medium 13 g many times.
- the amplified light becomes a mode-synchronized optical pulse train by the saturable absorber 13sa.
- the optical path length of the resonator 13 is the optical path length between the mirror 13m1 and the mirror 13m2.
- FIG. 4 is a diagram schematically showing an optical system in dual-com spectroscopy.
- the measuring device 100 shown in FIG. 4 includes a first optical frequency comb laser light source 20, a second optical frequency comb laser light source 21, an optical fiber 30, couplers 31a, 31b and 31c, a circulator 32, a collimator 33, and a detector 35. And prepare.
- the path of the optical fiber 30 is represented by a broken line.
- the first optical frequency comb laser light source 20 includes a first laser resonator (not shown) that emits a first optical frequency comb laser beam 20L.
- the second optical frequency comb laser light source 21 includes a second laser resonator (not shown) that emits a second optical frequency comb laser beam 21L.
- the optical path length of the first laser resonator and the optical path length of the second laser resonator are different from each other.
- f CEO1 and f CEO2 are carrier envelope offset frequencies of the first optical frequency comb and the second optical frequency comb, respectively.
- f rep1 and f rep2 are repetition frequencies of the first optical frequency comb and the second optical frequency comb, respectively.
- ⁇ f is much smaller than f rep1. is [delta] f, for example, a 1/10 3 1/10 9 f rep1, or less larger 10MHz than 0Hz as an example.
- each component included in the measuring device 100 is connected by an optical fiber 30. That is, optical elements such as couplers 31a, 31b and 31c, a circulator 32, a collimator 33 and a detector 35 are arranged on the path of the optical fiber 30.
- the first optical frequency comb laser light source 20 and the second optical frequency comb laser light source 21 are connected to the end of the optical fiber 30.
- the couplers 31a, 31b and 31c are optical elements that demultiplex or combine light, respectively.
- the circulator 32 is an optical element that controls the traveling direction of light.
- the collimator 33 is an optical element that emits light as parallel light.
- the detector 35 is an optical element that generates and outputs an electric signal by photoelectrically converting incident light. The signal level of the electrical signal corresponds to the intensity of the incident light.
- the detector 35 is a photoelectric conversion element such as a photodiode or a phototransistor.
- the first optical frequency comb laser light 20L is divided into two types, light 20Lt and light 20Lr, by the coupler 31a.
- the light 20Lt passes through the circulator 32, is emitted from the collimator 33, and is incident on the object 34. Then, the light 20Lt is reflected by the object 34.
- the reflected light 20R is directed to the coupler 31c by the circulator 32 after being incident on the collimator 33.
- the light 20Lr heads from the coupler 31a to the coupler 31b, and the coupler 31b combines with the second optical frequency comb laser light 21L and heads toward the coupler 31c.
- the reflected light 20R, the light 20Lr, and the second light frequency comb laser light 21L are combined and head toward the detector 35. Beats are generated when these lights interfere with each other in the detector 35.
- FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of obtaining the frequency spectrum of light in dual-com spectroscopy.
- FIG. 5A schematically shows the spectra of the first optical frequency comb and the second optical frequency comb.
- the solid line represents the first optical frequency comb, and the broken line represents the second optical frequency comb.
- FIG. 5B is a diagram schematically showing the beat frequency spectrum of the interference light. The difference between the closest mode frequencies between the first optical frequency comb and the second optical frequency comb corresponds to the beat frequency.
- the characteristics related to the optical frequency of the object 34 can be investigated. For example, it is possible to find out how much light of which frequency is absorbed by the object 34. If one of the plurality of mode frequencies in the first optical frequency comb matches one of the plurality of mode frequencies in the second optical frequency comb, a zero beat frequency appears. This makes it possible to easily investigate the characteristics of the object 34 with respect to the optical frequency with reference to the matched mode frequencies.
- the advantage of dual-com spectroscopy is that information on high-frequency light on the order of terahertz (THz) can be down-converted to radio frequencies on the order of megahertz (MHz). Time waveforms of signal waves with frequencies below the gigahertz (GHz) order can be detected by a common detector.
- THz terahertz
- GHz gigahertz
- the time waveform of a radio frequency beat can be detected by a general detector.
- the beat frequency spectrum as shown in FIG. 5 (b) can be obtained in a short time.
- the frequency spectrum of high-frequency light can be obtained accurately in a short time.
- the present inventors integrate a part of the optical elements arranged on the path of the optical fiber 30 shown in FIG. 4 on the same semiconductor substrate as the first optical frequency comb laser light source 20 and the second optical frequency comb laser light source 21. By doing so, I came up with the idea that a dual optical frequency comb generator can be easily realized. Hereinafter, specific embodiments will be described.
- FIG. 6 is a diagram schematically showing the configuration of the dual optical frequency comb generator and the measuring device according to the present embodiment.
- the measuring device 200 includes a dual optical frequency comb generator 201, a plurality of optical fibers 30a, 30b, 30c, 30d and 30e, a coupler 31c, a circulator 32, a collimator 33, a detector 35, and a signal processing circuit 36. To prepare for.
- the dual optical frequency comb generator 201 includes a first optical frequency comb laser light source 20, a second optical frequency comb laser light source 21, two output units 50 and an output unit 51, an optical waveguide 20w, an optical waveguide 21w, and an optical waveguide. 40 and. All of these are integrated on the same semiconductor substrate 4 or 14.
- the first optical frequency comb laser light source 20 is simply referred to as “first laser light source 20”
- the second optical frequency comb laser light source 21 is simply referred to as "second laser light source 21”.
- the first laser light source 20 includes a first laser resonator having a first optical path length.
- the optical path length corresponds to the product of the actual distance and the refractive index.
- the second laser light source 21 includes a second laser resonator having a second optical path length.
- the first laser light source 20 and the second laser light source 21 refer to two types of optical frequency com laser light sources that can be integrated on the semiconductor substrate described with reference to FIG. 2 or FIGS. 3A and 3B, respectively. ..
- the first laser light source 20 and the second laser light source 21 are, for example, the same type.
- the ring resonator 3 and the optical waveguide 3w of the first laser light source 20, the ring resonator 3 and the optical waveguide 3w of the second laser light source 21, and the optical waveguide 20w, 21w and 40 And the output units 50 and 51 are formed on the semiconductor substrate 4 shown in FIG. 2, the ring resonator 3 and the optical waveguide 3w of the first laser light source 20, the ring resonator 3 and the optical waveguide 3w of the second laser light source 21, and the optical waveguide 20w, 21w and 40 And the output units 50 and 51 are formed.
- the optical path length of the ring resonator 3 of the first laser light source 20 and the optical path length of the ring resonator 3 of the second laser light source 21 are different from each other.
- the CW laser light source 1 may or may not be integrated on the semiconductor substrate 4.
- the resonator 13 of the first laser light source 20, the resonator 13 of the second laser light source 21, the optical waveguides 20w, 21w and 40, and the output units 50 and 51 are formed on the semiconductor substrate 14 shown in FIG. 3B.
- the optical path length of the resonator 13 of the first laser light source 20 and the optical path length of the resonator 13 of the second laser light source 21 are different from each other.
- the distance between the mirrors 13m1 and 13m2 of the first laser light source 20 and the distance between the mirrors 13m1 and 13m2 of the second laser light source 21 are different from each other.
- the optical waveguide 20w is an example of the first optical waveguide connecting the first laser light source 20 and the output unit 50.
- the optical waveguide 21w is an example of a second optical waveguide connecting the second laser light source 21 and the output unit 51.
- the optical waveguide 40 is an example of a third optical waveguide that branches from the optical waveguide 20w and is coupled to the optical waveguide 21w. That is, the optical waveguide 40 has a role as a turnout in the optical waveguide 20w and a coupler in the optical waveguide 21w.
- the optical waveguide 40 serves as the coupler 31a and the coupler 31b in FIG.
- the optical waveguide 40 has, for example, a structure utilizing an evanescent bond, but is not limited thereto.
- the optical waveguide 40 may be, for example, a Y-shaped waveguide as long as it has a function of branching and coupling.
- the optical waveguides 20w, 21w and 40 are formed on the semiconductor substrate 4 or 14, respectively.
- the optical waveguides 20w, 21w and 40 are embedded in the low refractive index layer 14b using a material having a higher refractive index than the low refractive index layer 14b, as in the optical waveguides 13w1 and 13w2 shown in FIG. 3B, respectively. Is formed.
- the optical waveguides 20w, 21w and 40 are formed using a material such as Si or SiN.
- the output unit 50 is an example of the first output unit, and outputs the laser light emitted from the first laser light source 20. Specifically, the first optical frequency comb laser beam 20L emitted from the first laser light source 20 is separated into light 20Lt propagating through the optical waveguide 20w and light 20Lr propagating through the optical waveguide 40. Of these, the output unit 50 outputs 20 Lt of light.
- the output unit 51 is an example of the second output unit, and outputs a combination of the laser light emitted from the first laser light source 20 and the laser light emitted from the second laser light source 21. Specifically, the output unit 50 outputs the second optical frequency comb laser light 21L emitted from the second laser light source 21 and the light 20Lr propagated through the optical waveguide 40.
- the output units 50 and 51 each include a coupling unit for an optical fiber.
- the output units 50 and 51 are, for example, grating couplers, respectively, but are not limited thereto.
- the output units 50 and 51 may be output by edge coupling, for example, as long as the light in the optical waveguide can be output.
- the optical fiber 30a is an example of the first optical fiber, one end of which is connected to the output unit 50 and the other end of which is connected to the circulator 32.
- the optical fiber 30a is emitted by the first laser light source 20 and propagates the light 20Lt emitted from the output unit 50 through the optical waveguide 20w to the circulator 32.
- the optical fiber 30b is an example of a second optical fiber, one end of which is connected to the output unit 51 and the other end of which is connected to the coupler 31c.
- the optical fiber 30b emits light 20Lr emitted from the output unit 51 through the optical waveguide 40 emitted by the first laser light source 20, and emitted from the output unit 51 through the optical waveguide 21w emitted by the second laser light source 21.
- the second optical frequency comb laser beam 21L (hereinafter, simply referred to as “optical 21L”) is propagated to the coupler 31c.
- the optical fiber 30c is an example of a third optical fiber, one end of which is connected to the circulator 32 and the other end of which is connected to the collimator 33.
- the optical fiber 30c propagates the light 20Lt propagated through the optical fiber 30a and passed through the circulator 32 to the collimator 33. Further, the optical fiber 30c propagates the reflected light 20R from the object 34 incident on the collimator 33 to the circulator 32.
- the circulator 32 is configured so that the light 20Lt does not enter the optical fiber 30d.
- the optical fiber 30d is an example of a fourth optical fiber, one end of which is connected to the circulator 32 and the other end of which is connected to the coupler 31c.
- the optical fiber 30d propagates the reflected light 20R propagated through the optical fiber 30c and passed through the circulator 32 to the coupler 31c.
- the circulator 32 is configured so that the reflected light 20R does not enter the optical fiber 30a.
- the optical fiber 30e is an example of the fifth optical fiber, one end of which is connected to the coupler 31c and the other end of which is connected to the detector 35.
- the optical fiber 30e propagates the reflected light 20R propagated through the optical fiber 30d and the light 20Lr and the light 21L propagated through the optical fiber 30b to the detector 35.
- beats are generated by the interference between the reflected light 20R and the light 21L and the interference between the light 20Lr and the light 21L, respectively.
- the beat based on the interference between the reflected light 20R and the light 21L is a signal light according to the characteristics of the object 34.
- the beat based on the interference between the light 20Lr and the light 21L is the reference light.
- the detector 35 photoelectrically converts each beat to generate an electric signal as shown in FIG. 7, for example.
- FIG. 7 is a diagram showing an example of an electric signal generated by the detector. As shown in FIG. 7, the electric signal includes a detection signal corresponding to signal light and a reference signal corresponding to reference light.
- the signal processing circuit 36 measures the spectrum of the object 34 based on the detection result by the detector 35. Specifically, the signal processing circuit 36 Fourier transforms the detection signal and the reference signal, respectively. As a result, a beat frequency spectrum as shown in FIG. 5 (b) is obtained for each of the detection signal and the reference signal. The signal processing circuit 36 can discriminate the frequency component absorbed by the object 34 or the like by comparing the beat frequency spectrum of the detection signal with the beat frequency spectrum of the reference signal. This makes it possible to measure the spectrum of the object 34.
- the signal processing circuit 36 may measure the distance to the object 34 based on the detection result by the detector 35. Specifically, the signal processing circuit 36 measures the time difference between the detection signal and the reference signal, and measures the distance to the object 34 based on the ToF (Time of Flight) method. Alternatively, the signal processing circuit 36 acquires the phase information of each of the detection signal and the reference signal by Fourier transforming the time waveforms of the detection signal and the reference signal, and based on the difference between the acquired two phase information. The distance to the object 34 may be measured.
- ToF Time of Flight
- the number of optical elements integrated on the semiconductor substrate 4 or 14 is increasing with respect to the optical system of the conventional dual-com spectroscopy. Therefore, it is smaller than the conventional one, is resistant to disturbance, and can easily perform dual comb.
- the number and arrangement of the coupler 31c, the circulator 32, the collimator 33, and the optical fiber can be freely changed. Therefore, the versatility of the measuring device 200 can be enhanced. Further, since the risk of failure in the semiconductor process is lower than when the coupler 31c, the circulator 32 and the collimator 33 are all integrated on the semiconductor substrate, the optical loss on the semiconductor substrate can be reduced. Therefore, it is possible to improve the yield at the time of production. Further, since the reflected light 20R reaches the detector 35 without passing through the output units 50 and 51 including the coupling portion between the optical fiber and the waveguide on the semiconductor substrate, the reflected light 20R is not affected by the light loss due to the coupling portion. Therefore, the size of the measuring device 200 can be reduced without deteriorating the detection sensitivity.
- FIG. 8 is a diagram schematically showing the configuration of the dual optical frequency comb generator and the measuring device according to the modified example of the first embodiment.
- the measuring device 300 includes a dual optical frequency comb generator 301 instead of the dual optical frequency comb generator 201 as compared with the measuring device 200 shown in FIG.
- the only difference between the dual optical frequency comb generator 301 and the dual optical frequency comb generator 201 is the positional relationship between the two output units 50 and the output unit 51.
- the dual optical frequency comb generator 201 shown in FIG. 6 the two output units 50 and 51 are both located on the same side of the semiconductor substrate 4 or 14.
- the output unit 50 and the output unit 51 are located on different sides of the semiconductor substrate 4 or 14.
- the side provided with the output unit 50 and the side provided with the output unit 51 are sides facing each other.
- the light emitting direction from the output unit 50 becomes the opposite direction to the light emitting direction from the output unit 51.
- the length of one side of the actual semiconductor substrate 4 or 14 may be only a few centimeters. Therefore, when the two output units 50 and 51 are close to each other, it becomes physically difficult to connect to the optical fiber. On the other hand, according to this modification, the distance between the two output units 50 and 51 can be separated. This makes it possible to easily connect each of the two output units 50 and 51 to the optical fibers 30a and 30b.
- FIG. 9 is a diagram schematically showing the configuration of the dual optical frequency comb generator and the measuring device according to the second modification of the first embodiment.
- the measuring device 400 is different from the measuring device 200 shown in FIG. 6 in that it is newly provided with a scanning mechanism 60.
- the scan mechanism 60 is an example of a sweep mechanism that sweeps 20 Lt of light emitted from the collimator 33.
- the scanning mechanism 60 is, for example, a galvano scanner.
- the scan mechanism 60 may be another optical element as long as the light 20 Lt can be swept two-dimensionally.
- the scanning mechanism 60 may be a stepping motor or the like that changes the position and orientation of the collimator 33. According to this modification, the scan mechanism 60 is provided so that the two-dimensional information or the three-dimensional information of the object 34 can be acquired.
- the second embodiment is mainly different from the first embodiment in that the number of output units included in the dual optical frequency comb generator is three.
- the differences from the first embodiment will be mainly described, and the common points will be omitted or simplified.
- FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a dual optical frequency comb generator and a measuring device according to the present embodiment.
- the measuring device 500 includes a dual optical frequency comb generator 501 instead of the dual optical frequency comb generator 201 as compared with the measuring device 200 shown in FIG. Further, the measuring device 500 includes two detectors 35a and 35b and an optical fiber 30f instead of the detector 35.
- the dual optical frequency comb generator 501 further includes an optical waveguide 41 and an output unit 52 as compared with the dual optical frequency comb generator 201.
- the optical waveguide 41 is an example of a fourth optical waveguide that branches from a path connecting the second laser light source 21 and the output unit 51 and is coupled to the output unit 52.
- the optical waveguide 41 has a structure utilizing, for example, an evanescent bond, but is not limited thereto.
- the output unit 52 is an example of the third output unit, and outputs the laser light emitted from the second laser light source 21. Specifically, the second optical frequency comb laser beam 21L emitted from the second laser light source 21 is separated into light 21Lr propagating through the optical waveguide 21w and light 21Lt propagating through the optical waveguide 41. The output unit 52 outputs the light 21Lt.
- the output unit 52 is, for example, a grating coupler, like the output units 50 and 51, but is not limited thereto.
- the dual optical frequency comb generator 501 not only the first optical frequency comb laser beam 20L emitted by the first laser light source 20 but also the second optical frequency comb laser beam 21L emitted by the second laser light source 21 are two. It is separated into light 21Lt and 21Lr, and each can be taken out from different output units.
- an optical fiber 30f is connected to an output unit 51 that outputs light 20Lr and light 21Lr.
- the optical fiber 30f is an example of the sixth optical fiber, one end of which is connected to the output unit 51 and the other end of which is connected to the detector 35b.
- the optical fiber 30f propagates the light 20Lr and the light 21Lr to the detector 35b.
- the beat is generated as the reference light due to the interference between the light 20Lr and the light 21Lr.
- the detector 35b is an example of the second detector, and is a dedicated detector for detecting the reference light.
- An optical fiber 30b is connected to an output unit 52 that outputs light 21Lt.
- the light 21Lt propagating through the optical fiber 30b is coupled to the reflected light 20R propagating through the optical fiber 30d by the coupler 31c, and is detected by the detector 35a through the optical fiber 30e.
- the detector 35a In the detector 35a, a beat is generated as a signal light due to the interference between the reflected light 20R and the light 21Lt.
- the detector 35a is a dedicated detector for detecting the signal light.
- the detectors 35a and 35b are examples of the first detector and detect the reference light and the signal light, respectively.
- the detectors 35a and 35b are photoelectric conversion elements such as a photodiode, respectively, like the detector 35.
- the reference light and the signal light shown in FIG. 7 may have overlapping pulses.
- the pulses overlap one detector cannot distinguish between the reference light and the signal light.
- the present embodiment even when the reference light and the signal light overlap, each can be detected individually.
- the three output units 50, 51, and 52 may be provided on different sides of the semiconductor substrate 4 or 14, respectively. That is, one output unit may be provided on each of the three sides of the semiconductor substrate 4 or 14.
- the optical waveguide 40 may be coupled to the output unit 52 after being coupled to the optical waveguide 41.
- the output unit 52 since the output unit 52 outputs the light 20Lr and the light 21Lr, the output unit 52 is connected to the detector 35b for detecting the reference light via the optical fiber 30f. Since the output unit 51 outputs the light 21Lt, the output unit 51 is connected to the detector 35a for detecting the signal light via the optical fiber 30b, the coupler 31c, and the optical fiber 30e.
- the first laser light source 20 and the second laser light source 21 may be different types of optical frequency comb light sources.
- one of the first laser light source 20 and the second laser light source 21 includes the ring resonator 3 and the optical waveguide 3w shown in FIG. 2, and the other of the first laser light source 20 and the second laser light source 22 is shown in FIG. 3A.
- the resonator 13 shown may be included.
- the present disclosure can be used as a dual optical frequency comb generator that is small in size, resistant to disturbance, and has high versatility, and can be used, for example, in an object analysis device and a distance measuring device.
- CW laser light source 2 Laser light 3 Ring resonator 3w, 13w1, 13w2, 20w, 21w, 40, 41 Optical waveguide 4, 14 Semiconductor substrate 5 Optical frequency comb laser light 10 Optical frequency comb laser light source 13 Resonator 13d1 n Dope layer 13d2, 13d3 p-doped layer 13g Gain medium 13m1, 13m2 Mirror 13s Semiconductor layer 13sa Saturable absorber 14a High refractive index layer 14b Low refractive index layer 16 Protective layer 20 First optical frequency comb laser light source 20L First optical frequency comb laser light 20Lr, 20Lt, 21Lr, 21Lt light 20R reflected light 21 second light frequency comb laser light source 21L second light frequency comb laser light 30, 30a, 30b, 30c, 30d, 30e, 30f optical fiber 31a, 31b, 31c coupler 32 circulator 33 collimator 34 object 35, 35a, 35b Detector 36 Signal processing circuit 50, 51, 52 Output unit 60 S
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Abstract
デュアル光周波数コム発生装置(201)は、半導体基板(14)と、第1共振器を含む第1光周波数コムレーザ光源(20)と、第2共振器を含み、第1光周波数コムレーザ光源とは光パルスの繰り返し周波数が異なる第2光周波数コムレーザ光源(21)と、出力部(50、51)を含む2つ以上の出力部と、第1光周波数コムレーザ光源(20)と出力部(50)とを結ぶ光導波路(20w)と、第2光周波数コムレーザ光源(21)と出力部(51)とを結ぶ光導波路(21w)と、光導波路(20w)から分岐し、光導波路(21w)に結合する光導波路(40)と、を備える。第1光周波数コムレーザ光源(20)、第2光周波数コムレーザ光源(21)、2つ以上の出力部、光導波路(20w、21w、40)は、半導体基板(14)に集積されている。
Description
本開示は、デュアル光周波数コム発生装置および計測装置に関する。
対象物に光を照射し、対象物を透過した光または対象物によって反射された光の周波数スペクトルを得ることにより、対象物の光周波数に関する特性を調べることができる。従来、高い周波数の光の周波数スペクトルを得るために、強度が揺らいだ光源と回折格子またはプリズムなどとを用いて分光をしていた。そのため、得られる周波数スペクトルの精度が制限されていた。
しかし、光周波数コム技術により、精密に光の周波数スペクトルを得ることが可能になった。光周波数コムとは、複数の離散的な等間隔の縦モードから形成された櫛状の周波数スペクトルを意味する。本明細書では、光周波数コムを有するレーザ光を「光周波数コムレーザ光」と称する。
近年、光周波数コムの縦モードの間隔(繰り返し周波数)がわずかに異なる2つの光周波数コムレーザ光を用いたデュアルコム分光法により、光の周波数スペクトルをより容易に得ることができるようになった(例えば、非特許文献1から3を参照)。デュアルコム分光法では、これら2つの光周波数コムレーザ光を重ね合わせた干渉光で対象物を照射し、対象物を透過した干渉光または対象物によって反射された干渉光のビート周波数スペクトルを得ることにより、対象物の光周波数に関する特性を調べることができる。
N. Picque et al., "Frequency comb spectroscopy", Nature Photonics, 2019, Vol. 13, pp. 146-157
I. Coddington et al., "Dual-comb spectroscopy", Optica, 2016, Vol. 3, No. 4, pp. 414-426
A. L. Gaeta et al., "Photonic-chip-based frequency combs",Nature Photonics, 2019, Vol. 13, pp. 158-169
S. Keyvaninia et al., "Narrow-linewidth short-pulse III-V-on- silicon mode-locked lasers based on a linear and ring cavity geometry", Optics Express, 2015, Vol. 23, Issue 3, pp. 3221-3229.
従来のデュアルコム分光法では、異なる繰り返し周波数の光周波数コム2台に加えて様々な光学素子を用いる。そのため、全体として複雑でサイズの大きい光学系になってしまう。近年、基板に集積された光周波数コム(非特許文献4を参照)が開発されたことにより全体のサイズが比較的小さくなっている。しかしながら、それでも複雑であることはあまり変わらず、さらなる小型化が期待されている。
また、光周波数コムは、振動などの外乱に弱いという問題がある。また、光周波数コムは、周波数スペクトルの取得以外の様々な目的への応用が期待される。このため、高い汎用性が期待される。
そこで、本開示は、小型で、かつ、外乱に強く、汎用性が高いデュアル光周波数コム発生装置および計測装置を提供する。
本開示の一態様に係るデュアル光周波数コム発生装置は、半導体基板と、第1共振器を含む第1光周波数コムレーザ光源と、第2共振器を含み、前記第1光周波数コムレーザ光源とは光パルスの繰り返し周波数が異なる第2光周波数コムレーザ光源と、第1出力部および第2出力部を含む2つ以上の出力部と、前記第1光周波数コムレーザ光源と前記第1出力部とを結ぶ第1光導波路と、前記第2光周波数コムレーザ光源と前記第2出力部とを結ぶ第2光導波路と、前記第1光導波路から分岐し、前記第2光導波路に結合する第3光導波路と、備える。前記第1光周波数コムレーザ光源、前記第2光周波数コムレーザ光源、前記2つ以上の出力部、前記第1光導波路、前記第2光導波路および前記第3光導波路は、前記半導体基板に集積されている。
本開示の一態様に係る計測装置は、上記デュアル光周波数コム発生装置と、一端が前記第1出力部に接続された第1光ファイバーと、一端が前記第2出力部に接続された第2光ファイバーと、前記第1光ファイバーの他端に接続されたサーキュレータと、各々の一端が前記サーキュレータに接続された第3光ファイバーおよび第4光ファイバーと、前記第3光ファイバーの他端に接続されたコリメータと、前記第3光ファイバーおよび前記第4光ファイバーの各々を伝搬された光を結合して出力するカプラと、前記カプラから出力される光を検出する検出器と、を備える。
本開示によれば、小型で、かつ、外乱に強く、汎用性が高いデュアル光周波数コム発生装置などを提供することができる。
(本開示の概要)
本開示の一態様に係るデュアル光周波数コム発生装置は、半導体基板と、第1共振器を含む第1光周波数コムレーザ光源と、第2共振器を含み、前記第1光周波数コムレーザ光源とは光パルスの繰り返し周波数が異なる第2光周波数コムレーザ光源と、第1出力部および第2出力部を含む2つ以上の出力部と、前記第1光周波数コムレーザ光源と前記第1出力部とを結ぶ第1光導波路と、前記第2光周波数コムレーザ光源と前記第2出力部とを結ぶ第2光導波路と、前記第1光導波路から分岐し、前記第2光導波路に結合する第3光導波路と、を備える。前記第1光周波数コムレーザ光源、前記第2光周波数コムレーザ光源、前記2つ以上の出力部、前記第1光導波路、前記第2光導波路および前記第3光導波路は、前記半導体基板に集積されている。
本開示の一態様に係るデュアル光周波数コム発生装置は、半導体基板と、第1共振器を含む第1光周波数コムレーザ光源と、第2共振器を含み、前記第1光周波数コムレーザ光源とは光パルスの繰り返し周波数が異なる第2光周波数コムレーザ光源と、第1出力部および第2出力部を含む2つ以上の出力部と、前記第1光周波数コムレーザ光源と前記第1出力部とを結ぶ第1光導波路と、前記第2光周波数コムレーザ光源と前記第2出力部とを結ぶ第2光導波路と、前記第1光導波路から分岐し、前記第2光導波路に結合する第3光導波路と、を備える。前記第1光周波数コムレーザ光源、前記第2光周波数コムレーザ光源、前記2つ以上の出力部、前記第1光導波路、前記第2光導波路および前記第3光導波路は、前記半導体基板に集積されている。
このように、光周波数コムレーザ光源のみを半導体基板に集積するだけでなく、2つ以上の出力部および3つの光導波路も合わせて集積している。この集積化によって、デュアルコム分光法の光学系を小型で簡易的にすることができる。また、集積された構成が増えることで、振動などの外乱に強くなる。
一方、光学系の全てを半導体基板に集積した場合、一部の素子の半導体プロセスでミスが発生した際に、デュアルコム分光法を行うことができなくなる。これに対して、本態様によれば、集積対象を出力部までに限定することで製造でのミスを減らすことができることに加えて、出力部より後段の光学系を自由に組み替えることができる。このため、デュアル光周波数コム発生装置の応用の選択肢が広がり、汎用性を高めることができる。このように、本態様によれば、小型で、かつ、外乱に強く、汎用性が高いデュアル光周波数コム発生装置を提供することができる。
また、例えば、前記半導体基板を平面視した場合に、前記第1出力部と前記第2出力部とはそれぞれ、前記半導体基板の互いに異なる辺に位置していてもよい。
これにより、2つの出力部を離すことができるので、2つの出力部の各々に対する光ファイバーの物理的な接続を容易に行うことができる。
また、例えば、前記第1共振器および前記第2共振器はそれぞれ、光路上に位置するゲイン媒質を含んでもよい。
これにより、共振器の光路外にレーザ光源を設けなくてよいので、共振器をより小型化することができる。
また、例えば、前記2つ以上の出力部は、光ファイバーに対する結合部を含んでもよい。
これにより、出力部から出力される光周波数コムレーザ光を光ファイバーに入力させることができる。
また、例えば、前記2つ以上の出力部は、第3出力部を含み、前記第2光導波路は、前記第2光周波数コムレーザ光源と前記第2出力部とを結ぶ経路から分岐し、前記第3出力部に結合する第4光導波路を含んでもよい。
これにより、シグナル光とリファレンス光とを別々に検出することができる。シグナル光とリファレンス光とでパルスが重なった場合であっても、各々を検出することができる。つまり、シグナル光とリファレンス光とのパルスの重なりによって検出ができなくなるデッドゾーンを無くすことができる。
また、本開示の一態様に係る計測装置は、上記デュアル光周波数コム発生装置と、一端が前記第1出力部に接続された第1光ファイバーと、一端が前記第2出力部に接続された第2光ファイバーと、前記第1光ファイバーの他端に接続されたサーキュレータと、各々の一端が前記サーキュレータに接続された第3光ファイバーおよび第4光ファイバーと、前記第3光ファイバーの他端に接続されたコリメータと、前記第3光ファイバーおよび前記第4光ファイバーの各々を伝搬された光を結合して出力するカプラと、前記カプラから出力される光を検出する検出器と、を備える。
これにより、上述したデュアル光周波数コム発生装置と同様に、小型で、かつ、外乱に強く、汎用性が高い計測装置を実現することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る計測装置は、上記デュアル光周波数コム発生装置と、一端が前記第1出力部に接続された第1光ファイバーと、一端が前記第2出力部および前記第3出力部の一方に接続された第2光ファイバーと、前記第1光ファイバーの他端に接続されたサーキュレータと、各々の一端が前記サーキュレータに接続された第3光ファイバーおよび第4光ファイバーと、前記第3光ファイバーの他端に接続されたコリメータと、前記第3光ファイバーと前記第4光ファイバーとを結合するカプラと、前記第3光ファイバーおよび前記第4光ファイバーの各々を伝搬された光を結合して出力するカプラと、検出器と、を備えてもよい。前記検出器は、前記カプラから出力される光を検出する第1検出器と、前記第2出力部および前記第3出力部の他方から出力される光を検出する第2検出器と、を含んでもよい。
これにより、シグナル光とリファレンス光とを別々に検出することができる。シグナル光とリファレンス光とでパルスが重なった場合であっても、各々を検出することができる。つまり、シグナル光とリファレンス光とのパルスの重なりによって検出ができなくなるデッドゾーンを無くすことができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る計測装置は、さらに、前記コリメータから出射される光を掃引する掃引機構を備えてもよい。
これにより、対象物に対してレーザ光が照射される位置を変更することができるので、対象物の二次元情報または三次元情報を得ることができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る計測装置は、前記検出器による検出結果に基づいて、対象物のスペクトルを計測する信号処理回路を備えてもよい。
これにより、対象物の色などの計測することができる。例えば、空間に漂うガスなどを計測することができるので、計測装置をガスセンサとして利用することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る計測装置は、前記検出器による検出結果に基づいて、対象物までの距離を計測する信号処理回路を備えてもよい。
これにより、計測装置を測距装置として利用することができる。
以下では、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化する。
また、本明細書において、平行または一致などの要素間の関係性を示す用語、および、矩形などの要素の形状を示す用語、並びに、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数%程度の差異をも含むことを意味する表現である。
また、本明細書において、「上方」および「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向(鉛直上方)および下方向(鉛直下方)を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」および「下方」という用語は、2つの構成要素が互いに間隔を空けて配置されて2つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、2つの構成要素が互いに密着して配置されて2つの構成要素が接する場合にも適用される。
(光周波数コムレーザ光およびデュアルコム分光法)
以下では、本開示の具体的な実施の形態を説明する前に、光周波数コムレーザ光およびデュアルコム分光法の基本原理を簡単に説明する。
以下では、本開示の具体的な実施の形態を説明する前に、光周波数コムレーザ光およびデュアルコム分光法の基本原理を簡単に説明する。
まず、図1Aおよび図1Bを参照して、光周波数コムレーザ光の電界の時間変化および周波数スペクトルを説明する。
図1Aは、光周波数コムレーザ光の電界の時間変化の例を模式的に示す図である。図1Aにおいて、横軸は時間を表し、縦軸はレーザ光の電界を表している。
図1Aに示すように、光周波数コムレーザ光は、繰り返し周期Trepで発生する光パルス列から形成されている。繰り返し周期Trepは、例えば100ps以上100ns以下である。各光パルスの半値全幅はΔtによって表される。各光パルスの半値全幅Δtは、例えば10fs以上1ps以下である。
光周波数コムレーザ光源は、励起光の入力または電荷注入によって光周波数コムレーザ光を発するレーザ共振器を含む。レーザ共振器の詳細については後述する。レーザ共振器では、光パルスの包絡線が伝搬する群速度vgと、光パルス内の波が伝搬する位相速度vpとが異なる場合がある。群速度vgと位相速度vpとの違いに起因して、隣接する2つの光パルスを包絡線が一致するように重ねると、これらの光パルス内の波の位相はΔφだけシフトする。Δφは2πよりも小さい。光パルス列の繰り返し周期は、レーザ共振器の周回長(round-trip length)をLとして、Trep=L/vgによって表される。
図1Bは、光周波数コムレーザ光の周波数スペクトルを模式的に示す図である。図1Bにおいて、横軸は周波数を表し、縦軸はレーザ光の強度を表している。
図1Bに示すように、光周波数コムレーザ光は、複数の離散的な等間隔線から形成された櫛状の周波数スペクトルを有する。複数の離散的な等間隔線の周波数は、レーザ共振器における縦モードの共振周波数に相当する。光周波数コムにおける隣接する2つの等間隔線の間隔に相当する繰り返し周波数は、frep=1/Trepによって表される。繰り返し周波数frepは、例えば10MHz以上10GHz以下である。レーザ共振器の光路長Lは30cmであり、かつ、群速度vgが真空中の光速(=3×108m/s)にほぼ等しい場合、繰り返し周期Trepは1nsになり、繰り返し周波数frepは1GHzになる。
光周波数コムの半値全幅をΔfとした場合、Δf=1/Δtである。光周波数コムの半値全幅Δfは、例えば1THz以上100THz以下である。等間隔線がゼロ周波数付近まで存在すると仮定した場合における、ゼロ周波数に最も近い等間隔線の周波数は、キャリアエンベロープオフセット周波数と呼ばれる。キャリアエンベロープオフセット周波数は、fCEO=(Δφ/(2π))frepによって表される。キャリアエンベロープオフセット周波数fCEOは、繰り返し周波数frepよりも低い。キャリアエンベロープオフセット周波数fCEOを0番目のモード周波数とすると、光周波数コムにおけるn番目のモード周波数fnは、fn=fCEO+nfrepによって表される。図1Aに示す光周波数コムレーザ光の電界E(t)は、n番目のモード周波数fnでの電界の振幅および位相をそれぞれEnおよびφnとして、E(t)=ΣnEnexp[-i(2πfnt+φn)]によって表される。
次に、図2、図3Aおよび図3Bを参照して、半導体基板上に集積するタイプの2種類の光周波数コムレーザ光源に関して簡単に説明する。
図2は、外部光源とリング共振器とを有する光周波数コムレーザ光源を示す図である。図2に示すように、光周波数コムレーザ光源は、光導波路3wと、リング共振器3と、半導体基板4とを備える。光導波路3wおよびリング共振器3は、半導体基板4に集積されている。CWレーザ光源1は、半導体基板4には集積されていない。
CWレーザ光源1はレーザ光2を出射する。ただし、レーザ光2は、単一の縦モードを有し、リング共振器3の共鳴周波数に調整されている。CWレーザ光源1は、半導体基板4に向けてレーザ光2を出射する。
半導体基板4に集積された光導波路3wを経てリング共振器3にレーザ光2が入力されることで、リング共振器3内では非線形光学効果である4光波混合が起きる。これにより、半導体基板4からは、光周波数コムレーザ光5が発生する。このときのfrepは、光速をリング共振器3の光路長で割った値に等しい。リング共振器3の光路長は、リング共振器3の共振器長に屈折率を乗じたものである。共振器長は、リング状の光路の円周の長さである。
図3Aは、半導体基板上に集積されたゲイン媒質を含む共振器を有する光周波数コムレーザ光源を模式的に示す上面図である。図3Bは、図3AのIIIB-IIIB線に示す位置での光周波数コムレーザ光源を模式的に示す断面図である。参考のために、互いに直交するX軸、Y軸およびZ軸が模式的に示されているが、説明の便宜上であり、使用時における向きを制限するわけではない。
図3Aおよび図3Bに示すように、光周波数コムレーザ光源10は、共振器13と、半導体基板14と、保護層16とを備える。図示されている例における半導体基板14の表面は、XY平面に平行である。図3Bに示すように、半導体基板14は、例えば、Siなどの高屈折率層14aと、SiO2などの低屈折率層14bとがこの順にZ軸方向に積層された積層構造を有する。高屈折率層14aの屈折率は、低屈折率層14bの屈折率より高い。半導体基板14は、高屈折率層14aを含んでいなくてもよい。保護層16は、例えば、SiO2などの無機の絶縁性材料、または、BCB(ベンゾシクロブテン)などの有機の絶縁性材料を用いて形成されている。保護層16は、低屈折率層14bの上面を覆うように設けられている。
共振器13は、所定の光路長を有するレーザ共振器の一例である。図3Aに示すように、共振器13は、半導体層13sと、光導波路13w1および13w2と、ミラー13m1および13m2とを含む。また、図3Bに示すように、共振器13は、nドープ層13d1と、pドープ層13d2および13d3とを含む。また、共振器13は、ゲイン媒質13gおよび可飽和吸収体13saを含む。半導体層13sの一部がそれぞれ、ゲイン媒質13gおよび可飽和吸収体13saとして機能する。
図3Aでは、共振器13における半導体層13sの平面視形状が点線によって表されている。半導体層13sは、両端にテーパが形成されている。テーパの先端は、上面視において、光導波路13w1および13w2の各々に重なっている。これにより、半導体層13sを通過する光が、光導波路13w1および13w2の各々に効率良く伝搬される。
図3Bに示すように、共振器13における光導波路13w1は、半導体基板14における低屈折率層14bに埋め込まれている。光導波路13w1は、低屈折率層14b上に設けられていてもよい。光導波路13w1は、SiまたはSiNからなる群から選択される少なくとも1つの高屈折率材料から形成され得る。光導波路13w1の屈折率は、半導体基板14における低屈折率層14bの屈折率および保護層16の屈折率よりも高い。これにより、光は、全反射によって光導波路13w1内を伝搬することができる。光導波路13w2についても同様である。
ミラー13m1は、例えば分布ブラッグ反射器から形成され得る。分布ブラッグ反射器では、屈折率の周期構造に起因するブラッグ反射によって光が反射される。ミラー13m1は、光導波路13w1の端部に設けられている。ミラー13m1は、光導波路13w1を伝搬してきた光を反射する。ミラー13m1は、反射機能があれば例えば金属から形成されていてもよい。ミラー13m2についても同様である。ミラー13m2は、光導波路13w2の端部に設けられている。ミラー13m2は、光導波路13w2を伝搬してきた光を反射する。
ミラー13m2は、ミラー13m1よりも反射率が低い。具体的には、ミラー13m1の反射率は実質的に100%に等しいのに対して、ミラー13m2の反射率は例えば90%である。ミラー13m2は、光導波路13w2を伝搬してきた光の大部分を反射するものの、一部はそのまま透過させる。ミラー13m2を透過した光が、光周波数コムレーザ光5になる。
図3Bに示すように、半導体層13sは、nドープ層13d1とpドープ層13d2および13d3とによって挟まれている。nドープ層13d1とpドープ層13d2および13d3との配置関係は逆であってもよい。
半導体層13s、nドープ層13d1ならびにpドープ層13d2および13d3は、保護層16に埋め込まれている。なお、nドープ層13d1の下面は、半導体基板14の表面に接触していてもよい。nドープ層13d1の両端はそれぞれ、光導波路13w1および13w2に接触していてもよい。
半導体層13sは、例えばIII-V族の半導体材料から形成され得る。III-V族の半導体材料は、例えば、ZnSe、InGaAlP、InGaAs、GaInAsP、GaInAsSb、InP、GaN、GaAs、InGaAs、AlGaAs、AlInGaNからなる群から選択される少なくとも1つの材料を含み得る。
半導体層13sは、ゲイン媒質13gおよび可飽和吸収体13saを含む。ゲイン媒質13gは、半導体層13sの一部であって、nドープ層13d1とpドープ層13d2とに挟まれた部分である。可飽和吸収体13saは、半導体層13sの一部であって、nドープ層13d1とpドープ層13d3とに挟まれた部分である。
nドープ層13d1は、n型の半導体層である。nドープ層13d1は、半導体層13sと同じIII-V属の半導体材料にn型不純物をドープすることで形成される。n型不純物としては、例えば、Siなどの4価の元素、または、セレン(Se)などの6価の元素などを用いることができる。
pドープ層13d2および13d3は、p型の半導体層である。pドープ層13d2および13d3は、半導体層13sと同じIII-V属半導体材料にp型不純物をドープすることで形成される。p型不純物としては、例えば、亜鉛(Zn)などの2価の元素を用いることができる。pドープ層13d2とpドープ層13d3とは、例えば同じ組成を有する。
pドープ層13d2とpドープ層13d3とは、互いに分離されている。pドープ層13d2および13d3の各々には、互いに異なる電極(不図示)が取り付けられる。pドープ層13d2には、電極を介して電流が注入される。pドープ層13d3には、nドープ層13d1との間で逆バイアス電圧が印加される。この電圧印加によって、半導体層13sの一部であって、pドープ層13d3に接触する部分が、可飽和吸収体13saとして機能する。なお、可飽和吸収体13saは、カーボンナノチューブを用いて形成されていてもよい。可飽和吸収体13saは、ミラー13m1および13m2と一体化されていてもよい。
pドープ層13d2と同様に、nドープ層13d1にも、不図示の電極が取り付けられている。nドープ層13d1およびpドープ層13d2の各々に取り付けられた電極から電荷注入された半導体層13sの一部は、光が誘導放出されるゲイン媒質13gとして機能する。この誘導放出された光は、光導波路13w2を介してミラー13m1とミラー13m2との間で繰り返し反射される。つまり、ゲイン媒質13gを何回も通過することによって増幅される。増幅された光は、可飽和吸収体13saによってモード同期された光パルス列になる。共振器13の光路長、すなわち、共振器長に屈折率を乗じたものに対応した波長のみが増幅される。これにより、共振器13から光周波数コムレーザ光5が発せられる。なお、共振器13の光路長は、ミラー13m1とミラー13m2との間の光路長である。
次に、図4および図5を参照して、デュアルコム分光法の原理を簡単に説明する。
図4は、デュアルコム分光法における光学系を模式的に示す図である。図4に示す計測装置100は、第1光周波数コムレーザ光源20と、第2光周波数コムレーザ光源21と、光ファイバー30と、カプラ31a、31bおよび31cと、サーキュレータ32と、コリメータ33と、検出器35とを備える。図4では、光ファイバー30の経路が破線で表されている。
第1光周波数コムレーザ光源20は、第1光周波数コムレーザ光20Lを発する不図示の第1レーザ共振器を含む。第2光周波数コムレーザ光源21は、第2光周波数コムレーザ光21Lを発する不図示の第2レーザ共振器を含む。第1レーザ共振器の光路長と第2レーザ共振器の光路長とは、互いに異なっている。
第1光周波数コムレーザ光20Lは、n番目のモード周波数f1nが、f1n=fCEO1+nfrep1によって表される第1光周波数コムを有する。第2光周波数コムレーザ光21Lは、n番目のモード周波数f2nが、f2n=fCEO2+nfrep2によって表される第2光周波数コムを有する。fCEO1およびfCEO2はそれぞれ、第1光周波数コムおよび第2光周波数コムのキャリアエンベロープオフセット周波数である。frep1およびfrep2はそれぞれ、第1光周波数コムおよび第2光周波数コムの繰り返し周波数である。frep1およびfrep2はわずかに異なり、frep2=frep1+δfの関係が成り立つ。δfはfrep1よりもはるかに小さい。δfは、例えば、frep1の1/103から1/109程度であり、一例として0Hzより大きく10MHz以下である。
図4に示すように、計測装置100が備える各構成要素は、光ファイバー30によってつながっている。つまり、光ファイバー30の経路上に、カプラ31a、31bおよび31c、サーキュレータ32、コリメータ33ならびに検出器35などの光学素子が配置されている。第1光周波数コムレーザ光源20および第2光周波数コムレーザ光源21は、光ファイバー30の端部に接続されている。
カプラ31a、31bおよび31cはそれぞれ、光を分波または結合する光学素子である。サーキュレータ32は、光の進行方向を制御する光学素子である。コリメータ33は、光を平行光にして出射する光学素子である。検出器35は、入射する光を光電変換することで、電気信号を生成して出力する光学素子である。電気信号の信号レベルは、入射する光の強度に対応している。検出器35は、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタなどの光電変換素子である。
第1光周波数コムレーザ光20Lは、カプラ31aによって光20Ltと光20Lrとの2つに分けられる。光20Ltは、サーキュレータ32を通過し、コリメータ33から出射されて対象物34に入射する。そして、光20Ltは、対象物34で反射される。反射光20Rは、コリメータ33に入射した後にサーキュレータ32によってカプラ31cに向かう。一方で、光20Lrはカプラ31aからカプラ31bに向かい、カプラ31bで第2光周波数コムレーザ光21Lと合わさってカプラ31cに向かう。そして、カプラ31cでは、反射光20Rと光20Lrと第2光周波数コムレーザ光21Lとが合わさって検出器35に向かう。これらの光が検出器35にて干渉することでビートが発生する。
図5は、デュアルコム分光法における光の周波数スペクトルを得る原理を説明するための図である。図5の(a)は、第1光周波数コムおよび第2光周波数コムのスペクトルを模式的に示す。実線は第1光周波数コムを表し、破線は第2光周波数コムを表す。図5の(b)は、干渉光のビート周波数スペクトルを模式的に示す図である。第1光周波数コムと第2光周波数コムとの最近接のモード周波数の差が、ビート周波数に相当する。
ビート周波数スペクトルから、対象物34の光周波数に関する特性を調べることができる。例えば、どの周波数の光が対象物34によってどれくらい吸収されたかを調べることができる。第1光周波数コムにおける複数のモード周波数の1つが、第2光周波数コムにおける複数のモード周波数の1つに一致していれば、ゼロのビート周波数が現れる。これにより、一致したモード周波数を基準として、対象物34の光周波数に関する特性を容易に調べることができる。
デュアルコム分光法の利点は、テラヘルツ(THz)オーダーの高い周波数の光の情報を、メガヘルツ(MHz)オーダーのラジオ周波数にダウンコンバージョンして取得することができることである。ギガヘルツ(GHz)オーダー以下の周波数の信号波の時間波形は、一般的な検出器によって検出することができる。
しかし、THzオーダー以上の周波数の信号波の時間波形を一般的な検出器によって検出することは難しい。このため、従来、THzオーダー以上の周波数の信号波は、例えば回折格子またはプリズムなどの分光器によって周波数ごとに分けて検出されている。この周波数の掃引に時間を要するため、光の周波数スペクトルを短時間で得ることができない。
デュアルコム分光法では、ラジオ周波数のビートの時間波形を、一般的な検出器によって検出することができる。ビートの時間波形をフーリエ変換することにより、図5の(b)に示すようなビート周波数スペクトルを短時間で得ることができる。これにより、高い周波数の光の周波数スペクトルを短時間で精度良く得ることができる。
本発明者らは、図4に示す光ファイバー30の経路上に配置された光学素子の一部を、第1光周波数コムレーザ光源20および第2光周波数コムレーザ光源21と同一の半導体基板上に集積することで、簡易的にデュアル光周波数コム発生装置を実現できることを想到した。以下では、具体的な実施の形態について説明する。
(実施の形態1)
まず、図6を参照して、実施の形態1に係るデュアル光周波数コム発生装置および計測装置の構成例を説明する。図6は、本実施の形態に係るデュアル光周波数コム発生装置および計測装置の構成を模式的に示す図である。
まず、図6を参照して、実施の形態1に係るデュアル光周波数コム発生装置および計測装置の構成例を説明する。図6は、本実施の形態に係るデュアル光周波数コム発生装置および計測装置の構成を模式的に示す図である。
計測装置200は、デュアル光周波数コム発生装置201と、複数の光ファイバー30a、30b、30c、30dおよび30eと、カプラ31cと、サーキュレータ32と、コリメータ33と、検出器35と、信号処理回路36とを備える。
デュアル光周波数コム発生装置201は、第1光周波数コムレーザ光源20と、第2光周波数コムレーザ光源21と、2つの出力部50および出力部51と、光導波路20wと、光導波路21wと、光導波路40と、を備える。これらは全て同一の半導体基板4または14の上に集積されている。以下の説明では、第1光周波数コムレーザ光源20を単に「第1レーザ光源20」と称し、第2光周波数コムレーザ光源21を単に「第2レーザ光源21」と称する。
第1レーザ光源20は、第1光路長を有する第1レーザ共振器を含む。光路長は、実際の距離と屈折率との積に相当する。また、第2レーザ光源21は、第2光路長を有する第2レーザ共振器を含む。ここでの第1レーザ光源20および第2レーザ光源21はそれぞれ、図2、または、図3Aおよび図3Bで説明した半導体基板上に集積することができるタイプの2種類の光周波数コムレーザ光源を指す。なお、第1レーザ光源20と第2レーザ光源21とは、例えば、同じ種類である。
例えば、図2に示す半導体基板4に、第1レーザ光源20のリング共振器3および光導波路3wと、第2レーザ光源21のリング共振器3および光導波路3wと、光導波路20w、21wおよび40と、出力部50および51とが形成されている。第1レーザ光源20のリング共振器3の光路長と、第2レーザ光源21のリング共振器3の光路長とは互いに異なっている。CWレーザ光源1は、半導体基板4に集積されていてもよく、集積されていなくてもよい。
あるいは、図3Bに示す半導体基板14に、第1レーザ光源20の共振器13と、第2レーザ光源21の共振器13と、光導波路20w、21wおよび40と、出力部50および51とが形成されている。第1レーザ光源20の共振器13の光路長と、第2レーザ光源21の共振器13の光路長とは、互いに異なっている。例えば、第1レーザ光源20のミラー13m1および13m2間の距離と、第2レーザ光源21のミラー13m1および 13m2間の距離とが互いに異なっている。
光導波路20wは、第1レーザ光源20と出力部50とを結ぶ第1光導波路の一例である。光導波路21wは、第2レーザ光源21と出力部51とを結ぶ第2光導波路の一例である。
光導波路40は、光導波路20wから分岐し、光導波路21wに結合する第3光導波路の一例である。つまり、光導波路40は、光導波路20wでは分岐器として、光導波路21wでは結合器としての役割を有する。光導波路40は、図4におけるカプラ31aおよびカプラ31bの役割をしている。光導波路40は、例えばエバネッセント結合を利用した構造であるが、これに限定されない。光導波路40は、分岐と結合との機能を有するものであれば、例えばY字導波路などでもよい。
光導波路20w、21wおよび40はそれぞれ、半導体基板4または14に形成されている。例えば、光導波路20w、21wおよび40はそれぞれ、図3Bに示す光導波路13w1および13w2と同様に、低屈折率層14bよりも屈折率の高い材料を用いて、低屈折率層14b内に埋め込まれて形成されている。例えば、光導波路20w、21wおよび40は、SiまたはSiNなどの材料を用いて形成されている。
出力部50は、第1出力部の一例であり、第1レーザ光源20から出射されるレーザ光を出力する。具体的には、第1レーザ光源20から出射される第1光周波数コムレーザ光20Lは、光導波路20wを伝搬される光20Ltと、光導波路40を伝搬される光20Lrとに分離する。このうち、出力部50は、光20Ltを出力する。
出力部51は、第2出力部の一例であり、第1レーザ光源20から出射されるレーザ光と、第2レーザ光源21から出射されるレーザ光とが合わさった光を出力する。具体的には、出力部50は、第2レーザ光源21から出射される第2光周波数コムレーザ光21Lと、光導波路40を伝搬された光20Lrとを出力する。
出力部50および51はそれぞれ、光ファイバーに対する結合部を含む。出力部50および51はそれぞれ、例えばグレーティングカプラであるが、これに限定されない。出力部50および51は、光導波路内の光を出力することができれば、例えばエッジカプリングによる出力でもよい。
光ファイバー30aは、第1光ファイバーの一例であり、一端が出力部50に接続され、他端がサーキュレータ32に接続されている。光ファイバー30aは、第1レーザ光源20が発し、光導波路20wを通って出力部50から出射される光20Ltをサーキュレータ32まで伝搬する。
光ファイバー30bは、第2光ファイバーの一例であり、一端が出力部51に接続され、他端がカプラ31cに接続されている。光ファイバー30bは、第1レーザ光源20が発し、光導波路40を通って出力部51から出射される光20Lrと、第2レーザ光源21が発し、光導波路21wを通って出力部51から出射される第2光周波数コムレーザ光21L(以下、単に「光21L」と記載する)とをカプラ31cまで伝搬する。
光ファイバー30cは、第3光ファイバーの一例であり、一端がサーキュレータ32に接続され、他端がコリメータ33に接続されている。光ファイバー30cは、光ファイバー30aを伝搬されてサーキュレータ32を通過した光20Ltをコリメータ33まで伝搬する。また、光ファイバー30cは、コリメータ33に入射した対象物34からの反射光20Rをサーキュレータ32まで伝搬する。なお、サーキュレータ32は、光20Ltが光ファイバー30dに入射しないように構成されている。
光ファイバー30dは、第4光ファイバーの一例であり、一端がサーキュレータ32に接続され、他端がカプラ31cに接続されている。光ファイバー30dは、光ファイバー30cを伝搬されてサーキュレータ32を通過した反射光20Rをカプラ31cまで伝搬する。なお、サーキュレータ32は、反射光20Rが光ファイバー30aに入射しないように構成されている。
光ファイバー30eは、第5光ファイバーの一例であり、一端がカプラ31cに接続され、他端が検出器35に接続されている。光ファイバー30eは、光ファイバー30dを伝搬された反射光20Rと、光ファイバー30bを伝搬された光20Lrおよび光21Lとを検出器35まで伝搬する。
検出器35では、反射光20Rと光21Lとの干渉、および、光20Lrと光21Lとの干渉によってそれぞれ、ビートが発生する。反射光20Rと光21Lとの干渉に基づくビートは、対象物34の特性に応じたシグナル光である。光20Lrと光21Lとの干渉に基づくビートは、リファレンス光である。
検出器35は、各々のビートを光電変換することで、例えば図7に示すような電気信号を生成する。図7は、検出器が生成する電気信号の一例を示す図である。図7に示すように、電気信号には、シグナル光に相当する検出信号とリファレンス光に相当する参照信号とが含まれる。
信号処理回路36は、検出器35による検出結果に基づいて、対象物34のスペクトルを計測する。具体的には、信号処理回路36は、検出信号と参照信号とをそれぞれフーリエ変換する。これにより、図5の(b)に示したようなビート周波数スペクトルが検出信号と参照信号との各々について得られる。信号処理回路36は、検出信号のビート周波数スペクトルと、参照信号のビート周波数スペクトルとを比較することにより、対象物34によって吸収された周波数成分などを判別することができる。これにより、対象物34のスペクトルを計測することができる。
また、信号処理回路36は、検出器35による検出結果に基づいて、対象物34までの距離を測定してもよい。具体的には、信号処理回路36は、検出信号と参照信号との時間差を計測し、ToF(Time of Flight)法に基づいて対象物34までの距離を測定する。あるいは、信号処理回路36は、検出信号および参照信号の各々の時間波形をフーリエ変換することで、検出信号および参照信号の各々の位相情報を取得し、取得した2つの位相情報の差分に基づいて対象物34までの距離を測定してもよい。
以上のように、本実施の形態に係る計測装置200では、従来のデュアルコム分光法の光学系に対して半導体基板4または14上に集積されている光学素子が増えている。このため、従来よりも小型で、かつ、外乱に強くなり、簡易的にデュアルコムを行うことができる。
また、カプラ31c、サーキュレータ32およびコリメータ33ならびに光ファイバーの個数および配置などを自由に設計変更可能である。このため、計測装置200の汎用性を高めることができる。また、カプラ31c、サーキュレータ32およびコリメータ33をすべて半導体基板上に集積した場合に比べて、半導体プロセスにおける失敗のリスクが低いため、半導体基板上での光損失を軽減できる。よって、作製する際の歩留まりの向上が可能である。さらに、反射光20Rは、光ファイバーと半導体基板上の導波路との結合部を含む出力部50、51を通過することなく検出器35に到達するため、結合部による光損失の影響を受けない。よって、計測装置200の検出感度を低下させずに小型化することができる。
<変形例1>
続いて、実施の形態1の変形例について、図8を用いて説明する。図8は、実施の形態1の変形例に係るデュアル光周波数コム発生装置および計測装置の構成を模式的に示す図である。
続いて、実施の形態1の変形例について、図8を用いて説明する。図8は、実施の形態1の変形例に係るデュアル光周波数コム発生装置および計測装置の構成を模式的に示す図である。
図8に示すように、計測装置300は、図6に示す計測装置200と比較して、デュアル光周波数コム発生装置201の代わりにデュアル光周波数コム発生装置301を備える。デュアル光周波数コム発生装置301とデュアル光周波数コム発生装置201との唯一の違いは、2つの出力部50と出力部51との位置関係である。図6に示すデュアル光周波数コム発生装置201の場合、2つの出力部50および51はいずれも、半導体基板4または14の同一の辺に位置している。これに対して、本変形例では、出力部50および出力部51は、半導体基板4または14の互いに異なる辺に位置している。例えば、半導体基板4または14の平面視形状が矩形である場合、出力部50が設けられた辺と、出力部51が設けられた辺とは、互いに対向する辺である。これにより、出力部50からの光の出射方向は、出力部51からの光の出射方向の反対方向になる。
実際の半導体基板4または14の一辺の長さが数cmほどしかないことがある。このため、2つの出力部50および51が接近している場合には、光ファイバーとの接続が物理的に難しくなる。これに対して、本変形例によれば、2つの出力部50および51の距離を離すことができる。これにより、2つの出力部50および51の各々と光ファイバー30aおよび30bとの接続を容易に行うことができる。
<変形例2>
次に、実施の形態1の変形例2について、図9を用いて説明する。図9は、実施の形態1の変形例2に係るデュアル光周波数コム発生装置および計測装置の構成を模式的に示す図である。
次に、実施の形態1の変形例2について、図9を用いて説明する。図9は、実施の形態1の変形例2に係るデュアル光周波数コム発生装置および計測装置の構成を模式的に示す図である。
図9に示すように、計測装置400は、図6に示す計測装置200と比較して、新たにスキャン機構60を備える点が相違する。スキャン機構60は、コリメータ33から出射される光20Ltを掃引する掃引機構の一例である。スキャン機構60は、例えばガルバノスキャナである。ただし、スキャン機構60は、光20Ltを二次元上に掃引することができれば他の光学素子でもよい。例えば、スキャン機構60は、コリメータ33の位置および姿勢などを変更するステッピングモータなどであってもよい。本変形例によれば、スキャン機構60が設けられていることで、対象物34の二次元情報または三次元情報を取得することができる。
(実施の形態2)
続いて、実施の形態2について説明する。
続いて、実施の形態2について説明する。
実施の形態2では、デュアル光周波数コム発生装置が備える出力部の個数が3つである点が実施の形態1と主として異なる。以下では、実施の形態1との相違点を中心に説明を行い、共通点の説明を省略または簡略化する。
図10は、本実施の形態に係るデュアル光周波数コム発生装置および計測装置の構成を示す図である。図10に示すように、計測装置500は、図6に示す計測装置200と比較して、デュアル光周波数コム発生装置201の代わりにデュアル光周波数コム発生装置501を備える。また、計測装置500は、検出器35の代わりに2つの検出器35aおよび35bと、光ファイバー30fとを備える。
デュアル光周波数コム発生装置501は、デュアル光周波数コム発生装置201と比較して、さらに、光導波路41と、出力部52とを備える。
光導波路41は、第2レーザ光源21と出力部51とを結ぶ経路から分岐し、出力部52に結合する第4光導波路の一例である。光導波路41は、光導波路40と同様に、例えば、エバネッセント結合を利用した構造であるが、これに限定されない。
出力部52は、第3出力部の一例であり、第2レーザ光源21から出射されるレーザ光を出力する。具体的には、第2レーザ光源21から出射される第2光周波数コムレーザ光21Lは、光導波路21wを伝搬される光21Lrと、光導波路41を伝搬される光21Ltとに分離する。出力部52は、光21Ltを出力する。出力部52は、出力部50および51と同様に、例えばグレーティングカプラであるが、これに限定されない。
このように、デュアル光周波数コム発生装置501では、第1レーザ光源20が出射する第1光周波数コムレーザ光20Lだけでなく、第2レーザ光源21が出射する第2光周波数コムレーザ光21Lも2つの光21Ltおよび21Lrに分離され、各々を異なる出力部から取り出すことができる。
図10に示すように、光20Lrと光21Lrとを出力する出力部51には、光ファイバー30fが接続されている。光ファイバー30fは、第6光ファイバーの一例であり、一端が出力部51に接続され、他端が検出器35bに接続されている。光ファイバー30fは、光20Lrと光21Lrとを検出器35bまで伝搬する。
検出器35bでは、光20Lrと光21Lrとの干渉によって、ビートがリファレンス光として発生する。検出器35bは、第2検出器の一例であり、リファレンス光を検出するための専用の検出器である。
光21Ltを出力する出力部52には、光ファイバー30bが接続されている。光ファイバー30bを伝搬される光21Ltは、光ファイバー30dを伝搬してきた反射光20Rとカプラ31cによって結合し、光ファイバー30eを通って検出器35aで検出される。
検出器35aでは、反射光20Rと光21Ltとの干渉によって、ビートがシグナル光として発生する。検出器35aは、シグナル光を検出するための専用の検出器である。
このように、本実施の形態では、第1検出器の一例であり、リファレンス光とシグナル光とをそれぞれ検出する専用の検出器35aおよび35bが設けられている。なお、検出器35aおよび35bはそれぞれ、検出器35と同様に、フォトダイオードなどの光電変換素子である。
例えば、図7に示すリファレンス光とシグナル光とは、各々のパルスが重複する場合がある。パルスが重複した場合、1つの検出器では、リファレンス光とシグナル光とを区別することができない。これに対し、本実施の形態では、リファレンス光とシグナル光とが重なった場合であっても、各々を個別に検出することができる。
なお、本実施の形態において、実施の形態1の変形例1と同様に、3つの出力部50、51および52がそれぞれ、半導体基板4または14の異なる辺に設けられていてもよい。つまり、半導体基板4または14の3つの辺に1つずつ出力部が設けられていてもよい。
(他の実施の形態)
以上、1つまたは複数の態様に係るデュアル光周波数コム発生装置および計測装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの、および、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の範囲内に含まれる。
以上、1つまたは複数の態様に係るデュアル光周波数コム発生装置および計測装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの、および、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の範囲内に含まれる。
例えば、上記各実施の形態および変形例では、対象物34からの反射光20Rを検出器35または35aで検出する例を示したが、検出器35または35aは、対象物34を透過した透過光を検出してもよい。
また、例えば、実施の形態2において、光導波路40は、光導波路41に結合した後、出力部52に結合していてもよい。この場合、出力部52は、光20Lrと光21Lrとを出力するので、リファレンス光を検出するための検出器35bに光ファイバー30fを介して接続される。出力部51は、光21Ltを出力するので、シグナル光を検出するための検出器35aに、光ファイバー30b、カプラ31cおよび光ファイバー30eを介して接続される。
また、例えば、第1レーザ光源20と第2レーザ光源21とは、異なる種類の光周波数コム光源でもよい。例えば、第1レーザ光源20および第2レーザ光源21の一方が、図2に示すリング共振器3および光導波路3wを含み、第1レーザ光源20および第2レーザ光源22の他方が、図3Aに示す共振器13を含んでもよい。
また、上記の各実施の形態は、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
本開示は、小型で、かつ、外乱に強く、汎用性が高いデュアル光周波数コム発生装置として利用でき、例えば、対象物の分析装置および測距装置などに利用することができる。
1 CWレーザ光源
2 レーザ光
3 リング共振器
3w、13w1、13w2、20w、21w、40、41 光導波路
4、14 半導体基板
5 光周波数コムレーザ光
10 光周波数コムレーザ光源
13 共振器
13d1 nドープ層
13d2、13d3 pドープ層
13g ゲイン媒質
13m1、13m2 ミラー
13s 半導体層
13sa 可飽和吸収体
14a 高屈折率層
14b 低屈折率層
16 保護層
20 第1光周波数コムレーザ光源
20L 第1光周波数コムレーザ光
20Lr、20Lt、21Lr、21Lt 光
20R 反射光
21 第2光周波数コムレーザ光源
21L 第2光周波数コムレーザ光
30、30a、30b、30c、30d、30e、30f 光ファイバー
31a、31b、31c カプラ
32 サーキュレータ
33 コリメータ
34 対象物
35、35a、35b 検出器
36 信号処理回路
50、51、52 出力部
60 スキャン機構
100、200、300、400、500 計測装置
201、301、501 デュアル光周波数コム発生装置
2 レーザ光
3 リング共振器
3w、13w1、13w2、20w、21w、40、41 光導波路
4、14 半導体基板
5 光周波数コムレーザ光
10 光周波数コムレーザ光源
13 共振器
13d1 nドープ層
13d2、13d3 pドープ層
13g ゲイン媒質
13m1、13m2 ミラー
13s 半導体層
13sa 可飽和吸収体
14a 高屈折率層
14b 低屈折率層
16 保護層
20 第1光周波数コムレーザ光源
20L 第1光周波数コムレーザ光
20Lr、20Lt、21Lr、21Lt 光
20R 反射光
21 第2光周波数コムレーザ光源
21L 第2光周波数コムレーザ光
30、30a、30b、30c、30d、30e、30f 光ファイバー
31a、31b、31c カプラ
32 サーキュレータ
33 コリメータ
34 対象物
35、35a、35b 検出器
36 信号処理回路
50、51、52 出力部
60 スキャン機構
100、200、300、400、500 計測装置
201、301、501 デュアル光周波数コム発生装置
Claims (10)
- 半導体基板と、
第1共振器を含む第1光周波数コムレーザ光源と、
第2共振器を含み、前記第1光周波数コムレーザ光源とは光パルスの繰り返し周波数が異なる第2光周波数コムレーザ光源と、
第1出力部および第2出力部を含む2つ以上の出力部と、
前記第1光周波数コムレーザ光源と前記第1出力部とを結ぶ第1光導波路と、
前記第2光周波数コムレーザ光源と前記第2出力部とを結ぶ第2光導波路と、
前記第1光導波路から分岐し、前記第2光導波路に結合する第3光導波路と、
を備え、
前記第1光周波数コムレーザ光源、前記第2光周波数コムレーザ光源、前記2つ以上の出力部、前記第1光導波路、前記第2光導波路および前記第3光導波路は、前記半導体基板に集積されている、
デュアル光周波数コム発生装置。 - 前記半導体基板を平面視した場合に、前記第1出力部と前記第2出力部とはそれぞれ、前記半導体基板の互いに異なる辺に位置している、
請求項1に記載のデュアル光周波数コム発生装置。 - 前記第1共振器および前記第2共振器はそれぞれ、光路上に位置するゲイン媒質を含む、
請求項1または2に記載のデュアル光周波数コム発生装置。 - 前記2つ以上の出力部は、光ファイバーに対する結合部を含む、
請求項1から3のいずれか1項に記載のデュアル光周波数コム発生装置。 - 前記2つ以上の出力部は、第3出力部を含み、
前記第2光導波路は、前記第2光周波数コムレーザ光源と前記第2出力部とを結ぶ経路から分岐し、前記第3出力部に結合する第4光導波路を含む、
請求項1から4のいずれか1項に記載のデュアル光周波数コム発生装置。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載のデュアル光周波数コム発生装置と、
一端が前記第1出力部に接続された第1光ファイバーと、
一端が前記第2出力部に接続された第2光ファイバーと、
前記第1光ファイバーの他端に接続されたサーキュレータと、
各々の一端が前記サーキュレータに接続された第3光ファイバーおよび第4光ファイバーと、
前記第3光ファイバーの他端に接続されたコリメータと、
前記第3光ファイバーおよび前記第4光ファイバーの各々を伝搬された光を結合して出力するカプラと、
前記カプラから出力される光を検出する検出器と、を備える、
計測装置。 - 請求項5に記載のデュアル光周波数コム発生装置と、
一端が前記第1出力部に接続された第1光ファイバーと、
一端が前記第2出力部および前記第3出力部の一方に接続された第2光ファイバーと、
前記第1光ファイバーの他端に接続されたサーキュレータと、
各々の一端が前記サーキュレータに接続された第3光ファイバーおよび第4光ファイバーと、
前記第3光ファイバーの他端に接続されたコリメータと、
前記第3光ファイバーと前記第4光ファイバーとを結合するカプラと、
前記第3光ファイバーおよび前記第4光ファイバーの各々を伝搬された光を結合して出力するカプラと、
検出器と、
を備え、
前記検出器は、
前記カプラから出力される光を検出する第1検出器と、
前記第2出力部および前記第3出力部の他方から出力される光を検出する第2検出器と、を含む、
計測装置。 - さらに、前記コリメータから出射される光を掃引する掃引機構を備える、
請求項6または7に記載の計測装置。 - 前記検出器による検出結果に基づいて、対象物までの距離を計測する信号処理回路を備える、
請求項6から8のいずれか1項に記載の計測装置。 - 前記検出器による検出結果に基づいて、対象物のスペクトルを計測する信号処理回路を備える、
請求項6から9のいずれか1項に記載の計測装置。
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114894310A (zh) * | 2022-05-17 | 2022-08-12 | 天津大学 | 一种基于MgF2微腔光频梳的快速光谱分析*** |
CN115000784A (zh) * | 2022-08-01 | 2022-09-02 | 湖南汇思光电科技有限公司 | 一种太赫兹波产生装置及产生方法 |
WO2023163018A1 (ja) * | 2022-02-24 | 2023-08-31 | 国立大学法人電気通信大学 | 光計測装置 |
WO2023243365A1 (ja) * | 2022-06-14 | 2023-12-21 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | レーザ装置 |
WO2024157700A1 (ja) * | 2023-01-27 | 2024-08-02 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 計測装置および計測方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010531444A (ja) * | 2007-06-26 | 2010-09-24 | ユニバーシテ ラバル | 光周波数コムのビートスペクトルの基準付け |
JP2014160136A (ja) * | 2013-02-19 | 2014-09-04 | Ntt Electornics Corp | アレイ導波路回折格子合分波器及び複合アレイ導波路回折格子合分波器 |
US20180095003A1 (en) * | 2016-05-06 | 2018-04-05 | California Institute Of Technology | Optical frequency measurement and control using dual optical-frequency combs |
US20190278151A1 (en) * | 2018-03-07 | 2019-09-12 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Light comb generating device and spectrometers including same |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9407373B2 (en) * | 2014-05-07 | 2016-08-02 | Honeywell International Inc. | Optical synthesizer tuning using fine and coarse optical frequency combs |
US9407060B2 (en) * | 2014-05-07 | 2016-08-02 | Honeywell International Inc. | Mutually-referenced optical frequency combs |
-
2021
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-
2022
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010531444A (ja) * | 2007-06-26 | 2010-09-24 | ユニバーシテ ラバル | 光周波数コムのビートスペクトルの基準付け |
JP2014160136A (ja) * | 2013-02-19 | 2014-09-04 | Ntt Electornics Corp | アレイ導波路回折格子合分波器及び複合アレイ導波路回折格子合分波器 |
US20180095003A1 (en) * | 2016-05-06 | 2018-04-05 | California Institute Of Technology | Optical frequency measurement and control using dual optical-frequency combs |
US20190278151A1 (en) * | 2018-03-07 | 2019-09-12 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Light comb generating device and spectrometers including same |
Non-Patent Citations (6)
Title |
---|
A. L. GAETA ET AL.: "Photonic-chip-based frequency combs", NATURE PHOTONICS, vol. 13, 2019, pages 158 - 169, XP036707022, DOI: 10.1038/s41566-019-0358-x |
AVIK DUTT; CHAITANYA JOSHI; XINGCHEN JI; JAIME CARDENAS; YOSHITOMO OKAWACHI; KEVIN LUKE; ALEXANDER L. GAETA; MICHAL LIPSON: "On-chip dual comb source for spectroscopy", ARXIV.ORG, CORNELL UNIVERSITY LIBRARY, 201 OLIN LIBRARY CORNELL UNIVERSITY ITHACA, NY 14853, 23 November 2016 (2016-11-23), 201 Olin Library Cornell University Ithaca, NY 14853 , XP081361713, DOI: 10.1126/sciadv.1701858 * |
I. CODDINGTON ET AL.: "Dual-comb spectroscopy", OPTICA, vol. 3, no. 4, 2016, pages 414 - 426, XP055982794, DOI: 10.1364/OPTICA.3.000414 |
N. PICQUE ET AL.: "Frequency comb spectroscopy", NATURE PHOTONICS, vol. 13, 2019, pages 146 - 157, XP036707019, DOI: 10.1038/s41566-018-0347-5 |
S. KEYVANINIA ET AL.: "Narrow-linewidth short-pulse III-V-on- silicon mode-locked lasers based on a linear and ring cavity geometry", OPTICS EXPRESS, vol. 23, no. 3, 2015, pages 3221 - 3229 |
See also references of EP4174569A4 |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023163018A1 (ja) * | 2022-02-24 | 2023-08-31 | 国立大学法人電気通信大学 | 光計測装置 |
CN114894310A (zh) * | 2022-05-17 | 2022-08-12 | 天津大学 | 一种基于MgF2微腔光频梳的快速光谱分析*** |
WO2023243365A1 (ja) * | 2022-06-14 | 2023-12-21 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | レーザ装置 |
CN115000784A (zh) * | 2022-08-01 | 2022-09-02 | 湖南汇思光电科技有限公司 | 一种太赫兹波产生装置及产生方法 |
WO2024157700A1 (ja) * | 2023-01-27 | 2024-08-02 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 計測装置および計測方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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EP4174569A1 (en) | 2023-05-03 |
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