JP2007187920A - 非線形光学媒質およびそれを用いた波長変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分極反転構造を有する非線形光学媒質において、波長変換効率を低下させることなく、サイドローブが抑圧する。
【解決手段】光の伝播方向に一定周期で分極反転構造が形成され、かつ、周期ごとの反転領域と非反転領域の割合が、少なくとも非線形光学媒質４１の光の伝播方向の一部において、連続的に変化している。
【選択図】図４

Description

本発明は、非線形光学媒質およびそれを用いた波長変換装置に関し、より詳細には、周期的な分極反転構造を有する擬似位相整合型構造の非線形光学媒質およびそれを用いた波長変換装置に関する。

紫外域−可視域−赤外域−テラヘルツ域にわたるコヒーレント光の発生と変調とを行う非線形光学デバイスおよび電気光学デバイスの開発が進められており、光通信分野における光信号の光波長変換、光変調のほか、光計測、光加工、医療、生物工学などの分野に応用されている。非線形光学媒質および電気光学媒質としては、種々の材料が研究開発されている。その中で、ＬｉＮｂＯ_３などの２次非線形光学材料を用い、非線形定数が周期的に変化するように変調された、いわゆる「擬似位相整合型構造」の光学デバイスが有望視されている（例えば、非特許文献１参照）。擬似位相整合（または擬似郡速度整合）型構造は、結晶の自発分極の極性を周期的に反転した格子（グレーティング）状の構造を有しており、非線形光学デバイスおよび電気光学デバイスにおける光波長変換、光変調の効率を飛躍的に高めることができる。

図１に、従来の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す。２次非線形光学効果を利用して差周波発生を行う波長変換素子の構成である。波長変換素子は、比較的小さな光強度を有する信号光（λ_１）１３と、比較的大きな光強度を有する励起光（λ_３）１５とを合波する合波器１０と、擬似位相整合型構造の非線形光学媒質１１からなる導波路１２と、差周波数光である変換光（λ_２）１４と励起光とを分離する分波器１６とから構成されている。非線形光学媒質１１は、波長λ_１の信号光と波長λ_３の励起光とを入射すると、波長λ_２の変換光を出力する。これらの３つの波長の間には次式で与えられる関係が成立する。

信号光１３は、導波路１２において、異なる波長を有する差周波数光１４へと変換され、励起光と共に出射される。

なお、このような波長変換素子の構成により、信号光１３および励起光１５により和周波発生を行うこともできる。また、信号光１３および励起光１５を同一の波長とし、または信号光１３のみを入射することにより、第二高調波発生を行って、励起光の２倍の周波数を有する第二高調波に変換することもできる。

２次非線形光学材料中に周期的に変調された構造を形成するためには、２次非線形光学材料の非線形定数の符号を空間的に交互に反転させるか、または、非線形定数の大きな部分と小さい部分とを交互に配置させる方法が考えられる。例えば、ＬｉＮｂＯ_３のような強誘電体結晶を用いて、差周波発生を行うことを考える。非線形定数（以下、ｄ定数という）の正負は、自発分極の極性に対応するので、図１に示した非線形光学媒質１１は、ＬｉＮｂＯ_３基板上にプロトン交換法で形成された光導波路１２を有し、ＬｉＮｂＯ_３の自発分極が、変調周期Λ_０＝１４．７５μｍで周期的に反転されている。このような構成の波長変換素子は、１．５５μｍ帯の信号光１３と０．７８μｍ帯の励起光１５とにより、差周波発生が可能となり、１．５７μｍ帯の変換光に波長変換することができる。

ＬｉＮｂＯ_３からなる非線形光学媒質１１おいて、波長λ_１の信号光１３に対する屈折率ｎ_１、波長λ_２の変換光１４に対する屈折率をｎ_２、波長λ_３の励起光１５に対する屈折率をｎ_３、非線形定数の変調周期をΛ_０とすると、位相不整合量Δβは、

で与えられる。

光の伝搬方向軸上の位置ｚにおける非線形定数をｄ（ｚ）とすると、光導波路がｚ＝０からｚ＝Ｌまで存在すると仮定して、光導波路を励起光と信号光が伝搬した後（ｚ＝Ｌ）の変換効率は、位相不整合量Δβに対して次式で与えられる。

この式から非線形定数の空間的な変化ｄ（ｚ）を与え、フーリエ変換を行うことにより、位相不整合量Δβに対する変換効率の変化を計算することができる。

M. H. Chou, et al., "1.5-μm-band wavelength conversion based on difference-frequency generation in LiNbO3 waveguides with integrated coupling structures", Optics Letters vol.23, no.13, p.1004-1006 (1998) Y. Nisida et al., "Direct-bonded QPM-LN ridge waveguide with high damage resistance at room temperature", Electronics Lett. 3rd April 2003 Vol.39, No.7

図２は、変換効率の位相不整合量依存性を説明するための図である。縦軸は、変換効率ηの最大値が１となるように規格化して示している。擬似位相整合条件を満足する励起光１５の波長は、非線形光学媒質の屈折率の波長分散に依存し、信号光１３の波長λ_１を固定して、変調周期Λ_０が与えられれば一意に定まる。

図３に、位相不整合量依存性を別のスケールで示す。縦軸は、規格化変換効率＝１に対する相対値をデシベルで示している。図２によれば、中心波長からずれた波長においても、変換が行われることがわかる。図３によれば、規格化変換効率＝１となる帯域以外にも、変換が行われる帯域がピークを持って表れている（以下、サイドローブという）ことがわかる。

一方、大容量の光通信システムを構築する技術として、波長分割多重（ＷＤＭ）伝送方式が適用されている。ＷＤＭ伝送方式を適用することにより、光信号を電気信号へ変換することなく、光信号のまま処理するフォトニックネットワークが構築されている。ＷＤＭ伝送方式においては、上述した波長変換素子を用いて、一群に含まれる多数の波長を一括して変換することが行われている。

従って、中心波長からずれた波長においても変換が行われると、変換された光の近傍に、他のチャンネルから変換された光が生起され、クロストークの影響が無視できなくなる。クロストークの影響を避けるために、励起光と信号光の間にガードバンドを設けるとすると、一群に含まれる波長数が制限されたり、変調速度が制限されるという問題があった。

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、波長変換効率の波長に対する選択性を向上させ、サイドローブが抑圧された非線形光学媒質およびそれを用いた波長変換装置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、分極反転構造を有する非線形光学媒質において、光の伝播方向に一定周期で前記分極反転構造が形成され、かつ、前記周期ごとの反転領域と非反転領域の割合が、少なくとも前記非線形光学媒質の光の伝播方向の一部において、連続的に変化していることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記反転領域と非反転領域の割合は、少なくとも前記非線形光学媒質の光の伝播方向の一部において、増加または減少していることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記反転領域と非反転領域の割合は、少なくとも前記非線形光学媒質の入射端と出射端のいずれかにおいて、増加または減少していることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、波長変換装置であって、出力光の波長を可変することができる光源と、前記出力光が入射され、第二高調波発生により変換光を出射する、請求項１、２または３に記載の非線形光学媒質とを備えたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、波長変換装置であって、出力する信号光の波長を可変することができる第１の光源と、励起光を出力する第２の光源と、差周波波発生と和周波発生のいずれかにより変換光を出射する、請求項１、２または３に記載の非線形光学媒質と、前記信号光と前記励起光とを合波して、前記非線形光学媒質に入射させる合波器とを備えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、光の伝播方向に一定周期で前記分極反転構造が形成され、かつ、周期ごとの反転領域と非反転領域の割合が、少なくとも非線形光学媒質の光の伝播方向の一部において、連続的に変化しているので、波長変換効率を低下させることなく、サイドローブを抑圧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。本明細書において用いられている「波長変換素子」および「波長変換装置」という用語は、単に波長変換機能のみを有する素子および装置という意味だけではなく、光増幅機能を併せて有する素子および装置も含む。

図４に、本発明の一実施形態にかかる非線形光学媒質の構成を示す。ここでは、ＬｉＮｂＯ_３などの強誘電体結晶材料を非線形光学媒質３１として用いて、第二高調波発生を例に説明する。図４（ａ）に示した非線形光学媒質３１は、自発分極の極性を周期的に反転する（以下、分極反転構造という）ことで、非線形定数の符号を空間的に交互に反転させている。非線形光学媒質３１には、光導波路３２が形成され、波長λ_１の信号光３３を入力し、２次非線形光学効果によって波長λ_３の変換光３４を出力する。

非線形光学媒質３１は、長手方向に非線形定数が一定の周期で変調されているが、これに加えて、周期ごとの反転領域と非反転領域の割合が素子端で増加または減少する。具体的には、図４（ｂ）に示したように、周期ごとの反転領域と非反転領域の割合が、信号光３３の入射端から連続的に変化し、かつ増加する。非線形光学媒質３１の中央部では、一定の割合となり、変換光３４の出射端に向けて連続的に変化し、かつ減少する。

以下に、反転周期ごとの反転領域と非反転領域の割合を変化させる手法について説明する。一つの反転周期内での反転の割合を表す関数として次式を定義する。

反転領域と非反転領域が１対１の場合にはデューティ比は０．５となる。今、デューティ比が非線形光学媒質の素子端（入射端および出射端をいう）で小さく（または大きく）なる構造を考える。このとき、例えば、以下に定義された関数に従うとする。

ここで、Ｄは上で定義したデューティ比、ｚは素子の端からの光の伝播方向の距離、Ｌは素子の全長、ａはデューティ比の変化を制御するパラメータである。

図５に、非線形光学媒質３１の分極反転構造の構成を詳しく示す。図５（ｄ）は、ａ＝４としたときの関数Ｄ（ｚ）、すなわち分極反転構造におけるデューティ比の変化を示す。図５（ａ）〜（ｃ）は、反転周期ごとの反転領域と非反転領域の割合を示す。ｄ定数／｜ｄ定数｜が＋１とは、図４に示した自発分極の極性が上向き、すなわち非反転領域を示し、ｄ定数／｜ｄ定数｜が−１とは、図４に示した自発分極の極性が下向き、すなわち反転領域を示している。

ここで、デューティ比の変化は、式（５）に示した関数とし、素子端で減少するようにしたが、素子端で増加させてもよい。単調増加単調減少に留まらず非単調増加、非単調減少を行ってもよい。さらに、素子端からではなくいくらか内側に入っていてもよいし、入射端または出射端のいずれか一方でもよい。

非線形光学媒質の全長に対して、反転領域と非反転領域の割合が変化する領域を素子端からどの程度とするか、反転領域と非反転領域の割合をどの程度とするかは、どの程度サイドローブを低減させるかによる。定性的には、反転領域と非反転領域の割合が変化する領域を大きくとり、反転領域と非反転領域の割合を大きくすれば、サイドローブは低減するが、一方で波長変換効率が低下する。従って、反転領域と非反転領域の割合が変化する領域と、反転領域と非反転領域の割合とは、サイドローブの低減効果と波長変換効率とにより決定される。

分極反転構造の周期を線形に変化させ、反転領域と非反転領域の割合、すなわちデューティ比を式（５）にしたがって変化させた場合に、反転領域と非反転領域の割合が変化する領域の大きさを変えたときの変換効率の位相不整合量依存性を図６〜１０に示す。図６（ａ）〜１０（ａ）は、デューティ比の変化を制御するパラメータａを、
図６（ａ） ａ＝３０
図７（ａ） ａ＝２０
図８（ａ） ａ＝１０
図９（ａ） ａ＝５
図１０（ａ） ａ＝２．５
と変化させた場合の分極反転構造におけるデューティ比の変化を示す。パラメータａを減らしていくことにより、非線形光学媒質の全長に対して、反転領域と非反転領域の割合が変化する領域が大きくなることがわかる。

図６（ｂ）〜１０（ｂ）において、実線はデューティ比を変化させた場合、点線はデューティ比を変化させなかった場合の変換効率の位相不整合量依存性を示す。図６（ｂ）を参照すると、非線形光学媒質の全長に対して反転領域と非反転領域の割合が変化する領域が、素子端において数％程度でもサイドローブが抑圧されている。一方、図１０（ｂ）を参照すると、サイドローブが抑圧されているものの、波長変換効率が低下していることもわかる。従って、図９（ｂ）に示すように、素子端において数十％が望ましい。

以上説明したように、反転領域と非反転領域の割合が変化する領域と、反転領域と非反転領域の割合とを、適切に設定することにより、波長変換効率を低下させることなく、サイドローブを抑圧することができる。

図１１に、本発明の実施例１にかかる波長可変光源の構成を示す。波長可変光源は、１．５５μｍ帯で波長可変が可能なＳＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤを用いた光源１０３と、その出力を増幅するＥr添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）１０２と、ＬｉＮｂＯ_３からなり分極反転構造を有する非線形光学媒質１１１を含む波長変換素子１０１とが縦続に接続されている。光源１０３からの出力光のパワーは１ｍＷであり、ＥＤＦＡ１０２により３００ｍＷまで増幅される。ＥＤＦＡ１０２の出力光は、信号光１１３として、非線形光学媒質１１１の導波路波１１２に入力され、第二高調波発生により７７５ｎｍ帯の変換光１１４に変換される。波長変換素子１０１から出射された信号光を、ダイクロイックミラーにより分離すれば、変換光のみを取り出すことができる。非線形光学媒質１１１には、ウエハ接合法（例えば、非特許文献２参照）により作製された基板に、ダイシングによって形成した光導波路１１２が形成されている。

図１２に、実施例１にかかる非線形光学媒質の構造を示す。長さ５０ｍｍの非線形光学媒質であり、分極反転構造の周期は１８μｍで一定である。デューティ比は、入射端から連続的に変化し、かつ増加し、非線形光学媒質の中央部では、一定の割合となり、出射端に向けて連続的に変化し、かつ減少する。このとき、非線形光学媒質の変換効率の位相不整合量依存性を、図１３に実線で示す。

比較参考のために、周期１８μｍの一定周期でデューティ比を一定にして作製した長さ５０ｍｍの波長変換素子の波長変換効率を、図１３に点線で示す。縦軸は、ピークの波長変換効率を０ｄＢとして、規格化した値を示している。図からわかるように、中心波長の効率と、中心波長から８ｎｍ離れたサイドローブの波長の効率と差は、−４０ｄＢ程度である。

実施例１にかかる非線形光学媒質によれば、中心波長の効率と、中心波長から８ｎｍ離れたサイドローブの波長の効率と差は、−６０ｄＢであり、デューティ比を一定にした場合と比べて、２０ｄＢ改善されていることがわかる。

図１４に、本発明の実施例２にかかる波長可変光源の構成を示す。波長可変光源は、１．５５μｍ帯で波長可変が可能なＳＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤを用いた光源２０３と、１．６μｍ帯のＤＦＢ−ＬＤを用いた光源２０４とを備えている。光源２０３，２０４の出力光は、光ファイバカプラ２０５で合波され、ＥＤＦＡ２０２に入力される。光源２０３からの出力光のパワーは１ｍＷであり、ＥＤＦＡ２０２により３００ｍＷまで増幅される。ＥＤＦＡ２０２の出力光は、信号光として、非線形光学媒質２１１の導波路波２１２に入力され、和周波波発生により８００ｎｍ帯の変換光２１４に変換される。波長変換素子２０１から出射された信号光と励起光とを、ダイクロイックミラーにより分離すれば、変換光２１４のみを取り出すことができる。非線形光学媒質２１１には、ウエハ接合法（例えば、非特許文献２参照）により作製された基板に、ダイシングによって形成した光導波路２１２が形成されている。

実施例２の非線形光学媒質２１１は、分極反転構造の周期を１９μｍで一定とした。デューティ比は、入射端から連続的に変化し、かつ増加し、非線形光学媒質の中央部では、一定の割合となり、出射端に向けて連続的に変化し、かつ減少する。このとき、非線形光学媒質の変換効率の位相不整合量依存性を、図１５に示す。実施例２にかかる非線形光学媒質によれば、中心波長の効率と、中心波長から８ｎｍ離れたサイドローブの波長の効率と差は、−６０ｄＢであり、デューティ比を一定にした場合と比べて、２０ｄＢ改善される。

本実施形態においては、非線形光学媒質としてＬｉＮｂＯ_３を用いたが、これに限定されるものではなく、非線形定数の反転もしくは変調が可能な２次非線形材料を用いることができる。例えば、ＬｉＴａＯ_３、ＫＮｂＯ_３、ＫＴａＯ_３、Ｌｉ_ＸＫ_1-ＸＴａ_ＹＮｂ_1-ＹＯ_３、ＫＴＰ等の酸化物結晶、ＡｌＧａＡｓ等の半導体、有機材料などを用いることができる。

また、本実施形態においては、高い波長変換効率が得られるように、非線形光学媒質として光の閉じ込めが強く、長い相互作用が得られる光導波路型の構成を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、高パワーのレーザ波長を変換する場合には、バルク型の構造としてもよい。

従来の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す図である。 非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 位相不整合量依存性を別のスケールで示す図である。 本発明の一実施形態にかかる非線形光学媒質の構成を示す図である。 非線形光学媒質の分極反転構造の構成を示す図である。 反転領域と非反転領域の割合が変化する領域の大きさを変えたときの変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 反転領域と非反転領域の割合が変化する領域の大きさを変えたときの変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 反転領域と非反転領域の割合が変化する領域の大きさを変えたときの変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 反転領域と非反転領域の割合が変化する領域の大きさを変えたときの変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 反転領域と非反転領域の割合が変化する領域の大きさを変えたときの変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 本発明の実施例１にかかる波長可変光源の構成を示す図である。 実施例１にかかる非線形光学媒質の分極反転構造の構成を示す図である。 実施例１にかかる非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 本発明の実施例２にかかる波長可変光源の構成を示す図である。 実施例２にかかる非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。

符号の説明

１０ 合波器
１１，３１，１１１，２１１ 非線形光学媒質
１２，３２，１１２，２１２ 光導波路
１３，３３，１１３ 信号光
１４，３４，１１４，２１４ 変換光
１５ 励起光
１６ 分波器
１０１，２０１ 波長変換素子
１０２，２０２ ＥＤＦＡ
１０３，２０３，２０４ 光源
２０５ 光ファイバカプラ

Claims (5)

1. 分極反転構造を有する非線形光学媒質において、
   光の伝播方向に一定周期で前記分極反転構造が形成され、かつ、
   前記周期ごとの反転領域と非反転領域の割合が、少なくとも前記非線形光学媒質の光の伝播方向の一部において、連続的に変化している
   ことを特徴とする非線形光学媒質。
2. 前記反転領域と非反転領域の割合は、少なくとも前記非線形光学媒質の光の伝播方向の一部において、増加または減少していることを特徴とする請求項１に記載の非線形光学媒質。
3. 前記反転領域と非反転領域の割合は、少なくとも前記非線形光学媒質の入射端と出射端のいずれかにおいて、増加または減少していることを特徴とする請求項１または２に記載の非線形光学媒質。
4. 出力光の波長を可変することができる光源と、
   前記出力光が入射され、第二高調波発生により変換光を出射する、請求項１、２または３に記載の非線形光学媒質と
   を備えたことを特徴とする波長変換装置。
5. 出力する信号光の波長を可変することができる第１の光源と、
   励起光を出力する第２の光源と、
   差周波波発生と和周波発生のいずれかにより変換光を出射する、請求項１、２または３に記載の非線形光学媒質と、
   前記信号光と前記励起光とを合波して、前記非線形光学媒質に入射させる合波器と
   を備えたことを特徴とする波長変換装置。
   

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