特許 7561349 デュアル光周波数コム発光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-26

(45)【発行日】2024-10-04

(54)【発明の名称】デュアル光周波数コム発光装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/137 20060101AFI20240927BHJP

   H01S 3/23 20060101ALI20240927BHJP

   G02F 1/01 20060101ALN20240927BHJP

   G02F 1/365 20060101ALN20240927BHJP

【ＦＩ】

H01S3/137

H01S3/23

G02F1/01 F

G02F1/365

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2021536644

(86)(22)【出願日】2020-06-09

(86)【国際出願番号】 JP2020022657

(87)【国際公開番号】W WO2021019918

(87)【国際公開日】2021-02-04

【審査請求日】2023-04-05

(31)【優先権主張番号】P 2019141179

(32)【優先日】2019-07-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101683

【弁理士】

【氏名又は名称】奥田 誠司

(72)【発明者】

【氏名】中村 將

(72)【発明者】

【氏名】稲田 安寿

【審査官】右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１３８１２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／０８０４１５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／１２３７１９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－０５９６８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１３４０７８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】DUTT Avik et al.，Dual-comb Spectroscopy using On-chip Mode-locked Frequency Combs，Conference on Lasers and Electro-Optics，米国，2017年，STh3L.2.pdf，DOI: 10.1364/CLEO_SI.2017.STh3L.2

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ３／００ － ３／３０

Ｇ０２Ｆ １／００ － １／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１ － ７／００

Ｇｏｏｇｌｅ Ｓｃｈｏｌａｒ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の光路長を有する第１レーザ共振器を含む第１光周波数コムレーザ光源と、
前記第１の光路長とは異なる第２の光路長を有する第２レーザ共振器を含む第２光周波数コムレーザ光源と、
前記第１レーザ共振器から発せられた第１光周波数コムレーザ光の第１部分を前記第２レーザ共振器に入力させる光結合器と、
を備え、
前記第１光周波数コムレーザ光源は、前記第１光周波数コムレーザ光の第２部分を外部に出射し、
前記第２光周波数コムレーザ光源は、前記第２レーザ共振器から発せられた第２光周波数コムレーザ光を外部に出射し、
前記第１光周波数コムレーザ光の周波数帯域は、前記第２レーザ共振器の共振周波数を含む、
デュアル光周波数コム発光装置。

【請求項2】

前記光結合器は、ある周波数帯域の光を通過させるフィルタを備え、
前記光結合器は、前記第１光周波数コムレーザ光の前記第１部分を、前記フィルタを通して前記第２レーザ共振器に入力させる、
請求項１に記載のデュアル光周波数コム発光装置。

【請求項3】

前記光結合器は、周波数シフタを備え、
前記光結合器は、前記第１光周波数コムレーザ光の前記第１部分を、前記周波数シフタを通して前記第２レーザ共振器に入力させる、
請求項１または２に記載のデュアル光周波数コム発光装置。

【請求項4】

前記フィルタの通過周波数帯域は、前記第２レーザ共振器の共振周波数を含む、
請求項２に記載のデュアル光周波数コム発光装置。

【請求項5】

前記第１レーザ共振器は、一対の第１ミラーと、前記一対の第１ミラーの間に位置する第１ゲイン媒質とを備える、
請求項１から４のいずれかに記載のデュアル光周波数コム発光装置。

【請求項6】

前記第１光周波数コムレーザ光の前記第１部分は、前記一対の第１ミラーの一方から出射され、
前記第１光周波数コムレーザ光の前記第２部分は、前記一対の第１ミラーの他方から出射される、
請求項５に記載のデュアル光周波数コム発光装置。

【請求項7】

前記一対の第１ミラーの前記一方は、前記他方よりも高い反射率を有する、
請求項６に記載のデュアル光周波数コム発光装置。

【請求項8】

前記第１光周波数コムレーザ光の前記第１部分および前記第２部分は、前記一対の第１ミラーの一方から出射される、
請求項５に記載のデュアル光周波数コム発光装置。

【請求項9】

前記一対の第１ミラーの前記一方は、他方よりも低い反射率を有する、
請求項８に記載のデュアル光周波数コム発光装置。

【請求項10】

前記第１レーザ共振器は、前記一対の第１ミラーの間の光路の少なくとも一部の屈折率を変調する第１屈折率変調器をさらに備える、
請求項５から９のいずれかに記載のデュアル光周波数コム発光装置。

【請求項11】

前記第２レーザ共振器は、一対の第２ミラーと、前記一対の第２ミラーの間に位置する第２ゲイン媒質とを備える、
請求項１から１０のいずれかに記載のデュアル光周波数コム発光装置。

【請求項12】

前記第２レーザ共振器は、前記一対の第２ミラーの間の光路の少なくとも一部の屈折率を変調する第２屈折率変調器をさらに備える、
請求項１１に記載のデュアル光周波数コム発光装置。

【請求項13】

前記第２レーザ共振器は、非線形光学材料から形成されたリング共振器を備える、
請求項１から１０のいずれかに記載のデュアル光周波数コム発光装置。

【請求項14】

基板をさらに備え、
前記第１光周波数コムレーザ光源、前記第２光周波数コムレーザ光源、および前記光結合器は、前記基板の表面に集積されている、
請求項１から１３のいずれかに記載のデュアル光周波数コム発光装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、デュアル光周波数コム発光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

対象物を光で照射し、対象物を透過した光または対象物によって反射された光の周波数スペクトルを得ることにより、対象物の光周波数に関する特性を調べることができる。従来、高い周波数の光の周波数スペクトルを得るために、複雑で高価な装置が用いられていた。しかし、光周波数コム技術により、簡易で安価な装置によって光の周波数スペクトルを得ることが可能になった。光周波数コムとは、複数の離散的な等間隔の線から形成された櫛状の周波数スペクトルを意味する。本明細書では、光周波数コムを有するレーザ光を、「光周波数コムレーザ光」と称する。

【0003】

近年、光周波数コムの等間隔線の間隔がわずかに異なる２つの光周波数コムレーザ光を用いたデュアルコム分光法により、光の周波数スペクトルをより容易に得ることができるようになった（例えば、非特許文献１から３参照）。デュアルコム分光法では、これら２つの光周波数コムレーザ光を重ね合わせた干渉光で対象物を照射し、対象物を透過した干渉光または対象物によって反射された干渉光のビート周波数スペクトルを得ることにより、対象物の光周波数に関する特性を調べることができる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【文献】N. Picque and T. W.Hansch, “Frequency comb spectroscopy”, Nature photonics 13, 146-157 (2019).

【文献】I. Coddington, N. Newbury, and W. Swann, “Dual-comb spectroscopy”, Optica 3, 414-426 (2019).

【文献】A. L. Gaeta, M. Lipson and T. J. Kippenberg, “Photonic-chip-based frequency combs”, Nature photonics 13, 158-169 (2019).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本開示は、２つの光周波数コムレーザ光源の動作を同期して安定化させたデュアル光周波数コム発光装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様に係るデュアル光周波数コム発光装置は、第１の光路長を有する第１レーザ共振器を含む第１光周波数コムレーザ光源と、前記第１の光路長とは異なる第２の光路長を有する第２レーザ共振器を含む第２光周波数コムレーザ光源と、前記第１レーザ共振器から発せられた第１光周波数コムレーザ光の第１部分を前記第２レーザ共振器に入力させる光結合器と、を備える。前記第１光周波数コムレーザ光源は、前記第１光周波数コムレーザ光の第２部分を外部に出射する。前記第２光周波数コムレーザ光源は、前記第２レーザ共振器から発せられた第２光周波数コムレーザ光を外部に出射する。

【発明の効果】

【0007】

本開示の技術によれば、２つの光周波数コムレーザ光源の動作を同期して安定化させたデュアル光周波数コム発光装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本開示の実施形態１におけるデュアル光周波数コム発光装置の例を模式的に示す図である。

【図2A】図２Ａは、フィルタの機能を説明するための図である。

【図2B】図２Ｂは、フィルタおよび周波数シフタの機能を説明するための図である。

【図3】図３は、実施形態１の変形例におけるデュアル光周波数コム発光装置の例を模式的に示す図である。

【図4】図４は、本開示の実施形態２におけるデュアル光周波数コム発光装置の例を模式的に示す図である。

【図5A】図５Ａは、周波数ｆ_ｉｎの光がリング共振器に入力された場合におけるエネルギーの遷移過程を模式的に示す図である。

【図5B】図５Ｂは、第２光周波数コムが形成される過程を模式的に示す図である。

【図6A】図６Ａは、本開示の実施形態３におけるデュアル光周波数コム発光装置の例を模式的に示す上面図である。

【図6B】図６Ｂは、図６Ａに示すデュアル光周波数コム発光装置における第１レーザ光源を模式的に示すＸＺ平面における断面図である。

【図7A】図７Ａは、光周波数コムレーザ光の電界の時間変化を模式的に示す図である。

【図7B】図７Ｂは、光周波数コムレーザ光の周波数スペクトルを模式的に示す図である。

【図8A】図８Ａは、デュアルコム分光法における分光システムを模式的に示す図である。

【図8B】図８Ｂは、デュアルコム分光法における光の周波数スペクトルを得る原理を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（光周波数コムレーザ光およびデュアルコム分光法）
光周波数コムレーザ光およびデュアルコム分光法の基本原理を簡単に説明する。

【0010】

まず、図７Ａおよび図７Ｂを参照して、光周波数コムレーザ光の電界の時間変化および周波数スペクトルを説明する。

【0011】

図７Ａは、光周波数コムレーザ光の電界の時間変化の例を模式的に示す図である。図７Ａに示すように、光周波数コムレーザ光は、繰り返し周期Ｔ_ｒｅｐで発生する光パルス列から形成されている。繰り返し周期Ｔ_ｒｅｐは例えば１００ｐｓ以上１００ｎｓ以下である。各光パルスの半値全幅はΔｔによって表される。各光パルスの半値全幅Δｔは、例えば１０ｆｓ以上１ｐｓ以下である。光周波数コムレーザ光源は、励起光の入力または電圧印加によって光周波数コムレーザ光を発するレーザ共振器を含む。レーザ共振器の詳細については後述する。レーザ共振器では、光パルスの包絡線が伝搬する群速度ｖ_ｇと、光パルス内の波が伝搬する位相速度ｖ_ｐとが異なる。群速度ｖ_ｇと位相速度ｖ_ｐとの違いに起因して、隣接する２つの光パルスを包絡線が一致するように重ねると、これらの光パルス内の波の位相はΔφだけシフトする。Δφは２πよりも小さい。光パルス列の繰り返し周期は、レーザ共振器の周回長（ｒｏｕｎｄ－ｔｒｉｐ ｌｅｎｇｔｈ）をＬとして、Ｔ_ｒｅｐ＝Ｌ／ｖ_ｇによって表される。

【0012】

図７Ｂは、光周波数コムレーザ光の周波数スペクトルを模式的に示す図である。図７Ｂに示すように、光周波数コムレーザ光は、複数の離散的な等間隔線から形成された櫛状の周波数スペクトルを有する。複数の離散的な等間隔線の周波数は、レーザ共振器における縦モードの共振周波数に相当する。光周波数コムにおける隣接する２つの等間隔線の間隔に相当する繰り返し周波数は、ｆ_ｒｅｐ＝１／Ｔ_ｒｅｐによって表される。繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐは、例えば１０ＭＨｚ以上１０ＧＨｚ以下である。レーザ共振器の周回長がＬ＝３０ｃｍであり、群速度ｖ_ｇが真空中の光速にほぼ等しいとき、繰り返し周期はＴ_ｒｅｐ＝１ｎｓであり、繰り返し周波数はｆ_ｒｅｐ＝１ＧＨｚである。光周波数コムの半値全幅は、Δｆ＝１／Δｔによって表される。光周波数コムの半値全幅Δｆは、例えば１ＴＨｚ以上１００ＴＨｚ以下である。等間隔線がゼロ周波数付近まで存在すると仮定した場合における、ゼロ周波数に最も近い等間隔線の周波数は、キャリアエンベロープオフセット周波数と呼ばれる。キャリアエンベロープオフセット周波数は、ｆ_ＣＥＯ＝（Δφ／（２π））ｆ_ｒｅｐによって表される。キャリアエンベロープオフセット周波数ｆ_ＣＥＯは、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐよりも低い。キャリアエンベロープオフセット周波数ｆ_ＣＥＯを０番目のモード周波数とすると、光周波数コムにおけるｎ番目のモード周波数は、ｆ_ｎ＝ｆ_ＣＥＯ＋ｎｆ_ｒｅｐによって表される。図７Ａに示す光周波数コムレーザ光の電界は、ｎ番目のモード周波数ｆ_ｎでの電界の振幅および位相をそれぞれＥ_ｎおよびφ_ｎとして、Ｅ（ｔ）＝Σ_ｎＥ_ｎｅｘｐ［－ｉ（２πｆ_ｎｔ＋φ_ｎ）］によって表される。光周波数コムレーザ光は、複数のモード周波数での位相がすべて等しくなるようにモード同期されている。

【0013】

繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐおよびキャリアエンベロープオフセット周波数ｆ_ＣＥＯは、光周波数コムレーザ光源に対する振動または温度変化などの外乱によってわずかに変化し得る。これは、振動がレーザ共振器の周回長Ｌを変化させ、温度変化がレーザ共振器の屈折率変化を介して群速度ｖ_ｇおよび位相速度ｖ_ｐを変化させ得るからである。繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐおよびキャリアエンベロープオフセット周波数ｆ_ＣＥＯは光の周波数よりもはるかに低い。それらのわずかな変化でも、光周波数コムにおけるモード周波数の特定に影響を及ぼし得る。このため、従来の光周波数コムレーザ光源には、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐおよびキャリアエンベロープオフセット周波数ｆ_ＣＥＯを安定化させる変調素子が組み込まれている。変調素子は、例えば、ピエゾ素子などの振動を抑制するための圧電素子、およびペルチェ素子などの温度変化を抑制するための温度調整素子を含む。変調素子は、光周波数コムレーザ光源の外部に設けられてもよい。繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐを安定化するために、光周波数コムレーザ光の一部を検出し、検出した当該一部に基づいて、ピエゾ素子およびペルチェ素子を用いてレーザ共振器の周回長Ｌが一定になるように、フィードバックが行われる。キャリアエンベロープオフセット周波数ｆ_ＣＥＯを安定化するために、非線形光学効果を用いて光周波数コムレーザ光の一部を検出し、検出した当該一部に基づいて、レーザ共振器に入力する励起光の強度を調整することによってレーザ共振器内の非線形性が一定になるように、フィードバックが行われる。

【0014】

次に、図８Ａおよび図８Ｂを参照して、デュアルコム分光法の原理を簡単に説明する。

【0015】

図８Ａは、デュアルコム分光法における分光システム９０Ｓを模式的に示す図である。分光システム９０Ｓにおける従来のデュアル光周波数コム発光装置９０は、第１光周波数コムレーザ光９１ｌを出射する第１光周波数コムレーザ光源９１と、第２光周波数コムレーザ光９２ｌを出射する第２光周波数コムレーザ光源９２と、これら２つのレーザ光源の動作を同期して安定化させるフィードバック機構を含む同期装置９３とを備える。

【0016】

第１光周波数コムレーザ光源９１は、第１光周波数コムレーザ光９１ｌを発する不図示の第１レーザ共振器を含み、第２光周波数コムレーザ光源９２は、第２光周波数コムレーザ光９２ｌを発する不図示の第２レーザ共振器を含む。第１光周波数コムレーザ光９１ｌは、ｎ番目のモード周波数がｆ_１ｎ＝ｆ_ＣＥＯ１＋ｎｆ_ｒｅｐ１によって表される第１光周波数コムを有し、第２光周波数コムレーザ光９２ｌは、ｎ番目のモード周波数がｆ_２ｎ＝ｆ_ＣＥＯ２＋ｎｆ_ｒｅｐ２によって表される第２光周波数コムを有する。ｆ_ＣＥＯ１およびｆ_ＣＥＯ２は、それぞれ、第１光周波数コムおよび第２光周波数コムのキャリアエンベロープオフセット周波数である。ｆ_ｒｅｐ１およびｆ_ｒｅｐ２は、それぞれ、第１光周波数コムおよび第２光周波数コムの繰り返し周波数である。ｆ_ｒｅｐ１およびｆ_ｒｅｐ２はわずかに異なり、ｆ_ｒｅｐ２＝ｆ_ｒｅｐ１＋δｆの関係が成り立つ。δｆはｆ_ｒｅｐ１よりもはるかに小さい。δｆは、例えば０．１ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下である。

【0017】

図８Ａに示す例では、第１光周波数コムレーザ光９１ｌは、ミラー９４によって反射され、ハーフミラー９５を通過し、対象物９６に入射する。第２光周波数コムレーザ光９２ｌは、ハーフミラー９５によって反射され、対象物９６に入射する。第１光周波数コムレーザ光９１ｌおよび第２光周波数コムレーザ光９２ｌを重ね合わせた干渉光で対象物９６が照射され、対象物９６を透過した干渉光が検出器９７によって検出される。干渉光ではビートが発生する。

【0018】

なお、対象物９６は、第１光周波数コムレーザ光源９１とミラー９４との光路上、または第２光周波数コムレーザ光源９２とハーフミラー９５との光路上に位置してもよい。この場合、第１光周波数コムレーザ光９１ｌおよび第２光周波数コムレーザ光９２ｌのうち、対象物９６を透過した一方の光と、対象物９６を透過しない他方の光との干渉光が、検出器９７によって検出される。

【0019】

図８Ｂは、デュアルコム分光法における光の周波数スペクトルを得る原理を説明するための図である。図８Ｂの上の図は、第１光周波数コムおよび第２光周波数コムのスペクトルを模式的に示す。実線は第１光周波数コムを表し、破線は第２光周波数コムを表す。図８Ｂの下の図は、干渉光のビート周波数スペクトルを模式的に示す図である。第１光周波数コムと第２光周波数コムとの最近接のモード周波数の差が、ビート周波数に相当する。

【0020】

ビート周波数スペクトルから、対象物９６の光周波数に関する特性を調べることができる。例えば、どの周波数の光が対象物９６によってどれくらい吸収されたかを調べることができる。第１光周波数コムにおける複数のモード周波数の１つが、第２光周波数コムにおける複数のモード周波数の１つに一致していれば、ゼロのビート周波数が現れる。これにより、一致したモード周波数を基準として、対象物９６の光周波数に関する特性を容易に調べることができる。

【0021】

デュアルコム分光法の利点は、ＴＨｚオーダーの高い周波数の光の情報を、ＭＨｚオーダーのラジオ周波数の情報にダウンコンバージョンすることができることである。ＧＨｚオーダー以下の周波数の信号波の時間波形は、一般的な検出器によって検出することができる。しかし、ＴＨｚオーダー以上の周波数の信号波の時間波形を一般的な検出器によって検出することは難しい。このため、従来、ＴＨｚオーダー以上の周波数の信号波は、例えば分光器によって周波数ごとに分けて検出されていた。この周波数の掃引に時間を要するため、光の周波数スペクトルを短時間で得ることができなかった。

【0022】

デュアルコム分光法では、ラジオ周波数のビートの時間波形を、一般的な検出器によって検出することができる。この時間波形をフーリエ変換することにより、図８Ｂの下の図に示すようなビート周波数スペクトルを短時間で得ることができる。これにより、高い周波数の光の周波数スペクトルを短時間で得ることができる。

【0023】

一方、前述した同期装置９３は複雑で高価な回路を含む場合がある。

【0024】

第１レーザ共振器から発せられる第１光周波数コムレーザ光の一部を、第２レーザ共振器から発せられる第２光周波数コムレーザ光の励起光として利用することにより、同期装置９３を省略し、簡易で安価なデュアル光周波数コム発光装置を実現できる。

【0025】

第１の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置は、第１の光路長を有する第１レーザ共振器を含む第１光周波数コムレーザ光源と、前記第１の光路長とは異なる第２の光路長を有する第２レーザ共振器を含む第２光周波数コムレーザ光源と、前記第１レーザ共振器から発せられた第１光周波数コムレーザ光の第１部分を前記第２レーザ共振器に入力させる光結合器と、を備える。前記第１光周波数コムレーザ光源は、前記第１光周波数コムレーザ光の第２部分を外部に出射する。前記第２光周波数コムレーザ光源は、前記第２レーザ共振器から発せられた第２光周波数コムレーザ光を外部に出射する。

【0026】

このデュアル光周波数コム発光装置では、第１レーザ共振器から発せられる第１光周波数コムレーザ光の第１部分を、第２レーザ共振器から発せられる第２光周波数コムレーザ光の励起光として利用することにより、第１光周波数コムレーザ光源および第２光周波数コムレーザ光源の動作を同期して安定化させことができる。

【0027】

第２の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置は、第１の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置において、ある周波数帯域の光を通過させるフィルタを備える。前記光結合器は、前記第１光周波数コムレーザ光の前記第１部分を、前記フィルタを通して前記第２レーザ共振器に入力させる。

【0028】

このデュアル光周波数コム発光装置では、フィルタによって第１光周波数コムレーザ光の第１部分から余分なモード周波数の光を除去することにより、第２レーザ共振器の動作を安定化することができる。

【0029】

第３の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置は、第２の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置において、前記周波数帯域が、前記第２レーザ共振器の共振周波数を含む。

【0030】

このデュアル光周波数コム発光装置では、第２レーザ共振器から効率よく第２光周波数コムレーザ光が発せられる。

【0031】

第４の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置は、第１から第３の項目のいずれかに係るデュアル光周波数コム発光装置において、前記第１レーザ共振器が、一対の第１ミラーと、前記一対の第１ミラーの間に位置する第１ゲイン媒質とを備える。

【0032】

このデュアル光周波数コム発光装置では、第１ゲイン媒質から誘導放出された光が、一対の第１ミラーの間で反射され、何回も第１ゲイン媒質を通過することによって増幅される。その結果、第１レーザ共振器から、第１光周波数コムレーザ光が発せられる。

【0033】

第５の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置は、第４の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置において、前記第１光周波数コムレーザ光の前記第１部分が、前記一対の第１ミラーの一方から出射され、前記第１光周波数コムレーザ光の前記第２部分が、前記一対の第１ミラーの他方から出射される。

【0034】

このデュアル光周波数コム発光装置では、光結合器が、第１光周波数コムレーザ光の第２部分が外部に出射される側とは反対の側に設けられている。

【0035】

第６の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置は、第５の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置において、前記一対の第１ミラーの前記一方が、前記他方よりも高い反射率を有する。

【0036】

このデュアル光周波数コム発光装置では、第１光周波数コムレーザ光の第２部分が、効率よく外部に出射される。

【0037】

第７の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置は、第４の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置において、前記第１光周波数コムレーザ光の前記第１部分および前記第２部分が、前記一対の第１ミラーの一方から出射される。

【0038】

このデュアル光周波数コム発光装置では、光結合器が、第１光周波数コムレーザ光の第２部分が外部に出射される側と同じ側に設けられている。

【0039】

第８の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置は、第７の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置において、前記一対の第１ミラーの前記一方が、他方よりも低い反射率を有する。

【0040】

このデュアル光周波数コム発光装置では、第１光周波数コムレーザ光の第２部分が、効率よく外部に出射される。

【0041】

第９の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置は、第４から第８の項目のいずれかに係るデュアル光周波数コム発光装置において、前記第１レーザ共振器が、前記一対の第１ミラーの間の光路の少なくとも一部の屈折率を変調する第１屈折率変調器をさらに備える。

【0042】

このデュアル光周波数コム発光装置では、第１屈折率変調器により、第１光周波数コムの繰り返し周波数を変調することができる。

【0043】

第１０の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置は、第１から第９の項目のいずれかに係るデュアル光周波数コム発光装置において、前記第２レーザ共振器が、一対の第２ミラーと、前記一対の第２ミラーの間に位置する第２ゲイン媒質とを備える。

【0044】

このデュアル光周波数コム発光装置では、第２ゲイン媒質から誘導放出された光が、一対の第２ミラーの間で反射され、何回も第２ゲイン媒質を通過することによって増幅される。その結果、第２レーザ共振器から、第２光周波数コムレーザ光が発せられる。

【0045】

第１１の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置は、第１０の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置において、前記第２レーザ共振器が、前記一対の第２ミラーの間の光路の少なくとも一部の屈折率を変調する第２屈折率変調器をさらに備える。

【0046】

このデュアル光周波数コム発光装置では、第２屈折率変調器により、第２光周波数コムの繰り返し周波数を変調することができる。

【0047】

第１２の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置は、第１から第９の項目のいずれかに係るデュアル光周波数コム発光装置において、前記第２レーザ共振器が、非線形光学材料から形成されたリング共振器を備える。

【0048】

このデュアル光周波数コム発光装置では、４光波混合により、非線形光学材料から形成されたリング共振器から、第２光周波数コムレーザ光が発せられる。

【0049】

第１３の項目に係るデュアル光周波数コム発光装置は、第１から第１２の項目のいずれかに係るデュアル光周波数コム発光装置において、基板をさらに備える。前記第１光周波数コムレーザ光源、前記第２光周波数コムレーザ光源、および前記光結合器は、前記基板の表面に集積されている。

【0050】

このデュアル光周波数コム発光装置は、第１光周波数コムレーザ光源、第２光周波数コムレーザ光源、および光結合器を基板に集積することによって小型化される。

【0051】

本開示において、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部、またはブロック図における機能ブロックの全部または一部は、例えば、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、またはＬＳＩ（ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む１つまたは複数の電子回路によって実行され得る。ＬＳＩまたはＩＣは、１つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、１つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、もしくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、またはＬＳＩ内部の接合関係の再構成またはＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。

【0052】

さらに、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部の機能または動作は、ソフトウェア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウェアは１つまたは複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウェアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウェアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システムまたは装置は、ソフトウェアが記録されている１つまたは複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、および必要とされるハードウェアデバイス、例えばインターフェースを備えていてもよい。

【0053】

本開示において、「光」とは、可視光（波長が約４００ｎｍ～約７００ｎｍ）だけでなく、紫外線（波長が約１０ｎｍ～約４００ｎｍ）および赤外線（波長が約７００ｎｍ～約１ｍｍ）を含む電磁波を意味する。

【0054】

以下、本開示のより具体的な実施形態を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するわけではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。

【0055】

（実施形態１）
まず、図１を参照して、本開示の実施形態１におけるデュアル光周波数コム発光装置の基本的な構成例を説明する。図１は、本開示の実施形態１におけるデュアル光周波数コム発光装置１００の例を模式的に示す図である。このデュアル光周波数コム発光装置１００は、第１光周波数コムレーザ光源１０と、第２光周波数コムレーザ光源２０と、光結合器３０とを備える。以下の説明では、第１光周波数コムレーザ光源１０を単に「第１レーザ光源１０」と称し、第２光周波数コムレーザ光源２０を単に「第２レーザ光源２０」と称し、デュアル光周波数コム発光装置１００を単に「発光装置１００」と称する。

【0056】

第１レーザ光源１０は、第１の光路長を有する第１レーザ共振器１２を含む。光路長は、実際の距離と屈折率との積に相当する。第１レーザ共振器１２は、ミラー１２ｍ_１およびミラー１２ｍ_２と、第１ゲイン媒質１２ｇと、第１屈折率変調器１２ｎとを備える。第１ゲイン媒質１２ｇは、ミラー１２ｍ_１とミラー１２ｍ_２との間に位置する。第１屈折率変調器１２ｎは、ミラー１２ｍ_１とミラー１２ｍ_２との光路の少なくとも一部の屈折率を変調する。ミラー１２ｍ_１およびミラー１２ｍ_２を、「一対の第１ミラー」と称することがある。ミラー１２ｍ_１の反射率は、ミラー１２ｍ_２の反射率よりも低い。ミラー１２ｍ_１の反射率は、例えば９０％以上９５％以下であり、ミラー１２ｍ_２の反射率は、例えば９５％以上９９％以下である。ただし、この範囲に限定されない。

【0057】

第１ゲイン媒質１２ｇは、例えばＴｉ：Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｙｂ：ＫＹ（ＷＯ_４）_２、Ｙｂ：Ｓｒ_５（ＰＯ_４）_３Ｆ、Ｙｂ：ＹＶＯ_４、Ｙｂ：Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｙｂ：Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ：Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｃｒ：ＹＡＧ、Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ、Ｃｒ：ＬｉＳＧａＦ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ、Ｃｒ：ＺｎＳ、Ｃｒ：ＺｎＳｅ、およびＰｒ：ＹＬＦからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含み得る。

【0058】

第１屈折率変調器１２ｎは、例えば電圧印加または温度変化によって屈折率が変化する材料、例えば液晶材料を含み得る。第１屈折率変調器１２ｎによって屈折率を変調することにより、第１レーザ共振器の第１の光路長を変化させることができる。これにより、第１光周波数コムを調整することができる。第１屈折率変調器１２ｎは、用途に応じて設けられ、省略されてもよい。

【0059】

第１レーザ共振器１２から第１光周波数コムレーザ光が発せられる原理は以下の通りである。第１ゲイン媒質１２ｇを、例えば外部からの連続光または電圧印加によって励起すると、第１ゲイン媒質１２ｇから光が誘導放出される。この誘導放出された光は、ミラー１２ｍ_１とミラー１２ｍ_２との間で繰り返し反射され、第１ゲイン媒質１２ｇを何回も通過することによって増幅される。増幅された光は、ミラー１２ｍ_１とミラー１２ｍ_２との間に配置された不図示の過飽和吸収体によってモード同期された光パルス列になる。過飽和吸収体は、低強度の光に対しては吸収体として機能し、高強度の光に対しては透明体として機能する。過飽和吸収体を用いずに、例えば第１ゲイン媒質１２ｇにおけるカーレンズ効果などの非線形光学効果によってモード同期された光パルス列を発生させてもよい。カーレンズ効果では、光が伝搬する箇所での屈折率の増加により、光が自己収束される。以上により、第１レーザ共振器１２から第１光周波数コムレーザ光が発せられる。

【0060】

第１レーザ光源１０は、第１光周波数コムレーザ光の第１部分１０ｌ_１を、ミラー１２ｍ_２から光結合器３０に向けて出射し、第１光周波数コムレーザ光の第２部分１０ｌ_２を、ミラー１２ｍ_１から外部に出射する。

【0061】

第２レーザ光源２０は、第１の光路長とは異なる第２の光路長を有する第２レーザ共振器２２を含む。第２レーザ共振器２２は、ミラー２２ｍ_１およびミラー２２ｍ_２と、第２ゲイン媒質２２ｇと、第２屈折率変調器２２ｎと、を備える。第２ゲイン媒質２２ｇは、ミラー２２ｍ_１とミラー２２ｍ_２との間に位置する。第２屈折率変調器２２ｎは、ミラー２２ｍ_１とミラー２２ｍ_２との光路の少なくとも一部の屈折率を変調する。ミラー２２ｍ_１およびミラー２２ｍ_２を、「一対の第２ミラー」と称することがある。ミラー２２ｍ_１の反射率は、ミラー２２ｍ_２の反射率よりも低い。ミラー２２ｍ_１の反射率は、例えば９０％以上９５％以下であり、ミラー２２ｍ_２の反射率は、例えば９５％以上９９％以下である。ただし、この範囲に限定されない。第２レーザ光源２０は、第２の光路長が第１の光路長と異なる点以外は、第１レーザ光源１０と同じ構造を備え得る。

【0062】

第１光周波数コムレーザ光の第１部分１０ｌ_１は、光結合器３０により、励起光として第２レーザ共振器２２に入力される。これにより、第２レーザ共振器２２から、第２光周波数コムレーザ光２０ｌが発せられる。第２レーザ光源２０は、第２光周波数コムレーザ光２０ｌをミラー２２ｍ_１から外部に出射する。第２の光路長は第１の光路長とは異なることから、第２光周波数コムレーザ光２０ｌの繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ２は、第１光周波数コムレーザ光の繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ１とは異なる。

【0063】

第２光周波数コムレーザ光２０ｌの出射強度は、第１光周波数コムレーザ光の第２部分１０ｌ_２の出射強度よりも低い。２つのレーザ光の出射強度が異なっていても、２つレーザ光の重ね合わせた干渉光ではビートが発生する。前述したように、デュアルコム分光法では、ビートが検出できれば、ビート周波数から、対象物の光周波数に関する特性を調べることができる。したがって、発光装置１００から出射される２つのレーザ光の強度の違いは問題にはならない。

【0064】

本実施形態における発光装置１００では、前述したように、第２光周波数コムレーザ光２０ｌは、第１光周波数コムレーザ光の第１部分１０ｌ_１を励起光として第２レーザ共振器２２から発せられる。したがって、発光装置１００に外乱が生じても、第２光周波数コムの揺らぎ方は、第１光周波数コムの揺らぎ方と同じか、相関を有する。すなわち、外乱が生じても、第１光周波数コムにおけるモード周波数と第２光周波数コムにおけるモード周波数との差は変化しにくい。したがって、本実施形態における発光装置１００は、図８Ａに示す従来の発光装置９０における複雑で高価な同期装置９３を必要としない。これにより、簡易で安価な発光装置１００を実現できる。

【0065】

次に、光結合器３０の構成例を説明する。光結合器３０は、ミラー３２およびミラー３４と、フィルタ３６と、周波数シフタ３８とを備える。フィルタ３６および周波数シフタ３８は、ミラー３２とミラー３４との間に位置する。第１レーザ共振器１２から発せられた第１光周波数コムレーザ光の第１部分１０ｌ_１は、ミラー１２ｍ_２を透過して、ミラー３２によって反射され、フィルタ３６および周波数シフタ３８を通過して、ミラー３４によって反射され、第２レーザ共振器２２にミラー２２ｍ_２から入射する。このようにして、光結合器３０は、第１光周波数コムレーザ光の第１部分１０ｌ_１を、フィルタ３６および周波数シフタ３８を通して第２レーザ共振器２２に入力させる。なお、フィルタ３６および周波数シフタ３８の少なくとも一方は、用途によっては省略されてもよい。

【0066】

次に、図２Ａおよび図２Ｂを参照して、光結合器３０におけるフィルタ３６および周波数シフタ３８の機能を説明する。

【0067】

図２Ａは、フィルタ３６の機能を説明するための図である。この例では、第１光周波数コムおよび第２光周波数コムに、一致するモード周波数が存在する。このような場合、図２Ａに示す例では、周波数シフタ３８は不要である。図２Ａのうち、上の図は、第１光周波数コムのスペクトルを模式的に示す。中央の図は、フィルタ３６を通過した後の第１光周波数コムレーザ光の第１部分１０ｌ_１の周波数スペクトルを模式的に示す。下の図は、第２光周波数コムのスペクトルを模式的に示す。

【0068】

フィルタ３６は、第１光周波数コムにおける複数のモード周波数のうちの一部の周波数を有する光を通過させるバンドパスフィルタとして機能する。具体的には、フィルタ３６の通過周波数帯域（図２Ａにおいて点線枠によって表示）は、第１光周波数コムにおける複数のモード周波数のうち、第２光周波数コムにおける複数のモード周波数の１つに一致するモード周波数を含む。すなわち、この一致するモード周波数は、第２レーザ共振器２２の共振周波数に相当する。

【0069】

図２Ａに示す例では、第１光周波数コムにおけるモード周波数の１つだけが、第２光周波数コムにおけるモード周波数の１つに一致する。この例におけるフィルタ３６は、この一致するモード周波数とその最近接の２つのモード周波数とを有する光を通過させるように設計されている。第１光周波数コムと第２光周波数コムにおける繰り返し周波数の差δｆ＝ｆ_ｒｅｐ２－ｆ_ｒｅｐ１が十分に小さければ、一致する周波数を１つだけにすることができる。この一致するモード周波数を有する光が第２レーザ共振器２２に入力されると、その光を励起光として、第２光周波数コムレーザ光２０ｌが発せられる。上記のモード周波数に最も近接する２つのモード周波数は、第２光周波数コムにおける複数のモード周波数のいずれにも一致しない。したがって、これらの２つのモード周波数を有する光は、第２光周波数コムの発生に寄与しない。フィルタ３６は、第２レーザ共振器２２の共振周波数に一致するモード周波数の光だけを透過させるように設計されていてもよい。余分なモード周波数の光が第２レーザ共振器２２に入力すると、非線形光学効果に起因して第２レーザ共振器２２の動作が不安定になる可能性がある。フィルタ３６によって余分なモード周波数の光を除去することにより、第２レーザ共振器２２の動作を安定化することができる。

【0070】

図２Ｂは、フィルタ３６および周波数シフタ３８の機能を説明するための図である。この例では、第１光周波数コムおよび第２光周波数コムに、一致するモード周波数が存在しない。図２Ｂのうち、上の図は、第１光周波数コムのスペクトルを模式的に示す。中央の図は、フィルタ３６および周波数シフタ３８を通過した後の第１光周波数コムレーザ光の第１部分１０ｌ_１の周波数スペクトルを模式的に示す。下の図は、第２光周波数コムのスペクトルを模式的に示す。

【0071】

周波数シフタ３８は、第１光周波数コムにおける複数のモード周波数のうちの少なくとも１つを第２光周波数コムにおける複数のモード周波数のうちの少なくとも１つに一致させるように、第１光周波数コムにおける複数のモード周波数をシフトする。周波数シフタ３８は、例えば音響光学素子を含む。図２Ｂに示す例では、シフトされた第１光周波数コムにおけるモード周波数の１つが、第２光周波数コムにおけるモード周波数の１つに一致する。フィルタ３６は、この一致するモード周波数とその最近接の２つのモード周波数とを有する光を通過させる。図２Ｂに示す例では、図２Ａに示す例と同様に、この一致するモード周波数の光が第２レーザ共振器２２に入力される。その光を励起光として、第２光周波数コムレーザ光が発せられる。

【0072】

（実施形態１の変形例）
次に、図３を参照して、実施形態１における発光装置１００の変形例を説明する。図３は、実施形態１の変形例における発光装置１００Ｍの例を模式的に示す図である。図３に示す例では、光結合器３０Ｍは、ミラー１２ｍ_１およびミラー２２ｍ_１の正面側に位置する。光結合器３０Ｍは、ハーフミラー３２ｈおよびハーフミラー３４ｈと、フィルタ３６と、周波数シフタ３８とを備える。フィルタ３６および周波数シフタ３８は、ハーフミラー３２ｈとハーフミラー３４ｈとの間に位置する。光結合器３０Ｍにおけるフィルタ３６および周波数シフタ３８については、図２Ａおよび図２Ｂを参照して説明した通りである。

【0073】

第１レーザ共振器１２から発せられた第１光周波数コムレーザ光の第１部分１０ｌ_１は、ミラー１２ｍ_１を透過し、ハーフミラー３２ｈによって反射され、フィルタ３６および周波数シフタ３８を通過し、ハーフミラー３４ｈによって反射され、第２レーザ共振器２２にミラー２２ｍ_１から入射する。このようにして、光結合器３０Ｍは、第１光周波数コムレーザ光の第１部分１０ｌ_１を、フィルタ３６および周波数シフタ３８を通して第２レーザ共振器２２に入力させる。

【0074】

本変形例における発光装置１００Ｍにおいて、第１レーザ光源１０におけるミラー１２ｍ_１の反射率、および第２レーザ光源２０におけるミラー２２ｍ_１の反射率は、例えば９０％以上９５％以下であり得る。第１レーザ光源１０におけるミラー１２ｍ_２の反射率、および第２レーザ光源２０におけるミラー２２ｍ_２の反射率は、例えば９５％以上９９．９％以下であり得る。ただし、この範囲に限定されない。第１レーザ光源１０におけるミラー１２ｍ_２、および第２レーザ光源２０におけるミラー２２ｍ_２は、光を透過させる必要がないことから、１００％に近い高い反射率を有してもよい。第１レーザ光源１０および第２レーザ光源２０のミラー以外の構成については、前述した通りである。

【0075】

第１レーザ光源１０は、第１光周波数コムレーザ光の第１部分１０ｌ_１を、ミラー１２ｍ_１から光結合器３０に向けて出射する。一方、第１レーザ光源１０は、第１光周波数コムレーザ光の第２部分１０ｌ_２を、ミラー１２ｍ_１から光結合器３０におけるハーフミラー３２ｈを通して外部に出射する。第２レーザ光源２０は、第２光周波数コムレーザ光２０ｌを、ミラー２２ｍ_１からハーフミラー３４ｈを通して外部に出射する。

【0076】

第２光周波数コムレーザ光２０ｌの一部は、ハーフミラー３４ｈおよびハーフミラー３２ｈによって反射され、戻り光として第１レーザ共振器１２に入力し得る。戻り光は、第１レーザ共振器１２の動作を不安定にする可能性がある。戻り光を除去するために、光結合器３０Ｍは、光路上に不図示のアイソレータをさらに備えてもよい。

【0077】

実施形態１の変形例における発光装置１００Ｍもまた同期装置を必要としない。これにより、簡易で安価な発光装置１００Ｍが可能になる。

【0078】

（実施形態２）
次に、図４を参照して、本開示の実施形態２における発光装置の基本的な構成例を説明する。以下では、前述した説明と重複する説明は省略することがある。図４は、本開示の実施形態２における発光装置１１０の例を模式的に示す図である。実施形態２における発光装置１１０と、実施形態１における発光装置１００とが異なる点は、第２レーザ光源２０の構造である。実施形態２における発光装置１１０では、第２レーザ光源２０は、光導波路２２ｗと、光導波路２２ｗに隣接する第２レーザ共振器２２とを備える。第２レーザ共振器２２は、非線形光学材料から形成されたリング共振器である。第１光周波数コムレーザ光の第１部分１０ｌ_１が光結合器３０によって光導波路２２ｗを介してリング共振器２２に入力される。その結果、リング共振器２２から第２光周波数コムレーザ光２０ｌが発せられる。

【0079】

次に、図５Ａおよび図５Ｂを参照して、リング共振器２２から第２光周波数コムレーザ光２０ｌが発せられる原理を説明する。

【0080】

図５Ａは、周波数ｆ_ｉｎの光がリング共振器２２に入力された場合におけるエネルギーの遷移過程を模式的に示す図である。周波数ｆ_ｉｎは、リング共振器２２内に形成される複数の定在波にそれぞれ対応する複数のモード周波数のうちの１つである。図５Ａに示す遷移過程は、非線形光学効果における４光波混合に起因する。非線形光学効果により、基底準位から仮想的な周波数２ｆ_ｉｎの励起準位への遷移が生じる。その後、励起準位から基底状態への遷移において、周波数ｆ_ｉｎ±ｆ_ｒｅｐ２の光が出力される。図５Ａに示す遷移過程では、出力エネルギーは入力エネルギーに等しい。第２光周波数コムの繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ２は、リング共振器２２における上記の複数のモード周波数のうちの最も近い２つのモード周波数の差に相当する。

【0081】

図５Ｂは、第２光周波数コムが形成される過程を模式的に示す図である。図５Ｂの上の図に示すように、図５Ａに示す遷移過程により、周波数ｆ_ｉｎから、周波数ｆ_ｉｎ±ｆ_ｒｅｐ２が現れる。同様に、図５Ｂの中央の図に示すように、周波数ｆ_ｉｎ±ｆ_ｒｅｐ２から、周波数ｆ_ｉｎおよび周波数ｆ_ｉｎ±２ｆ_ｒｅｐ２が現れる。同様に、図５Ｂの下の図に示すように、周波数ｆ_ｉｎ±２ｆ_ｒｅｐ２から、周波数ｆ_ｉｎ±ｆ_ｒｅｐ２および周波数ｆ_ｉｎ±３ｆ_ｒｅｐ２が現れる。この過程を繰り返すことにより、第２光周波数コムが形成される。

【0082】

第２光周波数コムの繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ２は、リング共振器２２の光路長に反比例する。リング共振器２２の光路長は、温度変化によってリング共振器２２の屈折率を変化させたり、リング共振器２２自体を膨張・収縮させたりすることにより、調整することができる。したがって、リング共振器２２に温度調整素子を組み込めば、第２光周波数コムの繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ２を、温度調整素子によって調整することができる。

【0083】

第１レーザ光源１０は、第１光周波数コムレーザ光の第２部分１０ｌ_２を、ミラー１２ｍ_１から外部に出射する。第２レーザ光源２０は、第２光周波数コムレーザ光２０ｌを、光導波路２２ｗを介して外部に出射する。

【0084】

本実施形態における発光装置１１０もまた同期装置を必要としない。これにより、簡易で安価な発光装置１１０を実現することが可能になる。本実施形態のように、第１光周波数コムおよび第２光周波数コムが異なる原理によって得られる場合でも、実施形態１と同様の効果を得ることができる。発光装置１１０は、光結合器３０の代わりに、実施形態１の変形例における光結合器３０Ｍを備えてもよい。

【0085】

（実施形態３）
次に、図６Ａおよび図６Ｂを参照して、本開示の実施形態３における発光装置の基本的な構成例を説明する。上記の各実施形態における発光装置は、基板に実装し、集積させることができる。以下では、前述の実施形態と異なる点を説明する。

【0086】

図６Ａは、本開示の実施形態３における発光装置１２０の例を模式的に示す上面図である。図６Ｂは、図６Ａに示す発光装置１２０における第１レーザ光源１０を模式的に示すＸＺ平面における断面図である。本実施形態における発光装置１２０は、基板４０、基板４０の表面に集積された第１レーザ光源１０、第２レーザ光源２０、および光結合器３０、ならびに、第１レーザ光源１０、第２レーザ光源２０、および光結合器３０を覆うポリマーなどの保護層５０を備える。図６Ａでは、保護層５０の記載は省略されている。本実施形態における発光装置１２０は、実施形態１における発光装置１００と同様に、第１屈折率変調器１２ｎ、第２屈折率変調器２２ｎ、および周波数シフタ３８をさらに備えてもよい。参考のために、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸が模式的に示されている。説明の便宜上、Ｚの値が増加する方向を「上方」と称する。このことは、発光装置１２０の使用時における向きを制限するわけではなく、発光装置１２０の向きは任意である。

【0087】

図示されている例における基板４０の表面は、ＸＹ平面に平行である。基板４０は、例えば、Ｓｉなどの高屈折率層４０ａと、ＳｉＯ_２などの低屈折率層４０ｂとがこの順にＺ方向に積層された積層構造から形成され得る。基板４０は、高屈折率層４０ａを含んでいなくてもよい。

【0088】

第１レーザ光源１０は、第１の光路長を有する第１レーザ共振器１２を含む。第１レーザ共振器１２は、ミラー１２ｍ_１およびミラー１２ｍ_２と、第１ゲイン媒質１２ｇと、光導波路１２ｗ_１と、光導波路１２ｗ_２とを備える。第１ゲイン媒質１２ｇの一部は、平面視でミラー１２ｍ_１とミラー１２ｍ_２との間に位置する。光導波路１２ｗ_１は、ミラー１２ｍ_１に接続されている。光導波路１２ｗ_２は、ミラー１２ｍ_２と第１ゲイン媒質１２ｇとの間に位置する。

【0089】

同様に、第２レーザ光源２０は、第１の光路長とは異なる第２の光路長を有する第２レーザ共振器２２を含む。第２レーザ共振器２２は、ミラー２２ｍ_１およびミラー２２ｍ_２と、第２ゲイン媒質２２ｇと、光導波路２２ｗ_１と、光導波路２２ｗ_２とを備える。第２ゲイン媒質２２ｇの一部は、ミラー２２ｍ_１とミラー２２ｍ_２との間に位置する。光導波路２２ｗ_１は、ミラー２２ｍ_１に接続されている。光導波路２２ｗ_２は、ミラー２２ｍ_２と第２ゲイン媒質２２ｇとの間に位置する。

【0090】

図６Ａに示す例では、第１レーザ共振器１２における第１ゲイン媒質１２ｇ、および第２レーザ共振器２２における第２ゲイン媒質２２ｇは、点線によって表されている。第１レーザ共振器１２および第２レーザ共振器２２は、光路長が異なる点以外は同じ構造を備える。

【0091】

図６Ｂに示す例では、第１レーザ共振器１２における光導波路１２ｗ_１は、基板４０における低屈折率層４０ｂに埋め込まれている。光導波路１２ｗ_１は、低屈折率層４０ｂ上に設けられていてもよい。光導波路１２ｗ_１は、ＳｉまたはＳｉＮからなる群から選択される少なくとも１つの高屈折率材料から形成され得る。光導波路１２ｗ_１の屈折率は、基板４０における低屈折率層４０ｂの屈折率、および保護層５０の屈折率よりも高い。これにより、光は、全反射によって光導波路１２ｗ_１内を伝搬することができる。光導波路１２ｗ_２についても同様である。光導波路１２ｗ_２は、光路長を増加させるために、らせん構造を有している。ミラー１２ｍ_１は、例えば分布ブラッグ反射器から形成され得る。分布ブラッグ反射器では、屈折率の周期構造に起因するブラッグ反射によって光が反射される。ミラー１２ｍ_１は、金属から形成されていてもよい。ミラー１２ｍ_２についても同様である。

【0092】

図６Ｂに示す例では、第１レーザ共振器１２は、第１ゲイン媒質１２ｇを挟むｎドープ層１２ｌ_１およびｐドープ層１２ｌ_２と、第１ゲイン媒質１２ｇの一部の上に位置し、かつ、ミラー１２ｍ_１の上方に位置する過飽和吸収体１２ｓａとをさらに備える。ｎドープ層１２ｌ_１およびｐドープ層１２ｌ_２の配置関係は逆であってもよい。第１レーザ光源１０における第１ゲイン媒質１２ｇは、例えばＩＩＩ－Ｖ族の半導体材料から形成され得る。ＩＩＩ－Ｖ族の半導体材料は、例えば、ＺｎＳｅ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＮからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含み得る。ｎドープ層１２ｌ_１およびｐドープ層１２ｌ_２に取り付けられた不図示の電極から電流注入された第１ゲイン媒質１２ｇでは、光が誘導放出される。この誘導放出された光は、光導波路１２ｗ_２を介してミラー１２ｍ_１とミラー１２ｍ_２との間で繰り返し反射され、第１ゲイン媒質１２ｇを何回も通過することによって増幅される。増幅された光は、不図示の電極から電流注入された過飽和吸収体１２ｓａによってモード同期された光パルス列になる。これにより、第１レーザ共振器１２から第１光周波数コムレーザ光が発せられる。第１レーザ光源１０は、第１光周波数コムレーザ光の第１部分１０ｌ_１を、ミラー１２ｍ_２から光結合器３０に向けて出射し、第１光周波数コムレーザ光の第２部分１０ｌ_２を、ミラー１２ｍ_１から光導波路１２ｗ_１を介して外部に出射する。

【0093】

第１光周波数コムレーザ光の第１部分１０ｌ_１は、光結合器３０により、励起光として第２レーザ共振器２２に入力される。これにより、第２レーザ光源２０は、第２レーザ共振器２２から発せられた第２光周波数コムレーザ光２０ｌをミラー２２ｍ_１から光導波路２２ｗ_１を介して外部に出射する。

【0094】

光結合器３０は、フィルタ３６と、フィルタ３６および第１レーザ共振器１２を接続する光導波路３０ｗ_１と、フィルタ３６および第２レーザ共振器２２を接続する光導波路３０ｗ_２とを備える。

【0095】

本実施形態における発光装置１２０によれば、前述の実施形態の効果に加え、基板４０への集積化により、発光装置１２０を小型化することができる。発光装置１２０は、光結合器３０の代わりに、実施形態１の変形例における光結合器３０Ｍを備えてもよい。

【0096】

図６Ａおよび図６Ｂに示す例以外にも、実施形態１の変形例における発光装置１００Ｍと同様の構成、および実施形態２における発光装置１１０と同様の構成もまた、基板４０に集積させることができる。

【産業上の利用可能性】

【0097】

本開示の実施形態におけるデュアル光周波数コム発光装置は、例えば、対象物の光周波数に関する特性を調べる用途、および対象物までの精密距離測定（ａｂｓｏｌｕｔｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）の用途に利用できる。

【符号の説明】

【0098】

１０ 第１光周波数コムレーザ光源
１０ｌ_１ 第１光周波数コムレーザ光の第１部分
１０ｌ_２ 第１光周波数コムレーザ光の第２部分
１２ 第１レーザ共振器
１２ｇ ゲイン媒質
１２ｌ_１ ｎドープ層
１２ｌ_２ ｐドープ層
１２ｍ_１、１２ｍ_２ ミラー
１２ｎ 第１屈折率変調器
１２ｓａ 過飽和吸収体
１２ｗ_１ 光導波路
１２ｗ_２ 光導波路
２０ 第２光周波数コムレーザ光源
２０ｌ 第２光周波数コムレーザ光
２２ 第２レーザ共振器、リング共振器
２２ｇ 第２ゲイン媒質
２２ｍ_１、２２ｍ_２ ミラー
２２ｎ 第２屈折率変調器
２２ｗ、２２ｗ_１、２２ｗ_２ 光導波路
３０、３０Ｍ 光結合器
３０ｗ_１、３０ｗ_２ 光導波路
３２、３４ ミラー
３２ｈ、３４ｈ ハーフミラー
３６ フィルタ
４０ 基板
４０ａ 高屈折率層
４０ｂ 低屈折率層
５０ 保護層
９０ デュアル光周波数コム発光装置
９１ 第１光周波数コムレーザ光源
９１ｌ 第１光周波数コムレーザ光
９２ 第２光周波数コムレーザ光源
９２ｌ 第２光周波数コムレーザ光
９３ 同期装置
９４ ミラー
９５ ハーフミラー
９６ 対象物
９７ 検出器
１００、１００Ｍ、１１０、１２０ デュアル光周波数コム発光装置

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】