JP3545660B2

JP3545660B2 - Optical parametric circuit

Info

Publication number: JP3545660B2
Application number: JP30948199A
Authority: JP
Inventors: 亙今宿; 篤高田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2019-10-29
Also published as: JP2001125159A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光非線形媒質の２次の光パラメトリック効果を利用して入力信号光の波長変換を行い、また入力信号光に対する波長変換光の増幅を可能にする光パラメトリック回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の波長変換には、光信号を電気信号に変換することなく、光のままで波長変換を行う素子が開発されている。このような素子には、半導体光増幅器や光ファイバの四光波混合を用いるものや、半導体光増幅器のクロスゲイン変調やクロスフェイズ変調を用いたものなどがある。
【０００３】
半導体光増幅器を用いた四光波混合では、図８（ａ）に示すように、光非線形媒質である半導体光増幅器９１に信号光と励起光を入力し、励起光波長に対して信号光波長と対称な波長の波長変換光（四光波混合光）を発生させ、光フィルタ９２で信号光および励起光から分離して取り出す。
【０００４】
半導体光増幅器のクロスゲイン変調では、図８（ｂ）に示すように、波長λｐの励起光を入力して利得飽和状態にした半導体光増幅器９３に、異なる波長λｓの信号光を入力すると、信号光強度が強いときに励起光波長λｐに対する利得が低下する。これにより、波長λｐの励起光は信号光の反転論理で出力され、光フィルタ９４で波長λｓの信号光から分離して波長変換光として出力される。
【０００５】
半導体光増幅器のクロスフェイズ変調は、図８（ｃ）に示すように、波長λｐの励起光を光カプラ９５−１で２分岐して２つの半導体光増幅器９６−１，９６−２に入力し、波長λｓの信号光を光カプラ９５−２を介して反対方向から一方の半導体光増幅器９６−１に入力し、２つの半導体光増幅器９６−１，９６−２の出力光を光カプラ９５−３で合波する構成である。半導体光増幅器９６−１に信号光を入力すると屈折率が変化し、通過する励起光の位相が変化する。そのため、２つの半導体光増幅器９６−１，９６−２の出力端に取り出される各励起光の位相が異なり、光カプラ９５−３で結合すると、位相変化が強度変化となって現れる。したがって、光カプラ９５−３の出力端には、波長λｓの信号光と同じ論理の波長λｐの励起光が波長変換光として出力される。
【０００６】
以上の半導体光増幅器を用いた構成は、いずれも使用する半導体素子の応答速度に限界があり、４０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速信号を処理するには、技術的な困難さと経済的な負担が大きい。これらの限界を打破する手段として、光ファイバ等の光カー媒質中における四光波混合が検討されているが、光ファイバ素子は小型化に不利であり、また十分な変換効率を得ることも難しい。
【０００７】
また、高速信号の波長変換を手軽に実現する手段として、光非線形媒質中での光パラメトリックダウン変換を用いる方法も検討されているが、励起光として信号光波長の２倍波を用意する必要があり、新たな励起光源の開発のために負担が大きい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような問題に対して、光非線形媒質中での光カスケーディングを用いた波長変換が検討されている。光カスケーディングとは、信号光と同じ波長帯の励起光を光非線形媒質に入力し、光非線形媒質中での光パラメトリックアップ変換により励起光の２倍波を発生させた後に、再び信号光との光パラメトリックダウン変換により波長変換光を得る方法である。この光カスケーディングでは、励起光の波長が光源技術の進んでいる信号光波長帯と同一になり、高出力で高品質の励起光を得ることが容易となる。これにより、小型の光非線形媒質で効率の高い波長変換が可能になっている（参考文献：Ｍ．Ｈ．Ｃｈｏ他、フォトニクスレター誌、１１号、６５３頁、１９９９年）。
【０００９】
しかし、信号光波長と励起光波長の帯域が同じであるので、光非線形媒質の出力側で励起光を遮断する高性能の光フィルタが不可欠となる。また、高性能の光フィルタを不要とするには、励起光の波長付近に信号光波長を設定しないようにするガードバンドが必要となり、光ネットワークの波長設定の大きな制限要因となる。
【００１０】
本発明は、光フィルタを用いずに信号光および波長変換光と励起光とを分離して取り出すことができ、波長変換素子として波長空間を効率よく利用することができる光パラメトリック回路を提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明は、波長変換と物理的に同じプロセスで、入力信号光に対して増幅された波長変換光を出力する光パラメトリック増幅器として利用できる光パラメトリック回路を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
図１は、本発明の光パラメトリック回路の基本構成を示す。
図において、本発明の光パラメトリック回路は、内部の２つの光経路に２次の光非線形媒質を有する非線形マッハツェンダ干渉計により構成される。２つの入力ポートからそれぞれ入力された励起光と信号光は光合波器１０で合波され、２つの光経路に分岐してそれぞれ光非線形媒質１１，１２に入力される。光非線形媒質１１，１２からそれぞれ出力される励起光、信号光、波長変換光は光合波器１３で合波され、２つの出力ポートに信号光および波長変換光と励起光とに分離して出力される。
【００１３】
信号光および励起光をＥｓ，Ｅｐ、その光角周波数をω_Ｓ，ω_Ｐとすると、光合波器１０で合波して光非線形媒質１１，１２に入力される光Ｅ_１，Ｅ_２は、
【００１４】
【数１】

となる。この光が光非線形媒質１１，１２に入力されると、光カスケーディングにより波長変換光が発生し、それぞれの出力光Ｅ_１′，Ｅ_２′は、
【００１５】
【数２】

となる。ここで、ηは光カスケーディングによる波長変換効率であり、真空誘電率をε_０（Ｆｍ^−２）、励起光の光角周波数をω_Ｐ（ｒａｄ／ｓ）、光速をｃ（ｍ／ｓ）、光非線形媒質の屈折率をｎ、有効長をＬ（ｍ）、有効断面積をＡ（ｍ^２）、２次の非線形係数をｄ（ｍ／Ｖ）、励起光パワーをＰ_Ｐ（Ｗ）とすると、
η＝（ω_Ｐ ^２／ε_０ ^３ｃ^３ｎ^３Ａ）^２ｄ^４Ｌ^４Ｐ_Ｐ ^２／１６
＝η′×（Ｌ^４Ｐ_Ｐ ^２／１６） …（５）
となる。ここで、η′は材料パラメータである。また、ここでは単純化のために、信号光および励起光のエネルギーを不変としているが、厳密には光パラメトリック過程において信号光は増幅され、励起光は減衰することになる。
【００１６】
さらに、光非線形媒質１１，１２の出力光Ｅ_１′，Ｅ_２′を光合波器１３で合波すると、２つの出力ポートに取り出される出力光Ｅｓ′，Ｅｐ′は、
【００１７】
【数３】

となる。ここで、（６）式の第１項は信号光、第２項は波長変換光であり、（７）式は励起光であり、信号光および波長変換光と励起光とが分離して取り出されることがわかる。そのため、励起光波長と信号光波長が極めて近接（例えば、波長差１００ｎｍ以内（請求項７））していても、出力側では信号光および波長変換光に対する励起光の漏れ込みを抑えることができる。
【００１８】
また、（６）式において、η＞＞１となるときは、入力信号光に対して波長変換光が増幅されることになり、本光パラメトリック回路は光パラメトリック増幅器として機能する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態：請求項１，７，８）
図２は、本発明の光パラメトリック回路の第１の実施形態を示す。なお、信号光の波長は光伝送において有利な１５５０ｎｍ帯とする。
【００２０】
図において、半導体レーザ光源２１は電源２２により駆動され、波長１５５０．５ｎｍで発振している。信号光と半導体レーザ光源２１から出力される励起光は、非線形マッハツェンダ干渉計２３の２つの入力ポートにそれぞれ入力される。非線形マッハツェンダ干渉計２３は、２入力２出力の光合波器２４，２５の間の２つの光経路に光非線形媒質２６，２７を挿入した構成である。なお、光非線形媒質は、２次の非線形屈折率を有する光パラメトリック結晶で構成される。
【００２１】
非線形マッハツェンダ干渉計２３の光合波器２４に入力された信号光および励起光は、（１），（２）式で示される光となり、それぞれ対応する光非線形媒質２６，２７に入力される。光非線形媒質２６，２７では、励起光がパラメトリックアップ変換により倍周波の７８０ｎｍ帯に一度変換された後に、再び１５５０ｎｍ帯の信号光とパラメトリック過程を起こして波長変換光を発生させ、（３），（４）式で示されるような光となって光合波器２５に入力される。光合波器２５の一方の出力ポートには（６）式で示されるような信号光および波長変換光が出力され、他方の出力ポートには（７）式で示されるような励起光が出力される。
【００２２】
ここで、光非線形媒質２６，２７としてＡＡＮＰ結晶を用いる。その有効断面積Ａ＝５０μｍ^２、２次の非線形係数ｄ＝８０ｐｍ／Ｖとすると、
η′＝３．６ ×１０^−５（ｍＷ^−２ｃｍ^−４）
となる。励起光パワーＰ_Ｐ＝５００ｍＷ、光非線形媒質２６，２７の長さＬ＝０．５ｃｍとすると、（５）式に示す波長変換効率ηは約０．０３５となり、−１４．６ｄＢの変換効率が得られる。
【００２３】
なお、光非線形媒質２６，２７を構成する光パラメトリック結晶としては、ＡＡＮＰ結晶の他に同じ有機材料としてＭＭＡポリマやＤＡＮ結晶、無機結晶としてＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰ（ＫＬｉＯＰＯ_４）、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）、ＫＮｂＯ_３等を用いることができる。
【００２４】
（第２の実施形態：請求項２）
図３は、本発明の光パラメトリック回路の第２の実施形態を示す。本実施形態の特徴は、図２に示す第１の実施形態の光非線形媒質２６，２７が、異なる光パラメトリック結晶基板３１，３２に作りこまれた光導波路３３，３４によって構成されたところにある。
【００２５】
ここで、光導波路３３，３４を作りこむ光パラメトリック結晶基板３１，３２としてＬｉＮｂＯ_３結晶を用いる。その有効断面積Ａ＝５０μｍ^２、２次の非線形係数ｄ＝４０ｐｍ／Ｖとすると、
η′＝２．２５×１０^−６（ｍＷ^−２ｃｍ^−４）
となる。励起光パワーＰ_Ｐ＝２５０ｍＷ、光導波路３３，３４の長さＬ＝０．５ｃｍとすると、−３２．６ｄＢの変換効率が得られる。なお、光導波路３３，３４を作りこむ光パラメトリック結晶基板３１，３２としては、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＫＮｂＯ_３等を用いてもよい。
【００２６】
（第３の実施形態：請求項３）
図４は、本発明の光パラメトリック回路の第３の実施形態を示す。本実施形態の特徴は、図３に示す第２の実施形態の異なる光パラメトリック結晶基板３１，３２の光導波路３３，３４が、同一の光パラメトリック結晶基板３５上に作りこまれたところにある。特性的には、第２の実施形態と同じである。光導波路３３，３４を作りこむ光パラメトリック結晶基板３５としては、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＫＮｂＯ_３等を用いることができる。
【００２７】
（第４の実施形態：請求項４）
図５は、本発明の光パラメトリック回路の第４の実施形態を示す。本実施形態の特徴は、図４に示す第３の実施形態の光パラメトリック結晶基板３５に、疑似位相整合光導波路３６，３７を作りこむところにある。疑似位相整合は、プロトン注入によるドメイン反転により実現される。これにより、光導波路長を長くしても、励起光と信号光間の位相整合条件を満足させることができる。なお、図３に示す第２の実施形態の光パラメトリック結晶基板３１，３２に疑似位相整合光導波路３６，３７を作りこんでもよい。
【００２８】
ここで、疑似位相整合光導波路３６，３７を作りこむ光パラメトリック結晶基板３５（３１，３２）としてＬｉＮｂＯ_３結晶を用いる。その有効断面積Ａ＝５０μｍ^２、２次の非線形係数ｄ＝４０ｐｍ／Ｖとすると、
η′＝２．２５×１０^−６（ｍＷ^−２ｃｍ^−４）
となる。励起光パワーＰ_Ｐ＝２５０ｍＷ、疑似位相整合光導波路３６，３７の長さＬ＝１．７ｃｍとすると、−１１．３ｄＢの変換効率が得られる。なお、光パラメトリック結晶基板３５（３１，３２）としては、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＫＮｂＯ_３等を用いてもよい。
【００２９】
（第５の実施形態：請求項５）
図６は、本発明の光パラメトリック回路の第５の実施形態を示す。本実施形態の特徴は、非線形マッハツェンダ干渉計２３全体が光パラメトリック結晶基板３８上の光導波路で構成されたところにあり、図４に示す第３の実施形態の光パラメトリック結晶基板３５上に作りこまれた光導波路３３，３４と同様の光導波路が形成される。なお、光合波器２４，２５も導波路型の光カプラで構成される。
【００３０】
ここで、光パラメトリック結晶基板３８としてＬｉＮｂＯ_３結晶を用い、光導波路３３，３４の長さＬ＝０．５ｃｍ、その有効断面積Ａ＝５０μｍ^２、２次の非線形係数ｄ＝４０ｐｍ／Ｖとし、励起光パワーＰ_Ｐ＝５００ｍＷとすると、−１４．５ｄＢの変換効率が得られる。なお、光パラメトリック結晶基板３８としては、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＫＮｂＯ_３等を用いてもよい。
【００３１】
（第６の実施形態：請求項６）
図７は、本発明の光パラメトリック回路の第６の実施形態を示す。本実施形態の特徴は、図６に示す第５の実施形態の構成と図５に示す第４の実施形態を組み合わせたものであり、非線形マッハツェンダ干渉計を構成する光導波路の一部が疑似位相整合光導波路３６，３７になる。これにより、波長変換が可能な帯域幅の拡大が図れるとともに、導波路長が長くなることにより高い変換効率が得られる。この導波路長を６ｃｍ、励起光パワーＰ_Ｐ＝５００ｍＷとして導波路損失を無視すれば、波長変換光は入力信号光よりも１６．６ｄＢ増幅されたレベルで出力される。
【００３２】
ただし、実際には導波路損失が問題になり、ＬｉＮｂＯ_３導波路の損失は−０．８ｄＢ／ｃｍであるので、導波路長６ｃｍで約５ｄＢの損失となる。したがって、実際には１２ｄＢ程度の変換効率となり、波長変換と同時に光パラメトリック増幅が可能となる。
【００３３】
なお、光パラメトリック結晶基板３８としては、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＫＮｂＯ_３等を用いてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光パラメトリック回路は、非線形マッハツェンダ干渉計を用いることにより、信号光および波長変換光と励起光とを分離して取り出すことができる。これにより、光フィルタを用いなくても、信号光および波長変換光への励起光の漏れ込みを抑圧することができ、さらにフィルタリングに必要であったガードバンドが不要となり、与えられた波長空間を有効活用することができる。
【００３５】
また、励起光パワーや光非線形媒質の長さ等を適当に設定することにより、入力信号光に対する波長変換光の光パラメトリック増幅を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光パラメトリック回路の基本構成を示す図。
【図２】本発明の光パラメトリック回路の第１の実施形態を示す図。
【図３】本発明の光パラメトリック回路の第２の実施形態を示す図。
【図４】本発明の光パラメトリック回路の第３の実施形態を示す図。
【図５】本発明の光パラメトリック回路の第４の実施形態を示す図。
【図６】本発明の光パラメトリック回路の第５の実施形態を示す図。
【図７】本発明の光パラメトリック回路の第６の実施形態を示す図。
【図８】従来の波長変換素子の基本構成を示す図。
【符号の説明】
１０，１３光合波器
１１，１２光非線形媒質
２１半導体レーザ光源
２２電源
２３非線形マッハツェンダ干渉計
２４，２５光合波器
２６，２７光非線形媒質
３１，３２，３５，３８光パラメトリック結晶基板
３３，３４光導波路
３６，３７疑似位相整合光導波路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical parametric circuit that performs wavelength conversion of input signal light using a second-order optical parametric effect of an optical nonlinear medium, and that can amplify wavelength-converted light with respect to input signal light.
[0002]
[Prior art]
For wavelength conversion in recent years, an element has been developed that performs wavelength conversion without converting an optical signal into an electric signal, using light. Examples of such an element include those using four-wave mixing of a semiconductor optical amplifier or an optical fiber, and those using cross gain modulation or cross phase modulation of a semiconductor optical amplifier.
[0003]
In four-wave mixing using a semiconductor optical amplifier, as shown in FIG. 8A, signal light and pump light are input to a semiconductor optical amplifier 91 which is an optical nonlinear medium, and the signal light wavelength and the pump light wavelength are compared with the pump light wavelength. Wavelength-converted light (four-wave mixing light) having a symmetrical wavelength is generated, and separated from the signal light and the pump light by the optical filter 92 and extracted.
[0004]
In the cross gain modulation of the semiconductor optical amplifier, as shown in FIG. 8 (b), when signal light of different wavelength λs is input to the semiconductor optical amplifier 93 in which the pump light of wavelength λp is input and the gain is saturated, the signal becomes When the light intensity is high, the gain for the pump light wavelength λp decreases. As a result, the pumping light having the wavelength λp is output by the inversion logic of the signal light, separated by the optical filter 94 from the signal light having the wavelength λs, and output as wavelength converted light.
[0005]
In the cross-phase modulation of the semiconductor optical amplifier, as shown in FIG. 8C, the pump light having the wavelength λp is branched into two by the optical coupler 95-1 and input to the two semiconductor optical amplifiers 96-1 and 96-2. , The signal light having the wavelength λs is input to the one semiconductor optical amplifier 96-1 from the opposite direction via the optical coupler 95-2, and the output lights of the two semiconductor optical amplifiers 96-1 and 96-2 are input to the optical coupler 95-. 3 is a configuration for multiplexing. When the signal light is input to the semiconductor optical amplifier 96-1, the refractive index changes, and the phase of the passing pump light changes. Therefore, the phases of the respective pump lights extracted to the output terminals of the two semiconductor optical amplifiers 96-1 and 96-2 are different, and when the pump lights are coupled by the optical coupler 95-3, the phase change appears as an intensity change. Therefore, the pump light having the wavelength λp having the same logic as the signal light having the wavelength λs is output as wavelength-converted light from the output end of the optical coupler 95-3.
[0006]
Any of the above configurations using a semiconductor optical amplifier has a limit in the response speed of a semiconductor element used, and processing a high-speed signal of 40 Gbit / s or more imposes a large technical difficulty and an economic burden. As a means for overcoming these limitations, four-wave mixing in an optical Kerr medium such as an optical fiber has been studied, but the optical fiber element is disadvantageous for miniaturization and it is difficult to obtain sufficient conversion efficiency.
[0007]
As a means for easily realizing wavelength conversion of a high-speed signal, a method of using optical parametric down-conversion in an optical nonlinear medium has been studied. However, it is necessary to prepare a second harmonic of the signal light wavelength as pump light. Yes, the burden is large for the development of a new excitation light source.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
For such a problem, wavelength conversion using optical cascading in an optical nonlinear medium is being studied. Optical cascading means that the pump light in the same wavelength band as the signal light is input to the optical nonlinear medium, and a second harmonic of the pump light is generated by optical parametric up-conversion in the optical nonlinear medium, and then the signal light and Is a method of obtaining wavelength-converted light by optical parametric down-conversion. In this optical cascading, the wavelength of the pump light becomes the same as the signal light wavelength band in which the light source technology is advanced, and it is easy to obtain high-output and high-quality pump light. This allows highly efficient wavelength conversion with a small optical nonlinear medium (Reference: MH Cho, et al., Photonics Letter Magazine, No. 11, p. 653, 1999).
[0009]
However, since the band of the signal light wavelength and the wavelength of the pump light are the same, a high-performance optical filter that blocks the pump light at the output side of the optical nonlinear medium is indispensable. In addition, in order to eliminate the need for a high-performance optical filter, a guard band for preventing the signal light wavelength from being set near the wavelength of the pump light is required, which is a major limiting factor in setting the wavelength of the optical network.
[0010]
The present invention provides an optical parametric circuit that can separate and extract signal light, wavelength-converted light, and pump light without using an optical filter and that can efficiently use a wavelength space as a wavelength conversion element. With the goal.
[0011]
Another object of the present invention is to provide an optical parametric circuit that can be used as an optical parametric amplifier that outputs wavelength-converted light that has been amplified with respect to input signal light in the same process as wavelength conversion.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 shows a basic configuration of an optical parametric circuit according to the present invention.
In the figure, the optical parametric circuit of the present invention is constituted by a nonlinear Mach-Zehnder interferometer having a secondary optical nonlinear medium in two internal optical paths. The pump light and the signal light respectively input from the two input ports are multiplexed by the optical multiplexer 10, branched into two optical paths, and input to the optical nonlinear media 11 and 12, respectively. Excitation light, signal light, and wavelength-converted light output from the optical nonlinear media 11 and 12 are multiplexed by the optical multiplexer 13, and output to two output ports after being separated into signal light, wavelength-converted light, and pump light. Is done.
[0013]
Assuming that the signal light and the pump light are Es and Ep and the optical angular frequencies are ω _S and ω _P , the light E ₁ and E ₂ multiplexed by the optical multiplexer 10 and input to the optical nonlinear media 11 and 12 are:
[0014]
(Equation 1)

It becomes. When this light is input into the optical nonlinear media 11 and 12, wavelength conversion light is generated by optical cascading, and the output light E ₁ ′ and E ₂ ′ are
[0015]
(Equation 2)

It becomes. Here, η is the wavelength conversion efficiency by optical cascading, the vacuum dielectric constant is ε ₀ (Fm ⁻² ), the optical angular frequency of the excitation light is ω _P (rad / s), and the light speed is c (m / s). , The refractive index of the optical nonlinear medium is n, the effective length is L (m), the effective area is A (m ² ), the second-order nonlinear coefficient is d (m / V), and the pump light power is P _P (W). Then
_{^{η = (ω P 2 / ε}} 0 3 c 3 n 3 A) 2 d 4 L 4 P P 2/16
^{_{^{= Η '× (L 4 P}}} P 2/16) ... (5)
It becomes. Here, η ′ is a material parameter. Although the energies of the signal light and the pumping light are not changed here for simplicity, strictly speaking, the signal light is amplified and the pumping light is attenuated in an optical parametric process.
[0016]
Further, when the output lights E ₁ ′ and E ₂ ′ of the optical nonlinear media 11 and 12 are multiplexed by the optical multiplexer 13, the output lights Es ′ and Ep ′ extracted to the two output ports become
[0017]
[Equation 3]

It becomes. Here, the first term of the equation (6) is a signal light, the second term is a wavelength-converted light, and the equation (7) is a pump light. The signal light and the wavelength-converted light and the pump light are separated and extracted. It is understood that it is. Therefore, even if the pumping light wavelength and the signal light wavelength are extremely close (for example, the wavelength difference is within 100 nm (claim 7)), it is possible to suppress the leakage of the pumping light to the signal light and the converted wavelength light on the output side. it can.
[0018]
Further, when η >> 1 in the expression (6), the wavelength-converted light is amplified with respect to the input signal light, and the present optical parametric circuit functions as an optical parametric amplifier.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(First Embodiment: Claims 1, 7, and 8)
FIG. 2 shows a first embodiment of the optical parametric circuit of the present invention. The wavelength of the signal light is set to a 1550 nm band, which is advantageous in optical transmission.
[0020]
In the figure, a semiconductor laser light source 21 is driven by a power supply 22 and oscillates at a wavelength of 1550.5 nm. The signal light and the pump light output from the semiconductor laser light source 21 are input to two input ports of the nonlinear Mach-Zehnder interferometer 23, respectively. The nonlinear Mach-Zehnder interferometer 23 has a configuration in which optical nonlinear media 26 and 27 are inserted into two optical paths between two-input two-output

optical multiplexers

24 and 25. The optical nonlinear medium is composed of an optical parametric crystal having a second-order nonlinear refractive index.
[0021]
The signal light and the pump light input to the optical multiplexer 24 of the nonlinear Mach-Zehnder interferometer 23 become light represented by the equations (1) and (2), and are input to the corresponding optical nonlinear media 26 and 27, respectively. In the optical nonlinear media 26 and 27, after the pumping light is once converted to the 780 nm band of the double frequency by the parametric up-conversion, the signal light in the 1550 nm band again undergoes a parametric process to generate the wavelength converted light, and (3), (4) Light as shown by the equation is input to the optical multiplexer 25. One output port of the optical multiplexer 25 outputs the signal light and the wavelength-converted light represented by the expression (6), and the other output port outputs the pump light represented by the expression (7). You.
[0022]
Here, AANP crystals are used as the optical nonlinear media 26 and 27. Assuming that the effective area A = 50 μm ² and the second-order nonlinear coefficient d = 80 pm / V,
η ′ = 3.6 × 10 ⁻⁵ (mW ⁻² cm ⁻⁴ )
It becomes. Pumping light power _P P = 500 mW, when the length L = 0.5 cm optical nonlinear medium 26, 27, (5) a wavelength conversion efficiency η is about 0.035 next in the expression, the conversion efficiency of -14.6dB can get.
[0023]
In addition, as the optical parametric crystals constituting the optical nonlinear media 26 and 27, in addition to the AANP crystal, the same organic material as the MMA polymer or DAN crystal, and the inorganic crystal as LiNbO ₃ , LiTaO ₃ , KTP (KLiOPO ₄ ), KDP (KH) ₂ PO ₄ ), KNbO _{3 and the} like can be used.
[0024]
(Second embodiment: Claim 2)
FIG. 3 shows a second embodiment of the optical parametric circuit of the present invention. The feature of this embodiment is that the optical nonlinear media 26 and 27 of the first embodiment shown in FIG. 2 are constituted by

optical waveguides

33 and 34 formed on different optical parametric crystal substrates 31 and 32. .
[0025]
Here, LiNbO ₃ crystal is used as the optical parametric crystal substrates 31 and 32 for forming the

optical waveguides

33 and 34. Assuming that the effective area A = 50 μm ² and the second-order nonlinear coefficient d = 40 pm / V,
η ′ = 2.25 × 10 ⁻⁶ (mW ⁻² cm ⁻⁴ )
It becomes. Pumping light power _P P = 250 mW, when the length L = 0.5 cm of the optical waveguide 33, the conversion efficiency of -32.6dB is obtained. In addition, as the optical parametric crystal substrates 31 and 32 in which the

optical waveguides

33 and 34 are formed, LiTaO ₃ , KTP, KDP, KNbO ₃ or the like may be used.
[0026]
(Third Embodiment: Claim 3)
FIG. 4 shows a third embodiment of the optical parametric circuit of the present invention. The feature of this embodiment is that the

optical waveguides

33 and 34 of the different optical parametric crystal substrates 31 and 32 of the second embodiment shown in FIG. 3 are formed on the same optical parametric crystal substrate 35. The characteristics are the same as those of the second embodiment. As the optical parametric crystal substrate 35 in which the

optical waveguides

33 and 34 are formed, LiNbO ₃ , LiTaO ₃ , KTP, KDP, KNbO ₃ or the like can be used.
[0027]
(Fourth embodiment: Claim 4)
FIG. 5 shows a fourth embodiment of the optical parametric circuit of the present invention. The feature of this embodiment lies in that quasi-phase matched

optical waveguides

36 and 37 are formed in the optical parametric crystal substrate 35 of the third embodiment shown in FIG. Pseudo phase matching is realized by domain inversion by proton injection. Thereby, even if the optical waveguide length is increased, the phase matching condition between the pump light and the signal light can be satisfied. The quasi-phase matched

optical waveguides

36 and 37 may be formed in the optical parametric crystal substrates 31 and 32 of the second embodiment shown in FIG.
[0028]
Here, a LiNbO ₃ crystal is used as the optical parametric crystal substrate 35 (31, 32) for forming the quasi-phase matching

optical waveguides

36, 37. Assuming that the effective area A = 50 μm ² and the second-order nonlinear coefficient d = 40 pm / V,
η ′ = 2.25 × 10 ⁻⁶ (mW ⁻² cm ⁻⁴ )
It becomes. Pumping light power _P P = 250 mW, when the length L = 1.7 cm of quasi-phase matching

optical waveguide

36 and 37, the conversion efficiency of -11.3dB is obtained. Note that as the optical parametric crystal substrate 35 (31, 32), LiTaO ₃ , KTP, KDP, KNbO ₃ or the like may be used.
[0029]
(Fifth Embodiment: Claim 5)
FIG. 6 shows a fifth embodiment of the optical parametric circuit of the present invention. The feature of this embodiment lies in that the entire nonlinear Mach-Zehnder interferometer 23 is constituted by an optical waveguide on an optical parametric crystal substrate 38, and is formed on an optical parametric crystal substrate 35 of the third embodiment shown in FIG. An optical waveguide similar to the inserted

optical waveguides

33 and 34 is formed. The

optical multiplexers

24 and 25 are also configured by waveguide type optical couplers.
[0030]
Here, LiNbO ₃ crystal is used as the optical parametric crystal substrate 38, the length L of the

optical waveguides

33 and 34 is 0.5 cm, the effective area A is 50 μm ² , and the second-order nonlinear coefficient d is 40 pm / V. When the excitation light power _P P = 500 mW, the conversion efficiency of -14.5dB is obtained. Note that as the optical parametric crystal substrate 38, LiTaO ₃ , KTP, KDP, KNbO ₃ or the like may be used.
[0031]
(Sixth embodiment: Claim 6)
FIG. 7 shows a sixth embodiment of the optical parametric circuit of the present invention. The feature of this embodiment is that the configuration of the fifth embodiment shown in FIG. 6 is combined with the fourth embodiment shown in FIG. 5, and a part of the optical waveguide forming the nonlinear Mach-Zehnder interferometer has a pseudo phase. The matching

optical waveguides

36 and 37 are obtained. As a result, the bandwidth in which wavelength conversion can be performed can be expanded, and high conversion efficiency can be obtained by increasing the waveguide length. If the waveguide length is 6 cm, the pump light power P _P = 500 mW, and the waveguide loss is ignored, the wavelength-converted light is output at a level that is 16.6 dB amplified from the input signal light.
[0032]
However, the loss of the waveguide actually becomes a problem, and the loss of the LiNbO ₃ waveguide is −0.8 dB / cm. Therefore, the loss is about 5 dB when the waveguide length is 6 cm. Therefore, the conversion efficiency is actually about 12 dB, and optical parametric amplification can be performed simultaneously with wavelength conversion.
[0033]
Note that as the optical parametric crystal substrate 38, LiTaO ₃ , KTP, KDP, KNbO ₃ or the like may be used.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, the optical parametric circuit of the present invention can separate and extract signal light, wavelength-converted light, and pump light by using the nonlinear Mach-Zehnder interferometer. This makes it possible to suppress the leakage of the pump light into the signal light and the wavelength-converted light without using an optical filter, and further eliminates the need for a guard band required for filtering, thereby reducing the given wavelength space. It can be used effectively.
[0035]
Also, by appropriately setting the pump light power, the length of the optical nonlinear medium, and the like, it is possible to perform optical parametric amplification of the wavelength-converted light with respect to the input signal light.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of an optical parametric circuit of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a first embodiment of the optical parametric circuit of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of the optical parametric circuit of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a third embodiment of the optical parametric circuit of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a fourth embodiment of the optical parametric circuit of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a fifth embodiment of the optical parametric circuit of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a sixth embodiment of the optical parametric circuit of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a basic configuration of a conventional wavelength conversion element.
[Explanation of symbols]
10, 13 Optical multiplexer 11, 12 Optical nonlinear medium 21 Semiconductor laser light source 22 Power supply 23 Nonlinear Mach-

Zehnder interferometer

24, 25 Optical multiplexer 26, 27 Optical

nonlinear medium

31, 32, 35, 38 Optical

parametric crystal substrate

33, 34

Optical waveguide Waveguides

36 and 37 Quasi-phase matched optical waveguide

Claims

２入力２出力の第１の光合波器の２つの出力ポートと、２入力２出力の第２の光合波器の２つの入力ポートとをそれぞれ接続する２つの光経路に２次の光非線形媒質を挿入した非線形マッハツェンダ干渉計を備え、
前記第１の光合波器の２つの入力ポートに信号光および励起光をそれぞれ入力し、前記第２の光合波器の２つの出力ポートの一方から信号光および波長変換光を出力し、他方から励起光を出力する構成である
ことを特徴とする光パラメトリック回路。A second-order optical nonlinear medium is connected to two optical paths respectively connecting two output ports of a two-input two-output first optical multiplexer and two input ports of a two-input two-output second optical multiplexer. Equipped with a nonlinear Mach-Zehnder interferometer
Signal light and pump light are respectively input to two input ports of the first optical multiplexer, and signal light and wavelength-converted light are output from one of two output ports of the second optical multiplexer, and from the other. An optical parametric circuit having a configuration for outputting excitation light.

請求項１に記載の光パラメトリック回路において、
前記２次の光非線形媒質は光導波路により構成されることを特徴とする光パラメトリック回路。The optical parametric circuit according to claim 1,
An optical parametric circuit, wherein the second-order optical nonlinear medium is constituted by an optical waveguide.

請求項１または請求項２に記載の光パラメトリック回路において、
前記２つの光経路に挿入される２次の光非線形媒質は、同一の光非線形媒質基板に形成された２つの光導波路により構成されることを特徴とする光パラメトリック回路。The optical parametric circuit according to claim 1 or 2,
An optical parametric circuit, wherein the second-order optical nonlinear medium inserted into the two optical paths includes two optical waveguides formed on the same optical nonlinear medium substrate.

請求項１〜３のいずれかに記載の光パラメトリック回路において、
前記２次の光非線形媒質は疑似位相整合が図られていることを特徴とする光パラメトリック回路。The optical parametric circuit according to claim 1,
An optical parametric circuit, wherein the second-order optical nonlinear medium is quasi-phase matched.

請求項１に記載の光パラメトリック回路において、
前記非線形マッハツェンダ干渉計は、２次の光非線形媒質基板上に形成された光導波路により構成されることを特徴とする光パラメトリック回路。The optical parametric circuit according to claim 1,
An optical parametric circuit, wherein the nonlinear Mach-Zehnder interferometer comprises an optical waveguide formed on a second-order optical nonlinear medium substrate.

請求項５に記載の光パラメトリック回路において、
前記２次の光非線形媒質基板上に形成された光導波路の全体または一部が疑似位相整合光導波路であることを特徴とする光パラメトリック回路。The optical parametric circuit according to claim 5,
An optical parametric circuit, wherein the whole or a part of the optical waveguide formed on the second-order optical nonlinear medium substrate is a quasi-phase matched optical waveguide.

請求項１に記載の光パラメトリック回路において、
前記非線形マッハツェンダ干渉計に入力する信号光と励起光の波長差が１００ｎｍ以内であることを特徴とする光パラメトリック回路。The optical parametric circuit according to claim 1,
An optical parametric circuit, wherein a wavelength difference between signal light and pump light input to the nonlinear Mach-Zehnder interferometer is within 100 nm.

請求項１に記載の光パラメトリック回路において、
前記非線形マッハツェンダ干渉計に入力する励起光を発生する励起光源を含む構成であることを特徴とする光パラメトリック回路。The optical parametric circuit according to claim 1,
An optical parametric circuit comprising an excitation light source that generates excitation light input to the nonlinear Mach-Zehnder interferometer.