JP2002372731A - 波長変換用、光演算用素子 - Google Patents
波長変換用、光演算用素子Info
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Abstract
問題が抑制された波長変換用、光演算用素子を提供する
こと。 【解決手段】 非線形光学結晶1に、波長変換および/
または光演算を可能とする周期的分極反転構造を形成す
るに際し、入射光L1と出射光L2との群速度が一致す
るように群速度整合条件を決定し、かつ、前記波長変換
および/または光演算のための擬似位相整合条件が満た
されるように前記周期的分極反転構造の分極反転周期を
決定し、波長変換用、光演算用素子を得る。
Description
技術分野に属し、特に、波長変換・光演算を擬似位相整
合法によって行うための周期的分極反転構造を備えた、
波長変換用および/または光演算用の素子に関するもの
である。
光学結晶は、第2高調波発生(SHG)、光パラメトリ
ック発振・増幅、差周波発生、和周波発生などの波長変
換を行う素子の材料として好ましく用いられている。
条件を満たす手法として、非線形光学結晶に周期的分極
反転構造(以下、「分極反転構造」ともいう)を形成し
て行う擬似位相整合(QPM)が盛んに行われている。
擬似位相整合については、例えば、文献「光第二高調波
発生と分極反転」(栗村、固体物理、29(1994)75-82)
などに詳しく記載されている。
長変換素子)は、高い波長変換効率を得るために、非線
形光学結晶10の分極方向(図中のz方向)を周期的に
反転(即ち、非線形光学定数を変調)した素子であっ
て、利用される非線形光学定数は、その値が最大である
ことから、専らd33となっている。また、非線形光学定
数d33が利用できることが、擬似位相整合法の長所とも
なっている。
(該光学結晶のz軸に基板面が垂直となるよう加工され
た結晶基板)が用いられ、非線形光学定数d33を利用し
た分極反転周期が形成されており、図2に示すように、
入射光L10の偏光方向と、波長変換された出射光L2
0の偏光方向とは、共に非線形光学結晶のz軸に平行と
なっている。このように、従来では、非線形光学定数d
33の利用のみが着目されて、入射光と出射光との群速度
整合については全く考慮されていなかった。
列を呈する光(パルス光)を入射光として扱う場合があ
る。例えば、波長1.5μmのパルス光をSHGによっ
て波長0.78μmのパルス光へと変換するような場合
や、波長1.5μmのパルス光と波長0.78μmのパ
ルス光との演算(例えば、時分割多重通信用のサンプリ
ングやゲーティング、波長多重通信用のチャネル変換や
ルーティング)を行うような場合などが挙げられる。
従来の分極反転構造素子による波長変換動作について研
究したところ、パルス光を扱う場合には、入射光の群速
度と、出射光の群速度との差によって、光の伝搬と共に
入射光と出射光とが空間的時間的に分離してしまい、そ
の結果、下記のような種々の問題が生じることがわかっ
た。
は、入射光が素子の全長にわたって存在するので、素子
長を長くすることによって、変換効率、演算効率の向上
が望める。これに対して、パルス数1Tbit /秒以上
(=パルス幅1ps以下)のような短パルス光を扱う場
合、入射光と出射光とが各々の群速度差のために分離し
てしまい、素子長を長くしても、変換効率、演算効率は
向上しないという問題が生じる。また、波長変換の結
果、群速度の差によっては、出射光のパルス幅が伸びて
パルス形状の保持が困難となり、正しい演算結果が得ら
れないという問題も生じる。また場合によっては、パル
ス列内の前後のパルス同士が干渉を起こし、演算に重大
な誤差をもたらすという問題も生じる。これらの問題
は、パルス幅が短くパルス数が高いほど顕著に現れる。
射光(変換された光)の波長に依存するため、入射光の
波長帯域を制限する要因にもなっている。また、波長
0.78μmを励起光源とした1.5μm帯の波長可変
光源では、群速度分散のため発生できる波長帯域が制限
される。
際に生じていた上記問題が抑制された波長変換用、光演
算用素子を提供することにある。
するものである。 (1)入射光に対して波長変換および/または光演算を
行い出射光とし得るよう、非線形光学結晶に周期的分極
反転構造が形成されてなる分極反転構造素子であって、
入射光と出射光との群速度が一致するように群速度整合
条件が決定されており、かつ、前記波長変換および/ま
たは光演算のための擬似位相整合条件が満たされるよう
に前記周期的分極反転構造の分極反転周期が決定されて
いることを特徴とする波長変換用、光演算用素子。
iNbO3である上記(1)記載の波長変換用、光演算
用素子。
に用いられる非線形光学結晶の非線形光学定数が、dテ
ンソルの非対角成分である上記(1)記載の波長変換
用、光演算用素子。
である上記(3)記載の波長変換用、光演算用素子。
第二高調波発生、光パラメトリック発振・発生、和周波
発生、差周波発生によって行われるものである上記
(1)記載の波長変換用、光演算用素子。
ルス列を呈する光である上記(1)〜(5)のいずれか
に記載の波長変換用、光演算用素子。
波長変換用、光演算用素子(以下、「当該素子」と呼ん
で説明する)は、非線形光学結晶1に分極反転構造が形
成されてなる素子(同図では、結晶全体に分極反転構造
が形成された態様を示している)である。ここで重要な
特徴は、入射光と出射光との群速度が一致するように群
速度整合条件が決定されており、かつ、前記波長変換お
よび/または光演算のための擬似位相整合条件が満たさ
れるように、前記周期的分極反転構造の分極反転周期が
決定されている点である。
ば、波長1.5μm)と、出射光(例えば、波長0.7
8μm)との間で群速度整合をとりながら擬似位相整合
させることにより、入射光として100fs程度の超短
パルスレーザー光を用いた場合でも十分な変換効率が実
現できる。
極反転構造においては、その最も重要な特徴として、非
線形光学定数(非線形光学テンソル成分)の最大の値d
33が利用されていた。しかし、そのような素子では、群
速度整合が考慮されていないために、短パルス光を扱う
場合、群速度差によって入射光パルスと出射光パルスと
がすぐに分離してしまうので、分離するまでの距離、即
ち、波長変換・光演算に実効的に寄与し得る素子の長さ
は1mm程度でしかない。これに対して本発明では、群
速度整合条件を満たし、非線形光学定数の非対角成分を
利用して擬似位相整合させているので、短パルスであっ
ても、素子の長さをより長くしても入射光パルスと出射
光パルスとが全長にわたって分離することなく、波長変
換、光演算に寄与させることができ、変換効率が向上す
る。
を満たしているので、例えば、波長0.78μmを励起
光源とした1.5μm帯の波長可変光源では、群速度整
合のため発生できる波長帯域が格段に拡がる。即ち、励
起光(0.78μm)を用い、光パラメトリック効果
(例えば、光パラメトリック発生:OPG)により1.
5μm付近の光を発生させる場合、その波長は、励起光
の波長、結晶温度、分極反転周期を変えることによって
可変であり、波長0.78μmを励起光源とすると広帯
域波長可変な1.5μm帯光源が実現できる。
すことなく擬似位相整合による波長変換、光演算ができ
る。光通信などでは、パルス幅の狭い(1ps以下)
1.5μm光が必要となるが、従来のように、励起光
(0.78μm)と発生光(1.5μm)との間で群速
度整合がとれていない状態では、励起光を短パルス化し
ても、発生光のパルス幅は短くならず、かつ変換効率が
悪い。そこで本発明を用いることによって、発生光のパ
ルス幅が短く、かつ変換効率の高い波長可変光源が実現
できる。
度が一致するように群速度整合条件が決定されるとは、
光路に対する非線形光学結晶の角度、入射光・出射光の
各々の偏光方向、該結晶の温度などが選択されることを
意味する。例えば、LiNbO3結晶の場合、z板を用
い、入射光・出射光の偏光方向を共にz軸と平行にして
d33を利用するという、従来どおりの擬似位相整合で
は、群速度が整合しない。これに対して、本発明では、
例えば、入射光の偏光方向をz軸と平行にし、d31を利
用する擬似位相整合を行う。これによって、出射光の偏
光方向がz軸と垂直になり、擬似位相整合を達成しなが
ら、両者の群速度整合も達成される。
分散を設計することで材料固有の屈折率分散と整合させ
群速度整合を実現することもできる。例えば、LiNb
O3を用いたプロトン交換導波路においては、導波路形
状を適切に設計することよって、負の群速度分散を生じ
させることができ、材料の群速度分散を打ち消すことも
できる。
第2高調波発生(SHG)、光パラメトリック発振・増
幅、差周波発生、和周波発生などが挙げられる。また、
波長変換のなかでも、演算と呼ばれる操作として、前記
したように、時分割多重通信用のサンプリングやゲーテ
ィング、波長多重通信用のチャネル変換やルーティング
などが挙げられる。
バ通信を念頭においた場合、光ファイバの損失が少ない
こと、実効屈折率の分散をゼロにできることなどの点か
らは、1.5μmが好ましい波長である。また、入射光
がパルス列を呈する光である場合に、なかでも、パルス
幅が1ps以下、特に300fs以下であるような短パ
ルス光を入射光とする場合に、本発明の有用性は特に顕
著となる。
結晶は、分極反転構造を形成するに際し、群速度整合可
能な非線形光学定数d(特に非対角成分)を利用し得る
ものが好ましい。例えば、LiNbO3、LiTaO3、
M1TiOM2O4(M1=K、Rb、Tl、Cs、M2=
P、As)などの代表的なものや、これらに種々の元素
をドープしたものが挙げられる。特に、MgOドープL
iNbO3結晶は、耐光損傷性に優れており、室温動作
が可能であること、大型結晶が量産できること、高い均
一性の結晶が入手できることなどの点から特に好ましい
結晶である。
ij(i≠j)の中でも、d31は、d33に次いで大きな定
数であり、位相整合許容幅が大きいことから特に利用す
べき成分である。
j)、特にd31を利用するには、該成分についての波長
変換の擬似位相整合が満たされるように分極反転周期を
選択すればよい。例えば、非線形光学結晶としてMgO
ドープLiNbO3を用い、入射光波長を1.5μm
(中心波長1.55μm)とするSHG素子を形成する
場合、該結晶の非線形光学定数d31を利用するには、分
極反転周期を20μmとすればよい。このときに、出射
光(波長0.78μm)の偏光方向と、結晶のz方向と
は直角をなし、入射光(波長1.5μm)の群速度と、
出射光の群速度とが等しくなる。即ち、群速度整合す
る。また、群速度整合した入射光と出射光とが、前記分
極反転周期によって擬似位相整合する。
波長変換に有用であり、超短パルスを利用する光通信用
光源や波長帯域の広い赤外広帯域光源への応用が可能で
ある。分極反転構造を、非線形光学結晶の光路部分のみ
に形成するか素子全体に形成するかは、素子形態、規
模、目的等に応じて決定してよい。
ドープLiNbO3を用い、入射光波長を1.5μm
(中心波長1.55μm)とするSHG素子を実際に形
成し、パルス列を入射して変換効率を調べた。
出射光(SHG光:0.78μm)との偏光方向を選択
し、MgOドープLiNbO3の非線形光学定数d31を
利用することで、入射光と、出射光との群速度整合条
件、擬似位相整合条件を満足する構成とした。詳しい製
造工程は以下のとおりである。
光路方向の全長(=素子長)10mm、単分極化処理が
なされた+zカットのMgOドープLiNbO3結晶基
板を用いた。該結晶基板の+z面、−z面は、光学研磨
されている。該結晶基板の+z面に、フォトリソグラフ
ィーにより周期的な縞状のマスクパターン(グレーティ
ングパターン)を有するレジスト膜を絶縁膜として形成
した。縞状のマスクパターンは、帯状のマスク部分と帯
状の露出部分とが交互に配置されたストライプ状のパタ
ーンであって、帯状のマスク部分の幅を12μm、帯状
の露出部分の幅を8μmとした。スパッタによって、そ
の上に厚さ4000ÅのAu被覆層を形成した。
電極を接触させ、−z面にマイナス側の液体電極を接触
させ、分極反転電圧を印加し、露出部分の分極方向を反
転させて分極反転構造を完成させ、本発明による素子を
得た。
子として、非線形光学定数d33を利用すべく分極反転周
期を18.5μmとしたこと以外は、上記実施例と同様
に、分極反転構造を有する波長変換素子を形成した。
ファイバレーザを励起光源として用い、波長1.5μ
m、パルス幅300fsのパルス光を、上記実施例によ
って得られた当該素子に入射し、波長変換して、波長
0.78μmにおいてパルス幅160fsのパルス光を
出射させた。このときの入射光の偏光方向は、素子のz
軸に対して平行であり、また、波長変換によって出力さ
れた光の偏光方向は、素子のz軸に対して垂直であっ
て、両者の群速度は一致している。また、出射光は、非
線形光学定数d31を用いた擬似位相整合によって波長変
換されている。出射光を観測したところ、波長変換に伴
うパルス広がりはなく、変換効率20%が得られた。一
方、d33を利用した比較例の波長変換素子を用い、上記
実施例の場合と同様の評価実験を行った。このときの入
射光・出射光の偏光方向は、いずれも素子のz軸に対し
て平行であって、両者の群速度は一致していなかった。
出射光のパルスの波形は波長変換に伴って拡がり、変換
効率は1%と低いものであった。
相整合によってパルス光を波長変換する際に生じてい
た、入射光と出射光との間の群速度差に起因する問題が
解決された。
る。
Claims (6)
- 【請求項1】 入射光に対して波長変換および/または
光演算を行い出射光とし得るよう、非線形光学結晶に周
期的分極反転構造が形成されてなる分極反転構造素子で
あって、 入射光と出射光との群速度が一致するように群速度整合
条件が決定されており、かつ、前記波長変換および/ま
たは光演算のための擬似位相整合条件が満たされるよう
に前記周期的分極反転構造の分極反転周期が決定されて
いることを特徴とする波長変換用、光演算用素子。 - 【請求項2】 非線形光学結晶が、MgOドープLiN
bO3である請求項1記載の波長変換用、光演算用素
子。 - 【請求項3】 上記擬似位相整合条件を満たすために用
いられる非線形光学結晶の非線形光学定数が、dテンソ
ルの非対角成分である請求項1記載の波長変換用、光演
算用素子。 - 【請求項4】 上記dテンソルの非対角成分がd31であ
る請求項3記載の波長変換用、光演算用素子。 - 【請求項5】 波長変換および/または光演算が、第二
高調波発生、光パラメトリック発振・発生、和周波発
生、差周波発生によって行われるものである請求項1記
載の波長変換用、光演算用素子。 - 【請求項6】 入射光が、パルス幅1ps以下のパルス
列を呈する光である請求項1〜5のいずれかに記載の波
長変換用、光演算用素子。
Priority Applications (3)
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JP2001182394A JP2002372731A (ja) | 2001-06-15 | 2001-06-15 | 波長変換用、光演算用素子 |
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