JP5814183B2 - Wavelength conversion device - Google Patents

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本発明は、波長変換デバイスに関し、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用いた波長変換デバイスに関する。 The present invention relates to a wavelength conversion device, and more particularly, a multi-mode interference (MMI: Multi-Mode Interference) with respect to wavelength conversion device using the optical demultiplexer using.

従来、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、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を行うことができる、多くの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を利用した波長変換素子が知られている。 Conventionally, generation and modulation of coherent light in the ultraviolet, visible, infrared, and terahertz range for applications such as optical signal wavelength conversion, optical modulation, optical measurement, optical processing, medical treatment, and biotechnology in optical communications Many non-linear optical devices and electro-optical devices are being developed. Various materials have been researched and developed as nonlinear optical media and electro-optical media used in such elements. An oxide-based compound substrate such as lithium niobate (LiNbO 3 , hereinafter referred to as LN) is known as a promising material because of its very high second-order nonlinear optical constant and electro-optic constant. As an example of an optical device using non-linearity with high LN, a wavelength conversion element using difference frequency generation by pseudo phase matching is known.

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。   In recent years, in order to increase the communication capacity of an optical communication system, a wavelength division multiplexing (WDM) communication system that multiplexes and transmits a plurality of lights having different wavelengths has been actively introduced. In such a WDM communication system, in order to effectively use a limited number of wavelengths, there is a demand for practical use of a wavelength conversion device that converts a signal wavelength into an arbitrary signal wavelength.

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。   Conventionally, as a wavelength conversion element for converting the wavelength of light, a device using a semiconductor optical amplifier, a device using four-wave mixing, and the like are known. However, these wavelength conversion elements have not been able to satisfy conditions such as high efficiency, high speed, wide band, low noise, and polarization independence required in an optical communication system.

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、励起光波長λ３の２倍の波長を中心軸にして、信号光の波長λ１を中心軸の反対側に折り返した波長となる。例えば、励起光Ｂの波長λ１＝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。 FIG. 1 shows a configuration of a conventional quasi phase matching type wavelength conversion element using LN. The signal light A having a relatively small light intensity and the excitation light B having a relatively large light intensity are combined by a multiplexer 1 and are incident on an optical waveguide 2 of a nonlinear optical medium having a polarization inversion structure. In the optical waveguide 2, the signal light A is converted into converted light C having another wavelength by generation of a difference frequency wave due to a nonlinear optical effect. The converted light C is emitted from the optical waveguide 2 together with the excitation light B. The emitted converted light C and excitation light B are separated by the duplexer 3. If the wavelengths of the signal light A and the excitation light B are λ 1 and λ 3 , respectively, the wavelength λ 2 of the converted light C is
1 / λ 2 = 1 / λ 3 −1 / λ 1
Satisfied. The wavelength λ 2 of the converted light C is a wavelength obtained by turning the wavelength λ 1 of the signal light back to the opposite side of the central axis, with the wavelength twice as large as the excitation light wavelength λ 3 being the central axis. For example, when the wavelength λ 1 of the excitation light B is 0.78 μm, the signal light A having the wavelength λ 1 = 1.54 μm is converted into converted light C that is a difference frequency light having the wavelength λ 2 = 1.58 μm. be able to.

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。   The conversion band for the signal light A and the converted light C is as wide as ± 30 nm or more with respect to the wavelength of the excitation light. For example, a WDM signal bundled in a wavelength band C band used for wavelength division multiplexing (WDM) optical communication is L It is possible to perform batch conversion of wavelength groups such as to the band or from the L band to the C band.

従来、このような擬似位相整合を利用した波長変換素子は、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実現されていた。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。   Conventionally, a wavelength conversion element using such quasi-phase matching has been realized by producing a proton exchange waveguide after producing a periodically poled structure on a nonlinear optical crystal substrate such as LN. On the other hand, in order to improve the optical confinement in the optical waveguide and realize highly efficient wavelength conversion using the bulk or near-bulk nonlinear effect, a wavelength conversion element with a ridge-type optical waveguide structure is proposed Has been.

リッジ型光導波路を作製する方法を説明する。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。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する（例えば、非特許文献１参照）。   A method of manufacturing a ridge type optical waveguide will be described. First, after a periodically poled structure is fabricated on an Mg-added LN substrate, it is bonded to a separately prepared LN substrate using an adhesive. After the substrate thickness of the Mg-added LN substrate is reduced by surface grinding, a ridge-type waveguide is manufactured by precision grinding using a dicing saw (see, for example, Non-Patent Document 1).

このような擬似位相整合を利用したＬＮからなる波長変換素子において、励起光は、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倍の波長を持つ光が用いられることが多かった。これは、第二高調波発生（ＳＨＧ）と差周波発生（ＤＦＧ）のカスケード励起（以下、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法という）と呼ばれる手法を用いるためである。図１で説明した波長変換素子の例では、波長λ３＝０．７８μｍの代わりに、波長λ３’＝１．５６μｍの励起光が用いられる。波長λ３’＝１．５６μｍの励起光Ｂは、非線形光学媒質内部で第二高調波（波長＝０．７８μｍ）に変換され、非線形光学媒質内部で発生した第二高調波と信号光Ａとの差周波発生により、さらに変換光Ｃが得られる。 In such a wavelength conversion element made of LN using quasi-phase matching, the excitation light is light having a wavelength twice that of the excitation wavelength necessary for performing wavelength conversion in the 1.5 μm band by the generation of the difference frequency. It was often done. This is because a technique called cascade excitation of second harmonic generation (SHG) and difference frequency generation (DFG) (hereinafter referred to as SHG-DFG cascade excitation method) is used. In the example of the wavelength conversion element described in Figure 1, instead of the wavelength lambda 3 = 0.78 .mu.m, the pumping light of the wavelength lambda 3 '= 1.56 .mu.m is used. The excitation light B having the wavelength λ 3 ′ = 1.56 μm is converted into the second harmonic (wavelength = 0.78 μm) inside the nonlinear optical medium, and the second harmonic generated inside the nonlinear optical medium, the signal light A, Further, converted light C is obtained by the generation of the difference frequency.

励起光に０．７８μｍ帯を用いる方法では、０．７８μｍ帯域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。これによ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などの困難があった。一方、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法では、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できる。さらに、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ことから、従来、広く用いられてきた（例えば、非特許文献２参照）。   In the method using the 0.78 μm band for the excitation light, a stable and high wavelength accuracy in the 0.78 μm band and a high-output light source are not widely used, and it is difficult to prepare easily. Further, since the wavelengths of the signal light and the excitation light are different by half, the optimum size of the optical waveguide is different. As a result, when light is incident on the waveguide, it is difficult to suppress excitation other than the desired mode. On the other hand, in the SHG-DFG cascade excitation method, a stable and highly reliable 1.5 μm band light source can be used as a light source of excitation light. Furthermore, since high output light can be easily obtained by using an optical fiber amplifier or the like, it has been widely used in the past (for example, see Non-Patent Document 2).

しかしながら、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法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という問題があった。ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法では、励起光に１．５μｍ帯の光源を用いるため、波長が近接する３の光の分離、すなわち励起光と、信号光および変換光との分離が困難となる。従って、励起光波長と、信号光および変換光との間に一定の帯域、いわゆるガードバンドを設ける必要があった。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という問題があった。   However, wavelength conversion by the SHG-DFG cascade excitation method has a problem that the quality of the converted light tends to deteriorate. In the SHG-DFG cascade excitation method, since a 1.5 μm band light source is used for the excitation light, it is difficult to separate the three lights having wavelengths close to each other, that is, separation of the excitation light from the signal light and the converted light. Therefore, it is necessary to provide a certain band, so-called guard band, between the excitation light wavelength, the signal light and the converted light. By securing this band, there is a problem that the wavelength conversion band that can be used is narrowed, and the number of wavelengths that can be collectively converted is reduced.

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という問題もあった。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および変換光の品質が劣化するという問題があった。また、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法では、励起光および信号光の間の和周波発生によるクロストーク光が増加し、信号の品質が劣化するという問題もあった。   Further, when the guard band is provided, there is a problem that conversion to a wavelength close to the signal light becomes impossible. Furthermore, when an optical fiber amplifier is used to obtain high excitation light, there is a problem that the quality of signal light and converted light deteriorates due to an increase in ASE noise. In addition, the SHG-DFG cascade excitation method has a problem that the crosstalk light due to the sum frequency generation between the excitation light and the signal light increases, and the signal quality deteriorates.

図２に、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法による波長変換光を示す。図２（ａ）は、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法を用いて波長変換を行った際の変換前後の光信号スペクトルの例を示している。破線は信号光スペクトル、実線は変換光スペクトルを示している。信号光は波長λ１＝１．５５μｍ帯の光、励起光は、光ファイバアンプにより６００ｍＷに増幅された波長λ３’＝１５８４ｎｍのＣＷ光を用いている。ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法においては、励起光の波長＝１５８４ｎｍを中心軸とし、差周波光として波長λ２＝１．６１μｍ帯の変換光が出力されている。図２（ａ）からわかるように、波長変換を行うことにより、光ファイバアンプによって付加されたＡＳＥノイズによりＳＮ比が劣化してしまう。 FIG. 2 shows wavelength-converted light by the SHG-DFG cascade excitation method. FIG. 2A shows an example of an optical signal spectrum before and after conversion when wavelength conversion is performed using the SHG-DFG cascade excitation method. The broken line indicates the signal light spectrum, and the solid line indicates the converted light spectrum. The signal light uses light in the wavelength λ 1 = 1.55 μm band, and the pumping light uses CW light having a wavelength λ 3 ′ = 15884 nm amplified to 600 mW by an optical fiber amplifier. In the SHG-DFG cascade excitation method, converted light having a wavelength λ 2 = 1.61 μm band is output as the difference frequency light with the excitation light wavelength = 1588 nm as the central axis. As can be seen from FIG. 2A, by performing wavelength conversion, the S / N ratio is degraded by ASE noise added by the optical fiber amplifier.

図２（ｂ）は、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法を用いて波長変換を行った際の変換前後の光信号スペクトルの別の例を示している。波長λ３’＝１５６８ｎｍの励起光の波長を中心軸として、左側に信号光４波と右側に変換光４波が出力されている。このとき、励起光、信号光および変換光の間で和周波光が発生する。この和周波光と、励起光、信号光および変換光との間で、さらなる波長変換が行われ、励起光の波長付近に不要なクロストーク光が発生しているのがわかる。クロストーク光の波長が信号光および変換光の波長と等しい場合には、それぞれの光のＳＮ比が劣化してしまう。 FIG. 2B shows another example of the optical signal spectrum before and after conversion when wavelength conversion is performed using the SHG-DFG cascade excitation method. With the wavelength of the excitation light having the wavelength λ 3 ′ = 1568 nm as the central axis, four signal light waves are output on the left side and four converted light waves are output on the right side. At this time, sum frequency light is generated between the excitation light, the signal light, and the converted light. It can be seen that further wavelength conversion is performed between the sum frequency light and the excitation light, signal light, and converted light, and unnecessary crosstalk light is generated in the vicinity of the wavelength of the excitation light. When the wavelength of the crosstalk light is equal to the wavelength of the signal light and the converted light, the S / N ratio of each light is deteriorated.

以上説明したように、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法を用いた波長変換においては、ＳＮ比の劣化が避けられないため、０．７８μｍ帯の励起光による波長変換が望まれる。しかしながら、この波長の組み合わせによる変換は、信号光および励起光の入力が低損失、かつ所望のモード以外のモードを励振することなく行う必要があるが、簡易に行なうことのできる手法がなかった。   As described above, in the wavelength conversion using the SHG-DFG cascade excitation method, the SN ratio is inevitably deteriorated, and therefore wavelength conversion using 0.78 μm band excitation light is desired. However, the conversion by the combination of wavelengths needs to be performed without input of signal light and pumping light with low loss and excitation of a mode other than the desired mode, but there is no method that can be easily performed.

一方、０．７８μｍ帯の光源の入手が困難なこと、所望のモード以外のモードを抑制する必要性の観点から、非線形効果による第二高調波光（ＳＨＧ）過程と差周波発生（ＤＦＧ）過程を、別々に行う手法（独立多段励起）が望まれていた。ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法は、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において、独立多段励起法と比較すると、カスケード励起法が四分の一だけ効率が悪くなるという問題があった。言い換えると、独立多段励起法を用いれば、カスケード励起法に比べて、４倍の効率を得ることが出来る。   On the other hand, the second harmonic light (SHG) process and the difference frequency generation (DFG) process by the non-linear effect are considered from the viewpoint that it is difficult to obtain a light source of 0.78 μm band and that it is necessary to suppress modes other than the desired mode. Therefore, a separate method (independent multistage excitation) has been desired. In the SHG-DFG cascade excitation method, the second harmonic light is generated while the difference frequency is generated at the same time. Therefore, when compared with the independent multi-stage excitation method, the cascade excitation method has four different methods at the same optical power of the second harmonic light. There was a problem that efficiency became worse by a fraction. In other words, if the independent multistage excitation method is used, the efficiency four times that of the cascade excitation method can be obtained.

また、信号光の波長を任意の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、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。   In addition, in order to convert the wavelength of the signal light into an arbitrary wavelength, as a wavelength conversion technique using LN using pseudo phase matching, cascade excitation of sum frequency generation (SFG) and difference frequency generation (DFG) (hereinafter, A technique called “SFG-DFG cascade excitation method” has been proposed.

図３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）を、合波器１１により合波し、集光レンズ１２を介して、分極反転構造を有する非線形光学媒質１３の光導波路１３ａに入射する。光導波路１３ａの中で、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
の関係がある。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を得ることができる。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／λ４＝１／λ３−１／λ４
の関係がある。変換光Ｄは、変換光Ｃ、励起光１Ｂ、励起光２Ｂ、信号光Ａと共に、集光レンズ１４を介して光導波路１３ａから出射される。 FIG. 3 shows a configuration of an SFG-DFG cascade excitation method using a conventional quasi phase matching type wavelength conversion element using LN. The signal light A having the wavelength λ 1 , the two pumping lights 1 B (wavelength λ 2 ) and the pumping light 2 B (wavelength λ 4 ) having two different wavelengths are combined by the multiplexer 11, and the condenser lens 12 enters the optical waveguide 13 a of the nonlinear optical medium 13 having the domain-inverted structure. In the optical waveguide 13a, the signal light A is converted into converted light C (wavelength λ 3 ) having a different wavelength by generating a sum frequency wave due to the nonlinear optical effect. Between the signal light A (wavelength λ 1 ), the excitation light 1 B (wavelength λ 2 ), and the converted light C,
1 / λ 3 = 1 / λ 2 + 1 / λ 1
There is a relationship. The converted light D can be further obtained by generating a difference frequency between the sum frequency light (converted light C) generated inside the nonlinear optical medium and the excitation light 2B (wavelength λ 4 ). Between the converted light D (wavelength λ 5 ), the converted light C (wavelength λ 3 ), and the excitation light 2B (wavelength λ 4 ),
1 / λ 4 = 1 / λ 3 −1 / λ 4
There is a relationship. The converted light D is emitted from the optical waveguide 13a through the condenser lens 14 together with the converted light C, the excitation light 1B, the excitation light 2B, and the signal light A.

しかしながら、ＳＦＧ−ＤＦＧカスケード励起法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という問題があった。また、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という問題があった。さらに、励起光２Ｂの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という問題もあった。例えば、励起光２Ｂを、信号光の波長、または和周波波発生により得られる変換光の２倍の波長に設定すると、励起光２Ｂの第二高調波発生、または励起光２Ｂと励起光１Ｂとの和周波発生により、変換光ＣにＣＷ光が重畳される。このため、変換光Ｃに含まれる信号成分の受信感度が著しく低下する。励起光２Ｂのとることのできる波長が制限されるのはこのためである。従って、非線形効果による和周波発生（ＳＦＧ）過程と差周波発生（ＤＦＧ）過程とを、別々に行う手法が望まれていた。   However, wavelength conversion by the SFG-DFG cascade excitation method has a problem that the quality of the converted light is likely to deteriorate. In addition, when an optical fiber amplifier is used to obtain excitation light, there is a problem that the quality of signal light deteriorates due to generation of a sum frequency of ASE light. Further, there is a problem that the wavelength conversion band is limited because the wavelength that can be taken by the excitation light 2B is limited. For example, if the excitation light 2B is set to the wavelength of the signal light or twice the wavelength of the converted light obtained by sum frequency wave generation, the second harmonic generation of the excitation light 2B or the excitation light 2B and the excitation light 1B The CW light is superimposed on the converted light C by the generation of the sum frequency. For this reason, the reception sensitivity of the signal component contained in the converted light C is significantly reduced. This is the reason why the wavelength that the excitation light 2B can take is limited. Therefore, a method of separately performing a sum frequency generation (SFG) process and a difference frequency generation (DFG) process by a non-linear effect has been desired.

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。   On the other hand, in addition to wavelength converters in the communication wavelength band, laser light sources in the visible range or mid-infrared range that have not been realized with semiconductor lasers have been put into practical use by using quasi-phase matching type wavelength conversion elements.

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、可視域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。   Currently, gas lasers such as He—Ne laser and Ar laser, solid-state lasers such as Nd: YAG laser, dye lasers and semiconductor lasers are known as lasers in practical use. In recent years, small, lightweight, and inexpensive semiconductor lasers have become widespread, mainly in the visible and near-infrared wavelength bands. In particular, in the field of optical communication, 1.3 μm band and 1.5 μm band semiconductor lasers for signal light sources and 0.98 μm band and 1.48 μm band semiconductor lasers for pumping fiber amplifiers are widespread. Further, CD (0.78 μm band), DVD (0.65 μm band), and Blu-ray (0.4 μm band) semiconductor lasers have been widely used as light sources for pickup of optical recording medium readers.

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と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、緑色、黄緑色、橙色といった波長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、または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、２次の非線形光学媒質を用いて、第三高調波発生を、第二高調波発生（ＳＨＧ）と和周波発生（ＳＦＧ）とを組み合わせたＳＨＧ―ＳＦＧカスケード励起法によって実現することができる。   However, since there are wavelength bands that are difficult to realize with semiconductors, laser light source devices that combine high-efficiency nonlinear optical media and semiconductor lasers with widely used wavelength bands have been developed. For example, it is difficult to realize a laser having a wavelength of 0.5 to 0.6 μm such as green, yellow green, and orange with a semiconductor, and a laser using second harmonic generation or sum frequency generation by a highly efficient nonlinear optical medium. Light sources have been put into practical use. Furthermore, using the second-order nonlinear optical medium, the third harmonic generation can be realized by the SHG-SFG cascade excitation method combining the second harmonic generation (SHG) and the sum frequency generation (SFG). .

しかしながら、従来のＳＨＧ―ＳＦＧカスケード励起法では、ハイパワーの出力を得るのが困難であった。従来のＳＨＧ―ＳＦＧカスケード励起法では、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）過程とを、別々に行う手法が望まれていた。   However, with the conventional SHG-SFG cascade excitation method, it has been difficult to obtain a high power output. In the conventional SHG-SFG cascade excitation method, SH light (frequency 2ω) is obtained by second harmonic generation of the input excitation light (frequency ω), and then excitation light (frequency ω) and SH light (frequency 2ω) are obtained. The third harmonic generation light (TH light: frequency 3ω) is obtained by generating the sum frequency. In this case, the power of the excitation light is attenuated by the second harmonic generation at the first stage. The output of the third harmonic generation light is proportional to the multiplication of the power of the SH light required for sum frequency generation and the excitation light, so that the efficiency of the second harmonic generation process in the first stage is increased to obtain high power SH light. However, since the power of the excitation light is attenuated accordingly, it is difficult to increase the output of the net third harmonic generation light. Therefore, a method of separately performing a second harmonic generation (SHG) process and a sum frequency generation (SFG) process by a non-linear effect has been desired.

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.601-603Tatsuo Kawaguchi et al. “Waveguide SHG Device Using LiNbO3 Epitaxial Growth and Ultraprecision Processing Technology”, Laser Research, Vol. 28, No. 9, September 2000, 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.869-874M.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.521-528J. 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

発明が解決しようとする課題に関して、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法の場合を用いて説明する。   The problem to be solved by the invention will be described using the SHG-DFG cascade excitation method.

高品質な波長変換を行うには、０．７８μｍ帯の励起光による波長変換が望まれる。しかしながら、励起光に０．７８μｍ帯を用いる方法では、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。これにより光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帯の光源を用いて、０．７８μｍ帯の光を発生させ、発生させた０．７８μｍ帯光を用いて波長変換を行う。このようなＳＨＧ−ＤＦＧを多段で行うことの出来る手法が望まれていた。   In order to perform high-quality wavelength conversion, wavelength conversion using excitation light in the 0.78 μm band is desired. However, in the method using the 0.78 μm band for the excitation light, a stable light with a wavelength of 0.78 μm, high wavelength accuracy, and a high-output light source are not widely used, and it is difficult to prepare easily. Further, since the wavelengths of the signal light and the excitation light are different by half, the optimum size of the optical waveguide is different. As a result, when light is incident on the optical waveguide, it is difficult to suppress excitation other than the desired mode. Therefore, as a light source of excitation light, a stable and highly reliable 1.5 μm band light source is widely used, 0.78 μm band light is generated, and the generated 0.78 μm band light is used. Perform wavelength conversion. A method capable of performing such SHG-DFG in multiple stages has been desired.

図４に、従来のＳＨＧ−ＤＦＧ多段励起法による波長変換素子の構成を示す。第一の波長変換デバイスである非線形光学媒質２３ａに、１．５μｍ帯の励起光Ａを、集光レンズ２２を介して入力し、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。非線形光学媒質２３ａから出射された励起光ＡとＳＨ光Ｂとを、レンズ２４ａを介してダイクロイックミラー２５ａ（またはプリズム・フィルター等）に入力し、１．５μｍ帯の励起光Ａと０．７８μｍ帯のＳＨ光Ｂとを分離する。分離された０．７８μｍ帯のＳＨ光Ｂと信号光Ｃとを、ダイクロイックミラー２５ｂにより合波し、第二の波長変換デバイスである非線形光学媒質２３ｂに入力する。第二の波長変換デバイスでの差周波発生（ＤＦＧ）により変換光Ｄを得ることができる。   FIG. 4 shows a configuration of a wavelength conversion element by a conventional SHG-DFG multistage excitation method. The excitation light A in the 1.5 μm band is input to the nonlinear optical medium 23a, which is the first wavelength conversion device, through the condenser lens 22, and light in the 0.78 μm band (second harmonic generation (SHG)) ( Hereinafter, SH light B) is generated. The excitation light A and the SH light B emitted from the nonlinear optical medium 23a are input to the dichroic mirror 25a (or a prism filter, etc.) via the lens 24a, and the 1.5 μm band excitation light A and the 0.78 μm band are input. The SH light B is separated. The separated 0.78 μm band SH light B and signal light C are combined by the dichroic mirror 25b and input to the nonlinear optical medium 23b as the second wavelength conversion device. The converted light D can be obtained by difference frequency generation (DFG) in the second wavelength conversion device.

図５に、従来の波長変換素子を位相感応増幅（ＰＳＡ）に応用した構成を示す。１．５４μｍ帯の信号光を、位相変調器３２により変調して基本波光とし、ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）３３を用いて増幅する。増幅された基本波光を第１の二次非線形光学素子（ＳＨＧモジュール）３４に入射し、第二高調波を発生させる。第２の二次非線形光学素子（ＯＰＡモジュール）３５に、信号光と励起光となる第二高調波とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことにより、位相感応増幅を行う。   FIG. 5 shows a configuration in which a conventional wavelength conversion element is applied to phase sensitive amplification (PSA). The signal light in the 1.54 μm band is modulated by the phase modulator 32 to be fundamental light, and is amplified using a fiber laser amplifier (EDFA) 33. The amplified fundamental wave light is incident on the first second-order nonlinear optical element (SHG module) 34 to generate a second harmonic. Phase sensitive amplification is performed by injecting signal light and a second harmonic as excitation light into the second second-order nonlinear optical element (OPA module) 35 and performing degenerate parametric amplification.

この光増幅器は、位相感応光増幅部における信号光と励起光の位相が一致すると信号光は増幅され、両者の位相が９０度ずれた直交位相関係になると、信号光は減衰する特性を有する。この特性を利用して増幅利得が最大となるように励起光―信号光間の位相を一致させると、信号光と直交位相の自然放出光を発生させずに、つまりＳＮ比を劣化させずに信号光を増幅することができる。具体的には、ＯＰＡモジュール３５の出力光の位相を分波器３６と検波器３７とにより検出し、ＰＬＬ３８により、位相変調器３２を制御して、位相を一致させる。   This optical amplifier has a characteristic that the signal light is amplified when the phase of the signal light and the pumping light in the phase sensitive light amplifying unit coincide, and the signal light is attenuated when the phase of the both is 90 degrees shifted. If the phase between the pumping light and the signal light is matched so that the amplification gain is maximized by utilizing this characteristic, the spontaneous emission light having the quadrature phase with the signal light is not generated, that is, the SN ratio is not deteriorated. Signal light can be amplified. Specifically, the phase of the output light from the OPA module 35 is detected by the duplexer 36 and the detector 37, and the phase modulator 32 is controlled by the PLL 38 to match the phases.

しかしながら、第二高調波発生（ＳＨＧ）と差周波発生（ＤＦＧ）とを別々の素子を用いて行うが、両方の素子の特性が完全には合わないため、個別に温度調節機構を設け、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帯の光を分離してから増幅を行うので、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を抑制する必要がある。こりため、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、複雑な調整が必要になってしまうという課題があった。さらにまた、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り、コストが高くなるという課題もあった。   However, second harmonic generation (SHG) and difference frequency generation (DFG) are performed using different elements, but the characteristics of both elements are not perfectly matched, so a temperature control mechanism is provided separately, It was necessary to adjust the center wavelength and the like by adjusting. Further, since amplification is performed after separating the generated light of the 0.78 μm band, there is a problem that optical power loss is large and wavelength conversion efficiency is lowered. Furthermore, it is necessary to suppress excitation other than the desired mode when inputting light in the 0.78 μm band. For this reason, there has been a problem that complicated adjustment is required such as alignment while monitoring not only excitation light but also converted light at the time of input. Furthermore, in order to produce one wavelength conversion apparatus, it is necessary to produce two wavelength conversion devices, and there is a problem that the cost increases.

従って、第二高調波発生（ＳＨＧ）と差周波発生（ＤＦＧ）の変換を行う素子を、同一基板上に集積する手法が望まれる。さらに、波長変換素子の作製に使用できる基板の大きさには限界があるので、反射型の形態が望まれる。   Therefore, a technique is desired in which elements for converting second harmonic generation (SHG) and difference frequency generation (DFG) are integrated on the same substrate. Furthermore, since there is a limit to the size of the substrate that can be used for the production of the wavelength conversion element, a reflection type configuration is desired.

図６に、従来の反射型導波路の構成を示す。図６（ａ）は、光導波路４１の片方の端面に反射膜４２がコーティングされており、同じ導波路に折り返す構成である。図６（ｂ）は、反射膜４４により、入力導波路４３から出力導波路４５に折り返す構成である。   FIG. 6 shows a configuration of a conventional reflective waveguide. FIG. 6A shows a configuration in which a reflection film 42 is coated on one end face of the optical waveguide 41 and folded back to the same waveguide. FIG. 6B shows a configuration in which the input waveguide 43 is folded back to the output waveguide 45 by the reflection film 44.

図７に、従来の反射型導波路を用いたＳＨＧ−ＤＦＧ多段励起法による波長変換素子の構成を示す。図４に示した波長変換素子の非線形光学媒質を１個にした構成である。波長変換デバイスである非線形光学媒質５３に、１．５μｍ帯の励起光Ａを、集光レンズ５２を介して入力し、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。非線形光学媒質５３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）として機能するＨＲ／ＡＲ光学膜５５がコーティングされている。ＨＲ／ＡＲ光学膜５５により、励起光ＡとＳＨ光Ｂとが分離され、ＳＨ光Ｂのみが非線形光学媒質５３の光導波路に折り返される。一方、ＨＲ／ＡＲ光学膜５５が形成された端面から、集光レンズ５４を介して信号光Ｃを入力する。０．７８μｍ帯のＳＨ光Ｂ光と信号光Ｃとの差周波発生（ＤＦＧ）により変換光Ｄを得ることができる。   FIG. 7 shows a configuration of a wavelength conversion element using a conventional SHG-DFG multistage excitation method using a reflective waveguide. The wavelength conversion element shown in FIG. 4 has a single nonlinear optical medium. The excitation light A in the 1.5 μm band is input to the nonlinear optical medium 53, which is a wavelength conversion device, via the condenser lens 52, and the light in the 0.78 μm band (hereinafter referred to as SH light) is generated by second harmonic generation (SHG). B) is generated. On one end face of the nonlinear optical medium 53, a reflection film (HR coat) is applied to the SH light B in the 0.78 μm band, and an antireflection film (AR coat) is applied to the excitation light A in the 1.5 μm band. A functioning HR / AR optical film 55 is coated. The excitation light A and the SH light B are separated by the HR / AR optical film 55, and only the SH light B is folded back into the optical waveguide of the nonlinear optical medium 53. On the other hand, the signal light C is input through the condenser lens 54 from the end surface on which the HR / AR optical film 55 is formed. The converted light D can be obtained by the difference frequency generation (DFG) between the SH light B light and the signal light C in the 0.78 μm band.

しかしながら、上述した反射型導波路を用いた手法では、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された光学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、コーティングされた光学膜は、反射光の抑制が技術的に難しく、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入力した場合に、１〜数１０ｍＷの励起光の一部が光導波路に戻ってきてしまうことを意味する。これにより、カスケード励起法の場合と同様に、近接する波長の光の波長変換の課題、励起光および信号光の間の和周波発生によるクロストーク光による品質劣化の問題が発生する。   However, in the method using the reflection type waveguide described above, the separation of the 1.5 μm-band excitation light A and the 0.78 μm-band SH light B is performed only by the coated optical film, so that it is originally folded. There was a problem that the return light of the excitation light A in the 1.5 μm band that should not be sufficiently suppressed. Specifically, it is technically difficult to suppress the reflected light of the coated optical film, and the amount of suppression of the reflected light is usually about 20 to 30 dB. This means that when 1 W of 1.5 μm band excitation light is input, a part of the excitation light of 1 to several tens of mW returns to the optical waveguide. As a result, as in the case of the cascade excitation method, the problem of wavelength conversion of light of adjacent wavelengths, and the problem of quality degradation due to crosstalk light due to the sum frequency generation between the excitation light and the signal light occur.

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も、発生するＡＳＥ光は、光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および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。   In addition, even when an optical fiber amplifier is used for pumping light in the 1.5 μm band, the generated ASE light returns to the optical waveguide, thereby degrading the quality of signal light and converted light due to ASE noise. There was also a problem. In addition, since ASE light is generated over a wide wavelength band, the antireflection film needs to cover a wide wavelength band, and there is a problem from the viewpoint of cost and reliability, for example, a multilayer film is required.

また、図６（ｂ）に示した反射型導波路を用いて、ＳＨＧ−ＤＦＧ多段励起法による波長変換素子をした場合でも、上記同様に励起光の反射光を十分に抑制できない問題がおこる。さらに図６（ｂ）の反射型導波路の構成は、作製時のミラーの配置誤差によって反射光量に大きな誤差が生じる場合があり、作製上のトレランスが悪いという問題もある。   In addition, even when a wavelength conversion element based on the SHG-DFG multi-stage excitation method is used using the reflection type waveguide shown in FIG. 6B, there is a problem that the reflected light of the excitation light cannot be sufficiently suppressed as described above. Furthermore, the configuration of the reflection type waveguide shown in FIG. 6B may cause a large error in the amount of reflected light due to a mirror arrangement error at the time of manufacturing, and there is a problem that the manufacturing tolerance is poor.

本発明の目的とするところは、波長変換素子との集積化が可能であり、十分な波長選択性を有した反射型の光合分波器を用いた波長変換デバイスを提供することにある。 It is an object of the present invention is capable of integration with the wavelength conversion element, it is to provide a wavelength conversion device using the reflection type optical multiplexer having a sufficient wavelength selectivity.

このような目的を達成するために、本発明にかかる波長変換デバイスの一実施態様は、第１の入出力導波路と第２の入出力導波路とが接続された入出力端面と、該入出力端面と対向する面に短波長の光を反射し長波長の光の反射を防止する光学膜がコーティングされた反射端面とを有するマルチモード干渉導波路を備えた光合分波器であって、前記マルチモード干渉導波路の光軸方向の長さは、前記短波長の光と前記長波長の光のビート長の最小公倍数となる長さの半分の長さである光合分波器と、前記光合分波器の前記第１の入出力導波路に接続された、周期的に分極反転された非線形光学媒質からなる第１の光導波路と、前記光合分波器の前記第２の入出力導波路に接続された、周期的に分極反転された非線形光学媒質からなる第２の光導波路とを備えたことを特徴とする。 In order to achieve such an object, an embodiment of the wavelength conversion device according to the present invention includes an input / output end face to which a first input / output waveguide and a second input / output waveguide are connected, and the input / output end face. An optical multiplexer / demultiplexer including a multi-mode interference waveguide having a reflection end face coated with an optical film that reflects short wavelength light and prevents reflection of long wavelength light on a face facing the output end face, The length of the multimode interference waveguide in the optical axis direction is an optical multiplexer / demultiplexer that is half the length of the least common multiple of beat lengths of the short wavelength light and the long wavelength light , and A first optical waveguide made of a periodically poled nonlinear optical medium connected to the first input / output waveguide of the optical multiplexer / demultiplexer; and the second input / output waveguide of the optical multiplexer / demultiplexer. Second light composed of a periodically poled nonlinear optical medium connected to the waveguide Characterized by comprising a waveguide.

以上説明したように、本発明によれば、十分な波長選択性を有した反射型の光合分波器を提供することができる。この光合分波器は、波長変換素子との集積化が可能であり、実装が容易で高品質な波長変換機能を有する波長変換デバイスを提供することができる。   As described above, according to the present invention, a reflective optical multiplexer / demultiplexer having sufficient wavelength selectivity can be provided. This optical multiplexer / demultiplexer can be integrated with a wavelength conversion element, and can provide a wavelength conversion device that is easy to mount and has a high-quality wavelength conversion function.

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。It is a figure which shows the structure of the wavelength conversion element of the quasi phase matching type | mold using the conventional LN. 従来のＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法による波長変換光を示す図である。It is a figure which shows the wavelength conversion light by the conventional SHG-DFG cascade excitation method. 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。It is a figure which shows the structure of the SFG-DFG cascade excitation method by the quasi phase matching type | mold wavelength conversion element using the conventional LN. 従来のＳＨＧ−ＤＦＧ多段励起法による波長変換素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the wavelength conversion element by the conventional SHG-DFG multistage excitation method. 従来の波長変換素子を位相感応増幅（ＰＳＡ）に応用した構成を示す図である。It is a figure which shows the structure which applied the conventional wavelength conversion element to phase sensitive amplification (PSA). 従来の反射型導波路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional reflection type waveguide. 従来の反射型導波路を用いたＳＨＧ−ＤＦＧ多段励起法による波長変換素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the wavelength conversion element by the SHG-DFG multistage excitation method using the conventional reflection type waveguide. 本発明の第１の実施形態にかかる導波路型反射素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the waveguide type reflective element concerning the 1st Embodiment of this invention. 第１の実施形態にかかる導波路型反射素子における光の結合・分離を示すシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result which shows the coupling | bonding / separation of the light in the waveguide type reflective element concerning 1st Embodiment. 第１の実施形態にかかる導波路型反射素子を作製する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of producing the waveguide type reflective element concerning 1st Embodiment. 第１の実施形態にかかる導波路型反射素子の作製寸法を示す図である。It is a figure which shows the preparation dimensions of the waveguide type reflective element concerning 1st Embodiment. 導波路型反射素子の入出力導波路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the input-output waveguide of a waveguide type reflective element. 複数の導波路型反射素子を同時に作製する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of producing a some waveguide type reflective element simultaneously. 導波路型反射素子の端面加工工程を示す図である。It is a figure which shows the end surface process of a waveguide type reflective element. 第１の実施形態にかかる導波路型反射素子の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the waveguide type reflective element concerning 1st Embodiment. 本発明の第２の実施形態にかかる波長変換デバイスの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the wavelength conversion device concerning the 2nd Embodiment of this invention. 第２の実施形態にかかる波長変換デバイスを作製する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of producing the wavelength conversion device concerning 2nd Embodiment. 第２の実施形態にかかる波長変換デバイスの作製寸法を示す図である。It is a figure which shows the preparation dimensions of the wavelength conversion device concerning 2nd Embodiment. 複数の波長変換デバイスを同時に作製する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of producing a some wavelength conversion device simultaneously. 第２の実施形態にかかる波長変換デバイスの評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the wavelength conversion device concerning 2nd Embodiment. 第２の実施形態にかかる波長変換デバイスによる波長変換光を示す図である。It is a figure which shows the wavelength conversion light by the wavelength conversion device concerning 2nd Embodiment. 本発明の第３の実施形態にかかる波長変換デバイスの評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the wavelength conversion device concerning the 3rd Embodiment of this invention.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

（第１の実施形態）
図８に、本発明の第１の実施形態にかかる導波路型反射素子の構成を示す。導波路型反射素子は、基板１０１の上に形成されたマルチモード干渉導波路１０４からなり、マルチモード干渉（ＭＭＩ：Multi-Mode Interference）を利用して光合分波器の機能を奏することができる。マルチモード干渉導波路１０４は、第１の入出力導波路１０２と第２の入出力導波路１０３とが接続された入出力端面と、入出力端面と対向する面に、特定の波長の光を反射する光学膜１０５がコーティングされた反射端面とを有する。第１の入出力導波路１０２と第２の入出力導波路１０３とは、マルチモード干渉導波路１０４の光軸を示す中心線Ａから対称の位置に接続されている。第１の入出力導波路１０２に波長１．５μｍ帯の光と波長０．７８μｍ帯の光とが入射された場合、第２の入出力導波路１０３から０．７８μｍ帯の光のみが出射する。 (First embodiment)
FIG. 8 shows the configuration of the waveguide reflection element according to the first embodiment of the present invention. The waveguide reflection element includes a multi-mode interference waveguide 104 formed on the substrate 101, and can function as an optical multiplexer / demultiplexer using multi-mode interference (MMI). . The multi-mode interference waveguide 104 emits light of a specific wavelength on the input / output end face to which the first input / output waveguide 102 and the second input / output waveguide 103 are connected, and the face facing the input / output end face. And a reflective end face coated with a reflective optical film 105. The first input / output waveguide 102 and the second input / output waveguide 103 are connected to a symmetrical position from the center line A indicating the optical axis of the multimode interference waveguide 104. When light having a wavelength of 1.5 μm and light having a wavelength of 0.78 μm are incident on the first input / output waveguide 102, only light having a wavelength of 0.78 μm is emitted from the second input / output waveguide 103. .

図９に、第１の実施形態にかかる導波路型反射素子における光の結合・分離を示すシミュレーション結果を示す。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９（ａ）は、図８に示したマルチモード干渉導波路１０４であり、光軸を示す中心線Ａに直行する方向の幅をＷｍとし、第１の入出力導波路１０２と第２の入出力導波路１０３とは、入出力端面において、中心線Ａから間隔Δをおいて対称の位置に接続されている。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９（ａ）に示すように、幅Ｗｍ＝３０μｍ、第１の入出力導波路１０２の間隔Δ１＝５μｍ、第２の入出力導波路１０３の間隔Δ２＝５μｍ、クラッドの屈折率＝１．０、コアの屈折率＝約２．１である。   FIG. 9 shows a simulation result showing light coupling / separation in the waveguide reflection element according to the first embodiment. A state in which the signal light having a wavelength of 1.56 μm and the excitation light having a wavelength of 0.78 μm are combined is shown by a simulation by BPM (Beam Propagation Method). FIG. 9A shows the multimode interference waveguide 104 shown in FIG. 8, where the width in the direction orthogonal to the center line A indicating the optical axis is Wm, and the first input / output waveguide 102 and the second The input / output waveguide 103 is connected to a symmetrical position at an interval Δ from the center line A on the input / output end face. This interval Δ is set so that 2 × Δ is one third of Wm. For example, as shown in FIG. 9A, the width Wm = 30 μm, the distance Δ1 = 5 μm between the first input / output waveguides 102, the distance Δ2 = 5 μm between the second input / output waveguides 103, the refractive index of the cladding = 1.0, the refractive index of the core = about 2.1.

図９（ｂ）に、波長０．７８μｍの励起光を入力した場合の振る舞いを示す。横軸は、入出力導波路とマルチモード干渉導波路との接続点からの距離である。マルチモード干渉導波路１０４の中心線Ａから間隔Δ１の位置に接続されている第１の入出力導波路１０２から入射した励起光は、マルチモード干渉導波路１０４に固有の複数のモードに展開され、マルチモード干渉導波路１０４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の光がある光路長を伝播した後、マルチモード干渉導波路１０４の入出力端面と反対に中心線Ａから間隔Δの位置に極値（収束点）を取る。   FIG. 9B shows the behavior when excitation light having a wavelength of 0.78 μm is input. The horizontal axis is the distance from the connection point between the input / output waveguide and the multimode interference waveguide. The excitation light incident from the first input / output waveguide 102 connected to the position of the interval Δ1 from the center line A of the multimode interference waveguide 104 is developed into a plurality of modes unique to the multimode interference waveguide 104. Multimode propagation in the multimode interference waveguide 104. At this time, the light having a wavelength of 0.78 μm propagates through a certain optical path length due to mode interference caused by the propagation constant of each mode being different, and then spaced from the center line A opposite to the input / output end face of the multimode interference waveguide 104. An extreme value (convergence point) is taken at the position of Δ.

図９（ｃ）に、波長１．５６μｍの信号光を入力した場合の振る舞いを示す。横軸は、入出力導波路とマルチモード干渉導波路との接続点からの距離である。マルチモード干渉導波路１０４の中心線Ａから間隔Δ２の位置に接続されている第２の入力導波路１０３から入射した信号光は、マルチモード干渉導波路１０４に固有の複数のモードに展開され、マルチモード干渉導波路１０４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の光がある光路長を伝播した後、マルチモード干渉導波路１０４の入出力端面と反対に中心線Ａから間隔Δの位置に１回目の極値（収束点）を取った後、さらにその反対側に間隔Δの位置に２回目の極値（収束点）を取る。   FIG. 9C shows the behavior when signal light having a wavelength of 1.56 μm is input. The horizontal axis is the distance from the connection point between the input / output waveguide and the multimode interference waveguide. The signal light incident from the second input waveguide 103 connected to the position of the interval Δ2 from the center line A of the multimode interference waveguide 104 is expanded into a plurality of modes unique to the multimode interference waveguide 104, Multimode propagation in the multimode interference waveguide 104. At this time, the light having a wavelength of 1.56 μm propagates through a certain optical path length due to mode interference caused by the propagation constant of each mode being different, and then spaced from the center line A opposite to the input / output end face of the multimode interference waveguide 104. After taking the first extreme value (convergence point) at the position Δ, the second extreme value (convergence point) is taken at the position of the interval Δ on the opposite side.

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Ｌπとすると、ほぼ以下の式に従う。 The optical path length from the convergence point to the next convergence point is referred to as beat length, when the length and L [pi, follow the following approximate equation.

ここで、Ｗｅは光の感じる実効的なマルチモード干渉導波路の幅、ｎｇ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半分異なる場合は、０．７８μｍの光が１回ビートを打つ間に、１．５６μｍの光が２回ビートを打つ。また、マルチ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、入出力端面における中心線Ａからの間隔Δに対して、中心線Ａを挟んで反対側に間隔Δの位置となる。その後、中心線Ａを挟んで交互に間隔Δの位置にビートを打つことになる。 Here, W e is the effective multi-mode interference waveguide width felt by a light, the n g effective refractive index, lambda 0 is the wavelength of the input light. Since the beat length affects each wavelength by a reciprocal number, when the wavelength is half different as in the present embodiment, the light of 1.56 μm beats twice while the light of 0.78 μm strikes once. strike. In addition, the position where the beat is first hit in the width direction of the multimode interference waveguide is the position of the distance Δ on the opposite side of the center line A with respect to the distance Δ from the center line A on the input / output end face. Thereafter, beats are alternately placed at the position of the interval Δ across the center line A.

このように、マルチ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の収束点においてビートを打つので、図９（ａ）に示すマルチモード導波路１０４の光軸方向の長さを、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Ｗｍ方向に中心線から間隔Δの位置）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もできる。すなわち、光合分波器として機能を実現することができる。   In this way, in the multimode interference waveguide, beats are beaten at the convergence points at positions determined in the width direction for each wavelength, so that the length of the multimode waveguide 104 in the optical axis direction shown in FIG. By setting the length to be the least common multiple of the beat lengths of the two wavelength bands and providing an output near the point where both converge (in the width Wm direction, at a distance Δ from the center line), 0.78 μm And 1.56 μm light can be combined and output. If this characteristic is used in reverse, 0.78 μm light and 1.56 μm light can be split into two optical waveguides. That is, the function can be realized as an optical multiplexer / demultiplexer.

図９（ａ）のマルチモード干渉導波路１０４において、入出力端面から短波長（０．７８μｍ）の光と長波長（１．５６μｍ）とが収束する点の半分の長さ、すなわち２つの波長のビート長の最小公倍数となる長さの半分の位置に反射端面を設けた場合、短波長（０．７８μｍ）の光と長波長（１．５６μｍ）とを第１の入出力導波路１０２から入射すると、短波長（０．７８μｍ）の光は第２の入出力導波路１０３へ、長波長（１．５６μｍ）の光は第１の入出力導波路１０２へと分波が可能となる。   In the multimode interference waveguide 104 of FIG. 9A, the length is half of the point where the short wavelength (0.78 μm) and the long wavelength (1.56 μm) converge from the input / output end face, that is, two wavelengths. In the case where the reflection end face is provided at a position half the length of the least common multiple of the beat length, light of a short wavelength (0.78 μm) and a long wavelength (1.56 μm) are transmitted from the first input / output waveguide 102. When incident, light with a short wavelength (0.78 μm) can be demultiplexed into the second input / output waveguide 103 and light with a long wavelength (1.56 μm) can be demultiplexed into the first input / output waveguide 102.

一方、反射端面に０．７８μｍの光に対しては反射、１．５６μｍの光に対しては反射防止の光学膜をコーティングすることにより、１．５６μｍの光は、反射防止膜による反射抑制効果とマルチモード干渉導波路による分波効果とにより減衰され、０．７８μｍの光のみを第２の入出力導波路１０３から高い波長選択性をもって取り出すことができる。   On the other hand, the reflection end face is coated with an optical film that reflects 0.78 μm light and reflects 1.56 μm light. And the demultiplexing effect by the multimode interference waveguide, and only 0.78 μm light can be extracted from the second input / output waveguide 103 with high wavelength selectivity.

図９に示したシミュレーション結果では、光が入力される導波路の位置と、光が出力される導波路の位置とは、それぞれ中心線Ａからの間隔Δが同じである。これは、２つの入力導波路が、マルチモード干渉導波路１０４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、収束点は入出力導波路の光軸方向の延長上に収束する。   In the simulation results shown in FIG. 9, the position Δ of the waveguide from which light is input and the position of the waveguide from which light is output have the same distance Δ from the center line A. This is because the two input waveguides are installed at positions where the width Wm = 30 μm of the multi-mode interference waveguide 104 is equally divided into three, and the convergence point is an extension of the input / output waveguide in the optical axis direction. Converge to.

一般に、収束点の位置（中心線Ａからの間隔）は、入力導波路の位置（中心線Ａからの間隔）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中心線Ａからの間隔は異なる。従って、出力導波路の設置位置は、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、マルチモード干渉導波路１０４は、光導波路のみの簡単な構成により、容易に波長０．７８μｍと１．５６μｍの光を合分波することができる。   In general, the position of the convergence point (interval from the center line A) depends on the position of the input waveguide (interval from the center line A). Further, the number of convergence points is not limited to one. When an output waveguide is provided at a position having a plurality of convergence points, the distance from the center line A of the output waveguide to be installed differs depending on which convergence point is used. Accordingly, the installation position of the output waveguide is determined according to the desired convergence position in consideration of conditions such as the wavelength, the position of the input waveguide, the number of multiplexed / demultiplexed waves, and the like. In this way, the multimode interference waveguide 104 can easily multiplex / demultiplex light having wavelengths of 0.78 μm and 1.56 μm with a simple configuration of only an optical waveguide.

図１０に、図８に示した導波路型反射素子を作製する工程を示す。第１の実施形態においては、非線形光学媒質である第１の基板１１１は、ＺカットＺｎ添加ＬＮ基板である。第２の基板１１２としてＺカットＭｇ添加ＬＮ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。 FIG. 10 shows a process of manufacturing the waveguide reflection element shown in FIG. In the first embodiment, the first substrate 111 that is a nonlinear optical medium is a Z-cut Zn-added LN substrate. A Z-cut Mg-added LN substrate is used as the second substrate 112. As a nonlinear optical medium, in addition to LN, KNbO 3 , LiTaO 3 , LiNb (x) Ta (1-x) O 3 (0 ≦ x ≦ 1), KTiOPO 4 , or Mg, Zn, Sc A material containing at least one selected from the group consisting of In as an additive can be used.

第１の基板１１１と第２の基板１１２とは、熱膨張係数がほぼ一致している。また、第１の基板１１１の屈折率よりも第２の基板１１２の屈折率のほうが小さい。なお、第１及び第２の基板１１１，１１２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１の基板１１１の厚さは３００μｍ、第２の基板１１２の厚さは５００μｍである。   The first substrate 111 and the second substrate 112 have substantially the same thermal expansion coefficient. Further, the refractive index of the second substrate 112 is smaller than the refractive index of the first substrate 111. Each of the first and second substrates 111 and 112 is a 3-inch wafer having both surfaces optically polished. The thickness of the first substrate 111 is 300 μm, and the thickness of the second substrate 112 is 500 μm.

第一の工程において、用意した第１及び第２の基板１１１，１１２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２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。そして、重ね合わせた第１及び第２の基板１１１，１１２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。   In the first step, the surfaces of the prepared first and second substrates 111 and 112 are made hydrophilic by ordinary acid cleaning or alkali cleaning, and then the two substrates are placed in a clean atmosphere in which microparticles are not present as much as possible. Overlapping with. Then, the superposed first and second substrates 111 and 112 are put into an electric furnace and subjected to diffusion bonding by heat treatment at 400 ° C. for 3 hours. The bonded substrate is free from microparticles and the like on the bonding surface, is void free, and does not crack when returned to room temperature.

第二の工程において、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１の基板１１１の厚さが２０μｍになるまで研磨加工を施す。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、薄膜基板１１３を作製することができる。薄膜基板１１３は、接着剤を用いず、第１の基板１１１と第２の基板１１２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。   In the second step, polishing is performed using a polishing apparatus in which the flatness of the polishing surface plate is controlled until the thickness of the first substrate 111 of the bonded substrate becomes 20 μm. A polishing surface having a mirror surface can be obtained by performing a polishing process after the polishing process. When the parallelism of the substrate (difference between the maximum height and the minimum height) was measured using an optical parallelism measuring machine, submicron parallelism was obtained almost entirely except for the periphery of a 3-inch wafer, and the thin film The substrate 113 can be manufactured. Since the thin film substrate 113 is manufactured by directly bonding the first substrate 111 and the second substrate 112 by diffusion bonding by heat treatment without using an adhesive, the thin film substrate 113 has a uniform composition and film thickness over the entire area of the 3-inch wafer. Have

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、光導波路を作製する。薄膜基板１１３のうち、第１の基板１１１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１１３の第１の基板１１１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（後述する図１２を参照）。   Thereafter, the optical waveguide is manufactured using a dry etching process as a method for manufacturing the optical waveguide. Of the thin film substrate 113, a waveguide pattern is formed on the surface of the first substrate 111 by an ordinary photolithography process. Thereafter, the substrate is set in a dry etching apparatus, and the surface of the first substrate 111 of the thin film substrate 113 is etched using Ar gas as an etching gas, thereby producing a ridge-type optical waveguide (see FIG. 12 described later).

図１１に、第１の実施形態にかかる導波路型反射素子の作製寸法を示す。図１１（ａ）は、導波路型反射素子を形成するための反射膜加工をする以前のＭＭＩ素子であるため、両側に入出力導波路を有するマルチモード干渉導波路１２４である。マルチモード干渉導波路１２４の幅は３０μｍであり、マルチモード干渉導波路１２４の光路長を３．５ｍｍとしている。波長１．５μｍ帯の励起光及び波長０．７８μｍの光の入出力導波路１２２、１２３の導波路幅は５μｍである。入出力導波路１２２は直線導波路であり、入出力導波路１２３は、曲率３ｍｍの緩やかなカーブを描いて入出力導波路１２２から離れる。入出力導波路１２２，１２３は、間隔が５μｍでマルチモード干渉導波路１２４と結合している。入出力導波路１２６、１２７は、マルチモード干渉導波路１２４の光軸方向の中心線からの間隔が、入出力導波路１２２、１２３と同じ間隔にある。   FIG. 11 shows the fabrication dimensions of the waveguide reflection element according to the first embodiment. FIG. 11A shows a multi-mode interference waveguide 124 having input / output waveguides on both sides because it is an MMI element before the reflection film processing for forming the waveguide type reflection element. The width of the multimode interference waveguide 124 is 30 μm, and the optical path length of the multimode interference waveguide 124 is 3.5 mm. The waveguide widths of the input / output waveguides 122 and 123 for the excitation light of the wavelength 1.5 μm band and the light of wavelength 0.78 μm are 5 μm. The input / output waveguide 122 is a straight waveguide, and the input / output waveguide 123 is separated from the input / output waveguide 122 with a gentle curve having a curvature of 3 mm. The input / output waveguides 122 and 123 are coupled to the multimode interference waveguide 124 with an interval of 5 μm. The input / output waveguides 126 and 127 have the same distance from the center line in the optical axis direction of the multimode interference waveguide 124 as the input / output waveguides 122 and 123.

図１１（ｂ）に示したように、後のプロセスにおいて、マルチモード干渉導波路１２１の光路長の半分の位置（光路長１．７５ｍｍ）で切り出し、その端面に波長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１２５がコーティングされる。実際の端面構造及び作製方法は、図１３を用いて後述する。   As shown in FIG. 11B, in a later process, the multimode interference waveguide 121 is cut out at a half position of the optical path length (an optical path length of 1.75 mm), and light with a wavelength of 0.78 μm is applied to its end face. In this case, an optical film 125 for preventing reflection is coated with light having a wavelength of 1.5 μm. The actual end face structure and manufacturing method will be described later with reference to FIG.

図１２に、導波路型反射素子の入力導波路構成を示す。第１の基板１１１には、高さ５μｍ、導波路幅およそ５μｍのリッジ型光導波路１１４が形成されている。マルチ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１の基板１１１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１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、第２の基板１１２との接合面が極めて細くなるため、それに耐えうるだけの十分な接合強度を必要とする。本実施形態における直接接合法は、第１の基板１１１と第２の基板１１２がリッジ型光導波路１１４の直下の面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る。従って、リッジ型光導波路１１４の両脇を第２の基板１１２まで完全に落とす構造とすることもできる。   FIG. 12 shows the input waveguide configuration of the waveguide type reflection element. A ridge type optical waveguide 114 having a height of 5 μm and a waveguide width of about 5 μm is formed on the first substrate 111. Since the waveguide width greatly affects the characteristics of the multi-mode interference waveguide as can be seen from Equation 1, the first substrate 111 on both sides of the ridge waveguide is etched deeper than the thickness of the first substrate 111. It is desirable to completely remove the substrate material. However, since the bonding surface with the second substrate 112 becomes extremely thin, a bonding strength sufficient to withstand it is required. The direct bonding method in the present embodiment does not cause peeling even in a structure in which the first substrate 111 and the second substrate 112 are bonded only on the surface immediately below the ridge-type optical waveguide 114, and sufficient bonding is achieved. Strength can be maintained. Accordingly, a structure in which both sides of the ridge-type optical waveguide 114 are completely dropped to the second substrate 112 can also be adopted.

図１３に、複数の導波路型反射素子を同時に作製する工程を示す。図１３（ａ）の薄膜基板１１３は、図１０に示した方法により作製されており、第１の基板１１１（ＺカットＺｎ添加ＬＮ基板）と第２の基板１１２（ＺカットＭｇ添加ＬＮ基板）とが接合されている。第１の基板１１１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、図１１に示した作製寸法のマルチモード干渉導波路１２４、入出力導波路１２２，１２３，１２６，１２７のパターンを作製する。これらのパターンを３インチウエハである薄膜基板１１３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１１３の第１の基板１１１の表面をエッチングすることにより、複数のマルチモード干渉導波路を作製する（図１３（ｂ））。   FIG. 13 shows a process of simultaneously producing a plurality of waveguide type reflection elements. The thin film substrate 113 of FIG. 13A is manufactured by the method shown in FIG. 10, and the first substrate 111 (Z-cut Zn-added LN substrate) and the second substrate 112 (Z-cut Mg-added LN substrate). And are joined. A pattern of the multimode interference waveguide 124 and the input / output waveguides 122, 123, 126, and 127 having the fabrication dimensions shown in FIG. 11 is fabricated on the surface of the first substrate 111 by a normal photolithography process. A plurality of these patterns are produced in parallel to the thin film substrate 113 which is a 3-inch wafer. Thereafter, the substrate is set in a dry etching apparatus, and the surface of the first substrate 111 of the thin film substrate 113 is etched using Ar gas as an etching gas, thereby producing a plurality of multimode interference waveguides (FIG. 13B). ).

複数のマルチモード干渉導波路ごとに、薄膜基板１１３を短冊状に切り出し、入出力光導波路１２２，１２３の端面Ｂ１と、入出力光導波路１２６，１２７の端面Ｂ２とを光学研磨することによって、個々のマルチモード干渉導波路を切り出す（図１３（ｃ））。   The thin film substrate 113 is cut into a strip shape for each of the plurality of multi-mode interference waveguides, and the end surfaces B1 of the input / output optical waveguides 122 and 123 and the end surfaces B2 of the input / output optical waveguides 126 and 127 are individually polished. The multimode interference waveguide is cut out (FIG. 13C).

端面加工処理を施す前に、集積されたマルチ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１１を用いて説明する。分岐比とは、入出力導波路１２２から光を入力した際の入出力導波路１２６，１２７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）器としての特性が良いことを表す。１．５６μｍの信号光を入出力導波路１２２から入力し、入出力導波路１２６，１２７に出力された光パワーの和に対して、入出力導波路１２７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。   Before the end face processing, the branching ratio was measured in order to evaluate the characteristics of the integrated multimode interference waveguide. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG. The branching ratio is a ratio of demultiplexing of light output to the input / output waveguides 126 and 127 when light is input from the input / output waveguide 122. The smaller the branching ratio value, the better the characteristics as a multiplexer (demultiplexer). The signal light of 1.56 μm is input from the input / output waveguide 122, and the ratio of the optical power output from the input / output waveguide 127 to the sum of the optical power output to the input / output waveguides 126 and 127 is branched. Define ratio. At this time, the value of the branching ratio was sufficiently small as 2%.

同様に、０．７８μｍの励起光を入出力導波路１２２から入力し、入出力導波路１２６，１２７に出力された光パワーの和に対して、入出力導波路１２６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、良好な合波器が作製できていることを確認することができる。   Similarly, 0.78 μm excitation light is input from the input / output waveguide 122 and the sum of the optical power output to the input / output waveguides 126 and 127 is equal to the optical power output from the input / output waveguide 126. The ratio is defined as the branching ratio. At this time, the value of the branching ratio is sufficiently small as 2%, and it can be confirmed that a good multiplexer can be manufactured.

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、入出力導波路１２２に１．５６μｍの信号光を、入出力導波路１２３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。   Subsequently, 1.56 μm signal light was input to the input / output waveguide 122 and 0.78 μm excitation light was input to the input / output waveguide 123 using an optical fiber array in which optical fiber core wires were arranged at 127 μm intervals. . The two optical fiber core wires used in the optical fiber array have different mode diameters, and optical fiber core wires that are single mode at 1.56 μm and 0.78 μm are used.

合波器として機能するマルチモード干渉導波路１２４による光過剰損失を評価したところ、１．５６μｍの信号光が０．５ｄＢ、０．７８μｍの励起光が１．０ｄＢと非常に小さい損失において、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、合波器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と広い結果を得る。   As a result of evaluating the excess optical loss due to the multimode interference waveguide 124 functioning as a multiplexer, the 1.56 μm signal light is 0.5 dB and the 0.78 μm excitation light is 1.0 dB. Were combined. A wavelength variable light source was used as the light source in the 1.56 μm band, and the wavelength dependence of the optical excess loss by the multiplexer was measured. Compared with the peak output light amount, the wavelength range where the additional excess loss is within 1 dB is as wide as about 40 nm.

図１４に、導波路型反射素子の端面加工工程を示す。図９を参照して説明したように、マルチモード干渉導波路１２４の光軸方向の長さを、入出力導波路との結合が最も高くなる長さとし、光軸方向に対して垂直に切り出す。切り出した端面Ｂ３と、入出力光導波路１２２，１２３の端面Ｂ１とを光学研磨する。端面加工を施した後、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（ＡＲ／ＨＲ光学膜１２５）を、イオンアシスト型のスパッタリング装置を用いて端面Ｂ３に蒸着する。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。一方、端面Ｂ１には、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ＡＲ／ＡＲ光学膜１２８を形成する。   FIG. 14 shows an end face processing step of the waveguide type reflection element. As described with reference to FIG. 9, the length of the multi-mode interference waveguide 124 in the optical axis direction is set to the length that provides the highest coupling with the input / output waveguide, and is cut out perpendicular to the optical axis direction. The cut end surface B3 and the end surfaces B1 of the input / output optical waveguides 122 and 123 are optically polished. After end face processing, an optical laminated film (AR / HR optical film 125) which becomes antireflection (AR) for light in the 1.5 μm band and reflection (HR) for light in the 0.78 μm band Is deposited on the end face B3 using an ion-assisted sputtering apparatus. When the characteristics of the antireflection (AR) film were evaluated for light in the 1.5 μm band, the reflectance was 0.5%. On the other hand, an AR / AR optical film 128 is formed on the end face B1 so as to provide antireflection (AR) for 1.5 μm band light and 0.78 μm band light.

図１５に、第１の実施形態にかかる導波路型反射素子の評価結果を示す。図１４に示したように、作製した導波路型反射素子を用いて、１．５６μｍの光と０．７８μｍの光を分波することができる。１．５６μｍの光と０．７８μｍの光とを入出力導波路１２２に入射し、マルチモード干渉導波路１２４へと伝搬させる。マルチモード干渉導波路１２４の反射端面は０．７８μｍの光に対しては反射、１．５６μｍの光に対しては反射防止のＡＲ／ＨＲ光学膜１２５がコーティングされている。マルチモード干渉導波路１２４へ入射されると０．７８μｍの光は、マルチモード干渉導波路１２４内を、マルチモード干渉を行いながら伝搬し、ＡＲ／ＨＲ光学膜１２５で反射された後に、入出力導波路１２３に結像される。一方、１．５６μｍの光は、マルチモード干渉導波路１２４の反射側端面にて形成されたＡＲ／ＨＲ光学膜１２５にて反射光が抑制される。抑制しきれずに反射した一部の光は、０．７８μｍの光とは別の入出力導波路１２２に結像される。   FIG. 15 shows the evaluation results of the waveguide type reflective element according to the first embodiment. As shown in FIG. 14, 1.56 μm light and 0.78 μm light can be demultiplexed using the manufactured waveguide reflection element. The 1.56 μm light and the 0.78 μm light enter the input / output waveguide 122 and propagate to the multimode interference waveguide 124. The reflection end face of the multi-mode interference waveguide 124 is coated with an AR / HR optical film 125 that reflects 0.78 μm light and reflects 1.56 μm light. When incident on the multimode interference waveguide 124, 0.78 μm light propagates through the multimode interference waveguide 124 while performing multimode interference, and is reflected by the AR / HR optical film 125 before being input / output. An image is formed on the waveguide 123. On the other hand, reflected light of 1.56 μm light is suppressed by the AR / HR optical film 125 formed on the reflection-side end face of the multimode interference waveguide 124. A part of the light reflected without being suppressed is imaged on the input / output waveguide 122 different from the light of 0.78 μm.

マルチモード干渉導波路１２４を折り返し、入出力導波路１２３に出力された０．７８μｍの光において、ＡＲ／ＨＲ光学膜１２５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、マルチモード干渉導波路１２４を往復する際の損失が支配的である。しかし、マルチモード干渉導波路１２４による光過剰損失が非常に小さい損失であるため、結果として、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る。   In the 0.78 μm light output from the multi-mode interference waveguide 124 and output to the input / output waveguide 123, the AR / HR optical film 125 has a very high reflectivity of 99%. Losses when traveling back and forth through the multimode interference waveguide 124 are dominant. However, since the excess optical loss due to the multimode interference waveguide 124 is very small, as a result, the light can be folded back and forth with a very small loss of 2.0 dB.

１．５６μｍの光のうちＡＲ／ＨＲ光学膜１２５にて抑制しきれずに反射した一部の光は、入出力導波路１２２にそのほとんどが出力される。一方、マルチモード干渉導波路１２４は分岐比が２％であるので、反射して折り返した１．５６μｍの光のうち２％程度は入出力導波路１２３に出力される。１．５６μｍの光は、ＡＲ／ＨＲ光学膜１２５による反射抑制効果（−２３ｄＢ程度）とマルチモード干渉導波路１２４による分波効果（−１７ｄＢ程度）により、入射光量に対して−４０ｄＢ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。結果として、同じ入出力導波路１２２から入射された１．５６μｍの光と０．７８μｍの光は、マルチモード干渉導波路１２４を折り返し通過することにより、入出力導波路１２３からは、０．７８μｍの光のみを選択的に出力することができ、その消光比は４０ｄＢ程であった。   Most of the 1.56 μm light reflected by the AR / HR optical film 125 without being completely suppressed is output to the input / output waveguide 122. On the other hand, since the multimode interference waveguide 124 has a branching ratio of 2%, about 2% of the reflected 1.56 μm light is output to the input / output waveguide 123. The 1.56 μm light is reflected back to −40 dB with respect to the amount of incident light due to the reflection suppression effect by the AR / HR optical film 125 (about −23 dB) and the demultiplexing effect by the multimode interference waveguide 124 (about −17 dB). The amount of light can be suppressed to a very small amount. As a result, the 1.56 μm light and the 0.78 μm light incident from the same input / output waveguide 122 pass through the multimode interference waveguide 124, so that 0.78 μm from the input / output waveguide 123. Only the light of 1 can be selectively output, and the extinction ratio is about 40 dB.

また本実施形態においては、二次非線形光学材料としてＺｎを添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を用いたが、ニオブ酸リチウムに限定されるものではなく、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶（ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１-ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１））、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ４）等に代表される二次非線形光学材料であれば同様の効果が得られる。また二次非線形光学材料の添加物に関しても、Ｚｎをに限定されるものではなく、Ｚｎの代わりにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅを用いても良く、もしくは添加物を添加しなくてもよい。 Further, in this embodiment, lithium niobate (LiNbO 3 ) added with Zn is used as the second-order nonlinear optical material, but is not limited to lithium niobate, but is not limited to lithium niobate (LiTaO 3 ), niobic acid. Lithium and lithium tantalate mixed crystals (LiNb (x) Ta (1-x) O 3 (0 ≦ x ≦ 1)), potassium niobate (KNbO 3 ), potassium titanyl phosphate (KTiOPO 4 ) and the like Similar effects can be obtained with a second-order nonlinear optical material. Further, the additive of the second-order nonlinear optical material is not limited to Zn, and Mg, Zn, Sc, In, Fe may be used instead of Zn, or no additive may be added. Good.

（第２の実施形態）
図１６に、本発明の第２の実施形態にかかる波長変換デバイスの構成を示す。第１の実施形態で示した導波路型反射素子を光合分波器として用いて、同一の基板２０１上に、第２高調波発生と波長変換を行う波長変換導波路２０６，２０７とともに集積した。光合分波器は、第１の実施形態で示したように、マルチモード干渉導波路２０４と、第１の入出力導波路２０２と第２の入出力導波路２０３とが接続された入出力端面と対向する面にコーティングされた、特定の波長の光を反射する光学膜２０５とから構成されている。第１の入出力導波路２０２および波長変換導波路２０６、第２の入出力導波路２０３および波長変換導波路２０７がそれぞれ接続されている。 (Second Embodiment)
FIG. 16 shows a configuration of a wavelength conversion device according to the second embodiment of the present invention. The waveguide type reflection element shown in the first embodiment was used as an optical multiplexer / demultiplexer and integrated on the same substrate 201 with wavelength conversion waveguides 206 and 207 for performing second harmonic generation and wavelength conversion. As shown in the first embodiment, the optical multiplexer / demultiplexer includes an input / output end face to which the multimode interference waveguide 204, the first input / output waveguide 202, and the second input / output waveguide 203 are connected. And an optical film 205 that reflects light of a specific wavelength and is coated on the surface facing the surface. The first input / output waveguide 202, the wavelength conversion waveguide 206, the second input / output waveguide 203, and the wavelength conversion waveguide 207 are connected to each other.

波長変換導波路２０６に入力された波長１．５６μｍの励起光Ａは、第２高調波発生により波長０．７８μｍの第２高調波に変換され、マルチモード干渉導波路２０４へ入力される。光学膜２０５は、０．７８μｍの光に対しては反射膜（ＨＲコート）、１．５６μｍの励起光に対しては反射防止膜（ＡＲコート）として機能する。導波路幅、導波路長、入出力位置を最適設計することにより、反射膜で反射された波長０．７８μｍの励起光Ｂは、第２の入出力導波路２０３から波長変換導波路２０７にのみ出力される。反射膜で僅かに反射された波長１．５６μｍの励起光Ａは、第１の入出力導波路２０２から波長変換導波路２０６へ出力され、両者を分波することができる。   The excitation light A having a wavelength of 1.56 μm input to the wavelength conversion waveguide 206 is converted into a second harmonic having a wavelength of 0.78 μm by the second harmonic generation, and input to the multimode interference waveguide 204. The optical film 205 functions as a reflection film (HR coat) for 0.78 μm light and as an antireflection film (AR coat) for 1.56 μm excitation light. By optimally designing the waveguide width, the waveguide length, and the input / output position, the excitation light B having a wavelength of 0.78 μm reflected by the reflective film is only transmitted from the second input / output waveguide 203 to the wavelength conversion waveguide 207. Is output. The excitation light A having a wavelength of 1.56 μm that is slightly reflected by the reflection film is output from the first input / output waveguide 202 to the wavelength conversion waveguide 206, and can be demultiplexed.

一方、光学膜２０５からマルチモード干渉導波路２０４に向けて、波長１．５６μｍの信号光を入力する。入力する位置は、マルチモード干渉導波路２０４の中心線からの間隔が、第１の入出力導波路２０２と同じ位置である。入力された波長１．５６μｍの信号光は、第２の入出力導波路２０３から波長変換導波路２０７にのみ出力される。波長変換導波路２０７において、波長１．５６μｍの信号光と波長０．７８μｍの励起光Ｂとによる差周波発生により、変換光が出力される。   On the other hand, signal light having a wavelength of 1.56 μm is input from the optical film 205 toward the multimode interference waveguide 204. The input position is the same position as that of the first input / output waveguide 202 with a distance from the center line of the multimode interference waveguide 204. The input signal light having a wavelength of 1.56 μm is output from the second input / output waveguide 203 only to the wavelength conversion waveguide 207. In the wavelength conversion waveguide 207, converted light is output by the difference frequency generation between the signal light having a wavelength of 1.56 μm and the excitation light B having a wavelength of 0.78 μm.

図１７に、第２の実施形態にかかる波長変換デバイスを作製する工程を示す。図１０に示した第１の実施形態の場合と概ね同じである。非線形光学媒質である第１の基板２１１は、ＺカットＺｎ添加ＬＮ基板であり、波長変換導波路を形成するために、予め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。ＬｉＮｂＯ３結晶等における分極反転格子作製技術については多くの研究がなされており、そのうち、良好な結果が再現性よく得られる電界印加法を採用して、周期分極反転構造を作製する。第１の基板２１１上にリソグラフィにより周期レジストパターンを形成し、これを利用して周期的な電極（金属薄膜電極、液体電極等）を形成する。この電極から電圧パルスを印加することにより、良好な周期分極反転構造を得ることができる。 FIG. 17 shows a process of manufacturing the wavelength conversion device according to the second embodiment. This is almost the same as the case of the first embodiment shown in FIG. The first substrate 211, which is a nonlinear optical medium, is a Z-cut Zn-doped LN substrate and has a periodically poled structure so that the phase matching condition is satisfied in advance in the 1.5 μm band in order to form a wavelength conversion waveguide. Has been made. Much research has been conducted on a technique for producing a domain-inverted lattice in a LiNbO 3 crystal or the like. Among them, a periodic domain-inverted structure is produced by employing an electric field application method that can obtain good results with good reproducibility. A periodic resist pattern is formed on the first substrate 211 by lithography, and periodic electrodes (metal thin film electrodes, liquid electrodes, etc.) are formed using this. By applying a voltage pulse from this electrode, a good periodic domain-inverted structure can be obtained.

第２の基板２１２としてＺカットＭｇ添加ＬＮ基板を用いる。第一の工程は、第１の実施形態と同様に、用意した第１及び第２の基板２１１，２１２の拡散接合を行う。第二の工程において、第１の基板２１１の厚さが２０μｍになるまで研磨加工を施して、薄膜基板２１３を作製する。   A Z-cut Mg-added LN substrate is used as the second substrate 212. In the first step, diffusion bonding of the prepared first and second substrates 211 and 212 is performed as in the first embodiment. In the second step, the thin film substrate 213 is manufactured by polishing until the thickness of the first substrate 211 is 20 μm.

図１８に、第２の実施形態にかかる波長変換デバイスの作製寸法を示す。図１８（ａ）は、導波路型反射素子を形成するための反射膜加工をする以前のＭＭＩ素子であるため、両側に入出力導波路を有するマルチモード干渉導波路２０４である。波長変換導波路２０６，２０７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２０６，２０７にマルチモード干渉導波路２０４が結合している。マルチモード干渉導波路２０４の幅は３０μｍであり、その光路長を３．５ｍｍとしている。波長１．５μｍ帯の励起光及び波長０．７８μｍの光の入出力導波路２０２、２０３の導波路幅は５μｍである。入出力導波路２０２は直線導波路であり、入出力導波路２０３は、曲率３ｍｍの緩やかなカーブを描いて入出力導波路２０２から離れる。入出力導波路２０２，２０３は、間隔が５μｍでマルチモード干渉導波路２０４と結合している。   FIG. 18 shows the fabrication dimensions of the wavelength conversion device according to the second embodiment. FIG. 18A shows a multi-mode interference waveguide 204 having input / output waveguides on both sides because it is an MMI element before the reflection film processing for forming the waveguide type reflection element. The wavelength conversion waveguides 206 and 207 are previously provided with a polarization inversion structure, and the length thereof is 45 mm. The multimode interference waveguide 204 is coupled to the wavelength conversion waveguides 206 and 207. The width of the multimode interference waveguide 204 is 30 μm, and its optical path length is 3.5 mm. The waveguide widths of the input / output waveguides 202 and 203 for the excitation light having a wavelength of 1.5 μm and the light having a wavelength of 0.78 μm are 5 μm. The input / output waveguide 202 is a straight waveguide, and the input / output waveguide 203 is separated from the input / output waveguide 202 with a gentle curve having a curvature of 3 mm. The input / output waveguides 202 and 203 are coupled to the multimode interference waveguide 204 with an interval of 5 μm.

図１８（ｂ）に示したように、後のプロセスにおいて、マルチモード干渉導波路２０４の光路長の半分の位置（光路長１．７５ｍｍ）で切り出し、その端面に波長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２０５がコーティングされる。   As shown in FIG. 18 (b), in the subsequent process, the multi-mode interference waveguide 204 is cut out at a half position of the optical path length (optical path length 1.75 mm), and the end face is irradiated with light having a wavelength of 0.78 μm. In this case, an optical film 205 for preventing reflection is coated with light having a wavelength of 1.5 μm.

図１９に、複数の波長変換デバイスを同時に作製する工程を示す。図１９（ａ）の薄膜基板２１３は、図１７に示した方法により作製されており、第１の基板２１１（ＺカットＺｎ添加ＬＮ基板）と第２の基板２１２（ＺカットＭｇ添加ＬＮ基板）とが接合されている。図に示したように、第１の基板２１１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。入出力導波路２０２，２０３およびマルチモード干渉導波路２０４を、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２０６，２０７を、周期分極反転構造が形成された部分に作製する。第１の実施形態と同様に、通常のフォトリソグラフィとエッチングのプロセスによって、複数の波長変換デバイスを作製する（図１９（ｂ））。   FIG. 19 shows a process of simultaneously manufacturing a plurality of wavelength conversion devices. The thin film substrate 213 in FIG. 19A is manufactured by the method shown in FIG. 17, and the first substrate 211 (Z-cut Zn-added LN substrate) and the second substrate 212 (Z-cut Mg-added LN substrate). And are joined. As shown in the figure, the first substrate 211 is formed with a portion where the periodic domain-inverted structure is formed and a portion where it is not formed. The input / output waveguides 202 and 203 and the multimode interference waveguide 204 are formed in a portion where the periodic polarization inversion structure is not formed, and the wavelength conversion waveguides 206 and 207 are manufactured in a portion where the periodic polarization inversion structure is formed. To do. Similar to the first embodiment, a plurality of wavelength conversion devices are manufactured by a normal photolithography and etching process (FIG. 19B).

複数の波長変換デバイスごとに、薄膜基板２１３を短冊状に切り出し、入出力光導波路の端面Ｃ２と、波長変換導波路２０６，２０７の端面Ｃ１とを光学研磨することによって波長変換デバイスを得ることができる。（図１９（ｃ））。   For each of the plurality of wavelength conversion devices, the thin film substrate 213 is cut into a strip shape, and the wavelength conversion device can be obtained by optically polishing the end face C2 of the input / output optical waveguide and the end faces C1 of the wavelength conversion waveguides 206 and 207. it can. (FIG. 19 (c)).

第１の実施形態と同様に、マルチモード干渉導波路２０４の光軸方向の長さを、入出力導波路との結合が最も高くなる長さとし、光軸方向に対して垂直に切り出す。切り出した端面には、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（ＡＲ／ＨＲ光学膜２０５）を形成する。波長変換導波路２０６，２０７の端面には、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ＡＲ／ＡＲ光学膜２０８を形成する。   As in the first embodiment, the length of the multimode interference waveguide 204 in the optical axis direction is set to the length that provides the highest coupling with the input / output waveguide, and is cut out perpendicular to the optical axis direction. On the cut end face, an optical laminated film (AR / HR optical film 205) that is antireflective (AR) for light in the 1.5 μm band and reflective (HR) for light in the 0.78 μm band is provided. Form. An AR / AR optical film 208 is formed on the end faces of the wavelength conversion waveguides 206 and 207 so as to be antireflective (AR) for 1.5 μm band light and 0.78 μm band light.

波長変換デバイスに集積されているマルチモード干渉導波路２０４は、第１の実施形態で作製したマルチモード干渉導波路と、寸法、材料ともに変わらないので分岐比の特性も同じである。波長０．７８μｍ、１．５６μｍの光に対する分岐比は２％であった。光過剰損失は波長１．５６μｍの光が０．５ｄＢであり、波長０．７８μｍの光が１．０ｄＢである。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である。次に、波長変換デバイスとしての特性を得るために、入力導波路２０６から１．５６μｍ帯の光を入力し、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。   Since the multimode interference waveguide 204 integrated in the wavelength conversion device is the same as the multimode interference waveguide manufactured in the first embodiment in terms of size and material, the characteristics of the branching ratio are the same. The branching ratio for light with wavelengths of 0.78 μm and 1.56 μm was 2%. The excess optical loss is 0.5 dB for light having a wavelength of 1.56 μm and 1.0 dB for light having a wavelength of 0.78 μm. The wavelength range where the additional excess loss is within 1 dB compared to the peak output light quantity is about 40 nm. Next, in order to obtain characteristics as a wavelength conversion device, light in the 1.56 μm band was input from the input waveguide 206, and the efficiency of wavelength conversion from the second harmonic generation was evaluated. The normalized conversion efficiency was as high as 1300% / W at a wavelength of 1555.4 nm.

図２０に、第２の実施形態にかかる波長変換デバイスの評価結果を示す。第二高調波発生（ＳＨＧ）と差周波発生（ＤＦＧ）を多段に行うＳＨＧ−ＤＦＧ多段励起法による波長変換を行う。励起光として、外部共振器型の半導体レーザ（ＬＤ）２２３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）２２２で増幅し、ＡＲ／ＡＲ光学膜２０８を介して波長変換導波路２０６に入射する。波長変換導波路２０６において、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。   FIG. 20 shows the evaluation result of the wavelength conversion device according to the second embodiment. Wavelength conversion is performed by the SHG-DFG multistage excitation method in which second harmonic generation (SHG) and difference frequency generation (DFG) are performed in multiple stages. As pumping light, 1.56 μm light emitted from an external cavity type semiconductor laser (LD) 223 is amplified by an erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) 222 and wavelength-converted via the AR / AR optical film 208 The light enters the waveguide 206. In the wavelength conversion waveguide 206, light having a wavelength of 0.78 μm, which is half of 1.56 μm, is generated by the second harmonic generation.

１．５６μｍの光と０．７８μｍの光は、波長変換導波路２０６を透過した後、マルチモード干渉導波路２０４に入射される。マルチモード干渉導波路２０４の反射端面には、ＡＲ／ＨＲ光学膜２０５がコーティングされている。マルチモード干渉導波路２０４へ入射されると、０．７８μｍの光は、マルチモード干渉導波路２０４内をマルチモード干渉を行いながら伝搬し、ＡＲ／ＨＲ光学膜２０５で反射された後に、波長変換導波路２０７に伝播される。一方、１．５６μｍの光は、マルチモード干渉導波路２０４の反射側端面にて形成されたＡＲ／ＨＲ光学膜２０５にて反射光が抑制される。抑制されずに反射した一部の光は、０．７８μｍの光とは別の波長変換導波路２０６に伝播される。   The 1.56 μm light and the 0.78 μm light pass through the wavelength conversion waveguide 206 and then enter the multimode interference waveguide 204. An AR / HR optical film 205 is coated on the reflection end face of the multimode interference waveguide 204. When incident on the multimode interference waveguide 204, 0.78 μm light propagates through the multimode interference waveguide 204 while performing multimode interference, is reflected by the AR / HR optical film 205, and then wavelength-converted. Propagated to the waveguide 207. On the other hand, reflected light of 1.56 μm light is suppressed by the AR / HR optical film 205 formed on the reflection side end face of the multimode interference waveguide 204. A part of the light reflected without being suppressed is propagated to the wavelength conversion waveguide 206 different from the light of 0.78 μm.

マルチモード干渉導波路２０４を折り返し、波長変換導波路２０７に出力された０．７８μｍの光において、ＡＲ／ＨＲ光学膜２０５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、マルチモード干渉導波路２０４を往復する際の損失が支配的である。しかし、マルチモード干渉導波路２０４による光過剰損失が非常に小さい損失であるため、結果として、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る。   In the 0.78 μm light output from the multimode interference waveguide 204 and output to the wavelength conversion waveguide 207, the AR / HR optical film 205 has a very high reflectance of 99%. The loss when traveling back and forth through the multimode interference waveguide 204 is dominant. However, the excess optical loss due to the multimode interference waveguide 204 is very small, and as a result, the light can be folded back and forth with a very small loss of 2.0 dB.

１．５６μｍの光のうちＡＲ／ＨＲ光学膜２０５にて抑制しきれずに反射した一部の光は、波長変換導波路２０６にそのほとんどが出力される。一方、マルチモード干渉導波路２０４は分岐比が２％であるので、反射して折り返した１．５６μｍの光のうち２％程度は波長変換導波路２０７に出力される。１．５６μｍの光は、ＡＲ／ＨＲ光学膜２０５による反射抑制効果（−２３ｄＢ程度）とマルチモード干渉導波路２０４による分波効果（−１７ｄＢ程度）により、入射光量に対して−４０ｄＢ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。結果として、同じ波長変換導波路２０６から入射された１．５６μｍの光と０．７８μｍの光は、マルチモード干渉導波路２０４を折り返し通過することにより、波長変換導波路２０７からは０．７８μｍの光のみを選択的に出力することができ、その消光比は４０ｄＢ程であった。   Most of the 1.56 μm light reflected by the AR / HR optical film 205 without being completely suppressed is output to the wavelength conversion waveguide 206. On the other hand, since the multimode interference waveguide 204 has a branching ratio of 2%, about 2% of the 1.56 μm light reflected and folded is output to the wavelength conversion waveguide 207. The 1.56 μm light is reflected back to −40 dB with respect to the amount of incident light due to the reflection suppression effect by the AR / HR optical film 205 (about −23 dB) and the demultiplexing effect by the multimode interference waveguide 204 (about −17 dB). The amount of light can be suppressed to a very small amount. As a result, the 1.56 μm light and the 0.78 μm light incident from the same wavelength conversion waveguide 206 pass through the multimode interference waveguide 204 to return 0.78 μm from the wavelength conversion waveguide 207. Only light could be selectively output, and the extinction ratio was about 40 dB.

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、合波器２２１で合波し、光学膜２０５からマルチモード干渉導波路２０４に向けて入力する。入力する位置は、マルチモード干渉導波路２０４の中心線からの間隔が、波長変換導波路２０６と同じ位置である。信号光群は、マルチモード干渉導波路２０４を伝搬した後、波長変換導波路２０７に入射される。波長変換導波路２０７内での０．７８μｍの光との差周波発生により、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、波長変換導波路２０７より出力される。   Further, an 8-wave C-band signal light group arranged at 100 GHz intervals centering on a wavelength of 1.54 μm is generated, multiplexed by a multiplexer 221, and directed from the optical film 205 toward the multimode interference waveguide 204. input. The input position is such that the distance from the center line of the multimode interference waveguide 204 is the same as that of the wavelength conversion waveguide 206. The signal light group propagates through the multimode interference waveguide 204 and then enters the wavelength conversion waveguide 207. By generating a difference frequency with 0.78 μm light in the wavelength conversion waveguide 207, a group of 8 L-band wavelength converted signal light beams arranged at 100 GHz intervals centering on a wavelength of 1.58 μm is generated. Output from the waveguide 207.

図２１に、第２の実施形態にかかる波長変換デバイスによる波長変換光を示す。波長変換導波路２０７からの出力を観測した結果である。このとき、入力された信号光に対する変換光の光強度は＋３ｄＢであり、８波の変換光の光強度の偏差は１．５ｄＢ以下である。図２に示した従来の結果と比較すると、励起光が抑制されており、ＡＳＥも除去されていることがわかり、高いＳＮ比を得ることができている。このように、本実施形態の波長変換デバイスによれば、第二高調波発生のための波長１．５６μｍの光が出力されるのを、非常に小さい値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。   FIG. 21 shows wavelength converted light by the wavelength conversion device according to the second embodiment. It is the result of observing the output from the wavelength conversion waveguide 207. At this time, the light intensity of the converted light with respect to the input signal light is +3 dB, and the deviation of the light intensity of the 8-wave converted light is 1.5 dB or less. Compared with the conventional result shown in FIG. 2, it can be seen that excitation light is suppressed and ASE is also removed, and a high S / N ratio can be obtained. As described above, according to the wavelength conversion device of the present embodiment, the output of the light with the wavelength of 1.56 μm for generating the second harmonic can be suppressed to a very small value. The process can be a process independent of the second harmonic generation process.

マルチモード干渉導波路２０４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、マルチモード干渉導波路２０４の損失が増大する。これは、マルチモード干渉導波路２０４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、励起光および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。   Since the multimode interference waveguide 204 performs optical multiplexing by interference between modes, the loss of the multimode interference waveguide 204 increases when input light propagates in a mode other than a predetermined mode. This is because the multimode interference waveguide 204 has a function of multiplexing and plays a role of a mode filter. Therefore, according to the present embodiment, light may be input so as to maximize the transmitted light of the excitation light and the signal light without performing special adjustment such as monitoring the power of the converted light. Thereby, the optimal incident condition to the wavelength conversion device is obtained.

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る。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、カスケード励起法のように、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、ＳＮ比が４０ｄＢ以上の品質のよい変換光を得ることができる。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場合でも、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ＳＮ比を得ることができる。   When 1 W of pump light is input, the converted light is converted with gain to the input signal light by the parametric gain. In addition to the high conversion efficiency of the wavelength conversion device, the entire wavelength conversion device is a direct-junction ridge waveguide, which is good without causing optical damage such as a photorefractive effect for high-power inputs. This is due to the fact that excellent wavelength conversion characteristics are obtained. In addition, unlike the cascade excitation method, it is not necessary to use strong excitation light in the 1.56 μm band, so that it is possible to obtain high-quality converted light having a small SN ratio and an SN ratio of 40 dB or more. Further, even when the wavelength of the signal light is made close to 1.56 μm and the wavelength conversion in the vicinity is attempted, the strong excitation light in the 1.56 μm band is suppressed, so the difference between the signal light and the converted light is 50 GHz. Even close wavelength conversion is possible, and a high S / N ratio can be obtained.

励起光パワーを上げることにより、パラメトリック増幅が達成されＰＳＡにも用いることができる。本実施形態によれば、ファイバ部品とは異なり、外乱による光位相の乱れが少ないために、ＰＳＡを安定して動作させることができる。   By increasing the pumping light power, parametric amplification is achieved and can also be used for PSA. According to the present embodiment, unlike the fiber component, the optical phase is less disturbed by disturbance, so that the PSA can be stably operated.

本実施形態においては、周期的に分極反転された二次非線形光学材料としてＺｎを添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を用いたが、ニオブ酸リチウムに限定されるものではなく、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶（ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１-ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１））、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ４）等に代表される二次非線形光学材料であれば同様の効果が得られる。また二次非線形光学材料の添加物に関しても、Ｚｎに限定されるものではなく、Ｚｎの代わりにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅを用いても良く、もしくは添加物を添加しなくてもよい。 In the present embodiment, lithium niobate (LiNbO 3 ) doped with Zn is used as the second-order nonlinear optical material whose polarization is periodically inverted. However, the embodiment is not limited to lithium niobate, and lithium tantalate ( LiTaO 3 ), mixed crystal of lithium niobate and lithium tantalate (LiNb (x) Ta (1-x) O 3 (0 ≦ x ≦ 1)), potassium niobate (KNbO 3 ), potassium titanyl phosphate (KTiOPO 4 The same effect can be obtained with a second-order nonlinear optical material typified by Further, the additive of the second-order nonlinear optical material is not limited to Zn, and Mg, Zn, Sc, In, Fe may be used instead of Zn, or an additive may not be added. .

（第３の実施形態）
図２２に、本発明の第３の実施形態にかかる波長変換デバイスの評価結果を示す。第３の実施形態においては、第２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用いて、第二高調波発生（ＳＨＧ）と和周波発生（ＳＦＧ）とを多段独立に行う。第２の実施形態においては、２つの波長変換導波路の周期分極反転構造は、波長１．５６μｍの第二高調波発生に位相整合が取れるように設定していた。第３の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構造を有する波長変換導波路３０６と、波長１．５６μｍと波長０．７８μｍの和周波発生に位相整合が取れる分極反転構造を有する波長変換導波路３０７の両方が作製されている。 (Third embodiment)
FIG. 22 shows an evaluation result of the wavelength conversion device according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment, second-harmonic generation (SHG) and sum-frequency generation (SFG) are independently performed in multiple stages using a wavelength conversion device having the same configuration as the wavelength conversion device of the second embodiment. In the second embodiment, the periodic polarization inversion structures of the two wavelength conversion waveguides are set so that phase matching can be obtained for the second harmonic generation having a wavelength of 1.56 μm. In the third embodiment, a wavelength conversion waveguide 306 having a polarization reversal structure capable of phase matching for second harmonic generation with a wavelength of 1.56 μm, and phase generation for sum frequency generation with a wavelength of 1.56 μm and a wavelength of 0.78 μm. Both of the wavelength conversion waveguides 307 having a domain-inverted structure that can be matched are manufactured.

励起光として、外部共振器型の半導体レーザ（ＬＤ）３２３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）３２２で増幅し、ＡＲ／ＡＲ光学膜３０８を介して波長変換導波路３０６に入射する。波長変換導波路３０６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３０６を透過した後、マルチモード干渉導波路３０４に入射される。   As pumping light, 1.56 μm light emitted from an external cavity type semiconductor laser (LD) 323 is amplified by an erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) 322 and wavelength-converted via the AR / AR optical film 308. The light enters the waveguide 306. The second harmonic generation in the wavelength conversion waveguide 306 generates light having a wavelength of 0.78 μm, which is half of 1.56 μm. The 1.56 μm light and the 0.78 μm light pass through the wavelength conversion waveguide 306 and then enter the multimode interference waveguide 304.

マルチモード干渉導波路３０４の反射端面は０．７８μｍの光に対しては反射、１．５６μｍの光に対しては反射防止のＡＲ／ＨＲ光学膜３０５がコーティングされている。マルチモード干渉導波路３０４へ入射されると、０．７８μｍの光はマルチモード干渉導波路３０４内をマルチモード干渉を行いながら伝搬し、ＡＲ／ＨＲ光学膜３０５で反射された後に、波長変換導波路３０７に伝播される。一方、１．５６μｍの光は、マルチモード干渉導波路３０４の反射側端面にて形成されたＡＲ／ＨＲ光学膜３０５にて反射光が抑制される。抑制しきれずに反射した一部の光は、０．７８μｍの光とは別の波長変換導波路３０６に結像される。   The reflection end face of the multi-mode interference waveguide 304 is coated with an AR / HR optical film 305 that reflects 0.78 μm light and prevents reflection of 1.56 μm light. When incident on the multimode interference waveguide 304, 0.78 μm light propagates through the multimode interference waveguide 304 while performing multimode interference, is reflected by the AR / HR optical film 305, and then is wavelength-converted. Propagated to the waveguide 307. On the other hand, reflected light of 1.56 μm light is suppressed by the AR / HR optical film 305 formed on the reflection side end face of the multimode interference waveguide 304. A part of the light reflected without being suppressed is imaged on the wavelength conversion waveguide 306 different from the light of 0.78 μm.

マルチモード干渉導波路３０４を折り返し、波長変換導波路３０７に出力された０．７８μｍの光において、ＡＲ／ＨＲ光学膜３０５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、マルチモード干渉導波路３０４を往復する際の損失が支配的である。しかし、マルチモード干渉導波路３０４による光過剰損失が非常に小さい損失であるため、結果として、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る。   In the 0.78 μm light output from the multimode interference waveguide 304 and output to the wavelength conversion waveguide 307, the AR / HR optical film 305 has a very high reflectance of 99%. The loss when traveling back and forth through the multimode interference waveguide 304 is dominant. However, since the excess optical loss due to the multimode interference waveguide 304 is very small, as a result, the light can be folded back and forth with a very small loss of 2.0 dB.

１．５６μｍの光のうちＡＲ／ＨＲ光学膜３０５にて抑制しきれずに反射した一部の光は、波長変換導波路３０６にそのほとんどが出力される。一方、マルチモード干渉導波路３０４は分岐比が２％であるので、反射して折り返した１．５６μｍの光のうち２％程度は波長変換導波路３０７に出力される。１．５６μｍの光は、ＡＲ／ＨＲ光学膜３０５による反射抑制効果（−２３ｄＢ程度）とマルチモード干渉導波路３０４による分波効果（−１７ｄＢ程度）により、入射光量に対して−４０ｄＢ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。結果として、同じ波長変換導波路３０６から入射された１．５６μｍの光と０．７８μｍの光は、マルチモード干渉導波路３０４を折り返し通過することにより、波長変換導波路３０７からは０．７８μｍの光のみを選択的に出力することができ、その消光比は４０ｄＢ程であった。   Most of the 1.56 μm light reflected by the AR / HR optical film 305 without being completely suppressed is output to the wavelength conversion waveguide 306. On the other hand, since the multimode interference waveguide 304 has a branching ratio of 2%, about 2% of the 1.56 μm light reflected and folded is output to the wavelength conversion waveguide 307. The 1.56 μm light is reflected back to −40 dB with respect to the amount of incident light due to the reflection suppression effect (about −23 dB) by the AR / HR optical film 305 and the demultiplexing effect (about −17 dB) by the multimode interference waveguide 304. The amount of light can be suppressed to a very small amount. As a result, the 1.56 μm light and the 0.78 μm light incident from the same wavelength conversion waveguide 306 pass through the multimode interference waveguide 304, so that 0.78 μm is transmitted from the wavelength conversion waveguide 307. Only light could be selectively output, and the extinction ratio was about 40 dB.

さらに、波長１．５６μｍの第２の励起光を、光学膜３０５からマルチモード干渉導波路３０４に向けて入力する。入力する位置は、マルチモード干渉導波路３０４の中心線からの間隔が、波長変換導波路３０６と同じ位置である。第２の励起光は、マルチモード干渉導波路３０４を透過した後、波長変換導波路３０７に入射される。波長変換導波路３０７内での０．７８μｍの光との和周波発生により、波長０．５２０μｍの波長変換光が生成され、波長変換導波路３０７から出力される。   Further, second excitation light having a wavelength of 1.56 μm is input from the optical film 305 toward the multimode interference waveguide 304. The input position is such that the distance from the center line of the multimode interference waveguide 304 is the same as that of the wavelength conversion waveguide 306. The second excitation light passes through the multimode interference waveguide 304 and then enters the wavelength conversion waveguide 307. By the sum frequency generation with 0.78 μm light in the wavelength conversion waveguide 307, wavelength conversion light with a wavelength of 0.520 μm is generated and output from the wavelength conversion waveguide 307.

第２の励起光は、ＬＤ３２３から出射された１．５６μｍの光を、光カプラ３２５で分岐し、第１の励起光とは独立の別のＥＤＦＡ３２４により増幅する。従って、第１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となる。   As the second excitation light, 1.56 μm light emitted from the LD 323 is branched by the optical coupler 325 and amplified by another EDFA 324 independent of the first excitation light. Therefore, it is possible to compensate for the power attenuation when the second harmonic of the first excitation light is generated, and it is possible to generate the third harmonic of high power.

また、第２の励起光の光源を第１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。   Further, the light source of the second excitation light may be prepared separately from the light source of the first excitation light. In that case, the wavelength of the light source of the second excitation light when the characteristics of the domain-inverted periodic structure that can be phase matched to the second high-wave generation arranged in series and the domain-inverted periodic structure that can be phase-matched to sum frequency generation do not match By changing, the mismatch of characteristics can be compensated and wavelength conversion can be performed with high efficiency.

さらに、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２の励起光の波長に第１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３の実施形態において、波長１．５６μｍの第二高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により波長変換を容易に実現することができる。   Furthermore, if the inversion period of the polarization inversion periodic structure that can achieve phase matching for sum frequency generation is appropriately adjusted, light having a wavelength different from that of the first excitation light may be used as the wavelength of the second excitation light. it can. For example, in the third embodiment, a domain-inverted periodic structure that can be phase-matched to generate a second high wave having a wavelength of 1.56 μm, and a domain-inverted period that can be phase-matched to generate a sum frequency of wavelengths 1.57 μm and 0.78 μm. If both structures are made in series, 0.521 μm light can be finally generated. Thus, since each frequency conversion process by the non-linear effect can be caused independently, wavelength conversion can be easily realized by a combination of arbitrary wavelengths.

さらにまた、第１の励起光と第２の励起光を異なる波長にすることにより、第二高波発生、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奏する。   Furthermore, by using different wavelengths for the first pump light and the second pump light, it is possible to prevent reverse frequency conversion due to the reverse process of each frequency conversion due to nonlinear effects such as second high wave generation and sum frequency generation. This is very effective when performing watt-class high power output.

本実施形態においては、周期的に分極反転された二次非線形光学材料としてＺｎを添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を用いたが、ニオブ酸リチウムに限定されるものではなく、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶（ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１-ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１））、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ４）等に代表される二次非線形光学材料であれば同様の効果が得られる。また二次非線形光学材料の添加物に関しても、Ｚｎに限定されるものではなく、Ｚｎの代わりにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅを用いても良く、もしくは添加物を添加しなくてもよい。 In the present embodiment, lithium niobate (LiNbO 3 ) doped with Zn is used as the second-order nonlinear optical material whose polarization is periodically inverted. However, the embodiment is not limited to lithium niobate, and lithium tantalate ( LiTaO 3 ), mixed crystal of lithium niobate and lithium tantalate (LiNb (x) Ta (1-x) O 3 (0 ≦ x ≦ 1)), potassium niobate (KNbO 3 ), potassium titanyl phosphate (KTiOPO 4 The same effect can be obtained with a second-order nonlinear optical material typified by Further, the additive of the second-order nonlinear optical material is not limited to Zn, and Mg, Zn, Sc, In, Fe may be used instead of Zn, or an additive may not be added. .

以上述べたように、本実施形態によれば、高い消光比によって短波長の光のみを選択的に出力することができ、長波長の光を十分に抑制することができる光合分波器を提供することができる。また、信号光と励起光との合波機能を有する光合分波器と、波長変換導波路とを集積することにより波長変換デバイスを実現することができるので、実装が容易であり、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であり、小型、低価格の波長変換デバイスを提供することができる。   As described above, according to this embodiment, an optical multiplexer / demultiplexer that can selectively output only short-wavelength light with a high extinction ratio and can sufficiently suppress long-wavelength light is provided. can do. In addition, since a wavelength conversion device can be realized by integrating an optical multiplexer / demultiplexer having a function of multiplexing signal light and pump light and a wavelength conversion waveguide, mounting is easy and optical loss is reduced. Therefore, it is possible to provide a small-sized and low-priced wavelength conversion device that is low in resistance to a high power input and capable of high-quality wavelength conversion.

１，１１，３１，２２１ 合波器
２，１３ａ，４１，４３，４５ 光導波路
３，３６ 分波器
１２，１４，２２，２４，５２，５４ 集光レンズ
１３，２３，５３ 非線形光学媒質
２５ ダイクロイックミラー
３２ 位相変調器
３３ ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）
３４ 第１の二次非線形光学素子（ＳＨＧモジュール）
３５ 第２の二次非線形光学素子（ＯＰＡモジュール）
３７ 検波器
３８ ＰＬＬ
４２，４４ 反射膜
１０１，２０１ 基板
１０２，１０３，１２２，１２３，１２６，１２７，２０２，２０３，３０２，３０３ 入出力導波路
１０４，１２４，２０４，３０４ マルチモード干渉導波路
１０５，１２５，１２８，２０５，２０８．３０５，３０８ 光学膜
１１１，２１１ 第１の基板
１１２，２１２ 第２の基板
１１３，２１３ 薄膜基板
１１４ リッジ型光導波路
２０６，２０７，３０６，３０７ 波長変換導波路
２２２，３２２，３２４ エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）
２２３，３２３ 半導体レーザ（ＬＤ）
３２５ 光カプラ 1,11,31,221 multiplexer 2,13a, 41,43,45 optical waveguide 3,36 demultiplexer 12,14,22,24,52,54 condenser lens 13,23,53 nonlinear optical medium 25 Dichroic mirror 32 Phase modulator 33 Fiber laser amplifier (EDFA)
34 First second-order nonlinear optical element (SHG module)
35 Second second-order nonlinear optical element (OPA module)
37 detector 38 PLL
42, 44 Reflective film 101, 201 Substrate 102, 103, 122, 123, 126, 127, 202, 203, 302, 303 Input / output waveguide 104, 124, 204, 304 Multimode interference waveguide 105, 125, 128, 205, 208.305, 308 Optical film 111, 211 First substrate 112, 212 Second substrate 113, 213 Thin film substrate 114 Ridge type optical waveguide 206, 207, 306, 307 Wavelength conversion waveguide 222, 322, 324 Erbium Additive fiber amplifier (EDFA)
223,323 Semiconductor laser (LD)
325 Optical coupler

Claims (6)

第１の入出力導波路と第２の入出力導波路とが接続された入出力端面と、該入出力端面と対向する面に短波長の光を反射し長波長の光の反射を防止する光学膜がコーティングされた反射端面とを有するマルチモード干渉導波路を備えた光合分波器であって、前記マルチモード干渉導波路の光軸方向の長さは、前記短波長の光と前記長波長の光のビート長の最小公倍数となる長さの半分の長さである光合分波器と、
前記光合分波器の前記第１の入出力導波路に接続された、周期的に分極反転された非線形光学媒質からなる第１の光導波路と、
前記光合分波器の前記第２の入出力導波路に接続された、周期的に分極反転された非線形光学媒質からなる第２の光導波路と
を備えたことを特徴とする波長変換デバイス。 The short wavelength light is reflected on the input / output end face to which the first input / output waveguide and the second input / output waveguide are connected, and the face opposite to the input / output end face, thereby preventing the reflection of the long wavelength light. An optical multiplexer / demultiplexer including a multimode interference waveguide having a reflection end face coated with an optical film, wherein the length of the multimode interference waveguide in the optical axis direction is the short wavelength light and the length An optical multiplexer / demultiplexer that is half the length of the least common multiple of the beat length of the wavelength light ;
A first optical waveguide composed of a periodically poled nonlinear optical medium connected to the first input / output waveguide of the optical multiplexer / demultiplexer;
A wavelength conversion device comprising: a second optical waveguide made of a periodically poled nonlinear optical medium connected to the second input / output waveguide of the optical multiplexer / demultiplexer. 前記第１の光導波路は、入力された光に対して非線形光学効果における第２高調波光を出力する周期分極反転構造を備え、
前記第２の光導波路は、入力された光に対して非線形光学効果における差周波発生光を出力する周期分極反転構造を備えることを特徴とする請求項１に記載の波長変換デバイス。 The first optical waveguide includes a periodically poled structure that outputs second harmonic light in a nonlinear optical effect with respect to input light,
2. The wavelength conversion device according to claim 1 , wherein the second optical waveguide includes a periodic polarization inversion structure that outputs difference frequency generation light in a nonlinear optical effect with respect to input light. 前記第１の光導波路は、入力された光に対して非線形光学効果における第２高調波光を出力する周期分極反転構造を備え、
前記第２の光導波路は、入力された光に対して非線形光学効果におけるパラメトリック増幅された光を出力する周期分極反転構造を備えることを特徴とする請求項１に記載の波長変換デバイス。 The first optical waveguide includes a periodically poled structure that outputs second harmonic light in a nonlinear optical effect with respect to input light,
2. The wavelength conversion device according to claim 1 , wherein the second optical waveguide includes a periodic polarization inversion structure that outputs parametrically amplified light in a nonlinear optical effect with respect to input light. 前記第１の光導波路は、入力された光に対して非線形光学効果における第２高調波光を出力する周期分極反転構造を備え、
前記第２の光導波路は、入力された光に対して非線形光学効果における和周波発生光を出力する周期分極反転構造を備えることを特徴とする請求項１に記載の波長変換デバイス。 The first optical waveguide includes a periodically poled structure that outputs second harmonic light in a nonlinear optical effect with respect to input light,
2. The wavelength conversion device according to claim 1 , wherein the second optical waveguide includes a periodic polarization inversion structure that outputs sum frequency generation light in a nonlinear optical effect with respect to input light. 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ないし４のいずれかに記載の波長変換デバイス。 The nonlinear optical medium may be LiNbO 3 , KNbO 3 , LiTaO 3 , LiNb (x) Ta (1-x) O 3 (0 ≦ x ≦ 1), KTiOPO 4 , or Mg, Zn, Sc, and In wavelength conversion device according to any one of claims 1 to 4, characterized by containing as at least one additive selected from the group consisting. 前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、リッジ型光導波路であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の波長変換デバイス。 It said first optical waveguide and said second optical waveguide, the wavelength conversion device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a ridge type optical waveguide.
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