JP6041264B2

JP6041264B2 - 光相関計

Info

Publication number: JP6041264B2
Application number: JP2013044163A
Authority: JP
Inventors: 馬場　俊彦; 俊彦馬場; 徳洋石倉; 涼早川
Original assignee: Yokohama National University NUC
Current assignee: Yokohama National University NUC
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2033-03-06
Also published as: JP2014173873A

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。

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。

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。

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）。

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。

特開２００３−１０６９０３号公報（段落［0003］,［0004］）

"集積ヒーターによるフォトニック結晶スローライトデバイスの遅延チューニング"早川涼、石倉徳洋、新川瑞季、馬場俊彦、応用物理学会春季講演会、No.26a-KA-11,2011 "ｐｎ接合付きフォトニック結晶導波路二光子吸収フォトダイオードと光パルス相関測定への応用（II）−相関波形の観測−"早川涼、石倉徳洋、Hong.C.Nguyen、馬場俊彦、応用物理学会春期講演会、no.15p-E5-14,2012

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の光相関計の構成例を説明するための図である。フォトニック結晶スローライト導波路の構成例を説明するための図である。本発明の光遅延走査器および分散補償器の構成例を説明するための図である。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するための図である。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するための図である。本発明の光遅延走査器の遅延特性を説明するための図である。本発明の光遅延走査器の遅延特性を説明するための図である。本発明の分散補償器の分散特性を説明するための図である。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するための図である。発明の光相関計による検出例を説明するための図である。本発明の光相関計の遅延器の構成例及びモニタの構成例を説明するための図である。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

[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。

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。

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。

[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。

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。

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。

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。

[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。

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。

[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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

[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。

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。

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。

[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。

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。

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。

[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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
７ｃＰ層
７ｄＮ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
３３ＰＣクラブ
３４線欠陥導波路
１００シリコン基板

Claims

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、
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。
前記光遅延走査器は、前記加熱手段をのこぎり波状の走査信号により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変化させ、前記光パルスの遅延時間を線形可変することを特徴とする、請求項１に記載の光相関計。
前記光遅延走査器は、前記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、当該冷却器は前記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所定の温度状態に戻すことを特徴とする、請求項２に記載の光相関計。
前記二光子吸収フォトダイオードは、当該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はシリコンフォトニクス細線導波路を介して前記合流器側に接続し、フォトニック結晶スローライト導波路の他端は端部を自由端とするシリコンフォトニクス細線導波路を接続することを特徴とする、請求項２に記載の光相関計。
前記一方の光路は、シリコン基板上において前記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の分岐器を備え、当該第２の分岐器の一方の分岐端を前記合流器の接続端とし、当該第２の分岐器の他方の分岐端をモニタの接続端とすることを特徴とする、請求項２に記載の光相関計。
前記モニタは二光子吸収フォトダイオードで構成することを特徴とする、請求項５に記載の光相関計。