JP2015200800A - 波長変換素子および光周波数コム発生装置 - Google Patents
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Abstract
Description
fn=f0+nfrep (式1)
ここで、frepは隣り合う櫛目の光周波数間隔、nは整数、f0は光周波数の余りの部分あり、0≦f0<frepの関係がある。光周波数コムは様々な整数nのfnの光周波数波長の集合体とみなすことができる。
fa=f0+afrep (式2)
(式2)で示されるfaは、二次非線形光学効果の1つである第2高調波発生(SHG)により以下の(式3)で表される光周波数fSHGに変換される。
fSHG=2fa=2f0+2afrep (式3)
(式3)で示される波長1μm付近の光のfSHGとほぼ同じ光周波数fbを、整数bを用いて以下の(式4)で表す。
fb=f0+bfrep (式4)
fSHGとfbがほぼ同じ光周波数すなわち2a=bのとき、その差はf0のみであり、ビート信号としてf0が得られる。実際には、frep毎の周波数間隔で光が存在し、b=2a+1などの時に(式4)から(式3)を引いた値であるfrep−f0や(式4)でbがたとえば2aと2a+1の様に1違いの場合の光も同時に存在するので(式4)同士でbが1違いの場合の差の周波数frepのビート信号も得られる。ビート信号の中からf0、frep、frep−f0などの必要なビート信号をフィルタにより分離することができ、その分離した信号により光周波数コムの励起光などにフィードバックを行うことにより、光周波数コムの光周波数を安定化することができる。この安定化手法は、2faとfbとを干渉させていることから、f−2f干渉法と呼ばれている。
fSFG=fc+fd=2f0+(c+d)frep (式5)
(式5)に示されるように、c=a−1、d=a+1などのときはc+d=2aとなり、当該和周波光により、同様に前述のような整数b=2aの光周波数fbの光と光周波数f0のビート信号とを得ることができ、第2高調波以外にも安定化信号を得るのに寄与している。また、(式5)において、c=a、d=a+1などのときは、b=2a+1の光周波数の光と光周波数f0のビート信号とを観測することができる。そのため、f−2f干渉法では、実際には2f0の項が生成される二次非線形光学効果による波長変換が有ればよい。
1/λ3=1/λ1+1/λ2 (式6)
上記(式6)は、波長の逆数の次元、つまり周波数に比例する次元であり、2つの入力光の周波数の和を取った和周波の変換光が発生する。入力される2つの波長が同じ(すなわちλ1=λ2の時)、変換光の光周波数は入力光の2倍になり、この光学非線形過程を第2高調波発生と呼ぶ。すなわち、第2高調波発生は和周波発生の特別な形と言える。
Δβ=2π(n3/λ3−n1/λ1−n2/λ2) (式7)
高い変換効率を得るためには、このΔβを補償する必要がある。ニオブ酸リチウムのような強誘電体では、分極の向きを周期的に反転することによりΔβを補償できる。分極反転周期をΛとすると、Δβ=2π/Λを満たすΛを設定することによりΔβの補償を達成することができる。
(実施例1)
まず、図5を用いて周期分極反転構造での一般的な波長変換の様子を説明する。図5中の横軸は光の伝搬方向を示し、縦軸は変換光の電界強度を示す。図5において、1次の擬似位相整合の光の電界強度を実線で示し、3次の擬似位相整合の光の電界強度を一点鎖線で示す。
以下、本発明の実施例2に係る波長変換素子を説明する。本発明の実施例2に係る波長変換素子では、3次の擬似位相整合により発生した2f0成分を持つ第2高調波と一致する波長を有する3f0成分を持つ和周波光波長を発生させる第2の方法を示す。本発明の実施例2に係る波長変換素子においては、図4に示されるバルク型の波長変換素子400を用い、光の入射側である第1の分極反転領域410の分極反転周期Λ1を20μmとし、出力側の第2の分極反転領域420の分極反転周期Λ2を7.32μmとした。
以下、本発明の実施例3に係る波長変換素子を説明する。本発明の実施例3に係る波長変換素子では、図4に示されるバルク型の波長変換素子400を用い、光の入射側である第1の分極反転領域410の分極反転周期Λ1を25.0μmとし、出力側の第2の分極反転領域420の分極反転周期Λ2を7.9μmとした。
以下、本発明の実施例4に係る波長変換素子を説明する。図9は、本発明に係る波長変換素子の他の例を示す。図9には、分極反転周期Λ1を有する第1の分極反転領域910の第1の導波路911と、分極反転周期Λ2を有する第2の分極反転領域920の第2の導波路921とを含む導波路型の波長変換素子900が示されている。光周波数コムの入力光は、入力端912から入力されて、変換光として出力端913から出力される。
図11に、本発明の実施例5に係る光周波数コム装置1100を示す。図11には、光周波数コム光源1109と、光周波数コム光源1109と光学的に接続された導波路型の波長変換素子1105と、ミラー1108を介して波長変換素子1105からの出力光を受光する受光器1106と、受光器1106からの電気信号を受信する制御手段1107と、を備えた光周波数コム装置1100が示されている。光周波数コム光源1109は、1.55μm帯の一波長を発振するレーザであるLD1101と、変調手段1102と、Er添加ファイバ増幅器1103と、高非線形ファイバ1104とを含む。本実施例5では、波長変換素子1105として実施例4に係る導波路型の波長変換素子900を用いた。
周期分極ニオブ酸リチウム 201
導波路 202
光周波数コム発生装置 300、1100
光周波数コム光源 301、1109
分波器 302
非線形光学媒質 303、308
ミラー 304、307、1108
合波器 305
受光器 306、1106
制御手段 309、1107
第1の分極反転領域 410、910
第2の分極反転領域 420、920
第1の導波路 911
第2の導波路 921
入力端 912
出力端 913
LD 1101
変調手段 1102
Er添加ファイバ増幅器 1103
高非線形ファイバ 1104
Claims (5)
- 第1の分極反転周期Λ1を有する第1の分極反転領域と、第2の分極反転周期Λ2を有する第2の分極反転領域とを備えた二次非線形光学媒質からなる波長変換素子であって、
前記第1の分極反転領域は、30dB幅として1オクターブ未満の広がりをもった光周波数コムを入力し、前記光周波数コムに含まれる光周波数f1、f2、f3の光に対して、
1次の擬似位相整合条件により、前記光周波数コムに含まれる光周波数f1の光を第2高調波発生により光周波数2f1の第1の変換光に変換し、
3次の擬似位相整合条件により、前記光周波数コムに含まれる光周波数f3の光を第2高調波発生により光周波数2f3の第2の変換光に変換し、
3次の擬似位相整合条件により、前記光周波数コムに含まれる光周波数f2の光と前記第1の変換光との和周波発生により光周波数2f1+f2の第3の変換光に変換する
ように、前記第1の分極反転周期Λ1が設定され、
前記第2の分極反転領域は、少なくとも前記第1の分極反転領域を透過した前記光周波数コムを入力し、前記光周波数コム中の光が1次の擬似位相整合条件により第2高調波発生を起こし、当該第2高調波の波長が前記第1の分極反転領域で発生した前記第3の変換光の帯域内に存在するように、前記第2の分極反転周期Λ2が設定されていることを特徴とする波長変換素子。 - 第1の分極反転周期Λ1を有する第1の分極反転領域と、第2の分極反転周期Λ2を有する第2の分極反転領域とを備えた二次非線形光学媒質からなる波長変換素子であって、
前記第1の分極反転領域は、30dB幅として1オクターブ未満の広がりをもった光周波数コムを入力し、前記光周波数コムに含まれる光周波数f1、f2、f3の光に対して、
1次の擬似位相整合条件により、前記光周波数コムに含まれる光周波数f1の光を第2高調波発生により光周波数2f1の第1の変換光に変換し、
3次の擬似位相整合条件により、前記光周波数コムに含まれる光周波数f3の光を第2高調波発生により光周波数2f3の第2の変換光に変換し、
3次の擬似位相整合条件により、前記光周波数コムに含まれる光周波数f2の光と前記第1の変換光との和周波発生により光周波数2f1+f2の第3の変換光に変換する
ように、前記第1の分極反転周期Λ1が設定され、
前記第2の分極反転領域は、少なくとも前記第1の分極反転領域において発生した前記第1の変換光と前記第1の分極反転領域を透過した前記光周波数コムとを入力し、前記光周波数コム中の光と前記第1の変換光との1次の擬似位相整合条件により和周波発生を起こし、当該和周波発生光の波長が前記第1の分極反転領域で発生した前記第2の変換光の帯域内に存在するように、前記第2の分極反転周期Λ2が設定されていることを特徴とする波長変換素子。 - 前記二次非線形光学媒質は、LiNbO3またはLiNbO3にMg、Zn、Sc、およびInからなる群から選ばれた少なくとも一種が添加物として含有された材料から成ることを特徴とする請求項1又は2に記載の波長変換素子。
- 前記非線型光学媒質は、光導波路構造を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の波長変換素子。
- 前記光周波数コムを出力する光周波数コム光源と、
前記光周波数コム光源から出力された前記光周波数コムを入力する請求項1乃至4のいずれかに記載の波長変換素子と、
前記波長変換素子の出力光の一部又は全部を受光して光電変換することによって得られた電気信号を出力する光受光器と、
前記光受光器から出力された前記電気信号を入力し、前記電気信号の周波数成分に基づいて、前記電気信号におけるビート周波数が一定になるようにフィードバック信号を前記光周波数コム光源に出力する制御手段と、
を備えたことを特徴とする光周波数コム発生装置。
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