JP2012118465A - 波長変換デバイス及び波長変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力光に対してＳＨＧ、ＤＦＧ、ＳＦＧのいずれかの非線形光学変化を多段独立で行うことができる波長変換デバイスおよびこれを用いた波長変換装置を提供する。
【解決手段】波長変換デバイスは、基板上に、波長変換導波路と、波長変換導波路の出力端に接続され、光合分波器として機能するモード干渉導波路と、モード干渉導波路の出力に接続された第１の出力導波路および第２の出力導波路を備える。出力導波路の出力端部には、特定の波長の光に対しては光を反射し、特定の波長以外の波長の光に対しては光の反射を抑制する光学膜が設けられ、出力導波路の少なくとも１つの出力端部が出力導波路に対して斜めに端面処理される。
【選択図】図１１

Description

本発明は、波長変換デバイス及び波長変換装置に関し、より詳細には、マルチモード干渉（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）を利用した光合分波器を集積した波長変換デバイスおよびこれを用いた波長変換装置に関する。

光通信における光信号波長変換、光変調、光計測、光加工、医療、生物工学などの応用のための紫外域−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のために、多くの非線形光学デバイス及び電気光学デバイスの開発が進められている。このような素子に用いられる非線形光学媒質および電気光学媒質として、種々の材料が研究開発されている。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃、以下、ＬＮという）などの酸化物系化合物基板は、２次非線形光学定数・電気光学定数が非常に高く有望な材料として知られている。ＬＮの高い非線形性を用いた光デバイスの一例として、擬似位相整合による差周波発生（ＤＦＧ）を利用した波長変換素子が知られている。

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デバイス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は、半導体光増幅器を用いるもの、四光波混合を利用するもの等が知られている。しかしながら、これらの波長変換素子においては光通信システムにおいて求められる、高効率、高速、広帯域、低ノイズ、偏波無依存などの条件を満足させることはできていなかった。

図１に、従来のＬＮを用いた擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す。比較的小さな光強度を持つ信号光Ａと、比較的大きな光強度を持つ励起光Ｂは、合波器１により合波され、分極反転構造を有する非線形光学媒質の光導波路２に入射される。光導波路２中で信号光Ａは、非線形光学効果による差周波波発生（ＤＦＧ）により別の波長を持つ変換光Ｃへと変換される。変換光Ｃは、励起光Ｂと共に光導波路２から出射される。出射された変換光Ｃと励起光Ｂは、分波器３により分離される。信号光Ａ、励起光Ｂの波長をそれぞれλ₁、λ₃とすると変換光Ｃの波長λ₂は、
１／λ₂＝１／λ₃−１／λ₁
を満足する。変換光Ｃの波長λ₂は、信号光Ａの波長λ₁を励起光Ｂの波長λ₃の２倍の波長を軸に折り返した波長となる。例えば、励起光Ｂの波長λ₃＝０．７８μｍとした場合、波長λ₁＝１．５４μｍの信号光Ａを、波長λ₂＝１．５８μｍの差周波光である変換光Ｃへと変換することができる。

信号光Ａ及び変換光Ｃに対する変換帯域は、励起光の波長に対して±３０ｎｍ以上と広く、例えば、波長分割多重（ＷＤＭ）光通信に用いられる波長帯域Ｃ帯に束ねられたＷＤＭ信号をＬ帯へ、またはＬ帯からＣ帯へといった波長群の一括変換が可能である。

擬似位相整合を利用した波長変換素子は、従来、ＬＮなどの非線形光学結晶基板に周期分極反転構造を作製した後、プロトン交換導波路を作製することによって波長変換素子を作製していた。これに対して、光導波路中への光閉じ込めを改善し、バルクもしくはバルクに近い非線形効果を利用した高効率な波長変換を実現するために、リッジ型の光導波路構造を有する波長変換素子が提案されている。リッジ型光導波路の作製の際には、まず、Ｍｇ添加ＬＮ基板に周期分極反転構造を作製した後、別に用意したＬＮ基板に接着剤を用いて接着する。次いでＭｇ添加ＬＮ基板の基板厚さを平面研削加工によって薄くした後、ダイシングソーを用いた精密研削加工によってリッジ型導波路を作製している（例えば、非特許文献１参照）。

この手法において励起光に０．７８μｍ帯の光源を用いると、０．７８μｍにおいて安定で波長精度が高く、高出力な光源が広く普及しておらず、簡単に準備することが困難であり、信号光と励起光の波長が半分程度も異なることから、光導波路の最適サイズが異なり、導波路へ光を入射する際に、所望のモード以外の励振の抑制が必要となるという問題がある。この理由により、励起光の光源として、広く普及している安定で信頼性の高い１．５μｍ帯の光源を用いることが好ましい。また、光ファイバアンプなどを用いることにより、簡単に高出力光を得ることができる。擬似位相整合を利用したＬＮを用いた波長変換として第二高調波発生（ＳＨＧ）と差周波発生（ＤＦＧ）とのカスケード励起（以下ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法）と呼ばれる手法が広く用いられてきた（例えば、非特許文献２参照）。

カスケード励起法を用いれば擬似位相整合を利用したＬＮを用いた波長変換の励起光として、差周波発生による１．５μｍ帯の波長変換を行なうために必要な励起波長の２倍の波長を持つ光を用いることができる。図１で説明した波長変換の例では、波長λ₃＝０．７８μｍの代わりに波長λ₃’＝１．５６μｍの励起光を用いれば、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法となる。図１で励起光Ｂの波長λ₃’＝１．５６μｍとした場合、非線形光学媒質内部で励起光の第二高調波（波長：０．７８μｍ）が発生する。カスケード励起によれば、非線形光学媒質内部で発生した第二高調波（ＳＨＧ）と信号光Ａとの差周波発生（ＤＦＧ）により、さらに変換光Ｃを得ることができる。

一方、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起による波長変換においては、変換光の品質が劣化しやすく、励起光に１．５μｍ帯の光源を用いるため、波長の近い励起光と信号光・変換光の分離が困難となるので、ガードバンドと呼ばれる励起光波長と信号光・変換光との間に一定の帯域を設ける必要があった。しかしこの帯域を確保することにより、利用できる波長変換帯域が狭まり、一括変換できる波長数が少なくなってしまう。また、ガードバンドを設けると、信号光に近接する波長への変換が不可能になる。さらに、高い励起光を得るために光ファイバアンプを使用すると、ＡＳＥノイズの増加により信号光・変換光の品質が劣化する。カスケード励起では、励起光・信号光間の和周波発生（ＳＦＧ）によるクロストーク光が増加し、信号の品質が劣化する。（例えば、非特許文献３参照）よって、高品質な波長変換を行うには、０．７８μｍ帯光の励起による波長変換が望まれるが、この０．７８μｍ帯光においては信号光・励起光の入力が低損失で、かつ所望のモード以外のモードを励振することなく簡易に波長変換を行なう必要がある。

しかしながら、０．７８μｍ帯の光源の入手の困難性や他モード抑制の必要性の観点から、励起光に１．５μｍ帯の光源を用いて、非線形効果による第二高調波光（ＳＨＧ）過程と差周波発生（ＤＦＧ）過程とをカスケードではなく別々に行う手法（独立多段励起）が望まれていた。

さらに、カスケード励起は、内部で第二高調波光を発生させながら、同時に差周波発生を行うため、同じ第二高調波光の光パワーで比べると、カスケード励起と独立多段励起法では、カスケード励起のほうが四分の一だけ効率が悪くなる。よって、独立多段励起法を用いればカスケード励起に比べ４倍の効率を得ることが出来るという利点もある。

また、信号波長を任意の信号波長に変換するために、擬似位相整合を利用したＬＮを用いた波長変換手法として、上記ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法以外にも、和周波発生（ＳＦＧ）と差周波発生（ＤＦＧ）のカスケード励起（以下ＳＦＧ−ＤＦＧカスケード励起法）と呼ばれる手法が提案されている。

図２に、従来のＬＮを用いた擬似位相整合型の波長変換素子によるＳＦＧ−ＤＦＧカスケード励起法の構成を示す。波長λ₁の信号号光Ａと、２つの異なる波長を持った２つの励起光１Ｂ（波長λ₂）および励起光２Ｂ（波長λ₄）は、合波器１により合波され、分極反転構造を有する非線形光学媒質の光導波路２に入射される。光導波路２中で信号光Ａは、非線形光学効果による和周波波発生により別の波長を持つ変換光Ｃ（波長λ₃）へと変換される。信号号光Ａ（波長λ₁）と励起光１Ｂ（波長λ₂）と変換光Ｃの間には１／λ₃＝１／λ₂＋１／λ₁の関係を有する。非線形光学媒質内部で発生した和周波光（変換光Ｃ）と励起光２Ｂ（波長λ₄）との差周波発生により、さらに変換光Ｄ得ることができる。変換光Ｄ（波長λ₅）と変換光Ｃ（波長λ₃）と励起光２Ｂ（波長λ₄）の間には、１／λ₅＝１／λ₃−１／λ₄の関係を有する。変換光Ｄは、変換光Ｃ、励起光１Ｂ、励起光２Ｂ、信号光Ａと共に光導波路２から出射される。

しかしながら、ＳＦＧ−ＤＦＧカスケード励起による波長変換においては、変換光の品質が劣化しやすい。励起光を得るために光ファイバアンプを使用すると、ＡＳＥ光同士の和周波発生によって信号光の品質が劣化する。また、上記励起光２Ｂがとることのできる波長に制限があるため、波長変換帯域が制限される。例えば、励起光２Ｂを、信号光の波長や、和周波波発生で得られる光の２倍波長に設定すると、第二の励起光２Ｂの第二高調波発生や第二の励起光２Ｂと第一の励起光１Ｂとの和周波発生により信号が重畳された変換光ＣにＣＷ光が下駄上げされるので、信号の受信感度が著しく低下する。このため、第二の励起光２Ｂのとることのできる波長が制限される。

従って、ＳＦＧ−ＤＦＧ構成でも、非線形効果による和周波発生（ＳＦＧ）過程と差周波発生（ＤＦＧ）過程をカスケードではなく別々に行う手法が望まれていた。

一方、通信波長帯における波長変換器のほか、擬似位相整合型の波長変換素子を用いて、半導体レーザで実現されていない可視域または中赤外域でのレーザ光源の実用化が行なわれている。

現在、実用化されているレーザには、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、Ａｒレーザなどのガスレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザなどの固体レーザ、色素レーザおよび半導体レーザが知られている。近年、可視および近赤外領域の波長帯を中心に、小型・軽量、安価な半導体レーザが普及している。特に、光通信の分野では、信号光源用の１．３μｍ帯および１．５μｍ帯半導体レーザと、ファイバアンプ励起用の０．９８μｍ帯および１．４８μｍ帯半導体レーザとが普及している。また、光記録媒体の読取装置のピックアップ用の光源として、ＣＤ（０．７８μｍ帯）、ＤＶＤ（０．６５μｍ帯）・ブルーレイ（０．４μｍ帯）の半導体レーザも普及している。

しかしながら、半導体で実現することは難しい波長帯が存在することから、高効率な非線形光学媒質と広く普及している波長帯の半導体レーザを組み合わせたレーザ光源装置の開発が行われている。例えば、緑・黄緑・橙といった波長０．５〜０．６μｍのレーザを、半導体で実現することは難しく、高効率な非線形光学媒質による第二高調波発生や和周波発生を用いたレーザ光源が実用化されている。さらに、第三高調波発生を、２次の非線形光学媒質を用いて、第二高調波発生（ＳＨＧ）と和周波発生（ＳＦＧ）を組み合わせたＳＨＧ―ＳＦＧカスケード励起法によって実現することができる。

しかしながら、従来のＳＨＧ―ＳＦＧ構成では、ハイパワーの出力を得るには困難があった。従来のＳＨＧ―ＳＦＧ構成では、まず、入力した励起光（周波数ω）の第二高調波発生によりＳＨ光（周波数２ω）を得て、続いて励起光（周波数ω）とＳＨ光（周波数２ω）の和周波発生により第三高調波発生光（ＴＨ光：周波数３ω）を得る。この場合、初段の第二高調波発生により励起光のパワーが減衰する。第三高調波発生光の出力は、和周波発生にかかるＳＨ光と励起光のパワーの乗算に比例するため、初段の第二高調波発生過程の効率を上げてハイパワーのＳＨ光を得ても、その分だけ励起光のパワーが減衰するため、正味の第三高調波発生光の出力を大きくすることが難しかった。

従って、非線形効果による第二高調波発生（ＳＨＧ）過程と和周波発生（ＳＦＧ）過程をカスケードではなく別々に行う手法が望まれていた。

川口竜生他「ＬｉＮｂＯ3エピタキシャル成長と超精密加工技術による導波路型ＳＨＧデバイス」、レーザ研究、第２８巻第９号、２０００年９月、ｐ．６０１−６０３ Ｍ．Ｈ．Ｃｈｏｕ ｅｔ ａｌ．， "Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｓｅｃｏｎｄ−Ｏｒｄｅｒ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｉｅｓ ｉｎ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ，" ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓ． Ｅｌｅｃｔｏｒｎ．， Ｅ８３−Ｃ， ２０００， ｐ．８６９−８７４ Ｊ．Ｙａｍａｗａｋｕ ｅｔ ａｌ． "Ｌｏｗ−Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ １０３ Ｃｈａｎｎｅｌ × １０ Ｇｂ／ｓ （１．０３ Ｔｂ／ｓ） Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｗｉｔｈ ａ Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ−Ｍａｔｃｈｅｄ ＬｉＮｂＯ3 Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，" ＩＥＥＥ Ｊ． Ｓｅｌｅｃｔ． Ｔｏｐｉｃｓ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．， Ｖｏｌ．１２， Ｎｏ．４， ２００６， ｐ．５２１−５２８

以上説明したように、例えばＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法では、高品質な波長変換を行うには、０．７８μｍ帯光の励起による波長変換が望まれるが、０．７８μｍの安定で波長精度が高く、高出力な光源が広く普及しておらず、簡単に準備することが困難であった。また、信号光と励起光の波長が半分も異なることから、光導波路の最適サイズが異なるので、導波路へ光を入射する際に、所望のモード以外の励振の抑制が必要となるなどの困難があった。よって、励起光の光源として、広く普及している安定で信頼性の高い１．５μｍ帯の光源を用い、まず０．７８μｍ帯光を発生させ、発生させた０．７８μｍ帯光を用いて波長変換を行う手法、つまりＳＨＧ−ＤＦＧを多段で行うことの出来る手法が望まれていた。

図３に、従来のＳＨＧ−ＤＦＧ多段手法を用いた１．５μｍ帯の光励起による０．７８μｍ帯光発生による波長変換手法の構成例を示す。第一の波長変換デバイス（非線形光学媒質）３Ａに１．５μｍ帯の励起光Ａを入力し、第二高調波発生（ＳＨＧ）により０．７８μｍ帯の光（以下ＳＨ光Ｂ）を発生させる。第一の波長変換デバイス３Ａから出力される、変換されなかった１．５μｍ帯の励起光Ａと波長変換によって得られた０．７８μｍ帯のＳＨ光ＢをダイクロイックミラーＭ１（もしくはプリズム・フィルター等）を用いて分離する。分離された０．７８μｍ帯のＳＨ光Ｂと、信号光Ｃを合波器Ｍ２で合波して第二の波長変換デバイス３Ｂに入力し、第二の波長変換デバイス３Ｂでの差周波発生（ＤＦＧ）により変換光Ｄを得ることができる。

しかしながらこのＳＨＧ−ＤＦＧ多段手法では、第二高調波発生（ＳＨＧ）と差周波発生（ＤＦＧ）が別々の素子３Ａ、３Ｂを用いて行う必要があるため、完全には素子の特性が合わない。よって、個別に温調を設け、それぞれを調整することによって中心波長等の整合を取る必要があった。また、発生した０．７８μｍ帯の光の分離、入力があるので光パワーの損失が大きく、波長変換効率を低下させるという問題もあった。さらに、０．７８μｍ帯の光を入力する際に、所望のモード以外の励振の抑制が必要で、入力時に励起光のみならず変換光もモニターしながら調芯するなどの複雑な調整が必要になってしまう。また、１つの波長変換装置を作製するのに、２つの波長変換デバイスの作製が必要であるので、コストが高くなる。

従って、第二高調波発生（ＳＨＧ）と差周波発生（ＤＦＧ）の多段の変換を、同じ導波路を用いて行う手法が望まれる。図４に、従来の折り返し手法によるＳＨＧ−ＤＦＧ多段構成を示す。まず、波長変換導波路に１．５μｍ帯の励起光Ａを入力し、第二高調波発生（ＳＨＧ）により０．７８μｍ帯の光（以下ＳＨ光Ｂ）を発生させる。波長変換導波路の片方の端面には０．７８μｍ帯のＳＨ光Ｂに対しては反射膜（ＨＲコート）、１．５μｍ帯の励起光Ａに対しては反射防止膜（ＡＲコート）がコーティングされている。ＨＲ／ＡＲ光学膜４１により、変換されなかった１．５μｍ帯の励起光Ａと波長変換によって得られた０．７８μｍ帯のＳＨ光Ｂが分離され、０．７８μｍ帯のＳＨ光Ｂのみが波長変換導波路に折り返される。ＨＲ／ＡＲコーティングのある端面から信号光Ｃを入力し、０．７８μｍ帯の光との差周波発生（ＤＦＧ）により変換光Ｄを得ることができる。

しかしながら、上述した従来の折り返し手法では、１．５μｍ帯の励起光Ａと０．７８μｍ帯のＳＨ光Ｂの分離がコーティング膜のみで行われることから、本来折り返されるべきでない１．５μｍ帯の励起光Ａの戻り光を十分に抑制できないという問題があった。具体的には、コーティング膜は反射光の抑制は技術的に難しく、反射光の抑制量は通常２０〜３０ｄＢ程度である。これは、１．５μｍ帯の励起光を１Ｗ入力した場合１〜数１０ｍＷの１．５μｍ帯の光が波長変換導波路に戻ってきてしまうことを意味し、カスケード励起の場合と同様に近接波長変換の問題や、励起光・信号光間の和周波発生によるクロストーク光による信号の品質劣化の問題が発生する。また、１．５μｍ帯の励起光に光ファイバアンプを使用した場合に発生するＡＳＥ光も、波長変換導波路に戻ってきてしまうことにより、ＡＳＥノイズによる信号光・変換光の品質が劣化するという問題もあった。また、ＡＳＥ光は広い波長帯域に渡って発生するため、反射防止膜は広い波長帯域をカバーする必要があり、多層の膜が必要になるなどコスト、信頼性の観点から問題があった。
従って、１．５μｍ帯の反射を完全に抑制した状態で、０．７８μｍ帯のＳＨ光のみを同じ導波路に折り返し、信号光と合波することのできるＳＨＧ−ＤＦＧ多段手法が望まれていた。

ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法と同様に、ＳＦＧ−ＤＦＧカスケード励起法やＳＨＧ―ＳＦＧカスケード励起法においても、非線形効果による各周波数変換過程を完全に独立させることが困難であることに起因して上記同様の問題が存在していた。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、非線形光学媒質と、光合分波器と、少なくとも２つ以上の出力導波路と、前記出力導波路の出力端部に設けられ、特定の波長の光に対しては光を反射し、前記特定の波長以外の波長の光に対しては光の反射を抑制する光学膜とを備え、前記出力導波路の少なくとも１つの出力端部が前記出力導波路に対して斜めに端面処理されていることを特徴とする波長変換デバイスである。

請求項２に記載の発明は、入力された光に対して、非線形光学効果におけるＳＨＧ、ＤＦＧ、ＳＦＧにより、第二高調波光、差周波光、和周波光のいずれかの光を出力する非線形光学媒質と、
前記非線形光学媒質に接続され、前記非線形光学媒質から出力された波長の異なる光に対しモード干渉を利用して分離して出力する合分波器と、
前記合分波器の２つの出力のうちの一方に接続された第１の出力導波路と、
前記合分波器の２つの出力のうちの他方に接続された第２の出力導波路と、
前記２つの出力導波路の出力端部に設けられ、第１の波長帯の光の反射を抑制し、第２の波長帯の光を反射する光学膜とを備え、
前記第１の出力導波路の出力端部が前記第１の出力導波路に対して斜めになるように端面が構成され、前記第２の出力導波路の出力端部が前記第２の出力導波路に対して垂直になるよう端面が構成されることで、前記第１の波長帯の戻り光が前記非線形光学媒質に再び入力されることを防止して、前記第１の出力導波路の出力端部から信号光が入力されたときに、信号光が前記第２の出力導波路で反射された第２の波長帯の光とともに前記非線形光学媒質から入力され、前記非線形光学変化とは独立した非線形光学変化を引き起こして出力することを特徴とする波長変換デバイスである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の波長変換デバイスであって、前記光合波部の伝播方向における光路長は、前記出力端面で、前記第１の波長の光または第２の波長の光のうち、少なくともいずれか一方の光量が極値となるように設定されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の波長変換デバイスであって、前記光合波部の幅は、５μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の波長変換デバイスであって、前記非線形光学媒質は、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ₄、または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の波長変換デバイスであって、前記非線形光学媒質は、液相エピタキシャル法によって成長された結晶膜であることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項５または６に記載の波長変換デバイスであって、前記非線形光学媒質は、非線形光学効果を有する第一の基板と、第一の基板に比べ屈折率の小さい第二の基板とを貼り合わせることによって作製された薄膜基板であることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の波長変換デバイスであって、前記第一の基板は、非線形定数が周期的に反転された構造を有することを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項７または８に記載の波長変換デバイスであって、前記第一の基板と前記第二の基板とは、熱処理による拡散接合によって直接貼り合わされていることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項１から９のいずれかに記載の波長変換デバイスが同一基板上に複数個集積されていることを特徴とする。

請求項１１に記載の発明は、請求項１から１０のいずれかに記載の波長変換デバイスと、前記波長変換デバイスの入力端面に前記入射光を入力する第１のレーザ光源部と、前記波長変換デバイスの出力端面に前記入射光を入力する第２のレーザ光源部と、前記波長変換デバイスから出力された変換光を分離するフィルタとを備えたことを特徴とする波長変換装置である。

以上説明したように、本発明によれば、入力光に対してＳＨＧ、ＤＦＧ、ＳＦＧのいずれかの非線形光学変化を多段独立で行うことができる波長変換デバイスおよびこれを用いた波長変換装置を提供することができる。

従来のＬＮを用いた擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す図である。 従来のＬＮを用いた擬似位相整合型の波長変換素子によるＳＦＧ−ＤＦＧカスケード励起法の構成を示す図である。 従来のＳＨＧ−ＤＦＧ多段手法を用いた波長変換の構成例を示す図である。 従来の折り返し手法によるＳＨＧ−ＤＦＧ多段構成を示す図である。 本発明の光合波器を集積した波長変換デバイスの構成を示す図である。 モード干渉導波路における光の結合を示すシミュレーション結果の図である。 波長変換導波路を作製する工程を示す図である。 本発明の波長変換デバイスの寸法例を示す図である。 本発明の波長変換導波路の構成例を示す断面図である。 本発明の波長変換デバイスの作製方法を示す斜視図である。 本発明の波長変換デバイスの端面加工プロセスを示す図である。 本発明の第１の実施例にかかる波長変換装置の構成を示す図である。 本発明の第２の実施例にかかる波長変換装置の構成を示す図である。 本発明の第３の実施例にかかる波長変換装置の構成を示す図である。 本発明の第４の実施例にかかる波長変換装置の構成を示す図である。

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。
（第１の実施形態）
ＳＨＧ−ＤＦＧ多段独立構成
本実施形態の波長変換装置は、ＳＨＧ（第二高調波発生）−ＤＦＧ（差周波発生）を多段独立で行うものである。

まず、本実施形態の波長変換装置に用いることができる波長変換デバイスの構成について図５から図１１を用いて説明する。この波長変換デバイスでは１．５μｍ帯の波長の光と、０．７８μｍ帯の波長の光を使用するものとして以下に説明する。

図５に、本発明の第１の実施形態にかかる光合分波器を集積した波長変換デバイスの構成の一部を示す。光合分波器を集積した波長変換デバイスは、基板３０上に、波長変換導波路３４と、波長変換導波路の出力端に接続され、光合分波器として機能するモード干渉導波路３３と、モード干渉導波路３３の出力に接続された第１の出力導波路３１および第２の出力導波路３２とを備えている。

波長変換導波路３４は、非線形光学媒質からなり、一端から入力された光に対してＳＨＧ、ＤＦＧ、ＳＦＧのいずれかの非線形光学変化を引き起こして他端に出力する。

モード干渉導波路３３は、合分波機能を有し、モード干渉導波路３３の幅方向（図５の紙面手前から奥方向）における中心線３５から軸ズレした位置（紙面奥方向）に、波長変換導波路３４、出力導波路３１、３２を設けることによって、第１の入出力導波路３１は、波長１．５μｍ帯の光を誘導し、第２の入出力導波路３２は、波長０．７８μｍ帯の光を誘導するよう構成されている。

ここでモード干渉導波路の合分波機能について、図６を用いて説明する。図６は、モード干渉導波路における光の結合・分離を示すシミュレーション結果である。波長１．５６μｍの信号光と波長０．７８μｍの励起光とが結合する様子を、ＢＰＭ（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）によるシミュレーションによって示した。

図６のモード干渉導波路３６は、スラブ型導波路であり、その入力側には２つの入力導波路３７、３８が設けられている。これらの入力導波路３７、３８は、モード干渉導波路３６の幅方向の中心線に対して互いに間隔Δだけ軸ズレした位置に設けられている。この間隔Δは、２×ΔがＷｍの３分の１となるように設定されている。例えば図６（ａ）に示すように、モード干渉導波路３６の幅Ｗｍ＝３０μｍ、入力導波路３７の軸ズレ量Δ＝５μｍ、出力導波路３８の軸ズレ量Δ＝５μｍ、クラッドの屈折率＝１．０、コアの屈折率＝約２．１である。

図６（ｂ）は、モード干渉導波路３６の入力導波路３７から波長０．７８μｍの励起光を入力した場合の振る舞いを示す図である。モード干渉導波路３６の中心から軸ズレ（Δ）した位置に接続されている入力導波路３７から入射した励起光は、モード干渉導波路３６に固有の複数のモードに展開され、モード干渉導波路３６内をマルチモード伝播する。このとき、各モードの伝播定数が異なるために生じるモード干渉によって、波長０．７８μｍの光量がある光路長を伝播した後、モード干渉導波路３６の中心から入力側と反対にΔだけ軸ズレした位置に極値（収束点）を取る。

図６（ｃ）は、モード干渉導波路３６の入力導波路３８から波長１．５６μｍの信号光を入力した場合の振る舞いを示す図である。モード干渉導波路３６の中心から軸ズレ（Δ）した位置に接続されている入力導波路３８から入射した信号光は、モード干渉導波路３６に固有の複数のモードに展開され、モード干渉導波路３６内をマルチモード伝播する。このとき、各モードの伝播定数が異なるために生じるモード干渉によって、波長１．５６μｍの光量がある光路長を伝播した後、モード干渉導波路３６の中心から入力側と反対にΔだけ軸ズレした位置に１回目の極値（収束点）を取った後、さらにその反対側にΔだけ軸ズレした位置に２回目の極値（収束点）を取る。

収束点から次の収束点までの光路長をビート長と呼び、その長さをＬ_πとすると、ほぼ以下の式１に従う。

ここで、Ｗ_eは光の感じる実効的なモード干渉導波路の幅、ｎ_gは実効屈折率、λ₀は入力光の波長である。ビート長は各波長に対し逆数で影響するため、本実施形態のように波長が他方の波長の半分となる程度に異なる場合は、一方の波長の光が１回ビートを打つ間に、他方の波長の光が２回ビートを打つ。具体的には、０．７８μｍが１回ビートを打つ間に１．５６μｍが２回ビートを打つ。

また、モード干渉導波路の幅方向において最初にビートを打つ位置は、入力した軸ズレ位置Δに対して中心線を挟んで反対側にΔだけ軸ズレした位置となる。その後、中心線を挟んで交互にΔだけ軸ズレした位置にビートを打つこととなる。

このように、モード干渉導波路においては、各波長についてそれぞれ幅方向に決まった位置に収束点でビートを打つので、図６（ａ）に示すモード干渉導波路３６の長さを、２つの波長帯のビート長の最小公倍数となる長さにして、両者が収束する点（幅方向にΔ軸ズレした位置）の近傍に出力を設けることにより０．７８μｍの光と１．５６μｍの光とを結合して出力することができる。この特性を逆に用いれば、０．７８μｍの光と１．５６μｍの光を２つの光導波路に分波することができる。すなわち、図６（ａ）の出力側に２つの波長帯の光を入力する導波路を設けて、入力導波路３７、３８を出力導波路として用いれば、２つの波長帯の光を２つの光導波路に分波して出力することができる。

図６に示したシミュレーション結果では、出力側の導波路の軸ズレ量は入力側の導波路の軸ズレ量と同じである。これは、２つの入力導波路が、モード干渉導波路３３の幅Ｗｍ＝３０μｍを３等分する位置に設置されているためであり、収束点は入力導波路の延長上に収束する。一般に、収束点の位置（出力導波路軸ズレ量）は、入力導波路の位置（入力導波路のズレ量）に依存する。また、収束点は１つとは限らず、複数の収束点を持つ位置に出力導波路を設ける場合、どの収束点を用いるかによっても設置する出力導波路の軸ズレ量は異なる。従って、出力導波路の設置位置（軸ズレ量）は、波長・入力導波路の位置、合波分波の数等の条件を考慮し所望の収束位置に合わせて決める。このようにして、モード干渉導波路３３は、導波路のみの簡単な構成で容易に波長１．５６μｍ（第１の波長帯）の光と波長０．７８μｍ（第２の波長帯）の光を合分波することができる。

さらに、本発明の波長変換デバイスは、モード干渉導波路３３の出力側に設けられた２つの出力導波路が異なる端面処理されていることにより、前記第１の波長帯（本実施形態では１．５μｍ帯）の戻り光が前記非線形光学媒質に再び入力されることを防止している。

この端面処理について図１１を用いて説明する。本実施形態の波長変換デバイスでは、モード干渉導波路に接続された２つの出力導波路１１２、１１３は、異なった形状に形成されている。具体的には０．７８μｍ帯の光を導入する出力導波路１１３は、直線状に形成されており、１．５μｍ帯の光を導入する出力導波路１１２は湾曲部を有するように形成されている。この２つの出力導波路の出力端部に共通する１つの端面１１１を決定して、この端面１１１に沿って出力導波路１１２、１１３を切除することによって端面処理を行う。端面１１１の位置を、１．５μｍ帯の光を導入する出力導波路１１２が端面に対して斜めになり、０．７８μｍ帯の光を導入する出力導波路１１３が端面１１１に対しては垂直となる位置に出力端の形状を整えて端面加工を施す。これにより、１．５μｍ帯の光を導入する出力導波路の端面１１１は６°の角度を持つ形状に加工することができる。

出力導波路１１２、１１３の出力端の端面加工を施した後、この端面１１１に、１．５μｍ帯の光に対しては反射防止（ＡＲ）、０．７８μｍ帯の光に対しては反射（ＨＲ）となる光学積層膜１１６をイオンアシスト型のスパッタリング装置を用いて光学膜を蒸着した。１．５μｍ帯の光に対しては反射防止（ＡＲ）膜の特性を評価したところ、反射率は０．５％であった。

また波長変換導波路１１５の入力側の端面１１４に対しても、波長変換導波路１１５の端部が６°の角度になるように加工を行い、１．５μｍ帯の光及び０．７８μｍ帯の光に対して反射防止（ＡＲ）となるように光学積層膜１１７を形成した。

次に、波長変換デバイスの作製方法について説明する。まず図７に基づいて、図３に示した波長変換導波路を作製する工程を説明する。第１の実施形態においては、非線形光学媒質である第一の基板１１は、ＺカットＺｎ添加ＬＮ基板である。まず図７（ａ）に示すように２つの基板１１、１２を用意する。第一の基板１１には、あらかじめ１．５μｍ帯で位相整合条件が満たされるように、周期分極反転構造が作製されている。第二の基板１２としてＺカットＬｉＴａＯ₃基板を用いる。なお、非線形光学媒質として、ＬＮの他に、ＫＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ₄、または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有している材料を用いることができる。

第一の基板１１と第二の基板１２とは、熱膨張係数がほぼ一致している。また、第一の基板１１の屈折率よりも第二の基板１２の屈折率のほうが小さい。なお、第一及び第二の基板１１，１２は何れも、両面が光学研磨されてある３インチウエハである。第一の基板１１の厚さは３００μｍ、第二の基板１２の厚さは５００μｍである。

次に、用意した第一及び第二の基板１１，１２の表面を、通常の酸洗浄あるいはアルカリ洗浄によって親水性にした後、これら二つの基板をマイクロパーティクルが極力存在しない清浄雰囲気中で重ね合わせる(図７（ｂ）)。そして、重ね合わせた第一及び第二の基板１１，１２を電気炉に入れ、４００℃で３時間熱処理することにより拡散接合を行う。接合された基板は、接合面にマイクロパーティクル等の挟み込みがなく、ボイドフリーであり、室温に戻したときにおいてもクラックなどは発生しない。

次に、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板の第一の基板１１の厚さが２０μｍになるまで研磨加工を施す(図７（ｃ）)。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより、鏡面の研磨表面を得ることができる。基板の平行度（最大高さと最小高さとの差）を光学的な平行度測定機を用いて測定したところ、３インチウエハの周囲を除き、ほぼ全体にわたってサブミクロンの平行度が得られ、波長変換素子の作製に好適な薄膜基板１３を作製することができる。この薄膜基板１３は、接着剤を用いず、第一の基板１１と第二の基板１２とを熱処理による拡散接合によって直接貼り合わせることにより作製したため、３インチウエハの全面積にわたって均一な組成、膜厚を有する。

その後、光導波路の作製手段としてはドライエッチングプロセスを用いて、波長変換導波路を作製する。薄膜基板１３のうち、第一の基板１１の表面に通常のフォトリソグラフィのプロセスによって導波路パターンを作製する。その後、ドライエッチング装置に基板をセットし、Ａｒガスをエッチングガスとして薄膜基板１３の第一の基板１１の表面をエッチングすることによりリッジ型光導波路を作製する（後述の図１０参照）。

図８に、本発明の一実施例にかかる波長変換デバイスの寸法を示す。波長変換導波路６４には、あらかじめ分極反転構造が付されており、その長さは４５ｍｍである。波長変換導波路６４の片側の端にモード干渉導波路６３が結合している。モード干渉導波路の幅６３は３０μｍであり、モード干渉導波路６３の光路長を３．５ｍｍとしている。入出力導波路間隔が５μｍの所でモード干渉導波路６３と結合している。波長１．５μｍ帯の励起光及び信号光用の入出力導波路６１および波長０．７８μｍの励起光用の入出力導波路６２の導波路幅は５μｍである。波長０．７８μｍの励起光用の入出力導波路６２は直線導波路であり、波長１．５μｍ帯の励起光及び信号光用の入出力導波路６１は、曲率３ｍｍの緩やかなカーブを描いて波長０．７８μｍの励起光用の入出力導波路６２から離れる。波長０．７８μｍの励起光用の入出力導波路６２は端面に対して垂直に交差するように端面が形成されている。一方、波長１．５μｍ帯の励起光及び信号光用の入出力導波路６１は、端面に対して斜めに交差するように設置されており、その角度は６°である。２つの入出力導波路６１及び６２を有する側の端面は波長０．７８μｍの光に対しては反射、波長１．５μｍ帯の光に対しては反射防止の光学膜がコーティングされている。実際の端面構造及び作製方法は図１１を用いて後述する。

図９に、波長変換デバイスの入力導波路を示す。高さ５μｍ、導波路幅およそ５μｍのリッジ型光導波路１１を、特に多モード干渉導波路の特性は、式１からもわかるように導波路幅が大きく影響するため、第一の基板１１の厚みよりも深くエッチング加工を施し、リッジ導波路の両脇の第一の基板材料を完全に取り除くことが望ましい。しかしながら、この場合、第二の基板１２との接合面が極めて細くなるため、それに耐え得るだけの十分な接合強度を必要とする。本実施例における直接接合法は、第一の基板１１と第二の基板１２が導波路の直下の面１３のみで接合されているような構造においても剥離などが起きず、十分な接合強度を保つことができたため、図９に図示されているような、リッジ導波路の両脇を第二の基板１２まで完全に落とす構造を作製することができた。

図１０に、波長変換デバイスの作製方法を示す。図１０（ａ）は、図７に示した方法により作製した、周期分極反転構造が形成されている第一の基板１１（ＺカットＺｎ添加ＬＮ基板）と第二の基板１２（ＺカットＬｉＴａＯ₃基板基板）とが接合された薄膜基板１３である。なお、図に示したように、第一の基板１１には、周期分極反転構造が形成された部分と形成されていない部分とが作り込まれている。

第一の基板１１の表面に通常のフォトリソグラフィのプロセスによって、入力導波路１５，１６、モード干渉導波路１７および波長変換導波路１８のパターンを作製する。入力導波路１５，１６およびモード干渉導波路１７は、周期分極反転構造が形成されていない部分に作製し、波長変換導波路１８は、周期分極反転構造が形成された部分に作製し、３インチウエハである薄膜基板１３に平行に複数本作製する。その後、ドライエッチング装置に基板をセットし、Ａｒガスをエッチングガスとして薄膜基板１３の第一の基板１１の表面をエッチングすることにより、複数の波長変換デバイスを作製する（図１０（ｂ））。

これら波長変換デバイスごとに薄膜基板１３を短冊状に切り出し、入力光導波路１５，１６の端面１４ａと、波長変換導波路１８の端面１４ｂとを光学研磨することによって長さ５１ｍｍの波長変換デバイスを切り出して端面加工する前の波長変換デバイスを得ることができる（図１０（ｃ））。図１０（ｃ）に示すデバイスを図１１で説明したように端面加工を施すと、本発明で用いられる波長変換デバイスを得られる。

ここで、波長変換デバイスに集積されたモード干渉導波路の特性を評価するために、分岐比の測定を行った。以下、図８を用いて説明する。分岐比とは、モード干渉導波路に波長変換導波路６４から光を入力した際の入力導波路ポート６１、６２に出力される光の分波の比である。分岐比の値が小さいほど合波（分波）器の特性が良いことを表す。１．５６μｍの光を波長変換導波路６４から入力し、入力導波路６１、６２に出力された光パワーの和に対して、第２の入力導波路６２から出力された光パワーの比を分岐比と定義する。このとき、分岐比の値は２％と十分小さいものであった。

同様に、０．７８μｍの励起光を波長変換導波路６４から入力し、入力導波路６１、６２に出力された光パワーの和に対して、第１の入力導波路６１から出力された光パワーの比を分岐比と定義する。このとき、分岐比の値は２％と十分小さいものであり、良好な合分波器が作製できていることを確認することができる。

続いて、光ファイバ芯線が１２７μｍ間隔で配置されている光ファイバアレイを用いて、第１の入力導波路６１に１．５６μｍの信号光を、第２の入力導波路６２に０．７８μｍの励起光を入射した。光ファイバアレイに用いた２本の光ファイバ芯線は、それぞれモード径が異なり、１．５６μｍ、０．７８μｍのそれぞれにおいてシングルモードとなる光ファイバ芯線を用いている。

合分波器として機能するモード干渉導波路６３による光過剰損失を評価したところ、１．５６μｍ光が０．５ｄＢ、０．７８μｍ光が１．０ｄＢと非常に小さい損失で光が合波されていた。１．５６μｍ帯の光源に波長可変光源を用いて、モード干渉導波路６３による光過剰損失の波長依存性を測定した。ピークの出力光量と比較して、追加の過剰損失が１ｄＢ以内となる波長範囲は約４０ｎｍと広い。

次に、波長変換デバイスとしての特性を得るために、第１の入力導波路６１から１．５６μｍ帯の信号光を入力し、第二高調波発生から波長変換の効率を評価した。規格化変換効率は波長１５５５．４ｎｍにおいて１３００％／Ｗと高い値が得られた。

また、波長変換デバイスのモード干渉導波路６３には、ドレイン導波路６５が設けられていることが好ましい。波長変換導波路６４に導入されて反射してしまった１．５μｍ帯の光をこのドレイン導波路６５から放出することで波長変換導波路６４に１．５μｍ帯の不所望な戻り光が入り込まないようになっている。ドレイン導波路６５は、出力導波路６２からモード干渉導波路６３に導入された１．５μｍ帯の光を出力可能なように０．７８μｍ帯が導通する出力導波路６２と同じズレ量だけ中心から軸ズレしている。

次に、上記波長変換デバイスを用いた波長変換装置について説明する。本実施形態の波長変換装置は、第二高調波発生（ＳＨＧ）と差周波発生（ＤＦＧ）を多段に行うＳＨＧ−ＤＦＧ多段法を実現するものである。具体的には１．５μｍ帯の励起光を用いてＳＨＧ過程により０．７８μｍ帯の光を生成した後、励起光とは異なる波長の１．５μｍ帯の信号光をさらに入力して生成した０．７８μｍ帯の光とＤＦＧ過程を引き起こして、所望の波長の光を得る装置である。

図１２に示すように、本実施形態の波長変換装置は、作成した波長変換デバイス１０の入力側に、半導体レーザＹ１とエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）Ｙ２と、光サーキュレータＹ３を設け、波長変換デバイス１０の出力側に、複数の信号光発生手段（図示せず）と、光カップラＹ１１と、光サーキュレータＹ１２とを設けて構成されている。

図１２の波長変換装置を用いて、第二高調波発生（ＳＨＧ）と差周波発生（ＤＦＧ）を多段独立に行うＳＨＧ−ＤＦＧ多段法による波長変換実験を試みた。

励起光として、外部共振器型の半導体レーザＹ１から出射された１．５６μｍの光をエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）Ｙ２で増幅し、光サーキュレータＹ３を通した後に波長変換導波路Ｙ４の入射側より入射する。波長変換導波路Ｙ４内での第二高調波発生により、１．５６μｍの半分の波長０．７８μｍの光が生成される。１．５６μｍの光と０．７８μｍの光は波長変換導波路Ｙ４を透過した後、モード干渉導波路Ｙ５に入射される。モード干渉導波路Ｙ５内での干渉により１．５６μｍの光と０．７８μｍの光は分離され、０．７８μｍの光は出力導波路Ｙ６に導入され、１．５６μｍの光は出力導波路Ｙ７に導入される。

出力導波路Ｙ６に導入された０．７８μｍの光は出力側端面に形成された反射膜Ｙ８によって反射され、出力導波路Ｙ６及びモード干渉導波路Ｙ５を折り返し通過し波長変換導波路Ｙ４に入射される。反射膜の反射率は９９％と非常に高いため、折り返しによる光の損失はモード干渉導波路Ｙ５を往復する際の損失が支配的であるが、モード干渉導波路Ｙ５による光過剰損失が非常に小さい損失であるため、往復で２．０ｄＢと非常に小さい損失で光の折り返しを行うことができた。

一方、出力導波路Ｙ７に導入された１．５６μｍの光は波長変換デバイス１０から出力され光サーキュレータＹ１２で分岐されて出力される。このとき、出力導波路Ｙ７の出力側端面に形成された反射防止膜Ｙ８と６°カットの端面加工の相乗効果によって１．５６μｍの光の反射が抑制される。反射が抑制しきれずに反射してしまった光は出力導波路Ｙ７及びモード干渉導波路Ｙ５を折り返し通過し波長変換導波路Ｙ４に入射されてしまう成分も存在するが、反射防止膜Ｙ８と斜め端面加工の相乗効果により、反射戻り光量は入射光量に対して−５０ｄＢと非常に小さい量であった。また、斜め端面加工による反射防止効果が波長依存性が少ないため、１００ｎｍ以上の広い帯域に渡って−４５ｄＢ以上の反射防止効果が得られた。

また、モード干渉導波路Ｙ５の分岐比が２％であるので、波長変換導波路Ｙ４を透過した後、モード干渉導波路Ｙ５に入射された１．５６μｍの光の内の２％程度の光量は本来導入されるべき出力導波路Ｙ８ではなく出力導波路Ｙ６に漏れ光が導入されることになる。出力導波路Ｙ６の端面は垂直であるため、反射防止膜Ｙ８だけでは抑制しきれなかった戻り光が存在するが、この漏れ光の戻り光は、モード干渉導波路Ｙ５をもう一度透過してドレイン導波路Ｙ９に流れ込ませることにより戻り光の防止ができる。つまり、漏れ光の戻り光は、モード干渉導波路Ｙ７を透過した後そのほとんどが、ドレイン導波路Ｙ９に導入されデバイスの外に排出される。結果、モード干渉導波路Ｙ５への最初の入射による分波効果（−１７ｄＢ程度）と反射防止膜Ｙ８による反射抑制効果（−２３ｄＢ程度）とモード干渉導波路Ｙ５への折り返し入射させた後のドレイン導波路Ｙ９による分波効果（−１７ｄＢ程度）により入射光量に対して−５７ｄＢと反射戻り光量を非常に小さい量に抑えることができる。

さらに、波長１．５４μｍを中心に１００ＧＨｚ間隔で配置された８波のＣ帯の信号光群を発生させて光カップラＹ１１で合波し、光サーキュレータＹ１２を通過させた後、出力端面側から出力導波路Ｙ７に入射した。出力導波路Ｙ７に入力された信号光群は、モード干渉導波路Ｙ５を透過した後、波長変換導波路Ｙ４に入射される。このとき、出力導波路Ｙ６の端面の光学膜Ｙ８で反射して再び出力導波路Ｙ６とモード導波路Ｙ５とを通過した０．７８μｍの光も波長変換導波路Ｙ４に導入される。これらの光が入射されると波長変換導波路Ｙ４内での０．７８μｍの光と信号光群との差周波発生（ＤＦＧ）により、波長１．５８μｍを中心に１００ＧＨｚ間隔で配置された８波のＬ帯の波長変換信号光群が生成される。発生した波長変換信号群は波長変換デバイス１０の入力側から出力され光サーキュレータＹ３を通した後に出力される。

このように本実施形態の波長変換装置の波長変換デバイスによれば、第二高調波発生過程で使用した１．５６μｍ帯の戻り光量を非常に小さい量に抑えることができるので、差周波発生過程は、第二高調波発生過程とは独立した過程とすることができる。

また、モード干渉導波路Ｙ５は、モード間の干渉により光合波を行なうため、入力光が所定のモード以外のモードで伝播してきた場合、モード干渉導波路Ｙ５の損失が増大する。これは、モード干渉導波路Ｙ５が合波の機能を有すると共に、モードフィルタの役割を担っているからである。従って、本実施形態によれば、変換光のパワーをモニターするなどの特別な調整を行うことなく、励起光・信号光の透過光が最大になるように、光を入力すればよい。これにより、波長変換デバイスへの最適な入射条件が得られる。

１Ｗの励起光を入力した際に、パラメトリック利得により変換光は、入力した信号光に対して利得を持って変換された。これは、波長変換デバイスの変換効率が高いことに加えて、波長変換デバイス全体が直接接合リッジ型導波路であり、高パワーの入力に対してフォトリフラクティブ効果などの光損傷を起こすことなく、良好な波長変換特性を得られていることに起因する。また、カスケード励起のように、１．５６μｍ帯の強励起光を使う必要がないため、ＡＳＥノイズの影響が少なく、ＳＮＲが４０ｄＢ以上の品質のよい変換光を得ることができた。さらに、信号光の波長を１．５６μｍに近づけていき、近接の波長変換を試みた。カスケード励起とは異なり、１．５６μｍ帯の強い励起光が抑制されているため、信号光―変換光の差が５０ＧＨｚの近接の波長変換であっても可能であり、かつ高いＳＮＲを得ることができた。

（第２の実施形態）
ＳＦＧ−ＤＦＧ多段独立構成
図１３に、本発明の第２の実施形態にかかる波長変換装置の構成を示す。本実施形態の波長変換装置は、和周波発生（ＳＦＧ）と差周波発生（ＤＦＧ）を多段独立に行うＳＦＧ−ＤＦＧ多段法を実現するものである。波長変換デバイスは第１の実施形態と同じものを用いることができる。

本実施形態の波長変換装置は、光変換デバイス１０の入力側に励起光源Ｗ１と、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）Ｗ２と、光カップラＷ３と、光サーキュレータＷ４とを設け、光変換デバイス１０の出力側に光サーキュレータＷ１４と、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）Ｗ１３と、制御光源Ｗ１２とを設けて構成される。
図１３に示す波長変換装置を用いて、和周波発生（ＳＦＧ）と差周波発生（ＤＦＧ）を多段に行うＳＦＧ−ＤＦＧ多段法による波長変換実験を試みた。励起光源Ｗ１から出力されエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）Ｗ２で増幅された１．５７μｍの励起光と図示しない信号光源で発生した１．５５μｍの信号光を光カップラＷ３で合波した後、光サーキュレータＷ４を通した後に波長変換導波路Ｗ５の入射側より入射する。１．５５μｍの信号光は４０Ｇｂ／ｓで強度変調されている。波長変換導波路Ｗ５内での和周波発生により、１．５５μｍとの１．５７μｍの和の周波数を持つ波長０．７８μｍの光が生成される。このとき０．７８μｍの光に信号光の変調信号が重畳される。

１．５５μｍの信号光と１．５７μｍの励起光と０．７８μｍの光は波長変換導波路Ｗ５を透過した後、モード干渉導波路Ｗ６に入射される。モード干渉導波路Ｗ６内での干渉により分波され、０．７８μｍの光は出力導波路Ｗ７に、１．５５μｍの信号光と１．５７μｍの励起光は出力導波路Ｗ８に導入される。

出力導波路Ｗ７に導入された０．７８μｍの光は出力側端面に形成された反射膜によって反射され、出力導波路Ｗ７及びモード干渉導波路Ｗ６を折り返し通過し波長変換導波路Ｗ５に入射される。反射膜の反射率は９９％と非常に高いため、折り返しによる光の損失はモード干渉導波路Ｗ６を往復する際の損失が支配的であるが、モード干渉導波路Ｗ６による光過剰損失が非常に小さい損失であるため、往復で２．０ｄＢと非常に小さい損失で光の折り返しを行うことができた。

出力導波路Ｗ８に導入された１．５５μｍの信号光と１．５７μｍの励起光は出力側端面に形成された反射防止膜Ｗ９と６°カットの端面加工の相乗効果によって反射が抑制される。反射が抑制しきずに反射してしまった光は出力導波路Ｗ８及びモード干渉導波路Ｗ６を折り返し通過し波長変換導波路Ｗ５に入射されてしまうが、反射防止膜と斜め端面加工の相乗効果により、反射戻り光量は入射光量に対して−５０ｄＢと非常に小さい量であった。また、斜め端面加工による反射防止効果は波長依存性が少ないため、１００ｎｍ以上の広い帯域に渡って−４５ｄＢ以上の反射防止効果が得られた。

また、モード干渉導波路Ｗ６の分岐比が２％であるので、波長変換導波路Ｗ５を透過した後、モード干渉導波路Ｗ６に導入された１．５５μｍ帯の光の内の２％程度の光量は本来導入されるべき出力導波路Ｗ８ではなく出力導波路Ｗ７に漏れ光が導入されることになる。出力導波路Ｗ７の端面は垂直であるため、反射防止膜Ｗ９だけでは抑制しきれなかった戻り光が存在する可能性があるが、この漏れ光の戻り光は、モード干渉導波路Ｗ６をもう一度透過してドレイン波路Ｗ１０に流れ込ませることにより戻り光の防止をすることができる。つまり、漏れ光の戻り光は、モード干渉導波路Ｙ７を透過した後そのほとんどが、ドレイン導波路Ｙ９に導入されデバイスの外に排出される。結果、モード干渉導波路Ｙ５への最初の入射による分波効果（−１７ｄＢ程度）と反射防止膜Ｙ８による反射抑制効果（−２３ｄＢ程度）とモード干渉導波路Ｙ５への折り返し入射させた後のドレイン導波路Ｙ９による分波効果（−１７ｄＢ程度）により入射光量に対して−５７ｄＢと反射戻り光量を非常に小さい量に抑えることができる。

さらに、制御光源Ｗ１２により発生させた波長１．５８μｍの制御光を、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）Ｗ１３と光サーキュレータＷ１４を通過させた後、出力端面側から出力導波路Ｗ８に、入射した。制御光は、モード干渉導波路Ｗ６を透過した後、波長変換導波路Ｗ５に入射される。このとき、出力導波路Ｗ７の端面の光学膜Ｗ９で反射して再び出力導波路Ｗ７とモード導波路Ｗ６とを通過した０．７８μｍの光も波長変換導波路Ｗ５に導入される。これらの光が入射されると、波長変換導波路Ｗ５内での０．７８μｍの光との差周波発生により、波長１．５４μｍの変換光が得られる。このとき、０．７８μｍの光から変換光に再び変調信号が重畳され、結果として波長１．５５μｍの信号光が波長１．５４μｍの変換光に波長変換された。ＡＳＥ光や、１．５５μｍの信号光と１．５７μｍの励起光の戻り光が十分に抑制されているため、ＡＳＥノイズによるＳＮＲの劣化や、制御光と信号光・励起光との和周波発生との余計な周波数変換過程がおこらないため、高品質な波長変換を実現できた。

このように本実施形態の波長変換装置の波長変換デバイスによれば、和周波発生過程で使用した１．５７μｍ帯および１．５５μｍ帯の戻り光量を非常に小さい量に抑えることができるので、差周波発生過程は、和周波発生過程とは独立した過程とすることができる。

また、制御光の波長を１．６２μｍ〜１．５０μｍと変化させることにより、変換光の波長を１．５０μｍ〜１．６２μｍと１２０ｎｍ以上の広い帯域に亘って変化させることができた。従来のＳＦＧ−ＤＦＧカスケード励起法では和周波発生（ＳＦＧ）過程と差周波発生（ＤＦＧ）過程が同時に起こるため、励起光及び信号光及び和周波発生光のいずれの波長と同じもしくは近接する波長を制御光に用いることが困難であったため、変換光の可変範囲に制限があった。しかしながら、本手法では、和周波発生（ＳＦＧ）過程と差周波発生（ＤＦＧ）過程を独立に制御できるため、制御光を任意の波長に持っていくことが可能であり、それにより広い変換光の可変範囲が得られた。

（第３の実施形態）
ＳＨＧ−ＤＦＧ多段独立アレイ構成
図１４に、本発明の第３の実施形態にかかる波長変換装置の構成を示す。本実施形態の波長変換装置は、第１の実施形態の波長変換デバイスと同じ構成の波長変換デバイスを複数並列に並べてそれぞれの波長変換デバイスで第二高調波発生（ＳＨＧ）と差周波発生（ＤＦＧ）を独立多段に行うＳＨＧ−ＤＦＧ多段法をアレイで実現するものである。本実施形態では、波長変換デバイス２０は第１の実施形態と同じ構成のものを複数並列に並べて構成したものを用いることができる。

たとえば、図１４に示すように、第１の実施形態の波長変換デバイス１０をそれぞれの波長変換導波路Ｑ１４、Ｑ２４、Ｑ３４、Ｑ４４が１２７μｍ間隔となるように４つ並列に並べて配置して作製することができる。第１の実施形態においては、周期分極反転構造は１．５６μｍの第二高調波発生に位相整合が取れるように分極反転周期を設定していたが、本実施形態の波長変換デバイス２０では、並列に並べた４つの波長変換導波路上の周期分極反転周期は、それぞれ１．５６０μｍ、１．５６１μｍ、１．５６２μｍ、１．５６３μｍの第二高調波発生に位相整合が取れるように設定した。

本実施形態の波長変換装置は、波長変換デバイス２０の入力に対応して、励起光源Ｑ１１、Ｑ２１、Ｑ３１、Ｑ４１と、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）Ｑ１２、Ｑ２２、Ｑ３２、Ｑ４２と、光サーキュレータＱ１３、Ｑ２３、Ｑ３３、Ｑ４３との３つのデバイスを配置し、波長変換デバイス２０の出力に対応して、４つの信号光源（図示せず）と光サーキュレータＱ１０１、Ｑ１０２、Ｑ１０３、Ｑ１０４との２つのデバイスを配置して設けた。

図１４に示す波長変換装置を用いて、第二高調波発生（ＳＨＧ）と差周波発生（ＤＦＧ）を独立多段に行うＳＨＧ−ＤＦＧ多段法による波長変換実験を試みた。

励起光として、４つの外部共振器型の半導体レーザーＱ１１、Ｑ２１、Ｑ３１、Ｑ４１から出射されたそれぞれ１．５６０μｍ、１．５６１μｍ、１．５６２μｍ、１．５６３μｍの波長の光をエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）Ｑ２で増幅し、光サーキュレータＱ１３、Ｑ２３、Ｑ３３、Ｑ４３を通した後に波長変換導波路Ｑ１４、Ｑ２４、Ｑ３４、Ｑ４４の入射側より入射する。波長変換導波路Ｑ１４、Ｑ２４、Ｑ３４、Ｑ４４では、第二高調波発生（ＳＨＧ）過程が引き起こされることにより０．７８μｍの光が発生して、それぞれに接続されたモード変換導波路Ｑ１５に出力される。

一方、波長１．５６０μｍに位相整合の取れている第一の波長変換導波路Ｑ１４に出力端面側の出力導波路Ｑ１７より、波長１．５５μｍの信号光を入射した。１．５５μｍの信号光は４０Ｇｂ／ｓＤＱＰＳＫで位相変調されている。信号光は、モード干渉導波路Ｑ１５を透過した後、波長変換導波路Ｑ１４に入射される。このとき、第二高調波発生（ＳＨＧ）過程で発生し折り返された０．７８μｍの光も波長変換導波路Ｑ１４に入射されるので、波長変換導波路Ｑ１４内で波長１．５５μｍの信号光と０．７８μｍの光との差周波発生（ＤＦＧ）により、波長１．５７μｍの波長変換信号光が生成される。生成された波長１．５７μｍの波長変換信号光は、波長変換デバイス２０から出力され光サーキュレータＱ１３を通した後に分岐出力される。

本実施形態の波長変換装置では第１の実施形態と異なり、光スイッチを用いて、同じ波長１．５５μｍの信号光を切り替えて、入力する出力導波路Ｑ１７、Ｑ２７、Ｑ３７、Ｑ４７を選択することができる。この波長変換装置の波長１．５５μｍの信号光を切り替えて、波長１．５６１μｍに位相整合の取れている第二の波長変換導波路Ｑ２４に入射した。このとき、Ｑ１４の場合と同様に波長変換導波路Ｑ２４内で発生し折り返された０．７８μｍの光と波長１．５５μｍの信号光との差周波発生により、波長１．５７２μｍ波長変換信号光が生成され、光サーキュレータＱ２３を通した後に出力される。同様に光スイッチにより信号光の入力する波長変換導波路をＱ３４、Ｑ４４に切り替えると光サーキュレータＱ３３、Ｑ４３によりそれぞれ波長１．５７４μｍ、１．５７６μｍ波長変換信号光を取り出すことができる。

このように本実施形態の波長変換装置によれば、第１の実施形態の効果に加えて、波長変換先を切り替えることができ、かつ高品質な波長変換を行うことのできる波長変換デバイスを１つの素子に集積することにより低価格に実現することができる。

（第４の実施形態）
ＳＨＧ−ＳＦＧ多段独立構成
図１５に、本発明の第４の実施形態にかかる波長変換装置の構成を示す。本実施形態の波長変換装置は、第１の実施形態の波長変換デバイスと同じ構成の波長変換デバイスで第二高調波発生（ＳＨＧ）と和周波発生（ＳＦＧ）を多段独立に行うＳＨＧ−ＳＦＧ多段法を実現するものである。波長変換デバイスは第１の実施形態と同じ構成のものを用いることができる。ただし、第１の実施形態においては、周期分極反転構造は１．５６μｍの第二高調波発生に位相整合が取れるように分極反転周期を設定していたが、本実施形態においては、波長１．５６μｍの第二高調波発生に位相整合が取れる分極反転周期構造ＱＰＭ１と、波長１．５６μｍと波長０．７８μｍの和周波数発生に位相整合が取れる分極反転周期構造ＱＰＭ２の両方が直列に作製されている。

図１５に示す波長変換装置を用いて、第二高調波発生（ＳＨＧ）と和周波発生（ＳＦＧ）を多段に行うＳＨＧ−ＳＦＧ多段法による波長変換実験を試みた。

励起光として、外部共振器型の半導体レーザＫ１から出射された１．５６μｍの光をエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）Ｋ２で増幅し、光サーキュレータＫ３を通した後に、ダイクロイックミラーＫ４を通して波長変換導波路Ｋ５の入射側より入射する。波長変換導波路Ｋ５内での第二高調波発生（ＳＨＧ）により、１．５６μｍの半分の波長０．７８μｍの光が生成される。１．５６μｍの光と０．７８μｍの光は波長変換導波路Ｋ５から、モード干渉導波路Ｋ６に入射される。モード干渉導波路Ｋ６内での干渉により１．５６μｍの光と０．７８μｍの光は分離され、それぞれ別の出力導波路Ｋ８及びＫ９に導入される。

出力導波路Ｋ７に導入された０．７８μｍの光は出力側端面に形成された反射膜Ｋ９によって反射され、出力導波路Ｋ７及びモード干渉導波路Ｋ６を折り返し通過し波長変換導波路Ｋ５に再び入射される。反射膜Ｋ９の反射率は９９％と非常に高いため、折り返しによる光の損失はモード干渉導波路Ｋ６を往復する際の損失が支配的であるが、モード干渉導波路Ｋ６による光過剰損失が非常に小さい損失であるため、往復で２．０ｄＢと非常に小さい損失で光の折り返しを行うことができた。また、この出力導波路Ｋ７に漏れこんだ１．５６μｍの光で反射膜Ｋ９で反射されたものは、ドレイン導波路Ｋ１０から出力される。

出力導波路Ｋ８に導入された１．５６μｍの光は出力側端面に形成された反射防止膜Ｋ９と６°カットの端面加工の相乗効果によって反射が抑制される。反射が抑制しきれずに反射してしまった光は出力導波路Ｋ８及びモード干渉導波路Ｙ６を折り返し通過し波長変換導波路Ｋ５に入射されてしまう成分も存在するが、反射防止膜と斜め端面加工の相乗効果により、反射戻り光量は入射光量に対して−５０ｄＢと非常に小さい量であった。また、斜め端面加工による反射防止効果が波長依存性が少ないため、１００ｎｍ以上の広い帯域に渡って−４５ｄＢ以上の反射防止効果が得られ、ＡＳＥ光の反射も十分に抑えることができた。

さらに出力導波路Ｋ８の出力端面側から、波長１．５６μｍの第二の励起光を入射した。第二の励起光は、モード干渉導波路Ｋ６を通過した後、波長変換導波路Ｋ５に入射される。波長変換導波路Ｋ５内での０．７８μｍの光との和周波発生（ＳＦＧ）により、波長０．５２０μｍの波長変換信号光が生成され、ダイクロイックミラーＫ４を通した後に出力される。本実施形態における構成では、第一の励起光とは独立の別のＥＤＦＡＫ１２で第二の励起光を増幅して入力できるため、第一の励起光の第二高調波発生時のパワーの減衰を補うことができ、ハイパワーの第三次高調波発生が可能であった。

このように本実施形態の波長変換装置の波長変換デバイスによれば、第二高調波発生過程で使用した１．５６μｍ帯の戻り光量を非常に小さい量に抑えることができるので、和周波発生過程は、第二高調波発生過程とは独立した過程とすることができる。

図１５に示す例では第一の励起光と第二の励起光とを同じ光源から出力しているが、第二の励起光の光源を第一の励起光の光源とは別に用意してもよい。その場合、直列に配列した第二高調波発生に位相整合が取れる分極反転周期構造と和周波数発生に位相整合が取れる分極反転周期構造の特性が一致しない場合に、第二の励起光の光源の波長を変えることにより特性の不一致を補い、高効率に波長変換を行うことができる。

また、和周波数発生に位相整合が取れる分極反転周期構造の反転周期を適当に調整すれば、第二の励起光の波長に第一の励起光の波長とは異なる波長を持つ光を用いることができる。例えば、第４の実施例において、波長１．５６μｍの第二高調波発生に位相整合が取れる分極反転周期構造と、波長１．５７μｍと波長０．７８μｍの和周波数発生に位相整合が取れる分極反転周期構造の両方を直列に作製すれば、最終的に０．５２１μｍの光を生成することができる。このように、非線形効果による各周波数変換過程を独立に起こすことができるため、任意の波長の組み合わせでの変換が容易に可能である。また、第一の励起光と第二の励起光の波長をわざと異なるものにすることで、第二高調波発生や和周波数発生などの非線形効果による各周波数変換の逆過程による、逆周波数変換などを防ぐことができ、ワットクラスのハイパワー出力を行う際に非常に有効な効果を表す。

以上説明したように本発明によれば、折り返しに必要な反射機能と、不要な光の戻り光の高い抑制機能と、信号光と励起光の合波機能と、モードフィルタ機能を同一波長変換デバイス上に集積できるため、入力光に対してＳＨＧ、ＤＦＧ、ＳＦＧのいずれかの非線形光学変化を多段独立で行うことができるので、実装が容易で光損失が少なく、高パワー入力への耐性が強く、高品質な波長変換が可能なデバイスを小型で低価格に提供することができる。

１０、２０ ：波長変換デバイス
３０ ：基板
３４、１１５、Ｙ４、Ｗ５、Ｑ１４，Ｑ２４，Ｑ３４、Ｑ４４、Ｋ５ ：波長変換導波路
３３、Ｙ５、Ｗ６、Ｑ１９，Ｑ２９，Ｑ３９、Ｑ４９、Ｋ６ ：モード干渉導波路
３１、３２、１１２、１１３、Ｙ６、Ｙ７、Ｗ７、Ｗ８、Ｑ１６、Ｑ１７、Ｑ２６、Ｑ２７、Ｑ３６、Ｑ３７、Ｑ４６、Ｑ４７、Ｋ７、Ｋ８ ：出力導波路

Claims (11)

1. 非線形光学媒質と、光合分波器と、少なくとも２つ以上の出力導波路と、前記出力導波路の出力端部に設けられ、特定の波長の光に対しては光を反射し、前記特定の波長以外の波長の光に対しては光の反射を抑制する光学膜とを備え、
   前記出力導波路の少なくとも１つの出力端部が前記出力導波路に対して斜めに端面処理されていることを特徴とする波長変換デバイス。
2. 入力された光に対して、非線形光学効果におけるＳＨＧ、ＤＦＧ、ＳＦＧにより、第二高調波光、差周波光、和周波光のいずれかの光を出力する非線形光学媒質と、
   前記非線形光学媒質に接続され、前記非線形光学媒質から出力された波長の異なる光に対しモード干渉を利用して分離して出力する合分波器と、
   前記合分波器の２つの出力のうちの一方に接続された第１の出力導波路と、
   前記合分波器の２つの出力のうちの他方に接続された第２の出力導波路と、
   前記２つの出力導波路の出力端部に設けられ、第１の波長帯の光の反射を抑制し、第２の波長帯の光を反射する光学膜とを備え、
   前記第１の出力導波路の出力端部が前記第１の出力導波路に対して斜めになるように端面が構成され、前記第２の出力導波路の出力端部が前記第２の出力導波路に対して垂直になるよう端面が構成されることで、前記第１の波長帯の戻り光が前記非線形光学媒質に再び入力されることを防止して、前記第１の出力導波路の出力端部から信号光が入力されたときに、信号光が前記第２の出力導波路で反射された第２の波長帯の光とともに前記非線形光学媒質から入力され、前記非線形光学変化とは独立した非線形光学変化を引き起こして出力することを特徴とする波長変換デバイス。
3. 前記光合波部の伝播方向における光路長は、前記出力端面で、前記第１の波長の光または第２の波長の光のうち、少なくともいずれか一方の光量が極値となるように設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換デバイス。
4. 前記光合波部の幅は、５μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の波長変換デバイス。
5. 前記非線形光学媒質は、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ₄、または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の波長変換デバイス。
6. 前記非線形光学媒質は、液相エピタキシャル法によって成長された結晶膜であることを特徴とする請求項５に記載の波長変換デバイス。
7. 前記非線形光学媒質は、非線形光学効果を有する第一の基板と、第一の基板に比べ屈折率の小さい第二の基板とを貼り合わせることによって作製された薄膜基板であることを特徴とする請求項５または６に記載の波長変換デバイス。
8. 前記第一の基板は、非線形定数が周期的に反転された構造を有することを特徴とする請求項７に記載の波長変換デバイス。
9. 前記第一の基板と前記第二の基板とは、熱処理による拡散接合によって直接貼り合わされていることを特徴とする請求項７または８に記載の波長変換デバイス。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の波長変換デバイスが同一基板上に複数個集積されていることを特徴とする波長変換デバイス。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の波長変換デバイスと、
    前記波長変換デバイスの入力端面に前記入射光を入力する第１のレーザ光源部と、
    前記波長変換デバイスの出力端面に前記入射光を入力する第２のレーザ光源部と、前記波長変換デバイスから出力された変換光を分離するフィルタとを備えたことを特徴とする波長変換装置。