JP7409642B2 - Optical resonator and optical pulse generator using the same - Google Patents
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Description
本発明は、光共振器、及びこれを用いた光パルス発生装置に関し、特にウィスパリングギャラリーモードで動作する光共振器と、これを用いた光パルス発生装置に関する。 The present invention relates to an optical resonator and an optical pulse generator using the same, and more particularly to an optical resonator that operates in whispering gallery mode and an optical pulse generator using the same.
誘電体材料で形成されるウィスパリングギャラリーモード(ささやき回廊モード)光共振器が研究されている。ウィスパリングギャラリーモードは、球、円形ディスク等の表面近傍を周回する光の固有モードで、微小な領域への光の閉じ込めが可能である。 Whispering gallery mode optical resonators formed from dielectric materials have been studied. Whispering gallery mode is an eigenmode of light that orbits near the surface of a sphere, circular disk, etc., and it is possible to confine light in a minute area.
ウィスパリングギャラリーモード光共振器として、楕円の短軸を中心軸として回転させた回転楕円体や(たとえば、特許文献1参照)、シリコンウェハ上のSiO2膜をエッチングやレーザーリフロー加工して得られるトロイダルキャビティ型のシリカディスク(たとえば、非特許文献1参照)が知られている。 Whispering gallery mode optical resonators can be obtained by etching or laser reflow processing a spheroid rotated around the short axis of the ellipse (for example, see Patent Document 1), or a SiO 2 film on a silicon wafer. A toroidal cavity type silica disk (for example, see Non-Patent Document 1) is known.
これらの光共振器では、回転楕円体またはシリカディスクの円周に沿った側面は所定の曲率で湾曲している。光共振器に入射して、特定のウィスパリングギャラリーモードに共鳴した光は、湾曲した側壁を持つ円周に沿って周回し、干渉により増幅される。 In these optical resonators, the circumferential side of the spheroid or silica disk is curved with a predetermined curvature. Light that enters the optical resonator and resonates with a specific whispering gallery mode circulates along the circumference with curved side walls and is amplified by interference.
近年、周波数軸上に等間隔で狭線幅の光スペクトルが並んだ光周波数コム光源が実用化されている。光周波数コム光源の中でも、細くテーパにしたエアクラッド導波路を用いてウィスパリングギャラリーモード光共振器へ連続レーザー光を入力し、四光波混合光を発生させることで光周波数コム光出力を得る構成が知られている(たとえば、特許文献2参照)。このような光周波数コム光源は、小型で高集積化が容易、繰り返し周波数が高い、などの理由から、光通信や距離計測などに適用されつつある。 In recent years, optical frequency comb light sources in which narrow linewidth optical spectra are arranged at equal intervals on the frequency axis have been put into practical use. Among optical frequency comb light sources, this configuration uses a thinly tapered air-clad waveguide to input continuous laser light into a whispering gallery mode optical resonator, and generates four-wave mixing light to obtain optical frequency comb light output. is known (for example, see Patent Document 2). Such optical frequency comb light sources are being applied to optical communications, distance measurement, and the like because they are small, easy to integrate, and have a high repetition frequency.
精密切削機械により誘電体結晶でウィスパリングギャラリーモードマイクロキャビティを作製する手法が提案されている(たとえば、非特許文献2参照)。この文献では、光の周回面と直交する面(または周回の中心軸を含む面)で切ったときの断面形状が三角形のマイクロキャビティが形成されている。 A method has been proposed in which a whispering gallery mode microcavity is manufactured using a dielectric crystal using a precision cutting machine (see, for example, Non-Patent Document 2). In this document, a microcavity is formed that has a triangular cross-sectional shape when cut along a plane perpendicular to the plane of light circulation (or a plane including the central axis of circulation).
ウィスパリングギャラリーモード光共振器を用いて光周波数コムを発生するためには、高い光閉じ込め性能(高Q値)を有することと、異常分散を有することを、同時に満たさなくてはならない。 In order to generate an optical frequency comb using a whispering gallery mode optical resonator, it is necessary to simultaneously have high optical confinement performance (high Q value) and anomalous dispersion.
上記の要件に加えて、光周波数コム光源の繰り返し周波数は、ウィスパリングギャラリーモード光共振器の自由スペクトル間隔(FSR:Free Spectral Range)に一致することが知られており、繰り返し周波数を高くするために、共振器の小型化が求められる。たとえば、光通信で用いられる100GHzの繰り返し周波数の光パルス列をフッ化マグネシウム(MgF2)のウィスパリングギャラリーモード光共振器で実現するためには、光共振器の中心から外周までの距離(半径)を350μmにする必要がある。 In addition to the above requirements, it is known that the repetition frequency of an optical frequency comb light source matches the free spectral range (FSR) of a whispering gallery mode optical resonator, which increases the repetition frequency. Therefore, there is a need for smaller resonators. For example, in order to realize an optical pulse train with a repetition frequency of 100 GHz used in optical communication in a whispering gallery mode optical resonator made of magnesium fluoride (MgF 2 ), the distance (radius) from the center of the optical resonator to the outer periphery must be needs to be 350 μm.
特許文献1、特許文献2、及び非特許文献1の湾曲側壁を持つウィスパリングギャラリーモード光共振器を小型化するために共振器の直径を小さくすると、光通信波長帯(1500nmから1600nmの光波長)で異常分散を維持することが困難になる。非特許文献2においても、断面三角形のマイクロキャビティは正常分散を有する。
In order to miniaturize the whispering gallery mode optical resonator with curved side walls of
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、小型化され、かつ使用波長帯域にわたって光周波数コムの発生に必要な異常分散が維持されるウィスパリングギャラリーモードの光共振器と、これを用いた光パルス発生装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and includes a whispering gallery mode optical resonator that is miniaturized and maintains the anomalous dispersion necessary for generating an optical frequency comb over the used wavelength band; The purpose of the present invention is to provide an optical pulse generator using the present invention.
ウィスパリングギャラリーモードで動作する光共振器は、
光学結晶で形成された回転対称形の本体を有し、
前記本体は、外周に沿って光閉じ込め部を有し、
前記光閉じ込め部は、回転の中心軸を含む平面で切ったときに前記中心軸から離れる方向に突出する台形の断面形状を有し、
前記台形の上底の長さ(L1)は、2μm以上、7μm未満(2μm≦L1<7μm)であり、
前記本体の前記中心軸から前記上底までのサイズは、100GHz以上の自由スペクトル間隔を与えるサイズである。
Optical resonators operating in whispering gallery mode are
It has a rotationally symmetrical body made of optical crystal,
The main body has a light confinement part along the outer periphery,
The optical confinement portion has a trapezoidal cross-sectional shape that projects in a direction away from the central axis when cut along a plane that includes the central axis of rotation,
The length (L1) of the upper base of the trapezoid is 2 μm or more and less than 7 μm (2 μm≦L1<7 μm),
The size from the central axis to the top base of the main body is a size that provides a free spectral spacing of 100 GHz or more.
小型化され、かつ使用波長帯域にわたって光周波数コムの発生に必要な異常分散が維持される、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器が実現される。この光共振器を用いることで、100GHzまたはそれよりも高い繰り返し周波数で光パルスを発生する光周波数コム光源が実現される。 A whispering gallery mode optical resonator is realized which is miniaturized and maintains the anomalous dispersion necessary for generating an optical frequency comb over the used wavelength band. By using this optical resonator, an optical frequency comb light source that generates optical pulses at a repetition frequency of 100 GHz or higher is realized.
実施形態の光共振器の具体的な構成を説明する前に、従来のウィスパリングギャラリーモード光共振器を波長間隔100GHzのDWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing:密な波長多重)に適用するときに生じる問題点をより詳しく説明する。 Before explaining the specific configuration of the optical resonator of the embodiment, we will explain the problems that occur when applying a conventional whispering gallery mode optical resonator to DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) with a wavelength spacing of 100 GHz. Let me explain this point in more detail.
図1は、従来のウィスパリングギャラリーモード共振器の分散状態の共振器サイズ依存性を示す図である。上述した特許文献1、2、及び非特許文献1のウィスパリングギャラリーモード共振器では、その構成または作製プロセスにより、光周回面と直交する面で切ったときの外周部の断面形状は、円弧またはU字型になる。円弧状の断面形状を有するウィスパリングギャラリーモード光共振器を光学結晶で作製したときの分散状態を調べる。
FIG. 1 is a diagram showing the resonator size dependence of the dispersion state of a conventional whispering gallery mode resonator. In the whispering gallery mode resonators of
上述のように、ウィスパリングギャラリーモード光共振器を用いて光周波数コムを発生させるためには、高い光閉じ込め性能(高Q値)と異常分散を同時に満たす必要がある。異常分散とは、波長が長くなると媒質の屈折率や実効屈折率が大きくなる分散をいう。分散は、群速度分散(ピコ秒2/km)で表され、群速度分散が正のときは正常分散、負のときは異常分散となる。ウィスパリングギャラリーモード光共振器を用いて等間隔にピークが並ぶ光周波数コムを発生させるためには、使用波長帯域にわたって異常分散が維持されていなければならない。 As described above, in order to generate an optical frequency comb using a whispering gallery mode optical resonator, it is necessary to simultaneously satisfy high optical confinement performance (high Q value) and anomalous dispersion. Anomalous dispersion refers to dispersion in which the refractive index or effective refractive index of a medium increases as the wavelength increases. The dispersion is expressed by group velocity dispersion (picosecond 2 /km), and when the group velocity dispersion is positive, it is normal dispersion, and when it is negative, it is anomalous dispersion. In order to generate an optical frequency comb with equally spaced peaks using a whispering gallery mode optical resonator, anomalous dispersion must be maintained over the wavelength band used.
一方、発生させる光周波数コムの繰り返し周波数を100GHzまたはそれよりも高くするためには、光共振器のサイズを小さくすればよい。MgF2の光共振器の場合、100GHzまたはそれよりも高い繰り返し周波数を達成する場合、半径Rは350μm以下となる。従来構成の回転楕円体や、トロイダル型のシリカ共振器では、光共振器の外周の垂直断面は円弧となるので、円弧の曲率半径を25μmとして、半径R=350μmの光共振器の分散を計算する。 On the other hand, in order to increase the repetition frequency of the optical frequency comb to be generated to 100 GHz or higher, the size of the optical resonator may be reduced. In the case of a MgF 2 optical resonator, the radius R will be 350 μm or less if a repetition frequency of 100 GHz or higher is to be achieved. In conventional spheroidal or toroidal silica resonators, the vertical cross section of the outer periphery of the optical resonator is a circular arc, so assuming the radius of curvature of the arc is 25 μm, calculate the dispersion of an optical resonator with radius R = 350 μm. do.
計算の結果、図1に示すように、光通信で用いられる光波長1500nm~1550nmの領域で正常分散になることがわかる。 As a result of the calculation, as shown in FIG. 1, it is found that normal dispersion occurs in the optical wavelength range of 1500 nm to 1550 nm used in optical communications.
光共振器の半径Rを大きくすることで、光通信帯域で異常分散が維持されるが、半径Rを大きくするとFSRが小さくなって、光周波数コム繰り返し周波数が低下する。 By increasing the radius R of the optical resonator, anomalous dispersion is maintained in the optical communication band, but increasing the radius R decreases the FSR and lowers the optical frequency comb repetition frequency.
以下の実施形態では、ウィスパリングギャラリーモードで動作する光共振器で100GHz以上の繰り返し周波数に相当するFSRを持つサイズに維持し、かつ、光通信波長帯にわたって異常分散条件を満たす光共振器を提供する。 The following embodiments provide an optical resonator that operates in whispering gallery mode, maintains a size that has an FSR corresponding to a repetition frequency of 100 GHz or more, and satisfies anomalous dispersion conditions over an optical communication wavelength band. do.
<基本構造>
図2は、実施形態の光共振器201を用いた光パルス発生装置100の模式図である。光パルス発生装置100は、光周波数コム光源として利用される。
<Basic structure>
FIG. 2 is a schematic diagram of the optical pulse generator 100 using the
光パルス発生装置100は、単一波長の光を出力するレーザーダイオード202と、レーザーダイオード202から出力された光を伝搬する光導波路203と、光導波路203に近接して配置される光共振器201を有する。
The optical pulse generator 100 includes a laser diode 202 that outputs light of a single wavelength, an optical waveguide 203 that propagates the light output from the laser diode 202, and an
光導波路203は、光共振器201への光結合部205で細くくびれたテーパ領域を持つ。一例として、125μm径の光ファイバの径を1μm以下に絞ったテーパ光ファイバや、エアクラッド導波路を用いることができる。光導波路203は、その細くしぼられた部分で光共振器201に近接する。光導波路203のテーパ部分からエバネッセント波が染み出し、近接する光共振器201に結合して、単一波長の光が光共振器201に入力される。
The optical waveguide 203 has a narrow tapered region at an optical coupling portion 205 to the
光共振器201に入力された光のうち、光共振器201のウィスパリングギャラリーモードに共鳴する光は、内面を全反射しながら円周方向に周回することで、光共振器201内に閉じ込められる。このとき、光共振器201を構成する光学結晶と入射光との相互作用による四光波混合(FWM:Four-wave Mixing)で、光共振器201の内部で新しい波長の光が発生する。その結果として、光周波数コムが得られる。正常分散の場合はFMWの利得が生じないので新しい波長の光が発生しない。
Of the light input to the
後述するように、実施形態の光共振器201は、使用波長帯域(たとえは光通信波長帯域)にわたって異常分散を示す。光周波数コムが所定のパワーに達したときに、光周波数コムは光共振器201から光導波路203に再結合して、出力される。
As will be described later, the
<光共振器の構成>
図3は、実施形態の光共振器201の構成例を示す。図3の(A)は、フランジ型の光共振器201A、図3の(B)は、ディスク型の光共振器201Bである。光共振器201A、及び201Bは、使用波長に対して透明な光誘電性の光学結晶で形成されている。
<Configuration of optical resonator>
FIG. 3 shows an example of the configuration of the
光学結晶として、CaF2結晶、BaF2結晶、SrF2結晶、MgF2結晶などを用いることができる。これらの中で、CaF2結晶、BaF2結晶、SrF2結晶は熱光学効果と光カー効果による屈折率変化が逆になるが、光周波数コム発生過程を制御することで、使用可能である。実施形態では、MgF2結晶を用いてウィスパリングギャラリーモードの光共振器201A及び201Bを作製する。
As the optical crystal, CaF 2 crystal, BaF 2 crystal, SrF 2 crystal, MgF 2 crystal, etc. can be used. Among these, CaF 2 crystal, BaF 2 crystal, and SrF 2 crystal have opposite refractive index changes due to thermo-optic effect and optical Kerr effect, but they can be used by controlling the optical frequency comb generation process. In the embodiment, whispering gallery mode
上述のように、MgF2結晶を用いて100GHzのFSRを得るための半径Rは350μmであるが、別の材料の光学結晶を用いるときは、100GHzのFSRを得るための半径Rは変わってくる。どの結晶材料(誘電体材料)を用いる場合でも、FSRの間隔が100GHzまたはそれよりも密な間隔になるように半径Rは設計される。 As mentioned above, the radius R for obtaining 100 GHz FSR using MgF 2 crystal is 350 μm, but when using an optical crystal made of another material, the radius R for obtaining 100 GHz FSR changes. . No matter which crystal material (dielectric material) is used, the radius R is designed so that the FSR spacing is 100 GHz or closer.
図3の(A)で、光共振器201Aは中心軸301に対して回転対称な形状を有する。光共振器201Aは、光学結晶のロッドから作製され、円筒211と、円筒211の外周から張り出すフランジ212を有する。フランジ212は、外周に沿った平坦な側面215と、側面215から円筒211の表面に向かって延びる面213を有する。フランジ212は光共振器201Aの光閉じ込め部となり、フランジ212の側面215に沿って光が周回する。
In FIG. 3A, the
図3の(A)では、面213は傾斜面として形成されているが、後述するように、中心軸301と直交する水平面であってもよい。面213が傾斜面のときは、光の周回面と直交する面(または回転の中心軸301を含む面)で切ったときに、フランジ212の断面形状は台形となる。面213が水平面のときは、光の周回面と直交する面(または回転の中心軸301を含む面)で切ったときに、フランジの断面形状は矩形になる。
Although the
ここで、台形は「向かい合った一組の辺が平行な四角形」と定義され、矩形も一組の平行な辺を有するため、台形に含まれる。 Here, a trapezoid is defined as "a quadrilateral with a pair of parallel sides facing each other," and since a rectangle also has a pair of parallel sides, it is included in the trapezoid.
図3の(B)で、光共振器201Bは中心軸301に対して回転対称な形状を有する。光共振器201Bは、ディスク型の本体を有し、上面214T、底面214B、最外周となる側面215、及び、側面215から上面214T及び底面214Bに向かって延びる面213を有する。側面215と面213は、上面214Tと底面214Bから外周側(中心軸301から離れる方向)に向かって張り出した光閉じ込め部216を構成する。光共振器201Bは、たとえば、ウェハから切り出したチップを用いて、側面215、及び側面215から延びる面213の形状を整えることで作製される。
In FIG. 3B, the
図3の(B)では、面213は傾斜面として形成されているが、後述するように、中心軸301と直交する水平面であってもよい。この場合、光閉じ込め部216は、図3の(A)のように、円筒の外周から水平方向に張り出すフランジ構造となる。
Although the
面213が傾斜面のときは、光の周回面と直交する面(または回転の中心軸301を含む面)で切ったときに、光閉じ込め部216の断面形状は台形となる。面213が水平面のときは、光の周回面と直交する面(または回転の中心軸301を含む面)で切ったときに、光閉じ込め部216の断面形状は矩形になる。
When the
光共振器201A、及び201Bは、たとえば、非特許文献2で用いられている精密切削機械で作製することができる。特許文献1、特許文献2、及び非特許文献1に開示される構成のウィスパリングギャラリーモード光共振器は、その構造や作製プロセスから、外周に沿った側壁が所定の曲率で湾曲する形状になる。実施形態では、精密加工技術を用いて、台形の断面形状を実現する。
The
図4は、光共振器201を回転の中心軸301を含む面で切り取った断面構造を示す。光が周回するのは、フランジ212の内部である。フランジ212の断面形状は、この例では等脚台形である。フランジ212の側面215、すなわち断面で中心軸301から遠い方の辺が台形の上底となる。台形の上底の長さをL1、下底の長さをL2とする。台形の上底と下底は、中心軸301と平行である。上底と下底の間の距離、すなわち台形の高さをhとする。台形の高さhは、円筒211の表面からのフランジ212の突出量に相当する。
FIG. 4 shows a cross-sectional structure of the
台形断面を構成する面213の傾斜角をθとする。傾斜角θは、上底での内角から90度を差し引いた角度と定義する。傾斜角θが0度のとき、フランジ212の断面形状は、矩形になる。
The inclination angle of the
精密加工の容易性の観点から、光閉じ込め部の垂直断面形状を図4のように等脚台形としてもよいが、光閉じ込めの条件が維持され、かつ異常分散が得られる条件が満たされる限り、必ずしも等脚台形でなくてもよい。光閉じ込めの条件と異常分散の条件の詳細については、図6~図9を参照して後述する。 From the viewpoint of ease of precision processing, the vertical cross-sectional shape of the optical confinement part may be an isosceles trapezoid as shown in FIG. 4, but as long as the conditions for optical confinement are maintained and the conditions for obtaining anomalous dispersion are satisfied. It does not necessarily have to be an isosceles trapezoid. Details of the optical confinement conditions and the anomalous dispersion conditions will be described later with reference to FIGS. 6 to 9.
光共振器201の半径Rは、回転の中心軸301から、台形の上底、すなわちフランジ212または光閉じ込め部216の最外周の側面215までの距離である。
The radius R of the
光はフランジ212の内面を全反射しながら、円周方向に伝搬することで、ウィスパリングギャラリーモードで光共振器201に閉じ込められる。精密機械加工により、フランジ212の側面215と面213の傾斜角θを所望の寸法に形成して、高い光閉じ込め性能(高Q値)と異常分散特性が得られる。
The light propagates in the circumferential direction while being totally reflected on the inner surface of the
図5は、フランジ212の断面形状が台形のウィスパリングギャラリーモード光共振器を用いて発生させた光周波数コムの光スペクトルの計算結果である。この計算では、光共振器201の材料としてMgF2を用い、光共振器201の半径Rを350μm、断面台形の上底の長さL1を5μm、高さhを10μm、上底の両側の傾斜角θを20度に設定している。
FIG. 5 shows the calculation results of the optical spectrum of an optical frequency comb generated using a whispering gallery mode optical resonator whose
1550nmを中心とし、1510nmから1590nmの広い波長帯域にわたって、100GHz間隔の光周波数コムが得られている。 Optical frequency combs have been obtained at 100 GHz intervals over a wide wavelength band from 1510 nm to 1590 nm, centered at 1550 nm.
光パルス発生装置100が、繰り返し周波数100GHz以上の狭間隔の光周波数コム光源として機能するためには、光共振器201が高Q、かつ半径Rが350μm以下(MgF2結晶の場合)であることに加えて、ウィスパリングギャラリーモードが単一横モードであることが必要である。単一横モードは、光の強度分布がスポットの中心で大きく、周辺に向かってガウス分布的に小さくなるTEM00モードである。単一横モード以外のマルチ横モードでは、出力光のコヒーレンスが低下するので好ましくない。そこで、単一横モード、かつ異常分散を実現するための台形断面形状の最適な範囲を検討する。
In order for the optical pulse generator 100 to function as a narrowly spaced optical frequency comb light source with a repetition frequency of 100 GHz or more, the
<台形断面形状の最適範囲>
図6は、実施形態の光共振器201の光閉じ込め部が台形の断面形状を有するときの電界分布を示している。
<Optimum range of trapezoidal cross-sectional shape>
FIG. 6 shows the electric field distribution when the optical confinement part of the
ウィスパリングギャラリーモード光共振器で光閉じ込め部となる円周断面での台形構造は、光を中心軸301と平行な方向に広げずに閉じ込めることができ、かつ、モードの分散に影響を与えない十分な高さh(図5参照)を有している必要がある。高さhとして、光のモードまたは波長の数倍程度が必要であり、光通信波長帯では、高さhはおおよそ5μm以上である。作製の容易さを考慮すると、高さhの適切な範囲は5~15μm、最適な値は10μm前後である。
The trapezoidal structure in the circumferential cross section, which becomes the optical confinement part in the whispering gallery mode optical resonator, can confine the light without spreading it in the direction parallel to the
図6では、光共振器201の半径Rを350μm、台形の高さhを10μm、面213の傾斜角θを20度に設定し、上底の長さL1を2μm、3μm、5μm、7μmと変化させて電界分布を計算している。
In FIG. 6, the radius R of the
上底の長さL1が、2μm、3μm、5μmのときは、単一横モードのウィスパリングギャラリーモードが存在する。上底の長さL1が7μm以上のときは、台形の光閉じ込め部に異なる横モードとなる複数のウィスパリングギャラリーモードが存在し得る。これをマルチモードと呼ぶ。マルチモードの条件では、図5に示した滑らかな光周波数コムスペクトルは得られない。 When the length L1 of the upper base is 2 μm, 3 μm, or 5 μm, a single transverse whispering gallery mode exists. When the length L1 of the upper base is 7 μm or more, a plurality of whispering gallery modes that are different transverse modes may exist in the trapezoidal light confinement portion. This is called multimode. Under multimode conditions, the smooth optical frequency comb spectrum shown in FIG. 5 cannot be obtained.
上底の長さL1が2μm以下のときもウィスパリングギャラリーモードは存在するが、通信波長帯で正常分散となり、光周波数コムは得られない。 Although the whispering gallery mode exists even when the length L1 of the upper base is 2 μm or less, normal dispersion occurs in the communication wavelength band, and an optical frequency comb cannot be obtained.
この結果、断面が台形形状の光閉じ込め部に、異常分散を有する単一のウィスパリングギャラリーモードを存在させるためには、上底の長さの範囲を2μm以上、かつ、7μm未満にする必要がある。 As a result, in order to make a single whispering gallery mode with anomalous dispersion exist in an optical confinement section with a trapezoidal cross section, the length range of the upper base needs to be 2 μm or more and less than 7 μm. be.
図7は、光共振器201の半径Rを350μm、台形の高さhを10μm、面213の傾斜角θを0度に設定し、上底の長さL1を2μm、3μm、5μm、7μmと変化させたときの電界分布である。
In FIG. 7, the radius R of the
面213の傾斜角θ、すなわち台形の上底から延びる辺の傾斜角が0度のときも、光を中心軸301と平行な方向に広げずに閉じ込め、かつ、モードの分散に影響を与えない十分な高さhを有している必要がある。高さhの範囲は、図6の場合と同様に5~15μmであり、電界分布計算では、h=10μmに設定する。
Even when the inclination angle θ of the
傾斜角θが0度のときは、上底の長さL1が2μm以下になると、光閉じ込め領域に光を閉じ込めることができないので、光周波数コムの発生に適したウィスパリングギャラリーモードが得られない。上底の長さL1が7μm以上のとき、光閉じ込め部に複数のウィスパリングギャラリーモードが存在し、図5に示した滑らかな光周波数コムスペクトルは得られなくなる。 When the inclination angle θ is 0 degrees, if the length L1 of the upper base is less than 2 μm, the light cannot be confined in the optical confinement region, so a whispering gallery mode suitable for generating an optical frequency comb cannot be obtained. . When the length L1 of the upper base is 7 μm or more, a plurality of whispering gallery modes exist in the optical confinement portion, and the smooth optical frequency comb spectrum shown in FIG. 5 cannot be obtained.
この結果、断面が矩形の光閉じ込め部に、異常分散を有する単一のウィスパリングギャラリーモードを存在させるためには、傾斜角θが0度のときは、上底の長さの範囲を2μmより大きく、かつ、7μm未満にする必要がある。 As a result, in order to have a single whispering gallery mode with anomalous dispersion in an optical confinement section with a rectangular cross section, when the tilt angle θ is 0 degrees, the length range of the upper base must be smaller than 2 μm. It needs to be large and less than 7 μm.
図8は、実施形態のウィスパリングギャラリーモード光共振器における傾斜角θの最適範囲を示す図である。半径Rが350μmの光共振器201をMgF2で形成し、光閉じ込め部の台形断面の上底の長さL1を5μm、台形の高さhを10μmに固定にし、傾斜角θを変化させたときの群速度分散を示す。
FIG. 8 is a diagram showing the optimum range of the tilt angle θ in the whispering gallery mode optical resonator of the embodiment. An
群速度分散β2は式(1)で与えられる。 The group velocity dispersion β 2 is given by equation (1).
傾斜角θが0度(垂直断面が矩形)のときは、異常分散が大きい。傾斜角θが20度、及び40度のときは、光通信の波長帯域にわたって異常分散が得られている。傾斜角θが60度になると、1550nmよりも短波長側で正常分散となる。 When the inclination angle θ is 0 degrees (the vertical cross section is rectangular), the anomalous dispersion is large. When the tilt angle θ is 20 degrees and 40 degrees, anomalous dispersion is obtained over the wavelength band of optical communication. When the inclination angle θ is 60 degrees, normal dispersion occurs on the wavelength side shorter than 1550 nm.
この計算結果から、光周波数コムを発生させるためには、傾斜角θは0度以上、60度未満とするのが望ましい。精密加工の難易度を考慮すると、傾斜角θは0度よりも大きいことが、より望ましい。通信波長帯域全体にわたって、確実に異常分散を維持するには、傾斜角θは40度以下であることが、より望ましい。 From this calculation result, in order to generate an optical frequency comb, it is desirable that the inclination angle θ is 0 degrees or more and less than 60 degrees. Considering the difficulty of precision machining, it is more desirable that the inclination angle θ is larger than 0 degrees. In order to reliably maintain anomalous dispersion over the entire communication wavelength band, it is more desirable that the tilt angle θ is 40 degrees or less.
図9は、実施形態のウィスパリングギャラリーモード光共振器において、光閉じ込め部の断面形状の上底の長さL1と傾斜角θを変化させたときに単一モードかつ異常分散となる範囲を説明する概略図である。横軸は上底の長さL1、縦軸は傾斜角θである。 FIG. 9 illustrates the range in which a single mode and anomalous dispersion occur when the upper base length L1 and the inclination angle θ of the cross-sectional shape of the optical confinement section are changed in the whispering gallery mode optical resonator of the embodiment. FIG. The horizontal axis is the length L1 of the upper base, and the vertical axis is the inclination angle θ.
上底の長さL1が2μmよりも小さくなると、単一横モードが存在しないカットオフ領域Aになる。上底の長さL1が7μm以上になると、マルチモード領域Bになる。台形の上底の長さL1は、単一横モードで光閉じ込めが達成できる範囲に設定される。 When the length L1 of the upper base is smaller than 2 μm, a cutoff region A exists in which no single transverse mode exists. When the length L1 of the upper base is 7 μm or more, the multimode region B is reached. The length L1 of the upper base of the trapezoid is set within a range where optical confinement can be achieved in a single transverse mode.
傾斜角θについては、異常分散が得られるか否かによって決まる。傾斜角θが60度以上になると正常分散になる。 The inclination angle θ is determined depending on whether or not anomalous dispersion can be obtained. When the inclination angle θ becomes 60 degrees or more, normal dispersion occurs.
異常分散かつ単一横モードが得られる適切な台形の範囲は、傾斜角θが0度よりも大きく60度未満のときは、上底の長さL1は2μm以上、7μm未満、傾斜角θが0度のときは、上底の長さL1は、2μmよりも大きく、7μmよりも小さい範囲である。 The appropriate trapezoidal range for obtaining anomalous dispersion and a single transverse mode is that when the inclination angle θ is greater than 0 degrees and less than 60 degrees, the length L1 of the upper base is 2 μm or more and less than 7 μm, and the inclination angle θ is less than 7 μm. At 0 degrees, the length L1 of the upper base is greater than 2 μm and less than 7 μm.
台形断面の高さh、すなわち上底と下底の間の距離については、hが小さくなると、光を中心線と平行な方向に閉じ込めることが困難になる。hの範囲は、波長の数倍程度が望ましい。光通信波長帯域では、hは5μm以上が望ましい。加工の容易性を考慮すると、hは5μm~15μmに設定される。 Regarding the height h of the trapezoidal cross section, that is, the distance between the upper base and the lower base, as h becomes smaller, it becomes difficult to confine light in a direction parallel to the center line. The range of h is preferably several times the wavelength. In the optical communication wavelength band, h is preferably 5 μm or more. Considering ease of processing, h is set to 5 μm to 15 μm.
<光パルス発生装置の変形例>
図10は、実施形態の光共振器201を用いた光パルス発生装置の変形例である。光パルス発生装置100Aは、単一波長の光を出力するレーザーダイオード202と、レーザーダイオード202から出力された光を伝搬する光導波路203と、光導波路203に近接して配置される光共振器201を有する。
<Modified example of optical pulse generator>
FIG. 10 shows a modification of the optical pulse generator using the
図2の光パルス発生装置100と同様に、光導波路203は細くくびれたテーパ導波路であり、テーパ領域で光共振器201に結合する。光共振器201は、上述した断面台形の光閉じ込め部を有する。光閉じ込め部は、光共振器201の最外周に位置する側面215と、側面から中心軸の方向に向かって延びる面213を有する。
Similar to the optical pulse generator 100 of FIG. 2, the optical waveguide 203 is a narrow tapered waveguide, and is coupled to the
光パルス発生装置100Aは、温度制御部として、たとえば熱電冷却器(TEC:Thermoelectric Cooler)を有する。図10の例では、レーザーダイオード202の波長を制御するTEC1と、光共振器201のウィスパリングギャラリーモードの中心波長を制御するTEC2が設けられている。レーザーダイオード202とTEC1で、光源206が構成されてもよい。
The optical pulse generator 100A includes, for example, a thermoelectric cooler (TEC) as a temperature control section. In the example of FIG. 10, a TEC1 that controls the wavelength of the laser diode 202 and a TEC2 that controls the center wavelength of the whispering gallery mode of the
光共振器201では、入力された単一波長の光から光周波数コムが生成され、光導波路203から光周波数コムが出力される。
In the
図2の光パルス発生装置100と同様に、ひとつの小型の光パルス発生装置100Aで複数チャネルの光を100GHzの周波数間隔で同時に出力することができる。従来の波長多重通信で、チャネルの数に応じた複数の単一波長レーザーダイオードと、レーザーダイオードのそれぞれに対応するTECが配置された構成と比較すると、実施形態の光パルス発生装置100及び100Aは、小型かつ低消費電力の光源システムを実現することができる。 Similar to the optical pulse generator 100 in FIG. 2, one small optical pulse generator 100A can simultaneously output multiple channels of light at a frequency interval of 100 GHz. Compared to a conventional wavelength division multiplex communication configuration in which a plurality of single wavelength laser diodes corresponding to the number of channels and a TEC corresponding to each laser diode are arranged, the optical pulse generators 100 and 100A of the embodiment , it is possible to realize a light source system that is small and has low power consumption.
一般に、光周波数コムの繰り返し周波数を上げるために共振器の径を小さくすることが考えられるが、共振器径を小さくすると異常分散の条件を満たすことが困難になる。実施形態では、光閉じ込め部の断面形状を最適化することで、100GHz以上の繰り返し周波数を提供する共振器サイズで、異常分散かつ単一横モードの条件を満たす。 Generally, it is considered to reduce the diameter of the resonator in order to increase the repetition frequency of the optical frequency comb, but if the diameter of the resonator is reduced, it becomes difficult to satisfy the conditions for anomalous dispersion. In the embodiment, by optimizing the cross-sectional shape of the optical confinement section, a resonator size that provides a repetition frequency of 100 GHz or more satisfies the conditions for anomalous dispersion and a single transverse mode.
実施形態の光共振器201(201A、及び201Bを含む)は、WDM用の光源だけではなく、光信号処理回路等で、高い繰り返し周波数の光パルス光源としても適用可能である。 The optical resonator 201 (including 201A and 201B) of the embodiment can be applied not only as a WDM light source but also as a high repetition frequency optical pulse light source in an optical signal processing circuit or the like.
100、100A 光パルス発生装置
201、201A、201B 光共振器
202 レーザーダイオード
203 光導波路
205 光結合部
206 光源
211 円筒
212 フランジ(光閉じ込め部)
213 面
214T 上面
214B 底面
215 側面
216 光閉じ込め部
301 中心軸
L1 台形の上底の長さ
L2 台形の下底の長さ
R 半径
θ 傾斜角(片側)
h 高さ
100, 100A
213
h height
Claims (5)
光学結晶で形成された回転対称形の本体を有し、
前記本体は、外周に沿って光閉じ込め部を有し、
前記光閉じ込め部は、回転の中心軸を含む平面で切ったときに前記中心軸から離れる方向に突出する台形の断面形状を有し、
前記光学結晶の材料はMgF2であり、前記本体の前記中心軸から前記外周までの半径が350μmであり、前記台形の上底と下底を結ぶ辺の傾斜角は0度よりも大きく60度未満であり、かつ、前記上底の長さは、2μmよりも大きく7μm未満である、
光共振器。 An optical resonator operating in whispering gallery mode,
It has a rotationally symmetrical body made of optical crystal,
The main body has a light confinement part along the outer periphery,
The optical confinement portion has a trapezoidal cross-sectional shape that projects in a direction away from the central axis when cut along a plane that includes the central axis of rotation,
The material of the optical crystal is MgF2 , the radius from the central axis of the main body to the outer periphery is 350 μm, and the inclination angle of the side connecting the upper and lower bases of the trapezoid is greater than 0 degrees and 60 degrees. and the length of the upper base is greater than 2 μm and less than 7 μm,
optical resonator.
請求項1に記載の光共振器。 The height of the trapezoid is 5 μm or more and 15 μm or less,
The optical resonator according to claim 1.
請求項1または2に記載の光共振器。 the trapezoid is an isosceles trapezoid;
The optical resonator according to claim 1 or 2.
単一波長レーザーダイオードと、
前記単一波長レーザーダイオードからの出力光を前記光共振器に入力するテーパ型の光導波路と、
を有する光パルス発生装置。 The optical resonator according to any one of claims 1 to 3,
a single wavelength laser diode,
a tapered optical waveguide that inputs output light from the single wavelength laser diode into the optical resonator;
An optical pulse generator having:
請求項4に記載の光パルス発生装置。
The tapered optical waveguide is disposed close to the optical resonator in a region with the most constricted diameter.
The optical pulse generator according to claim 4.
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