JP2005202334A - 光波長変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 １つの光波長変換素子の波長可変範囲を拡大する。
【解決手段】 互いに波長の異なる信号光λ_Ａと制御光λ_Ｂとを入力し、信号光λ_Ａを異なる波長λ_Ｃの変換光に変換する光波長変換モジュール２９において、二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する光導波路を含む光波長変換素子２１と、光波長変換素子２１の光路方向に沿って、光波長変換素子２１と熱的に結合された複数の温度制御用素子２８ａ，２８ｂおよび温度検出用素子２７ａ，２７ｂとを備え、光波長変換素子２１の光路方向に沿った温度を温度検出用素子２７ａ，２７ｂにより検出し、光路方向に沿って温度勾配を付けるように、温度制御用素子２８ａ，２８ｂの各々を制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光波長変換モジュールに関し、より詳細には、光通信、計測の分野で用いられるレーザ光源の波長を変換するための光波長変換モジュールに関する。

近年、光通信システムの通信容量の増大を図るために、波長の異なる複数の光を多重化して伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）通信システムが積極的に導入されている。このようなＷＤＭ通信システムにおいては、限られた波長数を有効に利用するために、信号波長を任意の信号波長に変換する波長変換素子の実用化が求められている。従来、光の波長を変換する波長変換素子として、半導体光増幅器を応用した素子、四光波混合を利用する素子、二次非線形光学効果の一種である擬似位相整合による第二高調波発生、和周波発生、差周波発生を利用した波長変換素子等が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１に、従来の擬似位相整合型の波長変換素子を用いたレーザ光源の構成を示す。レーザ光源は、波長λ_Ａの信号光Ａを出力するレーザダイオードモジュール１０ａと、波長λ_Ｂの制御光Ｂを出力するレーザダイオードモジュール１０ｂと、信号光Ａと制御光Ｂとを入力し、信号光Ａを波長λ_Ｃの変換光に変換して出力する光波長変換素子モジュール９とから構成されている。光波長変換素子モジュール９は、そのパッケージ内部に、金属製サブマウント４に載置された光波長変換素子１と、光波長変換素子１と熱的に結合された温度制御用素子であるペルチェ素子８と、温度検出用素子であるサーミスタ素子７とを備えている。

レーザダイオードモジュール１０ａ，１０ｂの出力は、光コネクタ１１ａ，１１ｂを介して波長合成器モジュール１３に接続される。波長合成器モジュール１３によって合波された信号光Ａと制御光Ｂとは、光コネクタ１１ｃを介して光波長変換素子モジュール９に入力される。入力された光は、光波長変換素子１の非線形光学効果により、変換光Ｃへ変換され、変換光Ｃのみを取り出すインライン型の波長フィルタ１４を介して出力される。ここで、光ファイバ２ｂ〜２ｇは、偏波保持ファイバであり、光ファイバ２ａは、用途により偏波保持ファイバまたは通常の光ファイバを用いる。

光波長変換素子１は、通常、ニオブ酸リチウムなどの非線形光学結晶基板に、周期的な分極反転構造が作製され、光導波路が形成されている。光波長変換素子モジュール９は、同じニオブ酸リチウム素子を使った高速光変調器モジュールとほぼ同じ構造で作製されてきた。すなわち、光ファイバは、光波長変換素子の両端面に直接接着して、光学的に結合されている。ただし、温度制御用のペルチェ素子８を内蔵している点は異なる。光波長変換素子１は温度依存性が大きいため、最適な変換効率が得られるように、素子の温度を制御する必要があるからである。

変換光Ｃの強度は、信号光Ａと制御光Ｂの強度の積に比例するので、制御光Βを一定強度にしておけば、信号Ａから変換光Ｃへ波長のみを変換することができる。例えば、λ_Ａ＝１５５０ｎｍ、λ_Ｂ＝７７０ｎｍのとき、差周波としてλ_Ｃ＝１５３０ｎｍが得られる。ここで、制御光Ｂの波長をλ_Ｂ＝７７１ｎｍとすれば、変換光Ｃの波長λ_Ｃ＝１５３４ｎｍになる。このようにして、制御光Ｂの波長を変えることにより、出力波長を可変にすることができ、波長により信号を制御する波長交換に適用することができる。

一方、特定の波長に吸収帯を有する気体を検出するガスセンサ用の光源は、バックグラウンドノイズを避けるため、吸収波長を中心にある範囲で波長を振る必要がある。従って、上述した光波長変換素子を有するレーザ光源は、ガスセンサに用いる光源としても有用である。

光波長変換素子の効率は、内部に形成された反転分極の周期に合致した波長以外では極端に低下する。単一周期の光波長変換素子では、可変帯域が実用上１ｎｍ以下と極めて狭い。そこで、波長を可変して用いるためには、反転分極の周期を徐々に変化（チャープ）させた専用の光波長変換素子を作製するか、または、光波長変換素子の温度依存性を利用して、温度を所望の波長に合わせて制御する必要があった。

特開２００３−１４０２１４号公報

しかしながら、チャープさせた光波長変換素子では必然的に変換効率が下がるために、十分な出力を得るために素子長を長くするか、または信号光Ａと制御光Βのパワーを上げる必要がある。素子長を長くすると、光波長変換素子の製造上の歩留りが低下するとともに、モジュール化が困難になる。入力光のパワーを上げることは、消費電力の増加、素子寿命の低下、使用者の危険性が増すといった問題があった。従って、使用する波長帯域に合わせて最適なチャープ量を有する光波長変換素子を使う必要がある。しかし、特定の波長帯域に合わせた専用の光波長変換素子は、用途が限られるために素子自体が高価にならざるを得ない。また、システムの拡張時には、別の光波長変換素子を用いる必要があり、汎用性がないという問題もあった。

一方、温度により波長を制御する方法は、温度調節に通常秒単位の時間がかかるので、通信システムにおける波長交換のように、速い切替を必要とする用途には使用できない。また、温度を正確に制御光と同期させないと、出力パワーのレベル変動を生ずるので、波長をある帯域でスキャンするガスセンサの様な用途に用いることが難しいという問題があった。以上述べたように、従来の光波長変換素子を有するレーザ光源は、半固定波長光源として使用しているに過ぎないという現状であった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、１つの光波長変換素子で広範な波長可変範囲を有する光波長変換素子モジュールを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、互いに波長の異なる信号光と制御光とを入力し、前記信号光を異なる波長の変換光に変換する光波長変換モジュールにおいて、二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する光導波路を含む光波長変換素子と、該光波長変換素子の光路方向に沿って、前記光波長変換素子と熱的に結合された複数の温度制御用素子および温度検出用素子とを備え、前記光波長変換素子の光路方向に沿った温度を前記温度検出用素子により検出し、光路方向に沿って温度勾配を付けるように、前記温度制御用素子の各々が制御されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記光波長変換素子は、分極の周期をチャープさせた構造を有する光導波路を含むことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の光波長変換モジュールにおいて、前記光波長変換素子と前記複数の温度制御用素子とは、前記温度制御用素子の消費電流と温度勾配の安定性とから求められた熱伝導率を有する金属サブマウントを介して、熱的に結合されていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、光波長変換素子の光路方向に沿って、光波長変換素子と熱的に結合された複数の温度制御用素子を備え、波長変換素子の光路方向に沿って温度勾配を付けるように制御するので、１つの光波長変換素子で広範な波長可変範囲を有することが可能となる。

また、本発明によれば、少ない種類の光波長変換素子で多様な波長帯域に対応する光波長変換素子モジュールを構成することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図２に、本発明の一実施形態にかかる光波長変換素子モジュールを示す。レーザ光源は、波長λ_Ａの信号光Ａを出力するレーザダイオードモジュール１０ａと、波長λ_Ｂの制御光Ｂを出力するレーザダイオードモジュール１０ｂと、信号光Ａと制御光Ｂとを入力し、信号光Ａを波長λ_Ｃの変換光に変換して出力する光波長変換素子モジュール２９とから構成されている。光波長変換素子モジュール２９は、そのパッケージ内部に、金属製サブマウント２４に載置された光波長変換素子２１を有し、金属製サブマウント２４の両端に、光波長変換素子２１と熱的に結合された温度制御用素子であるペルチェ素子２８および温度検出用素子であるサーミスタ素子２７とを２組備えている。

レーザダイオードモジュール１０ａ，１０ｂの出力は、光コネクタ１１ａ，１１ｂを介して波長合成器モジュール１３に接続される。波長合成器モジュール１３によって合波された信号光Ａと制御光Ｂとは、光コネクタ１１ｃを介して光波長変換素子モジュール２９に入力される。入力された光は、光波長変換素子２１の非線形光学効果により、変換光Ｃへ変換され、変換光Ｃのみを取り出すインライン型の波長フィルタ１４を介して出力される。

光波長変換素子２１は、通常、ニオブ酸リチウムなどの非線形光学結晶基板に、周期的な分極反転構造が作製され、光導波路が形成されている。光波長変換素子２１の素子長は６０ｍｍであり、変換効率を高めるために長くする。ペルチェ素子２８ａ，２８ｂおよびサーミスタ素子２７ａ，２７ｂは、金属製サブマウント２４の両端にそれぞれ熱的に結合されている。ペルチェ素子２８ａ，２８ｂおよびサーミスタ素子２７ａ，２７ｂは、図示しない制御回路に接続され、制御回路により、独立に温度を制御することができるように構成されている。

なお、本実施形態では、金属製サブマウント２４の両端に２組のペルチェ素子２８およびサーミスタ素子２７を配置したが、光波長変換素子２１の光路方向に沿って、複数組を配置するようにしてもよい。

金属製サブマウント２４の材質は、光波長変換素子２１と接する面がニオブ酸リチウムと線膨張係数が近いステンレスであり、ペルチェ素子２８と接する面がペルチェ基板と線膨張係数の近い鉄・ニッケル・コバルト合金である。一般的に、温度制御を行うモジュールでは、サブマウントの材質として銅、銅タングステン合金、アルミ合金などの高熱伝導材料を用いる。しかしながら、これら材料のように温度勾配を付けた場合に熱伝導が良すぎると、熱流量が大きいためにペルチェ素子の駆動電流が増大し、自己発熱が増えて温度制御が困難になる。

そこで、本実施形態の金属製サブマウント２４は、あえて熱伝導率の低い材質を採用する。この場合、所定の温度に達するまでに秒単位の時間がかかるようになる。しかしながら、実際に波長可変範囲を変更するのは、システムの変更、スキャン範囲の変更などのように、それほど高速性を要求される場面は少ないので実用上は問題ない。ただし、極端に熱伝導の低い材料（例えば、断熱性のマシナブルセラミックス材等）を用いると安定化までの時間が、数十秒から分単位と長くなって使いづらくなるので、用途に応じて材料を選択する。すなわち、温度制御用素子の消費電流と温度勾配の安定性とから求められた熱伝導率を有する金属製サブマウントを用いる。

なお、金属製サブマウント２４の中央部を細くしたり、金属製サブマウント２４の中央部に溝や穴を設けた構造とすることで、長手方向の熱流量を制限することができ、ペルチェ素子の消費電力を抑えることができる。ニオブ酸リチウムの非線形光学効果を用いた光波長変換素子２１は、自己発熱しないために、放熱を考慮する必要がなく、熱流量が小さくても構わないからである。

次に、温度制御の方法について説明する。ニオブ酸リチウムの光波長変換素子２１の温度依存性は、０．１ｎｍ／℃程度である。従って、ペルチェ素子２８の一方を２５℃、他方を８５℃に設定して、６０℃程度の温度勾配を付けることによって、６ｎｍ帯域の範囲で波長を可変することができる。高密度な波長分割多重伝送システムでは、波長間隔は大体１ｎｍ以下であるので、１台の光波長変換素子モジュールで６〜７チャンネルに対応できる。より少ないチャンネルで用いるときは、温度勾配を小さくすることにより対応することができる。波長可変範囲を狭めれば変換効率は向上するので、１台の光波長変換素子モジュールでシステムに合わせて常に最適条件で動作させることができる。

また、ガスセンサや光部品の計測用に用いれば、最初に粗くスキャンして、次に範囲を狭めて効率を上げることにより、高感度な測定を行うことができる。なお、計測用として光波長変換素子モジュールの使用温度を、室温近辺のみに限定できるならば、２個のペルチェ素子の温度差を１００℃以上に設定することができるので、波長可変範囲を拡大することもできる。分極反転構造の周期が一定である光導波路を含む光波長変換素子を用いれば、温度勾配を逆にしても波長可変範囲は変わらない。一方、分極反転構造の周期をチャープさせた光導波路を含む光波長変換素子を用いれば、逆方向に温度勾配を付けることにより、理論的には波長可変範囲を最大２倍に拡大することができるという効果を有する。

従来の擬似位相整合型の波長変換素子を用いたレーザ光源を示す構成図である。 本発明の一実施形態にかかる光波長変換素子モジュールを示す構成図である。

符号の説明

１，２１ 光波長変換素子
２，２２ 光ファイバ
４，２４ 金属製サブマウント
７，２７ サーミスタ素子
８，２８ ペルチェ素子
９，２９ 光波長変換素子モジュール
１０ レーザダイオードモジュール
１１ 光コネクタ
１３ 波長合成器モジュール
１４ 波長フィルタ

Claims (3)

1. 互いに波長の異なる信号光と制御光とを入力し、前記信号光を異なる波長の変換光に変換する光波長変換モジュールにおいて、
   二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する光導波路を含む光波長変換素子と、
   該光波長変換素子の光路方向に沿って、前記光波長変換素子と熱的に結合された複数の温度制御用素子および温度検出用素子とを備え、
   前記光波長変換素子の光路方向に沿った温度を前記温度検出用素子により検出し、光路方向に沿って温度勾配を付けるように、前記温度制御用素子の各々が制御されることを特徴とする光波長変換モジュール。
2. 前記光波長変換素子は、分極の周期をチャープさせた構造を有する光導波路を含むことを特徴とする請求項１に記載の光波長変換モジュール。
3. 前記光波長変換素子と前記複数の温度制御用素子とは、前記温度制御用素子の消費電流と温度勾配の安定性とから求められた熱伝導率を有する金属サブマウントを介して、熱的に結合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光波長変換モジュール。

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