JP6041264B2 - Optical correlator - Google Patents
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Description
本発明は、自己相関計に関し、さらに、光パルスのパルス幅の測定に好適な自己相関形成に関する。 The present invention relates to an autocorrelator, and further to autocorrelation suitable for measuring the pulse width of an optical pulse.
近年、光通信や光計測では高速な光パルス信号が扱われ、高速光パルス信号の時間波形の測定が求められる。例えば、光パルスのパルス幅は100ps以下、高速なものでは10ps以下に達している。100ps程度のパルス幅であれば、高速なリアルタイムオシロスコープで計測可能であるが、1000万円程度の高価な装置である。さらにパルス幅が短い短パルスの計測にはサンプリングオシロスコープが用いられ、500〜1000万円程度の装置で最速では数psのパルスを計測することができる。 In recent years, high-speed optical pulse signals are handled in optical communication and optical measurement, and measurement of time waveforms of high-speed optical pulse signals is required. For example, the pulse width of an optical pulse reaches 100 ps or less, and reaches 10 ps or less at a high speed. A pulse width of about 100 ps can be measured with a high-speed real-time oscilloscope, but it is an expensive device of about 10 million yen. Furthermore, a sampling oscilloscope is used to measure short pulses with a short pulse width, and a pulse of several ps can be measured at the maximum speed with a device of about 5 to 10 million yen.
上記したリアルタイムオシロスコープやサンプリングオシロスコープは大型で高価な装置である。一方、安価にパルス波形を観測する装置として、従来から光パルスのパルス幅を測定する自己相関計が知られている。 The real-time oscilloscope and sampling oscilloscope described above are large and expensive devices. On the other hand, an autocorrelator that measures the pulse width of an optical pulse has been known as an apparatus for observing a pulse waveform at low cost.
自己相関計は、例えば、入射された光パルスをビームスプリッタで２つのビームに分割し、分割された一方の光路のビームを固定ミラーで反射し、分割された他方のビームを可動ミラーで反射し、それぞれの反射ビームをビームスプリッタを経てSHG（Second Harmonic Generation）結晶に集光させ、SHG結晶による第２高調波発生を利用したSHG相関法により自己相関波形を取得し、自己相関波形に基づいて光パルスのパルス幅を測定することが知られている（例えば、特許文献１参照）。 The autocorrelator, for example, divides an incident light pulse into two beams by a beam splitter, reflects the beam of one divided optical path by a fixed mirror, and reflects the other divided beam by a movable mirror. , Each reflected beam is condensed on SHG (Second Harmonic Generation) crystal through beam splitter, autocorrelation waveform is obtained by SHG correlation method using second harmonic generation by SHG crystal, and based on autocorrelation waveform It is known to measure the pulse width of an optical pulse (see, for example, Patent Document 1).
光相関計は10ps以下の数10cm角のボックスサイズで光パルスの観測を行うことができ、値段は200〜400万円と、上記のオシロスコープよりはやや安価である。 The optical correlator can observe optical pulses in a box size of several tens of centimeters of 10 ps or less, and the price is 2 to 4 million yen, which is slightly cheaper than the above oscilloscope.
従来知られている10ps以下の光パルスの測定が可能な装置は何れも大型で高価であり、光相関計においても数10cm角のボックスサイズである。光通信や光計測の高速化に伴って10ps以下の光パルスの測定の要求が高まり、かつ、小型化および低価格化が求められている。光パルスの測定システムにおいては、光相関計が外付け装置ではなく組み込み装置として構成されることを考慮すると、光相関計には小型化の要求がより高いと考えられる。 Conventionally known devices capable of measuring an optical pulse of 10 ps or less are large and expensive, and the optical correlator has a box size of several tens of cm square. Along with the speeding up of optical communication and optical measurement, there is an increasing demand for measurement of optical pulses of 10 ps or less, and there is a demand for miniaturization and price reduction. In the optical pulse measurement system, considering that the optical correlator is configured not as an external device but as an embedded device, it is considered that there is a higher demand for miniaturization of the optical correlator.
このような組み込み装置では、光相関計をワンチップに納めることが理想的であるが、従来の光相関計は数10cm角のボックスサイズの大きさであるため、現状ではワンチップに納めるという要求に対応できていない。 In such an embedded device, it is ideal to store the optical correlator on a single chip, but since the conventional optical correlator is a box size of several tens of centimeters, it is currently required to be stored on a single chip. It is not compatible with.
本願の発明者は、光遅延器や非線形検出器を小型化し、それぞれをチップ上に形成することを提案している（非特許文献１，２参照）。上記提案の光遅延器および非線形検出器はシリコンフォト技術を用いて各光学素子をチップ上に形成するものである。 The inventor of the present application has proposed that the optical delay device and the nonlinear detector be miniaturized and formed on the chip (see Non-Patent Documents 1 and 2). In the proposed optical delay device and nonlinear detector, each optical element is formed on a chip using silicon photo technology.
上記の光遅延器や非線形検出器は光相関計の光学素子としての適用が考えられる。しかしながら、単にチップ上に光遅延器や非線形検出器を形成した構成では、光相関計として有効に機能させることはできない。 The optical delay devices and nonlinear detectors described above can be applied as optical elements of optical correlators. However, a configuration in which an optical delay device or nonlinear detector is simply formed on a chip cannot function effectively as an optical correlator.
（ａ）自己相関計では、２つに分岐した光路の光パルスが重なるタイミングを高速でずらしながら走査する必要がある。しかしながら、適当に一方の光路に光遅延器を設けただけでは、それぞれの光路の光パルスが個別に非線形検出器に入射されるのみであるため、他方の光路の光パルスとの間の重なりを高速でずらして走査することはできないとう問題がある。 (A) In the autocorrelator, it is necessary to scan while shifting the timing at which the optical pulses of the optical path branched into two overlap. However, if an optical delay is appropriately provided in one optical path, only the optical pulse in each optical path is individually incident on the non-linear detector, so that there is no overlap between the optical pulses in the other optical path. There is a problem that scanning at high speed cannot be performed.
（ｂ）光遅延器は波長によって遅延時間が異なり遅延分散という現象を伴う場合がある。このような遅延分散が生じると光パルスに歪みが生じるため、得られる自己相関波形にも歪みが生じるという問題がある。 (B) The optical delay device may have a phenomenon of delay dispersion that varies depending on the wavelength. When such delay dispersion occurs, the optical pulse is distorted, so that there is a problem that the obtained autocorrelation waveform is also distorted.
（ｃ）２つに分岐した光路の光パルスを重ならせるには、光遅延器を設けた一方の光路を通る光パルスの遅れと、分岐した他方の光路を通る光パルスの遅れを合わせる必要がある。一方、２つの光路の光群速度は光路を形成する光学部材の違いによって異なる。そこで、光遅延器を設けない光路の導波路長を長くすることによって、分岐した２つの光路の光パルスの光路の通過に伴う時間遅れを合わせることができる。しかしながら、導波路長の長さを長くすると非線形現象によって光パルスに歪みが生じるという問題が生じる。 (C) In order to overlap the optical pulse of the optical path branched into two, it is necessary to match the delay of the optical pulse passing through one optical path provided with the optical delay device and the delay of the optical pulse passing through the other branched optical path There is. On the other hand, the light group velocities of the two optical paths differ depending on the optical member forming the optical path. Therefore, by increasing the waveguide length of the optical path without the optical delay device, it is possible to match the time delay associated with the passage of the optical pulse of the two branched optical paths. However, when the length of the waveguide is increased, there arises a problem that the optical pulse is distorted by a nonlinear phenomenon.
したがって、光相関計の小型化には、光遅延器において光パルスの遅延時間を高速で走査すること、遅延分散を補償すること、および光路の導波路長に伴う非線形現象を低減することが求められる。 Therefore, in order to reduce the size of the optical correlator, it is required to scan the delay time of the optical pulse at high speed in the optical delay device, compensate for the delay dispersion, and reduce the nonlinear phenomenon associated with the waveguide length of the optical path. It is done.
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、光相関計を小型化することを目的とし、光相関計をワンチップに納めることを目的とする。 Therefore, the present invention aims to solve the above-described conventional problems, to reduce the size of the optical correlator, and to fit the optical correlator on a single chip.
さらに、詳細には、光遅延器において、光パルスの遅延時間を高速で走査すること、遅延分散を補償すること、および光路の導波路長に伴う非線形現象を低減することを目的とする。 More specifically, an object of the present invention is to scan the delay time of an optical pulse at high speed, to compensate for delay dispersion, and to reduce nonlinear phenomena associated with the waveguide length of the optical path in an optical delay device.
本願発明は、光パルスを二つの光路に分岐して得られる二つの光パルスの内、一方の光パルスの群速度の遅延時間を変えながら遅延させた後に他方の光パルスと合流させ、合流した光パルスを非線形の検出器で検出することによって光パルスの自己相関波形を得る自己相関計において、入射した光パルスを二つの光路に分岐する第１の分岐器と、光パルスの群速度の遅延時間を可変とする光遅延走査器、および光パルスの波長に対する遅延分散を補償する分散補償器と、光パルスを遅延させる遅延器と、二つの光路を合流する合流器と、合流器で合流した二つの光パルスに基づいて、入射した光パルスの自己相関波形を検出する非線形検出器とを備える。二つの光路の内の一方の光路上には光遅延走査器と分散補償器とを設け、二つの光路の内の他方の光路上には遅延器を設ける。 In the present invention, among the two optical pulses obtained by splitting the optical pulse into two optical paths, the optical pulse is delayed while changing the delay time of the group velocity of one optical pulse, and then combined with the other optical pulse. In an autocorrelator for obtaining an autocorrelation waveform of an optical pulse by detecting the optical pulse with a non-linear detector, a first branching device for branching the incident optical pulse into two optical paths, and a delay of the group velocity of the optical pulse Optical delay scanner that makes time variable, dispersion compensator that compensates delay dispersion for the wavelength of optical pulse, delay device that delays optical pulse, merger that merges two optical paths, and merger And a non-linear detector for detecting an autocorrelation waveform of the incident optical pulse based on the two optical pulses. An optical delay scanner and a dispersion compensator are provided on one of the two optical paths, and a delay device is provided on the other of the two optical paths.
本発明の光相関計は、光路、第１の分岐器、光遅延走査器、分散補償器、遅延器、合流器、および非線形検出器はシリコン基板上に形成し、光路、第１の分岐器、および合流器は、シリコンフォトニクス細線導波路で形成する。また、光遅延走査器および分散補償器は、低群速度を有するフォトニック結晶スローライト導波路と、このフォトニック結晶スローライト導波路に沿って配置した複数の加熱器を集積して備える。 In the optical correlator of the present invention, the optical path, the first branching device, the optical delay scanner, the dispersion compensator, the delay device, the merger, and the nonlinear detector are formed on a silicon substrate. And the merger are formed of silicon photonics thin wire waveguides. The optical delay scanner and the dispersion compensator include a photonic crystal slow light waveguide having a low group velocity and a plurality of heaters arranged along the photonic crystal slow light waveguide.
伝搬が遅い光（スローライト）は光信号が空間的に圧縮されているため、光デバイスの縮小に利用されている。本願発明は、光学波長オーダーの多次元周期性を有する微細構造のフォトニック結晶（Photonic crystal, PC）を用いてスローライトを構成する。フォトニック結晶の導波路は、高屈折率材の薄膜に孔を二次元配置してなるＰＣクラブに一列の孔のない領域を形成して線欠陥を設け、この線欠陥を光導波路とするものであり、円孔の直径や位置、導波路の幅や屈折率等の構造パラメータを調整することによって光の群速度を低下させて遅延を生じさせることができる。 Light that propagates slowly (slow light) is used to reduce the size of an optical device because an optical signal is spatially compressed. In the present invention, a slow light is configured using a photonic crystal (PC) having a fine structure having multidimensional periodicity in the order of optical wavelengths. A photonic crystal waveguide is a PC club formed by two-dimensionally arranging holes in a thin film of a high refractive index material to form a line-free region with a line defect, and this line defect is used as an optical waveguide. By adjusting structural parameters such as the diameter and position of the circular hole, the width of the waveguide, and the refractive index, the group velocity of light can be reduced to cause a delay.
波長に対する遅延が分散することなく光を遅延させる零分散スローライトとして、導波路から三列目の円孔を格子シフトさせた構造の格子シフト型フォトニック結晶スローライト導波路（LSPCW）が知られている。本発明の光遅延走査器と分散補償器は、低群速度を有するフォトニック結晶スローライト導波路を用いて構成する。 Lattice-shifted photonic crystal slow light waveguide (LSPCW) is known as a zero-dispersion slow light that delays light without dispersing the wavelength delay. ing. The optical delay scanner and dispersion compensator of the present invention are configured using a photonic crystal slow light waveguide having a low group velocity.
光遅延走査器は光パルスの遅延時間を走査して変えることによって、他方の光路を通過した光パルスとの重なりをずらし、これによって自己相関波形を形成している。フォトニック結晶スローライト導波路を用いて光遅延走査器を構成するには、フォトニック結晶スローライト導波路の構造パラメータを連続的に変化させることで遅延時間を走査させる。 The optical delay scanner scans and changes the delay time of the optical pulse to shift the overlap with the optical pulse that has passed through the other optical path, thereby forming an autocorrelation waveform. To construct an optical delay scanner using a photonic crystal slow light waveguide, the delay time is scanned by continuously changing the structural parameters of the photonic crystal slow light waveguide.
本発明の光遅延走査器は、フォトニック結晶スローライト導波路に沿って配置した複数の加熱器によってフォトニック結晶スローライト導波路に加熱チャープを与えることで、フォトニック結晶スローライト導波路の光の群速度の遅延時間を可変とし、加熱器の加熱温度の時間的変化によってフォトニック結晶スローライト導波路の群速度の遅延時間を走査する。ここで、チャープとは構造パラメータを連続的に変化させることを意味し、加熱チャープは加熱温度あるいは加熱器に印加する電力を連続的に変化させることを意味している。 The optical delay scanner of the present invention provides a light chirp to the photonic crystal slow light waveguide by a plurality of heaters arranged along the photonic crystal slow light waveguide, thereby providing light of the photonic crystal slow light waveguide. The group velocity delay time is made variable, and the group velocity delay time of the photonic crystal slow light waveguide is scanned by the temporal change of the heating temperature of the heater. Here, the chirp means that the structural parameter is continuously changed, and the heating chirp means that the heating temperature or the power applied to the heater is continuously changed.
本発明の光遅延走査器は、加熱手段にのこぎり波状の走査信号を印加することで加熱温度を直線状に変化させ、この加熱によってフォトニック結晶スローライト導波路の温度を直線状に変化させる。フォトニック結晶スローライト導波路を通る光パルスの遅延時間は加熱状態に応じて線形可変する。 The optical delay scanner of the present invention changes the heating temperature linearly by applying a sawtooth scanning signal to the heating means, and changes the temperature of the photonic crystal slow light waveguide linearly by this heating. The delay time of the light pulse passing through the photonic crystal slow light waveguide varies linearly according to the heating state.
加熱手段に印加する走査信号は繰り返し信号とすることができる。繰り返し信号を印加した場合には走査信号毎に自己相関波形の信号が取得され、これら複数の自己相関波形を重ねることでＳＮ比を向上させることができる。 The scanning signal applied to the heating means can be a repetitive signal. When a repetitive signal is applied, an autocorrelation waveform signal is acquired for each scanning signal, and the S / N ratio can be improved by overlapping these autocorrelation waveforms.
本発明の光遅延走査器は、フォトニック結晶スローライト導波路を冷却する冷却器を備える。冷却器は加熱手段で加熱されたフォトニック結晶スローライト導波路を冷却して群速度の遅延時間を加熱前の温度状態あるいは所定の温度状態に戻すことができる。加熱したフォトニック結晶スローライト導波路を冷却器によって加熱前の温度状態あるいは所定の温度状態に戻すことで、走査信号を繰り返して印加した際に、各走査信号で同様の遅延時間を走査することができる。 The optical delay scanner of the present invention includes a cooler for cooling the photonic crystal slow light waveguide. The cooler can cool the photonic crystal slow light waveguide heated by the heating means to return the delay time of the group velocity to a temperature state before heating or a predetermined temperature state. By returning the heated photonic crystal slow light waveguide to a temperature state before heating or a predetermined temperature state by a cooler, when a scanning signal is repeatedly applied, a similar delay time is scanned with each scanning signal. Can do.
また、フォトニック結晶スローライト導波路における光パルスの遅延時間は構造パラメータによって変化し遅延分散が発生する。本発明の光遅延走査器は、遅延分散が小さい領域を用いて遅延走査を行うものの遅延分散が発生する可能性がある。本発明の光相関計は、この光遅延走査器あるいは光路上で発生する遅延分散を補償する装置として分散補償器を備える。 In addition, the delay time of the light pulse in the photonic crystal slow light waveguide varies depending on the structure parameter, and delay dispersion occurs. Although the optical delay scanner of the present invention performs delay scanning using an area where delay dispersion is small, there is a possibility that delay dispersion occurs. The optical correlator according to the present invention includes a dispersion compensator as a device for compensating for the delay dispersion generated on the optical delay scanner or the optical path.
本発明の分散補償器は、フォトニック結晶スローライト導波路に沿って配置した複数の加熱器の温度分布による遅延分散特性によってフォトニック結晶スローライト導波路の遅延分散を補償する。フォトニック結晶スローライト導波路は、導波路に沿って形成される温度分布を変えることによって遅延分散の分散特性を変更することができる。遅延分散の分散特性は波長λと遅延時間との関係で表すことができ、フォトニック結晶スローライト導波路に沿って形成される温度分布に応じて、波長の増減に対する遅延時間の増減特性を変えることができる。 The dispersion compensator of the present invention compensates for the delay dispersion of the photonic crystal slow light waveguide based on the delay dispersion characteristics due to the temperature distribution of a plurality of heaters arranged along the photonic crystal slow light waveguide. The photonic crystal slow light waveguide can change the dispersion characteristics of delayed dispersion by changing the temperature distribution formed along the waveguide. The dispersion characteristic of the delay dispersion can be expressed by the relationship between the wavelength λ and the delay time, and the delay time increase / decrease characteristic with respect to the wavelength increase / decrease is changed according to the temperature distribution formed along the photonic crystal slow light waveguide. be able to.
例えば、光遅延走査器あるいは光路上で発生する遅延分散特性に対して、この遅延分散特性と逆特性となるように分散補償器の温度分布を設定することによって、遅延分散を補償することができる。 For example, the delay dispersion can be compensated by setting the temperature distribution of the dispersion compensator so that the delay dispersion characteristic is opposite to the delay dispersion characteristic generated on the optical delay scanner or the optical path. .
なお、光路上において光遅延走査器と分散補償器の配置順序は任意とすることができ、光の伝搬方向に沿ってはじめに光遅延走査器を配置し次に分散補償器を配置する構成、あるいは、はじめ分散補償器を配置し次に光遅延走査器を配置する構成の何れの配置構成としてもよい。また、光遅延走査器を挟んで両側に光遅延走査器を配置する構成としてもよい。さらに、基本的に光遅延走査器も分散補償器も加熱器を備えたフォトニック結晶導波路により構成されることから、同一の構造で複数の加熱器の熱量を適当に調整することによって両者の機能を同時に満たすような動作をさせることもあり得る。 The arrangement order of the optical delay scanner and the dispersion compensator on the optical path can be arbitrary, and the configuration in which the optical delay scanner is first arranged along the light propagation direction and then the dispersion compensator is arranged, or The arrangement may be any arrangement in which the dispersion compensator is first arranged and then the optical delay scanner is arranged. Moreover, it is good also as a structure which arrange | positions an optical delay scanner on both sides on both sides of an optical delay scanner. Furthermore, since both the optical delay scanner and the dispersion compensator are basically composed of a photonic crystal waveguide equipped with a heater, both of them can be adjusted by appropriately adjusting the heat quantity of a plurality of heaters with the same structure. It is possible to perform an operation that satisfies the functions at the same time.
本発明の遅延器は、二つの光路を通る二つの光パルスの遅れ時間を合わせるために、光遅延走査器と分散補償器を配置した一方の光路ではなく、他方の光路に設けることによって、分岐した二つの光路の光パルスの光路の通過に伴う時間遅れを合わせる素子である。この他方の光路の時間遅れの調整は導波路長を長くすることで合わせることができる。しかしながら、導波路長の長さを長くすると非線形現象によって光パルスに歪みが生じるという問題が生じる。 In the delay device of the present invention, in order to match the delay times of two optical pulses passing through the two optical paths, the optical delay scanner and the dispersion compensator are arranged in one optical path instead of one optical path. This element matches the time delay associated with the passage of the optical pulse of the two optical paths. The adjustment of the time delay of the other optical path can be adjusted by increasing the waveguide length. However, when the length of the waveguide is increased, there arises a problem that the optical pulse is distorted by a nonlinear phenomenon.
本発明の遅延器は、シリコンフォトニクス細線導波路の長さを、一方の光路を通る光パルスの遅延時間に対応した長さとし、一方の光路を形成するシリコンフォトニクス細線導波路よりも幅広とすることによって、非線形成分の発生を低減させる。シリコンフォトニクス細線導波路で発生する非線形成分は導波路の幅の２乗にほぼ逆比例するため、導波路の幅を例えば１０倍とした場合には、導波路で発生する非線形成分は１／１００に低減される。 In the delay device of the present invention, the length of the silicon photonics thin wire waveguide is set to a length corresponding to the delay time of the optical pulse passing through one optical path, and is wider than the silicon photonics thin wire waveguide forming one optical path. To reduce the generation of nonlinear components. Since the nonlinear component generated in the silicon photonics thin wire waveguide is almost inversely proportional to the square of the waveguide width, when the waveguide width is set to 10 times, for example, the nonlinear component generated in the waveguide is 1/100. Reduced to
また、本発明の遅延器をシリコンフォトニクス細線導波路とフォトニック結晶スローライト導波路とを組み合わせた構成とし、フォトニック結晶スローライト導波路に沿って加熱器を配置して光遅延器を構成し、この光遅延器によって分岐した二つの光路の光パルスの光路の通過に伴う時間遅れを合わせる構成とすることもできる。なお、分散補償器を追加することによって、シリコンフォトニクス細線導波路のわずかな分散を補償してもよい。 In addition, the delay device of the present invention is configured by combining a silicon photonics fine wire waveguide and a photonic crystal slow light waveguide, and a heater is arranged along the photonic crystal slow light waveguide to constitute an optical delay device. The time delay associated with the passage of the optical pulses of the two optical paths branched by the optical delay device can also be adjusted. A slight dispersion of the silicon photonics thin wire waveguide may be compensated by adding a dispersion compensator.
本発明の非線形検出器は、フォトニック結晶スローライト導波路と、このフォトニック結晶スローライト導波路の一方の側にＰ層を他方の側にＮ層を有したＰＮダイオードとを有した二光子吸収フォトダイオードを備える構成とすることができ、一方の光路の光パルスと他方の光路の遅延時間が走査された光パルスとによって、二つの光パルスの重なるタイミングを走査させ、入射した光パルスの自己相関波形を検出することができる。 The nonlinear detector of the present invention includes a two-photon having a photonic crystal slow light waveguide and a PN diode having a P layer on one side and an N layer on the other side of the photonic crystal slow light waveguide. An absorption photodiode can be provided, and the timing at which the two optical pulses overlap is scanned by the optical pulse of one optical path and the optical pulse obtained by scanning the delay time of the other optical path. An autocorrelation waveform can be detected.
本発明の二光子吸収フォトダイオードは、この二光子吸収フォトダイオードが備えるフォトニック結晶スローライト導波路の一端をシリコンフォトニクス細線導波路を介して合流器側に接続し、フォトニック結晶スローライト導波路の他端の端部を自由端としてシリコンフォトニクス細線導波路に接続する。 In the two-photon absorption photodiode of the present invention, one end of a photonic crystal slow light waveguide provided in the two-photon absorption photodiode is connected to the merger side via a silicon photonics thin wire waveguide, and the photonic crystal slow light waveguide is obtained. The other end of each is connected to the silicon photonics thin wire waveguide as a free end.
二光子吸収フォトダイオードの入力端と反対側の端部を自由端とすることによって、二光子吸収フォトダイオードを通過した光パルスの端部における反射を抑制することができる。二光子吸収フォトダイオードの端部で通過後の光パルスが反射した場合には、反射光が二光子吸収フォトダイオードを再度通過することになり、ノイズ成分となるおそれがある。本発明の構成によれば、反射波が二光子吸収フォトダイオードを再度通過することを抑制されるため、誤検出を防ぐことができる。 By setting the end opposite to the input end of the two-photon absorption photodiode as a free end, reflection at the end of the light pulse that has passed through the two-photon absorption photodiode can be suppressed. When the light pulse after passing through the end portion of the two-photon absorption photodiode is reflected, the reflected light passes through the two-photon absorption photodiode again, which may become a noise component. According to the configuration of the present invention, since the reflected wave is prevented from passing through the two-photon absorption photodiode again, erroneous detection can be prevented.
また、自由端に検出器を接続することによって、入射した光パルスに含まれる直流分を測定することができる。 Further, by connecting a detector to the free end, it is possible to measure the direct current component contained in the incident light pulse.
本発明の光相関計において、光遅延走査器および分散補償器を備える一方の光路に、シリコン基板上において合流器側の端部にシリコンフォトニクス細線導波路により形成される第２の分岐器を設け、この第２の分岐器の一方の分岐端を合流器の接続端とし、第２の分岐器の他方の分岐端をモニタの接続端とする構成とする。この構成によれば、光遅延走査器で遅延走査され、分散補償器で分散補償された後の光パルスをモニタで観察し、遅延器時間幅や分散補償を調整することができる。 In the optical correlator of the present invention, one optical path including the optical delay scanner and the dispersion compensator is provided with a second branching device formed by a silicon photonics thin wire waveguide at the end of the confluence on the silicon substrate. In this configuration, one branch end of the second branching unit is used as a connection end of a merger, and the other branching end of the second branching unit is used as a connection end of a monitor. According to this configuration, the delay time width and dispersion compensation can be adjusted by observing the optical pulse after being delayed scanned by the optical delay scanner and subjected to dispersion compensation by the dispersion compensator on the monitor.
または、この第２の分岐器の他方の分岐端を別途設けた二光子吸収フォトダイオードに接続すれば、光パルスの幅がパルスのピーク電力に反比例し、二光子吸収フォトダイオードの検出電流がピーク電力に比例するという性質から、分散補償量をモニタすることもできる。遅延器時間幅や分散補償の調整は、フォトニック結晶スローライト導波路に沿って配置された加熱器に供給する電力や複数の加熱器の加熱パターンを調整することで行うことができる。 Alternatively, if the other branch end of the second branching device is connected to a separately provided two-photon absorption photodiode, the width of the light pulse is inversely proportional to the peak power of the pulse, and the detection current of the two-photon absorption photodiode reaches a peak. The dispersion compensation amount can be monitored from the property of being proportional to the power. The delay time width and dispersion compensation can be adjusted by adjusting the power supplied to the heater arranged along the photonic crystal slow light waveguide and the heating pattern of the plurality of heaters.
以上説明したように、本願発明の光相関計によれば光相関計を小型化することができ、光相関計をワンチップに納めることができる。また、本願発明の光相関計によれば、光遅延器において光パルスの遅延時間を高速で走査して光遅延走査器を構成することができ、光遅延走査器による遅延分散を補償することができ、また、光路の導波路長に伴う非線形現象を低減することができる。 As described above, according to the optical correlator of the present invention, the optical correlator can be miniaturized and the optical correlator can be accommodated in one chip. Further, according to the optical correlator of the present invention, the optical delay scanner can be configured by scanning the delay time of the optical pulse at high speed in the optical delay device, and the delay dispersion by the optical delay scanner can be compensated. In addition, it is possible to reduce the nonlinear phenomenon accompanying the waveguide length of the optical path.
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下、図１を用いて本発明の光相関計の構成例を説明し、図２を用いてフォトニック結晶スローライト導波路の構成例を説明し、図３を用いて光遅延走査器および分散補償器の構成例を説明し、図４を用いて本発明の光相関計による二つの光パルスの重なりを説明し、図５を用いて本発明の光遅延走査器におけるのこぎり波状走査信号による動作例を説明し、図６、７を用いて本発明の光遅延走査器の遅延特性を説明し、図８を用いて本発明の分散補償器の分散特性を説明し、図９を用いて本発明の二光子吸収フォトダイオードの検出特性を説明し、図１０を用いて本発明の光相関計による検出例を説明し、図１１を用いて本発明の光相関計の遅延器の構成例を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Hereinafter, the configuration example of the optical correlator of the present invention will be described with reference to FIG. 1, the configuration example of the photonic crystal slow light waveguide will be described with reference to FIG. 2, and the optical delay scanner and the dispersion will be described with reference to FIG. A configuration example of the compensator will be described, the overlap of two optical pulses by the optical correlator of the present invention will be described using FIG. 4, and the operation by the sawtooth wave scanning signal in the optical delay scanner of the present invention will be described using FIG. An example will be described, the delay characteristics of the optical delay scanner of the present invention will be described using FIGS. 6 and 7, the dispersion characteristics of the dispersion compensator of the present invention will be described using FIG. 8, and the present invention will be described using FIG. The detection characteristics of the two-photon absorption photodiode of the invention will be described, the detection example by the optical correlator of the present invention will be described using FIG. 10, and the configuration example of the delay unit of the optical correlator of the present invention will be described using FIG. explain.
本発明に係る光相関計は、光パルスを二つの光路に分岐して得られる二つの光パルスの内、一方の光パルスの群速度の遅延時間を変えながら遅延させることで、他方の光パルスと合流において重なるタイミングを走査（スキャン）させ、合流した光パルスを非線形の検出器で検出することによって光パルスの自己相関波形を得る。 The optical correlator according to the present invention delays one optical pulse while changing the delay time of the group velocity of one of the two optical pulses obtained by branching the optical pulse into two optical paths. By scanning the overlapping timing in the merging and detecting the merged optical pulse with a non-linear detector, an autocorrelation waveform of the optical pulse is obtained.
［光相関計の構成例］
図１は、本発明の光相関計の一構成例を説明するための図である。光相関計１は、入射した光パルスをスポットサイズ変換器１１を通すことによって、光相関計１側が備える光路のスポットサイズに合わせた後、第１の分岐器２によって二つの光路Ａ，Ｂに分岐する。光路Ａ，Ｂはシリコンフォトニクス細線導波路で形成することができる。
[Example of optical correlator configuration]
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration example of an optical correlator according to the present invention. The optical correlator 1 passes the incident optical pulse through the spot size converter 11 so as to match the spot size of the optical path provided on the optical correlator 1 side, and then the two optical paths A and B are made by the first branching device 2. Branch. The optical paths A and B can be formed by silicon photonics thin wire waveguides.
第１の分岐器２で分岐された一方の光路Ａ上には、光パルスの群速度の遅延時間を可変とする光遅延走査器３、および光パルスの波長に対する遅延分散を補償する分散補償器４を直列配置する。光遅延走査器３と分散補償器４の配置順序は、光路Ａにおいて何れを先に配置してもよい。 On one optical path A branched by the first splitter 2, an optical delay scanner 3 that makes the delay time of the group velocity of the optical pulse variable, and a dispersion compensator that compensates for delay dispersion with respect to the wavelength of the optical pulse 4 are arranged in series. The optical delay scanner 3 and the dispersion compensator 4 may be arranged in any order in the optical path A.
光遅延走査器３は、フォトニック結晶スローライト導波路３ａと、導波路に沿って対称に配置され集積された複数の加熱器（ヒーター）３ｂとを備えると共に、加熱器３ｂは遅延走査制御器２１の走査信号によって加熱制御される。分散補償器４は、フォトニック結晶スローライト導波路４ａと、導波路に沿って配置されて集積された複数の加熱器（ヒーター）４ｂとを備え、加熱器４ｂは分散補償制御器２２の制御信号によって加熱制御される。遅延走査制御器２１と分散補償制御器２２は、加熱制御器２０を構成している。 The optical delay scanner 3 includes a photonic crystal slow light waveguide 3a, and a plurality of heaters (heaters) 3b arranged symmetrically along the waveguide, and the heater 3b is a delay scan controller. Heating is controlled by 21 scanning signals. The dispersion compensator 4 includes a photonic crystal slow light waveguide 4a and a plurality of heaters (heaters) 4b arranged and integrated along the waveguide. The heater 4b is controlled by the dispersion compensation controller 22. Heating is controlled by a signal. The delay scanning controller 21 and the dispersion compensation controller 22 constitute a heating controller 20.
光遅延走査器３は、加熱器３ｂの加熱温度の時間的変化によってフォトニック結晶スローライト導波路３ａの群速度の遅延時間を走査する。分散補償器４は、複数の加熱器４ｂの温度分布による遅延分散特性によってフォトニック結晶スローライト導波路４ａの遅延分散を補償する。 The optical delay scanner 3 scans the group velocity delay time of the photonic crystal slow light waveguide 3a according to the temporal change of the heating temperature of the heater 3b. The dispersion compensator 4 compensates for the delay dispersion of the photonic crystal slow light waveguide 4a by the delay dispersion characteristic due to the temperature distribution of the plurality of heaters 4b.
なお、光遅延走査器３のフォトニック結晶スローライト導波路３ａと分散補償器４のフォトニック結晶スローライト導波路４ａは連続したフォトニック結晶スローライト導波路で構成することができる。 Note that the photonic crystal slow light waveguide 3a of the optical delay scanner 3 and the photonic crystal slow light waveguide 4a of the dispersion compensator 4 can be formed of continuous photonic crystal slow light waveguides.
第１の分岐器２で分岐された他方の光路Ｂ上には、光パルスを遅延させる遅延器５を形成する。遅延器５はシリコンフォトニクス細線導波路で形成することができ、シリコンフォトニクス細線導波路の長さは、一方の光路Ａを通る光パルスの遅延時間に対応した長さとし、幅は一方の光路Ａを形成するシリコンフォトニクス細線導波路よりも幅広とする。幅は、例えば10倍の幅に設定する。シリコンフォトニクス細線導波路の幅を10倍とした場合には、非線形成分はおよそ1/100のオーダーで低減される。遅延器５を構成するシリコンフォトニクス細線導波路の幅は10倍に限らず、非線形成分の低減の程度に応じて任意に定めることができる。 On the other optical path B branched by the first branching device 2, a delay device 5 for delaying the optical pulse is formed. The delay device 5 can be formed of a silicon photonics thin wire waveguide, and the length of the silicon photonics thin wire waveguide is set to a length corresponding to the delay time of the optical pulse passing through one optical path A, and the width is equal to that of the one optical path A. It is wider than the silicon photonics thin wire waveguide to be formed. For example, the width is set to 10 times the width. When the width of the silicon photonics thin wire waveguide is 10 times, the nonlinear component is reduced to the order of 1/100. The width of the silicon photonics thin wire waveguide constituting the delay device 5 is not limited to 10 times, and can be arbitrarily determined according to the degree of reduction of the nonlinear component.
二つの光路Ａ，Ｂは合流器６で合流し、合流器６で合流した二つの光パルスは非線形検出器７において入射した光パルスの自己相関波形が検出される。 The two optical paths A and B are merged by the merger 6, and the autocorrelation waveform of the incident optical pulse is detected by the nonlinear detector 7 for the two optical pulses merged by the merger 6.
非線形検出器７は、フォトニック結晶スローライト導波路７ａと、フォトニック結晶スローライト導波路７ａの一方の側面にＰ層を、他方の側面にＮ層を形成したＰＮダイオード７ｂとを有した二光子吸収フォトダイオードで構成することができ、一方の光路Ａの光パルスと他方の光路Ｂの遅延時間が走査された光パルスを入力し、光路Ｂの光パルスを走査することによって二つの光パルスが重なるタイミングを順にずらし、入射した光パルスの自己相関波形を検出する。非線形検出器７を構成する二光子吸収フォトダイオードのＰＮダイオード７ｂには、電源８から逆バイアスを印加し、光電子を電流に変換して検出器１０で検出する。検出器１０の検出は、電源８で逆バイアスされた二光子吸収フォトダイオードの光電流を電流計９で検出した検出信号を用いて行う。 The nonlinear detector 7 includes a photonic crystal slow light waveguide 7a and a PN diode 7b having a P layer formed on one side surface and an N layer formed on the other side surface of the photonic crystal slow light waveguide 7a. It can be composed of a photon-absorbing photodiode, and it inputs two optical pulses by scanning an optical pulse in one optical path A and an optical pulse in which the delay time in the other optical path B is scanned, and scanning the optical pulse in the optical path B. Are sequentially shifted, and the autocorrelation waveform of the incident optical pulse is detected. A reverse bias is applied from the power supply 8 to the PN diode 7b of the two-photon absorption photodiode constituting the nonlinear detector 7, and the photoelectron is converted into a current and detected by the detector 10. The detection of the detector 10 is performed using a detection signal obtained by detecting the photocurrent of the two-photon absorption photodiode reversely biased by the power supply 8 with the ammeter 9.
光路Ａ，Ｂ、第１の分岐器２、光遅延走査器３、分散補償器４、遅延器５、合流器６、および非線形検出器７はシリコン基板１００上にシリコンフォトニクス技術を用いて形成することができ、光路Ａ，Ｂ、第１の分岐器２、および合流器６は、シリコンフォトニクス細線導波路により形成される。 The optical paths A and B, the first branching device 2, the optical delay scanner 3, the dispersion compensator 4, the delay device 5, the merger 6, and the nonlinear detector 7 are formed on the silicon substrate 100 by using silicon photonics technology. The optical paths A and B, the first branching device 2, and the merger 6 are formed by silicon photonics thin wire waveguides.
検出器１０は、遅延走査制御器２１が印加する走査信号のタイミングを入力することによって、検出動作を遅延走査に同期して行うことができる。 The detector 10 can perform the detection operation in synchronization with the delay scanning by inputting the timing of the scanning signal applied by the delay scanning controller 21.
光遅延走査器３および分散補償器４と合流器６との間の光路に第２の分岐器１２を設け、一方の分岐した光路を合流器６に接続し、他方の分岐した光路に出力ポート１３を設ける。出力端ポートにはモニタ１４を接続することができる。モニタ１４は通常知られた波形計測器を用いることができ、光遅延走査器３および分散補償器４を通過した光パルスの波形や遅延スペクトルを観察し、得られた結果に基づいて加熱制御器２０の遅延走査制御器２１や分散補償制御器２２が印加する電力量や電力パターンを制御し、光遅延走査器３の遅延時間や分散補償器４の分散補償を調整する。 A second branching device 12 is provided in the optical path between the optical delay scanner 3 and the dispersion compensator 4 and the merger 6, one branched optical path is connected to the merger 6, and an output port is connected to the other branched optical path. 13 is provided. A monitor 14 can be connected to the output port. The monitor 14 can use a generally known waveform measuring instrument, and observes the waveform and delay spectrum of the optical pulse that has passed through the optical delay scanner 3 and the dispersion compensator 4, and based on the obtained results, the heating controller The power amount and power pattern applied by the 20 delay scanning controllers 21 and the dispersion compensation controller 22 are controlled to adjust the delay time of the optical delay scanner 3 and the dispersion compensation of the dispersion compensator 4.
[フォトニック結晶スローライト導波路の構成例]
図２を用いてフォトニック結晶スローライト導波路の構成例について説明する。フォトニック結晶の導波路は、円孔の直径や位置、導波路の幅や屈折率等の構造パラメータを調整することによって光の群速度を低下させて遅延を生じさせることができる。
[Configuration example of photonic crystal slow light waveguide]
A configuration example of the photonic crystal slow light waveguide will be described with reference to FIG. The waveguide of the photonic crystal can cause a delay by reducing the group velocity of light by adjusting the structural parameters such as the diameter and position of the circular hole, the width and the refractive index of the waveguide.
図２に示すフォトニック結晶スローライト導波路３０（３ａ，４ａ）は、高屈折率媒体３１の薄膜に円孔３２を二次元配置してなるＰＣクラブ３３に、一列の円孔のない領域を形成して線欠陥を設け、この線欠陥を線欠陥導波路３４とする構成において、線欠陥導波路３４から三列目の円孔を格子シフトさせる構造（LSPCW）である。図２に示すフォトニック結晶スローライト導波路では、円孔３２の径は２ｒとし、隣接する円孔３２間の間隔をａとし、格子シフト量をｓとしている。 The photonic crystal slow light waveguide 30 (3a, 4a) shown in FIG. 2 has a region without a row of circular holes in a PC club 33 formed by two-dimensionally arranging circular holes 32 in a thin film of a high refractive index medium 31. In the configuration in which a line defect is formed and this line defect is used as the line defect waveguide 34, a structure (LSPCW) in which the circular holes in the third row from the line defect waveguide 34 are lattice shifted. In the photonic crystal slow light waveguide shown in FIG. 2, the diameter of the circular hole 32 is 2r, the interval between adjacent circular holes 32 is a, and the lattice shift amount is s.
フォトニック結晶スローライト導波路の一例は、長さが３００μｍ、スラブ幅が２２０ｎｍ、格子定数が４８０ｎｍ、円孔直径が２５０ｎｍ、シフト量が８０ｎｍである。なお、この数値は一例であって、これに限定されるものではない。 An example of the photonic crystal slow light waveguide has a length of 300 μm, a slab width of 220 nm, a lattice constant of 480 nm, a circular hole diameter of 250 nm, and a shift amount of 80 nm. In addition, this numerical value is an example, Comprising: It is not limited to this.
[光遅延走査器および分散補償器の構成例]
図３（ａ）を用いて光遅延走査器および分散補償器の構成例について説明する。光遅延走査器３と分散補償器４は同様の構成とすることができる。ここでは、光遅延走査器３を例にして説明する。
[Configuration example of optical delay scanner and dispersion compensator]
A configuration example of the optical delay scanner and the dispersion compensator will be described with reference to FIG. The optical delay scanner 3 and the dispersion compensator 4 can have the same configuration. Here, the optical delay scanner 3 will be described as an example.
光遅延走査器３は、フォトニック結晶スローライト導波路３ａの両側面に導波路に沿って複数の加熱器３ｂを配置し集積する。複数の加熱器３ｂは加熱体を構成する抵抗線を備え、抵抗線の一端は共通ライン３ｅに接続し、抵抗線の他端を制御ライン３ｆに接続する。制御ライン３ｆへの印加を制御することによって、加熱する加熱器３ｂを選択する他、加熱器３ｂの加熱温度を制御することができる。各加熱器３ｂは個別に制御することができ、フォトニック結晶スローライト導波路３ａに配置された複数の加熱器を制御することによって、加熱パターンを制御することができる。 The optical delay scanner 3 arranges and integrates a plurality of heaters 3b along the waveguide on both side surfaces of the photonic crystal slow light waveguide 3a. The plurality of heaters 3b are provided with a resistance wire constituting a heating body, one end of the resistance wire is connected to the common line 3e, and the other end of the resistance wire is connected to the control line 3f. By controlling the application to the control line 3f, the heating temperature of the heater 3b can be controlled in addition to selecting the heater 3b to be heated. Each heater 3b can be controlled individually, and the heating pattern can be controlled by controlling a plurality of heaters arranged in the photonic crystal slow light waveguide 3a.
抵抗線のフォトニック結晶スローライト導波路３ａ側を除く周囲にエアースロット３ｄ等の空気孔を設け、抵抗線からの外部への放熱を低減し、加熱効率を向上させると共に熱分離を行う。 An air hole such as an air slot 3d is provided around the resistance wire except the photonic crystal slow light waveguide 3a side to reduce heat radiation from the resistance wire to the outside, thereby improving heating efficiency and heat separation.
また、フォトニック結晶スローライト導波路３ａおよび加熱器３ｂが設けられた基板底面にはペルチェ素子等による冷却器３ｃを形成し、冷却器３ｃを駆動することによって加熱されたフォトニック結晶スローライト導波路３ａおよび加熱器３ｂを冷却することができる。 Further, a cooler 3c made of a Peltier element or the like is formed on the bottom surface of the substrate on which the photonic crystal slow light waveguide 3a and the heater 3b are provided, and the photonic crystal slow light guide heated by driving the cooler 3c is introduced. The waveguide 3a and the heater 3b can be cooled.
[二光子吸収フォトダイオードの構成例]
図３（ｂ）を用いて二光子吸収フォトダイオードの構成例について説明する。非線形検出器７の二光子吸収フォトダイオードは、フォトニック結晶スローライト導波路７ａの一方の側面にＰ層７ｃを、他方の側面にＮ層７ｄを積層してＰＮダイオード７ｂを形成することによって構成することができる。
[Configuration example of two-photon absorption photodiode]
A configuration example of a two-photon absorption photodiode will be described with reference to FIG. The two-photon absorption photodiode of the nonlinear detector 7 is configured by forming a PN diode 7b by laminating a P layer 7c on one side of the photonic crystal slow light waveguide 7a and an N layer 7d on the other side. can do.
二光子吸収フォトダイオードを構成するフォトニック結晶スローライト導波路の一例は、長さが４００μｍ、格子定数が４５０ｎｍ、円孔直径が２６０ｎｍ、シフト量が８０ｎｍである。なお、この数値は一例であって、これに限定されるものではない。二光子吸収フォトダイオードは、ＳＯＩ基板上においてフォトニック結晶スローライト導波路を挟んでＳｉ層にｐとｎをドーピングすることによって二光子吸収フォトダイオードを形成するができる。 An example of the photonic crystal slow light waveguide constituting the two-photon absorption photodiode has a length of 400 μm, a lattice constant of 450 nm, a circular hole diameter of 260 nm, and a shift amount of 80 nm. In addition, this numerical value is an example, Comprising: It is not limited to this. The two-photon absorption photodiode can be formed by doping p and n into the Si layer with the photonic crystal slow light waveguide sandwiched on the SOI substrate.
[光遅延走査器の動作例および遅延特性]
図４〜７を用いて光遅延走査器の動作例および遅延特性について説明する。
図４（ａ）は入射光の光パルスを示し、図４（ｂ）は光遅延走査器の遅延時間を走査させるための走査信号を示し、図４（ｃ）〜（ｅ）は入射光の光パルスを光遅延走査器で遅延走査して得られる遅延した光パルスを示し、図４（ｆ）は入射光の光パルスと遅延した光パルスとの重なり状態を示している。
[Operation example and delay characteristics of optical delay scanner]
An operation example and delay characteristics of the optical delay scanner will be described with reference to FIGS.
4A shows an optical pulse of incident light, FIG. 4B shows a scanning signal for scanning the delay time of the optical delay scanner, and FIGS. 4C to 4E show incident light. A delayed optical pulse obtained by delay scanning the optical pulse with an optical delay scanner is shown, and FIG. 4F shows an overlapping state of the incident optical pulse and the delayed optical pulse.
図４（ｂ）はのこぎり波状の走査信号を示している。のこぎり波状の走査信号は、加熱器に印加する電力を線形増加させる。フォトニック結晶スローライト導波路では、温度の上昇に伴って遅延時間Δτが減少する。したがって、図４（ｂ）に示すのこぎり波状の走査信号を印加することによって、遅延時間Δτが線形減少した遅延した光パルスが得られる。図４（ｃ）〜図４（ｅ）は遅延時間ΔτがΔτ１〜Δτｎに減少する状態を示している。なお、各遅延した光パルスは光パルスが入射する毎に得られ、入射する光パルスの間隔を縮めることによって多数の遅延した光パルスを得ることができる。 FIG. 4B shows a sawtooth scanning signal. The sawtooth scanning signal linearly increases the power applied to the heater. In the photonic crystal slow light waveguide, the delay time Δτ decreases as the temperature increases. Therefore, by applying the sawtooth wave scanning signal shown in FIG. 4B, a delayed optical pulse whose delay time Δτ is linearly reduced can be obtained. 4C to 4E show a state in which the delay time Δτ decreases to Δτ1 to Δτn. Each delayed light pulse is obtained every time the light pulse is incident, and a number of delayed light pulses can be obtained by reducing the interval between the incident light pulses.
図４（ｆ）は、入射した光パルスと遅延した光パルスとの重なり状態を示している。この光パルスの重なりは、遅延した光パルスが得られる度に行われ、走査信号によって遅延光パルスの遅延時間を変えて走査することによって、入射した光パルスについて自己相関波形を得ることができる。 FIG. 4F shows the overlapping state of the incident light pulse and the delayed light pulse. The overlapping of the optical pulses is performed every time a delayed optical pulse is obtained, and by scanning with the scanning signal changing the delay time of the delayed optical pulse, an autocorrelation waveform can be obtained for the incident optical pulse.
図５はのこぎり波状の走査信号を繰り返す場合を示している。入射した光パルスの自己相関波形は、一つののこぎり波状の走査信号によって取得することができるが、この走査信号を繰り返して印加することによって自己相関波形の検出信号を複数個数取得することができ、これら複数個数の検出信号を重ね合わせることによって信号強度を高めＳＮ比を向上させることができる。 FIG. 5 shows a case where a sawtooth scanning signal is repeated. The autocorrelation waveform of the incident optical pulse can be obtained by a single sawtooth scanning signal, but by repeatedly applying this scanning signal, a plurality of detection signals of the autocorrelation waveform can be obtained, By superposing these plural detection signals, the signal intensity can be increased and the SN ratio can be improved.
図５（ａ）は連続して入射する光パルスを示し、図５（ｂ）はのこぎり波状の走査信号の繰り返し信号を示し、図５（ｃ）は冷却器の制御信号示し、図５（ｄ）は遅延時間Δτの変化を示し、図５（ｅ）は自己相関波形の検出信号をそれぞれ模式的に示している。 5 (a) shows a continuously incident light pulse, FIG. 5 (b) shows a repetitive signal of a sawtooth scanning signal, FIG. 5 (c) shows a control signal for the cooler, and FIG. ) Shows a change in the delay time Δτ, and FIG. 5E schematically shows detection signals of the autocorrelation waveform.
冷却器の制御信号は、走査信号による加熱が終了した時点で立ち上がって冷却器の冷却を開始し温度上昇した光遅延走査器を冷却する。光遅延走査器は冷却することで遅延時間Δτを初期状態に戻すことができる。冷却器の制御信号の立ち下がりは、所定の冷却温度まで低下する時間に応じて定めることができる。 The control signal of the cooler rises when heating by the scanning signal is finished, starts cooling the cooler, and cools the optical delay scanner whose temperature has risen. The optical delay scanner can be cooled to return the delay time Δτ to the initial state. The falling edge of the control signal of the cooler can be determined according to the time required for the cooler to fall to a predetermined cooling temperature.
次に、図６、図７の光遅延走査器の加熱チャープによる遅延時間の変化を用いて、遅延特性について説明する。図６は、格子シフト型フォトニック結晶スローライト導波路（ＬＳＰＣＷ）に設けた複数の加熱器の内、対称配置した一組の加熱器によって加熱チャープを与えたときの遅延スペクトルを示している。なお、図６，７において、上方に示される７個のブロックは加熱器を示し、ブロックの濃淡は印加電力を示している。 Next, the delay characteristics will be described using changes in the delay time due to the heating chirp of the optical delay scanner of FIGS. FIG. 6 shows a delay spectrum when a heating chirp is applied by a pair of symmetrically arranged heaters among a plurality of heaters provided in a lattice-shifted photonic crystal slow light waveguide (LSPCW). In FIGS. 6 and 7, the seven blocks shown above indicate heaters, and the shades of the blocks indicate applied power.
このとき得られる遅延スペクトルは、加熱器に印加する電力と遅延時間Δτの波長特性を、印加電力Ｐが０Ｗ、０．６Ｗ、０．７Ｗ、０．９Ｗの場合について示している。この遅延スペクトルによれば、加熱を行わないとき（Ｐ＝０Ｗ）には、ＬＳＰＣＷのフラットバンドの波長が導波路の位置に一致し対応する８８ｐｓの遅延ピークが生じる。一方、加熱すると加熱チャープによってフラットバンドの波長が導波路の位置に応じて変化し、印加電力Ｐが０．９Ｗの場合には遅延ピークが８０ｐｓまで減少すると共に波長方向に広がり、長波長側の低分散領域の遅延が増加する。 The delay spectrum obtained at this time shows the wavelength characteristics of the power applied to the heater and the delay time Δτ when the applied power P is 0 W, 0.6 W, 0.7 W, and 0.9 W. According to this delay spectrum, when heating is not performed (P = 0 W), the flat band wavelength of LSPCW coincides with the position of the waveguide, and a corresponding delay peak of 88 ps occurs. On the other hand, when heated, the wavelength of the flat band changes according to the position of the waveguide due to the heating chirp. When the applied power P is 0.9 W, the delay peak decreases to 80 ps and spreads in the wavelength direction, Increased delay in low dispersion regions.
図６に示す例は複数の加熱器の内の対称配置した一組の加熱器によって加熱チャープを形成した場合を示しているが、格子シフト型フォトニック結晶スローライト導波路（ＬＳＰＣＷ）に設けた複数の加熱器に印加する電力パターンを異ならせることによっても加熱チャープを形成することができる。 The example shown in FIG. 6 shows a case where a heating chirp is formed by a pair of heaters arranged symmetrically among a plurality of heaters, but is provided in a lattice-shifted photonic crystal slow light waveguide (LSPCW). The heating chirp can also be formed by changing the power pattern applied to the plurality of heaters.
図７は、格子シフト型フォトニック結晶スローライト導波路（ＬＳＰＣＷ）に設けた複数の加熱器の印加する電力のパターンによる遅延スペクトル変化を示している。 FIG. 7 shows a change in delay spectrum due to the pattern of power applied by a plurality of heaters provided in a lattice-shifted photonic crystal slow light waveguide (LSPCW).
図７（ａ）は加熱を行わない場合の遅延スペクトルを示し、図７（ｂ）〜図７（ｅ）は複数の加熱器の印加する電力量を異ならせた場合の遅延スペクトルを示している。図７（ａ）の遅延スペクトルでは遅延時間は37psであり、図７（ｅ）の遅延スペクトルは54psである。 FIG. 7A shows a delay spectrum when no heating is performed, and FIGS. 7B to 7E show a delay spectrum when different amounts of electric power are applied to a plurality of heaters. . In the delay spectrum of FIG. 7A, the delay time is 37 ps, and the delay spectrum of FIG. 7E is 54 ps.
本発明の光遅延走査器は、この加熱チャープの遅延特性を用い、加熱状態を制御することによって遅延時間を順に走査することができる。 The optical delay scanner of the present invention can sequentially scan the delay times by controlling the heating state using the delay characteristic of the heating chirp.
[分散補償器の分散特性]
次に、図８の分散補償器の加熱チャープによる遅延時間の分散特性について説明する。図８は、格子シフト型フォトニック結晶スローライト導波路（ＬＳＰＣＷ）に設けた複数の加熱器の電力パターンを異ならせることで形成される加熱チャープによる遅延スペクトルを示し、種々の遅延時間の分散特性が得られることを示している。
[Dispersion characteristics of dispersion compensator]
Next, dispersion characteristics of delay time due to heating chirp of the dispersion compensator of FIG. 8 will be described. FIG. 8 shows delay spectra due to heating chirps formed by different power patterns of a plurality of heaters provided in a lattice-shifted photonic crystal slow light waveguide (LSPCW), and dispersion characteristics of various delay times Is obtained.
図８において1550nm付近の3nmの波長幅についてみると、複数の加熱器に印加する電力パターンによって-10〜17ps/nm（-32〜54ps/nm/mm）の遅延分散が得られる。 In FIG. 8, regarding the wavelength width of 3 nm near 1550 nm, delay dispersion of −10 to 17 ps / nm (−32 to 54 ps / nm / mm) is obtained depending on the power pattern applied to the plurality of heaters.
本発明の分散補償器は、光遅延走査器や光路で発生した遅延分散と逆特性の分散特性を形成することによって分散補償を行うことができる。分散補償は、図１に示した第２の分岐器１２で分岐した光パルスを出力ポート１３に接続したモニタ１４で観察し、観察結果に基づいて加熱制御器２０の遅延走査制御器２１や分散補償制御器２２が印加する電力量や電力パターンを制御することによって、光遅延走査器３の遅延時間や分散補償器４の分散補償を調整することで行うことができる。 The dispersion compensator of the present invention can perform dispersion compensation by forming a dispersion characteristic opposite to the delay dispersion generated in the optical delay scanner or the optical path. In dispersion compensation, an optical pulse branched by the second branching device 12 shown in FIG. 1 is observed by a monitor 14 connected to the output port 13, and based on the observation result, the delay scanning controller 21 of the heating controller 20 or the dispersion is observed. This can be achieved by adjusting the delay time of the optical delay scanner 3 and the dispersion compensation of the dispersion compensator 4 by controlling the amount of power and the power pattern applied by the compensation controller 22.
[二光子吸収フォトダイオードの動作例]
図９，１０を用いて二光子吸収フォトダイオードの動作例について説明する。図９は、二光子吸収フォトダイオードに入力する光パルスのパワーＰに対する光電流の出力を示している。図９の８×１０−５＜Ｐ＜３×１０−４Ｗの領域は二光子吸収フォトダイオードに由来する二次関数特性を有し、この領域の線形領域の感度は０．０２１Ａ／Ｗである。
[Operation example of two-photon absorption photodiode]
An operation example of the two-photon absorption photodiode will be described with reference to FIGS. FIG. 9 shows the output of the photocurrent with respect to the power P of the optical pulse input to the two-photon absorption photodiode. The region of 8 × 10 −5 <P <3 × 10 −4 W in FIG. 9 has a quadratic function characteristic derived from the two-photon absorption photodiode, and the sensitivity of the linear region of this region is 0.021 A / W. is there.
本発明の非線形検出器は、二光子吸収フォトダイオードの特性を利用して自己相関波形を検出する。 The nonlinear detector of the present invention detects an autocorrelation waveform using the characteristics of a two-photon absorption photodiode.
図１０は異なる幅の光パルスについて、本発明の光相関計と市販の相関計とで測定した結果を示している。図中の円印は本発明の光相関計による測定結果を表し、実線は市販の相関計による測定結果を示している。 FIG. 10 shows the results of measurement using an optical correlator of the present invention and a commercially available correlator for optical pulses having different widths. The circles in the figure represent the measurement results obtained with the optical correlator of the present invention, and the solid line represents the measurement results obtained with a commercially available correlator.
[光相関計の遅延器の構成例及びモニタの構成例]
光相関計の光路Ｂ上に形成される遅延器５の構成例及びモニタの構成例について図１１を用いて説明する。
図１１（ａ）に示す遅延器５Ａは、シリコンフォトニクス細線導波路の線幅を一方の光路Ａを形成するシリコンフォトニクス細線導波路よりも幅広とすると共に、線路長を一方の光路Ａを通る光パルスの遅延時間に対応した長さとする。
[Configuration example of optical correlator delay unit and monitor configuration]
A configuration example of the delay device 5 and a configuration example of the monitor formed on the optical path B of the optical correlator will be described with reference to FIG.
The delay device 5A shown in FIG. 11A makes the line width of the silicon photonics thin line waveguide wider than that of the silicon photonics thin line waveguide forming one optical path A, and the line length of the light passing through the one optical path A. The length corresponds to the delay time of the pulse.
線路長を一方の光路Ａを通る光パルスの遅延時間に対応した長さとすることによって、分岐した２つの光路Ａ，Ｂの光パルスの光路の通過に伴う時間遅れを合わせることができる。 By setting the line length to a length corresponding to the delay time of the optical pulse passing through one optical path A, the time delay associated with the passage of the optical pulses of the two branched optical paths A and B can be matched.
図１１（ｂ）に示す遅延器５Ｂは、光遅延走査器３と同様の構成からなる遅延器とシリコンフォトニクス細線導波路とによって構成する。光遅延走査器３と同構成の加熱器に一定の電力を印加することによって所定量の遅延を生じさせる。また、遅延器と第１の分岐器２および合流器６とをつなぐシリコンフォトニクス細線導波路の線幅を一方の光路Ａを形成するシリコンフォトニクス細線導波路よりも幅広とする。 The delay device 5B shown in FIG. 11B is configured by a delay device having the same configuration as that of the optical delay scanner 3 and a silicon photonics thin wire waveguide. A predetermined amount of delay is generated by applying a constant power to a heater having the same configuration as that of the optical delay scanner 3. The line width of the silicon photonics thin line waveguide connecting the delay unit, the first branching device 2 and the merger 6 is made wider than that of the silicon photonics thin line waveguide forming one optical path A.
遅延器の遅延時間を一方の光路Ａを通る光パルスの遅延時間に対応した長さとすることによって、分岐した２つの光路Ａ，Ｂの光パルスの光路の通過に伴う時間遅れを合わせることができる。 By setting the delay time of the delay device to a length corresponding to the delay time of the optical pulse passing through one optical path A, it is possible to match the time delay associated with the passage of the optical pulses of the two branched optical paths A and B. .
図１１（ｃ）はモニタの構成例を示す図である。第２の分岐器１２の他方の分岐端の出力ポート１３に接続するモニタ１４として二光子吸収フォトダイオード１４Ａを用いる。光パルスの幅はパルスのピーク電力に反比例し、二光子吸収フォトダイオードの検出電流はピーク電力に比例するという性質があるため、モニタとして二光子吸収フォトダイオードを用いる構成とすることによって、分散補償量をモニタすることができる。 FIG. 11C is a diagram illustrating a configuration example of a monitor. A two-photon absorption photodiode 14A is used as the monitor 14 connected to the output port 13 at the other branch end of the second branching device 12. Since the width of the light pulse is inversely proportional to the peak power of the pulse and the detection current of the two-photon absorption photodiode is proportional to the peak power, dispersion compensation is achieved by using a two-photon absorption photodiode as a monitor. The amount can be monitored.
なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。 The present invention is not limited to the embodiments described above. Various modifications can be made based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
本発明の光相関計は、光通信、データ通信、光計測、ＬＳＩチップの内外を光接続する光インターコネクションの光デバイス等に適用することができる。 The optical correlator of the present invention can be applied to optical communication, data communication, optical measurement, an optical device for optical interconnection for optically connecting the inside and outside of an LSI chip, and the like.
１ 光相関計
２ 分岐器
３ 光遅延走査器
３ａ フォトニック結晶スローライト導波路
３ｂ 加熱器
３ｃ 冷却器
３ｄ エアースロット
３ｅ 共通ライン
３ｆ 制御ライン
４ 分散補償器
４ａ フォトニック結晶スローライト導波路
４ｂ 加熱器
５ 遅延器
５Ａ 遅延器
５Ｂ 遅延器
６ 合流器
７ 非線形検出器
７ａ フォトニック結晶スローライト導波路
７ｂ ダイオード
７ｃ Ｐ層
７ｄ Ｎ層
８ 電源
９ 電流計
１０ 検出器
１１ スポットサイズ変換器
１２ 分岐器
１３ 出力ポート
１４ モニタ
１４Ａ 二光子吸収フォトダイオード
２０ 加熱制御器
２１ 遅延走査制御器
２２ 分散補償制御器
３０ フォトニック結晶スローライト導波路
３１ 高屈折率媒体
３２ 円孔
３３ ＰＣクラブ
３４ 線欠陥導波路
１００ シリコン基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical correlator 2 Branch device 3 Optical delay scanner 3a Photonic crystal slow light waveguide 3b Heater 3c Cooler 3d Air slot 3e Common line 3f Control line 4 Dispersion compensator 4a Photonic crystal slow light waveguide 4b Heater DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 Delay device 5A Delay device 5B Delay device 6 Merger 7 Non-linear detector 7a Photonic crystal slow light waveguide 7b Diode 7c P layer 7d N layer 8 Power supply 9 Ammeter 10 Detector 11 Spot size converter 12 Branch device 13 Output Port 14 Monitor 14A Two-photon absorption photodiode 20 Heating controller 21 Delay scanning controller 22 Dispersion compensation controller 30 Photonic crystal slow light waveguide 31 High refractive index medium 32 Circular hole 33 PC club 34 Line defect waveguide 100 Silicon substrate
Claims (6)
入射した光パルスを二つの光路に分岐する第１の分岐器と、
前記第１の分岐器で分岐された一方の光路上に直列配置する、光パルスの群速度の遅延時間を可変とする光遅延走査器、および光パルスの波長に対する遅延分散を補償する分散補償器と、
前記第１の分岐器で分岐された他方の光路上に配置する、光パルスを遅延させる遅延器と、
前記二つの光路を合流する合流器と、
前記合流器で合流した二つの光パルスに基づいて、入射した光パルスの自己相関波形を検出する非線形検出器とを備え、
前記光路、前記第１の分岐器、前記光遅延走査器、前記分散補償器、前記遅延器、前記合流器、および前記非線形検出器はシリコン基板上に形成され、
前記光路、前記第１の分岐器、および前記合流器は、シリコンフォトニクス細線導波路により形成され、
前記光遅延走査器および前記分散補償器は、低群速度を有するフォトニック結晶スローライト導波路、および当該フォトニック結晶スローライト導波路に沿って配置した複数の加熱器を集積して備え、
前記光遅延走査器は、前記加熱器の加熱温度の時間的変化によってフォトニック結晶スローライト導波路の群速度の遅延時間を走査し、
前記分散補償器は、前記複数の加熱器の温度分布による遅延分散特性によってフォトニック結晶スローライト導波路の遅延分散を補償し、
前記遅延器は、当該遅延器を形成するシリコンフォトニクス細線導波路において、前記一方の光路を通る光パルスの遅延時間に対応した長さであり、前記一方の光路を形成するシリコンフォトニクス細線導波路よりも幅広であり、
前記非線形検出器は、フォトニック結晶スローライト導波路と、当該フォトニック結晶スローライト導波路の一方の側にＰ層を他方の側にＮ層を有したＰＮダイオードとを有した二光子吸収フォトダイオードを備え、一方の光路の光パルスと他方の光路の遅延時間が走査された光パルスとから入射した光パルスの自己相関波形を検出することを特徴とする、光相関計。 Of the two optical pulses obtained by splitting the optical pulse into two optical paths, the optical pulse is delayed while changing the delay time of the group velocity of one optical pulse, and then combined with the other optical pulse, and the combined optical pulse is nonlinear In an autocorrelator that obtains an autocorrelation waveform of an optical pulse by detecting with a detector of
A first branching device for branching an incident optical pulse into two optical paths;
An optical delay scanner arranged in series on one of the optical paths branched by the first branching unit, wherein the delay time of the group velocity of the optical pulse is variable, and a dispersion compensator for compensating delay dispersion with respect to the wavelength of the optical pulse When,
A delay device arranged on the other optical path branched by the first branching device for delaying an optical pulse;
A merger that merges the two optical paths;
A non-linear detector for detecting an autocorrelation waveform of an incident optical pulse based on two optical pulses merged by the merger;
The optical path, the first branching device, the optical delay scanner, the dispersion compensator, the delay device, the merger, and the nonlinear detector are formed on a silicon substrate,
The optical path, the first branching unit, and the merger are formed by a silicon photonics thin wire waveguide,
The optical delay scanner and the dispersion compensator comprise a photonic crystal slow light waveguide having a low group velocity, and a plurality of heaters arranged along the photonic crystal slow light waveguide.
The optical delay scanner scans the delay time of the group velocity of the photonic crystal slow light waveguide according to the temporal change of the heating temperature of the heater,
The dispersion compensator compensates for delay dispersion of the photonic crystal slow light waveguide by delay dispersion characteristics due to temperature distribution of the plurality of heaters,
The delay device has a length corresponding to a delay time of an optical pulse passing through the one optical path in the silicon photonics thin wire waveguide forming the delay device, and is longer than the silicon photonics thin wire waveguide forming the one optical path. Is also wide,
The nonlinear detector includes a photonic crystal slow light waveguide and a two-photon absorption photo having a PN diode having a P layer on one side and an N layer on the other side of the photonic crystal slow light waveguide. An optical correlator comprising a diode and detecting an autocorrelation waveform of an incident optical pulse from an optical pulse of one optical path and an optical pulse scanned with a delay time of the other optical path.
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