CN101512426A - 波长变换元件和波长变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种波长变换元件，其能够变换不等间隔地配置的多个输入光的波长，并且变换效率下降小。波长变换元件的非线性介质的调制结构具有在光的传播方向中周期为Λ₀的非线性光学常数。在该调制结构中，相位变化在每个周期Λ₀中连续地进行，且附加不同周期Λ_ph的连续相位调制。另外，非线性介质还具有这样一种调制结构，其中将非线性介质对于波长λ₁、λ₂、λ₃的折射率分别设为n₁、n₂、n₃，相位失配量Δβ表示为Δβ＝2π(n₃/λ₃－n₂/λ₂－n₁/λ₁)，该调制结构使相位调制的调制曲线变化，使得在Δβ为2π/Λ₀+2πi/Λ_f (i＝m，m+1，...，n；m，n为正整数或负整数)的多个变换效率的峰值中不等间隔地排列的至少三个峰值的变换效率为极大。

Description

波长变换元件和波长变换装置

技术领域

本发明涉及波长变换元件和波长变换装置，更具体地说，本发明涉及能够将多个波长间隔为不等间隔配置的输入光波长一并进行变换的波长变换元件和波长变换装置。

背景技术

以往，在从可见光范围到中红外光范围的各种波长范围中，研究开发了能够输出光的半导体激光器。然而，目前的现状是在例如波长500～600nm的可见光范围或从波长2～5μm的近红外到中红外的波长范围内，不能实现能够在室温下简单使用的光源。因此，对于难以由这种光源产生直接光的波长范围，可以使用利用了非线性光学效应的波长变换的光源。

尽管已知有各种形式的波长变换元件，但是从实用性的观点来看，采用周期性地调制非线性光学常数的准相位匹配的波导型波长变换元件是最有前途的。为了形成周期性的调制结构，考虑交替地使非线性常数的符号反转，或将非线性光学常数大的部分和非线性光学常数小的部分大致交替地配置的方法。在LiNbO₃等铁电晶体中，由于非线性常数(d常数)的正负与自发极化的极性对应，因而通过反转自发极化就能够反转非线性常数的符号。

图1示出采用以往的波长变换元件的光源的构成。波长变换元件由在周期性地被极化反转的LiNbO₃基板11上形成的光波导12构成。将来自两个半导体激光器的波长为λ₁的信号光和波长为λ₃的激发光在复用器13中合波，并入射到光波导12中。通过产生由非线性光学效应引起的差频而从光波导12输出波长为λ₂的变换光。因此，虽然利用了差频的产生，但是利用和频的产生或二次谐波的产生也能够构成获得短波长变换光的光源。

在产生差频的情况下，将信号光(第一入射光)的波长设为λ₁、变换光(闲频光)的波长设为λ₂、激发光(第二入射光)的波长设为λ₃，三个波长之间具有如下关系。

1/λ₃＝1/λ₂+1/λ₁      (1)

例如，如果将两束入射光设为1.55μm和1.06μm，则能够产生3.35μm的变换光。如果将两束入射光设为1.55μm和0.94μm，则能够产生2.39μm的变换光。另外，在产生和频的情况下，信号光(第一入射光)的波长λ₁、激发光(第二入射光)的波长λ₂、变换光(闲频光)的波长λ₃适用式(1)；在产生二次谐波的情况下，入射光的波长λ₁(＝λ₂)、变换光(闲频光)的波长λ₃适用式(1)。

将非线性光学材料对于信号光波长λ₁的折射率设为n₁、对于变换光波长λ₂的折射率设为n₂、对于激发光波长λ₃的折射率设为n₃、非线性常数的调制周期设为Λ₀，相位失配量Δβ为

Δβ＝2π(n₃/λ₃-n₂/λ₂-n₁/λ₁)    (2)。

波长变换元件的波导长度设为L，变换效率η为

[表达式1]

$\mathrm{\η}=\mathrm{\η}\max {\left[\frac{\sin \left((\mathrm{\Δ\β}-\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_0})\frac{L}{2}\right)}{\left((\mathrm{\Δ\β}-\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_0})\frac{L}{2}\right)}\right]}^2---\left(3\right)$

根据式(3)得出的变换效率η在相位失配量Δβ为2π/Λ₀时最大。

例如，当激发光波长λ₃固定时，满足相位失配量Δβ＝2π/Λ₀的准相位匹配条件的信号光波长取决于非线性光学材料的折射率的波长色散，在确定调制周期Λ₀时，信号光波长被唯一地确定。当使激发波长λ₃从满足准相位匹配条件的波长(准相位匹配波长)处变化时，根据式(2)和式(3)，变换效率会降低。

图2示出变换效率相对相位失配量的变化。图2是将变换效率η的最大值作为1来进行归一化。在采用长度为50mm的LiNbO₃基板作为波长变换元件的情况下，变换效率η变为最大值的一半时的相位失配量的波段如果换算成3.35μm频带的变换波长，则为约9.3nm左右。为了将信号光波长λ₁变换为任意波长λ₂，如式(1)示出的，需要采用多个不同的激发光波长。但是，在一定周期的非线性光学常数的调制结构中，由于对信号光波长的允许范围窄，因此不能使信号光波长大幅度变化。例如，在用于测定各种气体的吸收而进行气体检测的气体测定装置的情况下，为了测定多种气体的吸收，要在几种波长范围中进行波长扫描。然而，采用以往的波长变换元件的光源就不能用于这种应用。

另一方面，已知在变换光和信号光之间、变换光和激发光之间能得到群速度匹配的条件的情况下，伴随波长变化的传播常数变化被抵消，式(2)的相位失配量的变化变缓，因而能得到宽波长波段的相位匹配(例如，参照非专利文献1)。然而，由于该方法取决于所用的非线性光学材料的色散，因此只能在某些特殊波长组合中才能够使用。另外，已知有在准相位匹配型波长变换元件中使非线性光学常数的调制周期啁啾的方法(例如，参照非专利文献2)。虽然该方法能够在任意波长波段中实现宽波段的波长变换元件，但是变化效率与波段成反比地降低。因此，在想要在宽范围内获得高输出的情况下，需要增大激发光或信号光的强度，并需要辅助加入光纤放大器等。

在不一定需要进行连续波长的波长扫描的情况下，不需要得到遍及宽波长域的相位匹配，也能够得到与多个激发光波长对应的多个相位匹配峰值。因此，在非线性光学常数的周期为Λ₀的调制结构中附加不同周期Λ_ph的连续相位调制或周期调制的结构是已知的(例如，参照专利文献1)。另外，已知有使相位调制或周期调制优化，以使在周期性相位失配量中变换效率为极大的方法(例如，参照专利文献2)。在该方法中，以相位失配量Δβ＝2π/Λ₀的波长为中心，相位失配量仅间隔2π/Λ_ph的波长周期性地具有多个峰值。与连续地使相位匹配曲线宽波段化的方法比较，各峰值的变换效率能够增加。

然而，在应用于上述气体测定装置的情况下，作为测定对象输出所需的波长不限于等间隔排列。虽然进行优化使全部测定对象的波长具有峰值，但是也产生了对于测定不需要的峰值，因而使得产生所需波长所需要的相位匹配峰值的变换效率变小。因此，仅加入以往的相位调制或周期调制不能对非等间隔的多个波长进行高效的波长变换。

本发明的目的在于提供波长变换元件和输出波长可变的波长变换装置，该波长变换元件能够将各输入光的波长间隔为不等间隔配置的多个输入光波长一并进行变换，并且使变换效率的下降减小。

专利文献1：特开2004-20870号公报

专利文献2：特开2004-233534号公报

非专利文献1：T.Yanagawa等，Applied Physics Letters，Vol.86，p.161106，2005(应用物理学报，第82卷，第161106页，2005年)

非专利文献2：T.Suhara等，IEEE J.of Quantum Electronics，Vol.26，p.1265，1990(量子电子学IEEE J.，第26卷，第1265页，1990年)

非专利文献3：Y.Nishida等，Electronics Letters Vol.39，p.609，2003(电子学报第39卷，第609页，2003年)

非专利文献4：H.Ishii，Optical Fiber Communication Conference2005 Technical Digest.，Vol.2，p.91，2005(光纤通信会议2005年，技术文摘第2卷，第91页，2005年)

非专利文献5：M.Notomi，IEEE Photonics Technology Letters，Vol.2，p.85，1990(IEEE光子技术学报，第2卷，第85页，1990年)

发明内容

本发明为了达到这样的目的，在第一实施方式的波长变换元件中，将具有1/λ₃＝1/λ₂+1/λ₁关系的波长中的一个(λ₁＝λ₂)或两个(λ₁、λ₂或λ₁、λ₃)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为λ₃或λ₂的变换光。前述非线性介质是沿光的传播方向周期为Λ₀的非线性光学常数的调制结构，并具有在每个周期Λ₀连续进行相位变化、且附加不同周期Λ_ph的连续相位调制的调制结构。设非线性介质对于波长λ₁、λ₂、λ₃的折射率分别为n₁、n₂、n₃，相位失配量Δβ以Δβ＝2π(n₃/λ₃-n₂/λ₂-n₁/λ₁)表示，前述非线性介质还具有使相位调制的调制曲线变化、从而在相位失配量Δβ为2π/Λ₀+2πi/Λ_f(i＝m，m+1，…，n：m，n为正整数或负整数)时得到的多个变换效率的峰值中不等间隔地排列的至少三个峰值的变换效率为极大(最大)的调制结构。

在第一实施方式中，使前述相位调制的调制曲线变化的调制结构被构成为使前述非线性光学介质的每个周期Λ₀的调制曲线变化，计算在沿光的传播方向上位置z的非线性光学常数的空间变化d(z)，进行前述空间变化d(z)的傅立叶变换，求出各峰值的变换效率η(i)，使用期望的变换效率η_t(i)计算如下给出的评价函数T：

[表达式2]

$T={\mathrm{\Σ}}_{i=m}^{i=n}{[\mathrm{\η}\left(i\right)-{\mathrm{\η}}_t\left(i\right)]}^2$

使前述评价函数T的值变为最小。

前述非线性介质是具有在沿光传播方向周期为Λ₀的非线性光学常数的调制结构，也可以是在每个周期Λ₀连续地进行周期变化，且附加不同周期Λ_f的连续周期调制的调制结构。

另外，前述非线性光学介质是LiNbO₃、KNbO₃、LiTaO₃、LiNb_(x)Ta_(1-x)O₃(0≦x≦1)、Li_(x)K_(1-x)Ta_(y)Nb_(1-y)O₃、KTiOPO₄中的任何一种，或在这些介质中含有选自Mg、Zn、Sc、In中的至少一种作为添加物。

第二实施方式的波长变换元件包括：信号光光源，能够使波长可变并输出波长为λ₁的信号光；激发光光源，输出波长为λ₂或λ₃的激发光；复用器，将前述信号光和前述激发光合波；波长变换元件，与前述复用器连接，将具有1/λ₃＝1/λ₂+1/λ₁关系的波长中的两个(λ₁、λ₂或λ₁、λ₃)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为λ₃或λ₂的变换光。前述非线性介质是沿光的传播方向周期为Λ₀的非线性光学常数的调制结构，并具有在每个周期Λ₀连续进行相位变化，且附加不同周期Λ_ph的连续相位调制的调制结构，前述非线性介质是具有沿光的传播方向周期为Λ₀的非线性光学常数的调制结构，并具有在每个周期Λ₀连续进行相位变化、且附加不同周期Λ_ph的连续相位调制的调制结构。设前述非线性介质针对波长λ₁、λ₂、λ₃的折射率分别为n₁、n₂、n₃，前述非线性介质使相位调制的调制曲线变化，使得在以Δβ＝2π(n₃/λ₃-n₂/λ₂-n₁/λ₁)表示的相位失配量Δβ为2π/Λ₀+2πi/Λ_f(i＝m，m+1，…，n：m，n为正整数或负整数)时得到的多个变换效率的峰值中不等间隔地排列的至少三个峰值的变换效率为极大。

另外，波长变换装置可以构成为将具有1/λ₃＝1/λ₂+1/λ₁关系的波长中的一个(λ₁＝λ₂)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为λ₃的变换光。另外，前述信号光光源能够包括：多个DFB-LD；光耦合器，将前述DFB-LD的各输出光耦合；半导体光放大器，与前述光耦合器的输出连接。

根据第三实施方式，提供波长变换元件的制造方法，该波长变换元件将具有1/λ₃＝1/λ₂+1/λ₁关系的波长中的一个(λ₁＝λ₂)或两个(λ₁、λ₂或λ₁、λ₃)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为λ₃或λ₂的变换光，前述非线性介质为具有沿光的传播方向周期为Λ₀的非线性光学常数的调制结构，并具有在每个周期Λ₀连续进行相位变化，且附加不同周期Λ_ph的连续相位调制的调制结构，该方法包括如下步骤：使前述非线性光学介质的每个周期Λ₀的相位调制曲线变化；计算在光的传播方向上的位置z的非线性光学常数的空间变化d(z)；进行前述空间变化d(z)的傅立叶变换，求出各峰值的变换效率η(i)，使用期望的变换效率η_t(i)计算如下给出的评价函数T：

[表达式3]

$T={\mathrm{\Σ}}_{i=m}^{i=n}{[\mathrm{\η}\left(i\right)-{\mathrm{\η}}_t\left(i\right)]}^2$

以及使前述相位调制曲线变化从而使前述评价函数T的值变为最小。

前述非线性介质具有沿光的传播方向周期为Λ₀的非线性光学常数的调制结构，也可以具有在每个周期Λ₀连续改变相位、且附加不同周期Λ_f的连续周期调制的调制结构。

附图说明

[图1]图1是示出使用以往波长变换元件的光源的构成图。

[图2]图2是示出变换效率相对于相位失配量的变化的图。

[图3]图3是示出以往波长变换元件的周期性调制结构的一部分的图。

[图4A]图4A是示出以往波长变换元件的相位调制曲线和变换效率对相位失配量的关系的图，示出了相位调制曲线的第一例。

[图4B]图4B是示出相对于第一例中相位调制曲线的相位失配量的图。

[图4C]图4C是示出以往波长变换元件的相位调制曲线和变换效率对相位失配量的关系的图，示出了相位调制曲线的第二例。

[图4D]图4D是示出相对于第二例中相位调制曲线的相位失配量的图。

[图5A]图5A是示出本实施方式的波长变换元件的相位调制曲线和变换效率对相位失配量的关系的图，并示出相位调制曲线的图。

[图5B]图5B是示出相对于本实施方式中相位调制曲线的相位失配量的图。

[图6A]图6A是示出实施例1中波长变换元件的相位调制曲线的图。

[图6B]图6B示出实施例1中波长与产生差频的变换效率关系的图。

[图7A]图7A是示出实施例2中波长变换元件的相位调制曲线的图。

[图7B]图7B是示出实施例2中波长与产生差频的变换效率的关系的图。

[图8A]图8A是示出实施例3中波长变换元件的相位调制曲线的图。

[图8B]图8B示出实施例3中波长与产生差频的变换效率的关系的图。

[图9]图9是示出实施例4的波长变换装置的构成的图。

[图10A]图10A是示出实施例4的波长变换元件的相位调制曲线的图。

[图10B]图10B示出实施例4中的波长与产生差频的变换效率的关系的图。

具体实施方式

下面，将参照附图详细阐述本发明的实施方式。在本实施方式中可见，不仅形成了在非线性光学常数的周期Λ₀的调制结构中附加不同周期Λ_ph的连续相位调制或周期调制的结构，而且通过设定调制曲线使评价函数T为最小来获得不等间隔的多个相位匹配峰值，并可以实现高效率的波长转换元件。

下面以相位调制的情况为例来说明相位调制曲线的设定方法。将在非线性光学介质中形成的光波导中的光传播方向上的位置z处的非线性常数设为d(z)。设非线性光学介质存在于从z＝0至z＝L处。激发光和信号光通过非线性光学介质传播后(z＝L)的变换效率相对于相位失配量Δβ以下式给出。

[表达式4]

$\mathrm{\η}\left(\mathrm{\Δ\β}\right)\∝{\left|\underset{0}{\overset{L}{\∫}}d\left(z\right)\exp (-\mathrm{i\Δ\βz})\mathrm{dz}\right|}^2---\left(4\right)$

该式给出了非线性光学常数的空间的变化d(z)，通过进行傅立叶变换能够计算变换效率相对于相位失配量Δβ的变化。

图3示出以往波长变换元件的周期性的调制结构。使用铁电结晶材料LiNbO₃作为非线性光学介质，通过反转极化来反转非线性常数的符号。图3a示出调制结构的一部分，并示出非线性光学常数的长度方向的变化。以一定的周期Λ₀反转非线性常数来使每个周期的起始相位变化。图3b示出图3a的各周期的相位变化。如图3c所示，加到这种相位调制上的周期调制结构是在周期Λ₀的调制结构中附加不同周期Λ_ph的连续相位调制的结构。

图4A-D中示出以往的波长变换元件的相位调制曲线和变换效率与相位失配量的关系。变换效率是将采用未做相位调制的相同长度非线性光学介质情况下的效率作为1来归一化地表示。例如，在图4A的第一例的相位调制曲线情况下，变为图4B示出的相位匹配曲线。在图4C的第二例的相位调制曲线的情况下，则变为图4D所示的相位匹配曲线。即，在以2π/Λ₀为中心、各间隔2π/Λ_ph的每个相位匹配量Δβ(＝2π/Λ₀，2π/Λ₀±2π/Λ_ph，2π/Λ₀±4π/Λ_ph，…)处，具有变换效率的峰值。在现有技术中，由于实施这种周期性的调制，因而如图4B和图4D中所示出现变换效率周期性地变为峰值的相位失配量Δβ。为了便于说明，将相位失配量Δβ为2π/Λ₀+2πi/Λ_ph(i＝m，m+1，…，n：m，n为正整数或负整数)时得到的变换效率的峰值定义为i次峰值。

下面，以-1次，0次、3次的不等间隔使峰值最大的情况为例进行说明。首先，在非线性光学介质的每个周期调制结构中使相位调制曲线变化，并计算非线性光学常数的空间变化d(z)。进行空间变化d(z)的傅立叶变换，求出各峰值的变换效率，使用期望的各峰值的变换效率计算以下给出的评价函数T。最后，逐次计算来进行优化，以使评价函数T的值最小。

[表达式5]

$T={\mathrm{\Σ}}_{j=-4}^4{[\mathrm{\η}\left(j\right)-{\mathrm{\η}}_t\left(j\right)]}^2---\left(5\right)$

其中，η(j)是第j次峰值的效率，η_t(j)是第j次峰值的目标效率，因此，目标效率设定如下。

η(-4)＝0

η(-3)＝0

η(-2)＝0

η(-1)＝η_norm/3

η(0)＝η_norm/3

η(1)＝0

η(2)＝0

η(3)＝η_norm/3

η(4)＝0

η_norm是相同长度的未进行相位调制情况下的波长变换元件的效率。

图5A-B示出对本实施方式的波长变换元件的相位调制曲线以及变换效率对相位失配量的关系。变换效率通过将在使用未做相位调制的相同长度非线性光学介质情况下的效率作为1来归一化地表示。例如，在图5A的相位调制曲线的情况，变为图5B示出的相位匹配曲线。无论是否采用周期性的连续相位调制，通过抑制不需要的相位匹配峰值的效率，都能够仅仅使不等间隔地配置的峰值的效率增大。因此，虽然是以实施相位调制的情况为实例进行说明，但是即使在加入非线性光学常数的调制周期而实施不同周期的连续周期调制的情况下，通过进行同样的优化，也能够仅仅使不等间隔地配置的峰值的效率增大。

另外，作为非线性光学介质，不限于LiNbO₃，还能够使用KNbO₃、LiTaO₃、LiNb_(x)Ta_(1-x)O₃(0≦x≦1)、Li(x)K_(1-x)Ta_(y)Nb_(1-y)O₃、KTiOPO₄中的任何一种。另外，也可以在这些化合物中将选自Mg、Zn、Sc、In中的至少一种作为添加物。

实施例1

在实施例1中，信号光使用1.55μm频带，激发光使用1.07μm的波长，通过产生差频得到3.4μm频带的变换光。波长变换元件的制备方法，例如，以非专利文献3中公开的晶片接合法来制备。

首先，在LiNbO₃基板的Z面涂布抗蚀剂，采用光刻工艺使调制结构模式化。在基板的涂布抗蚀剂的表面气相淀积电极，使基板的两面接触电解液。当通过电解液在基板的两面施加电场时，在无抗蚀剂的部分，电极与LiNbO₃基板直接接触，该部分发生极化反转。

此时极化反转域的宽度比电极的宽度有所增加，因此需要考虑该宽度增加来设计用于光刻的掩模。如此，在作为光波导的芯的LiNbO₃基板上形成周期性的极化反转结构。然后，通过晶片接合法将LiTaO₃基板与形成极化反转结构的LiNbO₃基板贴合，并将LiNbO₃基板研磨到预定厚度。最后，切割LiNbO₃基板来制备光波导。波长变换元件的长度L为48mm。

下面将详细说明周期性的极化反转结构和相位匹配特性。在实施例1中，极化反转结构为基本周期Λ₀＝28.5μm的调制结构，并以周期Λ_ph＝12.11mm附加连续相位调制。在附加的相位调制的1周期中配置的极化反转结构的周期为425周期。在式(5)示出的评价函数T中，将-3次、0次、+1次的峰值的目标效率设为η_norm/3，其它峰值的目标效率设定为0。通过逐次进行计算使相位调制优化而使评价函数T的值最小，在-3次、0次、+1次的峰值中得到最大变换效率。

图6A中示出实施例1的波长变换元件的相位调制曲线。将激发光的波长固定为1.07μm，从1.55μm频带的波长可变光源入射信号光。图6B中示出通过扫描信号光波长得到的产生差频的变换效率与波长的关系。横轴表示信号光的波长。在实施例1中，在波长1565.5、1572.0、1590.5nm的不等间隔中，能够分别得到三个峰值。在波长1572.0nm得到的峰值相当于不进行相位调制的情况下得到的0次的峰值，在1565.5nm得到的峰值相当于通过相位调制得到的+1次的峰值，在1590.5得到的峰值相当于通过相位调制得到的-3次的峰值。

在实施例1中，通过产生差频能够分别产生3380.6nm(2958cm^-1)、3350.7nm(2984.5cm^-1)、3269.6nm(3058.5cm^-1)。这些波长对于检测出在这些波长中吸收的多种气体是有效的。各峰值的信号光的波长波段为2nm左右。在各峰值中，通过对信号光波长进行微调，相当于能够在8.3cm^-1左右扫描变换光。

在实施例1中使用的波长变换元件的三个峰值的变换效率为约20％/W。当将10mW的信号光、40mW的激发光输入元件时，得到80μW的输出。在应用于气体测定装置的光源的情况下，不使用光放大器也能够得到用于气体检测的充分的输出。

实施例2

在实施例1中，在周期性极化反转结构中附加相位调制，通过不等间隔的多个信号光波长能够产生差频。在实施例2中，在周期性极化反转结构中附加周期调制。在采用1.55μm频带的信号光、1.07μm波长的激发光、以及通过产生差频得到3.4μm频带的变换光方面，与实施例1相同。波长变换元件的制备方法也与实施例1相同。

在实施例2中，极化反转结构为基本周期Λ₀＝28.5μm的调制结构，以周期Λ_f＝12.11mm附加连续周期调制。在附加的周期调制的每1周期配置的极化反转结构的周期为425周期。在式(5)示出的评价函数T中，将-3次、0次、+1次的峰值的目标效率设为η_norm/3，其它峰值的目标效率设定为0。通过逐次进行计算使周期调制优化而使评价函数T的值最小，在-3次、0次、+1次的峰值中得到最大变换效率。

图7A中示出实施例2的波长变换元件的周期调制曲线。激发光的波长固定为1.07μm，从1.55μm频带的波长可变光源入射信号光。图7B中示出实施例2的波长变换元件的相位匹配曲线。在实施例2中，在波长1565.5、1572.0、1590.5nm的不等间隔中，能够分别得到三个峰值。变换效率是通过将具有长度L＝48mm、基本周期Λ₀＝28.5μm的调制结构的波长变换元件的效率设为1来归一化表示。因此，在与未附加周期调制的波长变换元件比较的情况下，实施例2的波长变换元件的变换效率为约30％。

在实施例2中，使用周期调制能够得到与实施例1同样的输出，对于检测多种气体是有效的。用于实施例1的波长变换元件的三个峰值的变换效为约20％/W。当将10mW的信号光、40mW的激发光输入元件时，得到80μW的输出。在应用于气体测定装置的光源的情况下，不使用光放大器也能够得到用于气体检测的充分输出。

实施例3

在实施例1、2中，在周期性极化反转结构中附加相位调制或周期调制，从而得到-3次、0次、+1次的相位匹配峰值。在实施例3中，在周期性极化反转结构中附加相位调制，从而得到与实施例1、2不同次数的峰值。在实施例3中，也采用1.55μm频带的信号光、1.07μm波长的激发光，通过产生差频得到3.4μm频带的变换光。波长变换元件的制备方法也与实施例1相同。

在实施例3中，极化反转结构是基本周期Λ₀＝28.5μm的调制结构，并以周期Λ_ph＝12.11mm附加连续相位调制。在相位调制的每1周期配置的极化反转结构的周期为425周期。在式(5)示出的评价函数T中，将-2次、0次、+3次的峰值的目标效率设为η_norm/3，其它峰值的目标效率设定为0。通过逐次进行计算使相位调制优化而使评价函数T的值最小，在-2次、0次、+3次的峰值中得到最大变换效率。

图8A中示出实施例3的波长变换元件的相位调制曲线。激发光的波长固定为1.07μm，从1.55μm频带的波长可变光源入射信号光。图8B中示出实施例3的波长变换元件的相位匹配曲线。在实施例3中，波长1552.5、1572.0、1584.3nm的不等间隔中，能够分别得到三个峰值。变换效率将具有长度L＝48mm、基本周期Λ₀＝28.5μm的调制结构的波长变换元件的效率设为1来归一化地表示。因此，在与未附加周期调制的波长变换元件比较的情况下，实施例2的波长变换元件的变换效率为约27％。

在实施例3中，使用相位调制能够得到与实施例1相同的输出，并有效地用于检测多种气体。用于实施例1的波长变换元件的三个峰值的变换效率为约18％/W。当将10mW的信号光、40mW的激发光输入元件时，得到72μW的输出。在应用于气体测定装置的光源的情况下，不使用光放大器也能够得到用于气体检测的充分输出。如此，通过使相位调制或周期调制的函数优化而得到期望的峰值，能够对各种波长以不等的间隔设定相位匹配峰值。

实施例4

图9示出实施例4的波长变换装置的构成。波长变换元件20由周期性极化反转的LiNbO₃基板21上形成的光波导22构成。复用器23将来自激发光光源24的激发光和来自信号光光源25的信号光合波，并入射到光波导22。激发光光源24输出1.07μm的激发光，信号光光源25输出1.55μm频带的信号光，通过产生由非线性光学效应引起的差频，波长变换装置能够输出多个3.4μm频带的变换光。

信号光光源25是1.55μm频带的波长可变光源，并使用TLA(Tunable Laser Array：可调谐激光器阵列)(例如，参照非专利文献4)。信号光光源25包括：多个DFB-LD(Distributed Feedback-Laser Diode：分布式反馈激光二极管)31；将DFB-LD31的各输出光连接的光耦合器32；与光耦合器32的输出连接的半导体光放大器(SOA)33。信号光光源25是光半导体集成电路，通过选择DFB-LD31能够高速地切换输出波长。

波长变换元件20的制备方法与实施例1相同。在实施例4中，极化反转结构是基本周期Λ₀＝28.5μm的调制结构，以周期Λ_ph＝12.11mm附加连续相位调制。在附加的相位调制的每1周期配置的极化反转结构的周期为425周期。在式(5)示出的评价函数T中，将-3次、0次、+1次的峰值的目标效率分别设为η_norm/4、η_norm/4、η_norm/2，其它峰值的目标效率设定为0。通过逐次进行计算使相位调制优化而使评价函数T的值最小，+1次的峰值能够得到高于-3次、0次的峰值的变换效率。

图10A中示出实施例4的波长变换元件的相位调制曲线。激发光的波长固定为1.07μm，从1.55μm频带的波长可变光源入射信号光。图10B中示出实施例4的波长变换元件的相位匹配曲线。在实施例4中，波长1565.5、1572.0、1590.5nm的不等间隔中，能够分别得到三个峰值。-3次、0次、+1次峰值的变换效率的比例在以全体的总和设为100％时，分别为25％、25％、50％。变换效率通过将具有长度L＝48mm、基本周期Λ₀＝28.5μm的调制结构的波长变换元件的效率设为1来归一化地表示。

变换效率在-3次、0次、+1次峰值中分别为13％/W、14％/W、28％/W。将从TLA得到的10mW的信号光、40mW的激发光输入元件时，针对变换光波长3269.6nm(3058.5cm^-1)、3350.7nm(2984.5cm^-1)、3380.6nm(2958cm^-1)，分别得到56μW、56μW、112μW的输出。

另外，在实施例4中，通过高速地切换信号光的波长，能够按时序几乎同时地检测在各波长中具有特征吸收的多种气体。具体地说，能够同时测定甲烷、乙烷、丙烷等烃气体中的特征吸收线。另外，由于强调3380.6nm的光源的输出，因而即使在该波长的吸收小于其它波长的吸收的情况下，也能够抑制S/N比的劣化。

如此，在本实施方式中，能够将各输入光的波长间隔不等间隔配置的多个输入光波长一并进行变换。另外，能够强调特定峰值而使变换效率提高。

根据本实施方式，作为光源，不采用光放大器就能够得到具有实用性的输出，而且，由于能够采用较便宜的通信波段的波长可变光源，因此能够提供高性能且便宜的波长变换装置。另外，如实施例4所使用的波长可变激光器是1.55μm频带等光通信波段中较便宜的，并能够高速地切换波长。其它波长波段，例如，如非专利文献5所示的，使外部光栅与半导体激光器连接的结构的光源是市售的。这种光源由于要通过以机械方式转动光栅等运动来实现波长可变，因而对波长可变的速度有限制，且价格昂贵。

产业实用性

本实施方式与非线性光学材料的色散无关，采用任意的激发光波长或信号光波长的组合就能够变换多个波长。如上所述，能够使用较便宜的高性能的光通信用波长可变激光器，并能够便宜地构成对气体测量装置等的适用的波长变换装置或光源。

另外，通过使用将多个半导体激光器集成化的光源，在气体测量装置中，通过高速地切换多种气体吸收线的多个波长的光，也可以同时观测多种气体。由于还能够使产生特定波长的相位匹配峰值大于其它峰值，因此能够强调用于测定多种气体中的弱吸收气体的波长输出，并使SN比增大。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

基于19条修改的声明

修改了权利要求1-4、权利要求6、权利要求7、权利要求9和权利要求10。修改的内容和依据如下。

将权利要求1、权利要求3、权利要求6和权利要求7中记载的“多个变换效率的峰值”修改为“多个相位匹配峰值”。另外，将权利要求1、权利要求3、权利要求6和权利要求7中记载的“三个峰值”修改为“三个相位匹配峰值”。此外，将权利要求2、权利要求4、权利要求9和权利要求10中记载的“各峰值”修改为“各相位匹配峰值”。所有修改均基于第[0012]、[0034]段的记载。

将权利要求1、权利要求3、权利要求6和权利要求7中记载的“变换效率为极大”修改为“变换效率为最大”。如图5中所记载的，符合上述修改对照，明确指出了不等间隔地排列的“三个相位匹配峰值的变换效率为最大”。

1.波长变换元件，其将具有1/λ₃＝1/λ₂+1/λ₁关系的波长中的一个(λ₁＝λ₂)或两个(λ₁、λ₂或λ₁、λ₃)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为λ₃或λ₂的变换光，所述非线性介质为具有沿光的传播方向周期为Λ₀的非线性光学常数的调制结构，并且具有每个周期Λ₀连续地进行相位变化、且附加不同周期Λ_ph的连续相位调制的调制结构，

其特征在于，设所述非线性介质对波长λ₁、λ₂、λ₃的折射率分别为n₁、n₂、n₃，相位失配量Δβ表示为Δβ＝2π(n₃/λ₃-n₂/λ₂-n₁/λ₁)，所述非线性介质还具有使所述相位调制的调制曲线变化以使得在Δβ为2π/Λ₀+2πi/Λ_f(i＝m，m+1，…，n：m，n为正整数或负整数)时得到的多个相位匹配峰值中不等间隔地排列的至少三个相位匹配峰值的变换效率为最大的调制结构。

2.根据权利要求1所述的波长变换元件，其特征在于，使所述相位调制的调制曲线变化的调制结构构成为：使所述非线性光学介质的每个周期Λ₀的调制曲线变化，计算光的传播方向的位置z中的非线性光学常数的空间变化d(z)，进行所述空间变化d(z)的傅立叶变换，求出各相位匹配峰值的变换效率η(i)，使用期望的变换效率η_t(i)计算如下给出的评价函数T：

[表达式1]

$T={\mathrm{\Σ}}_{i=m}^{i=n}{[\mathrm{\η}\left(i\right)-{\mathrm{\η}}_t\left(i\right)]}^2$

使所述评价函数T的值为最小。

3.波长变换元件，将具有1/λ₃＝1/λ₂+1/λ₁关系的波长中的一个(λ₁＝λ₂)或两个(λ₁、λ₂或λ₁、λ₃)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为λ₃或λ₂的变换光，所述非线性介质为具有沿光的传播方向周期为Λ₀的非线性光学常数的调制结构，并且具有每个周期Λ₀连续地进行相位变化、且附加不同周期Λ_f的连续周期调制的调制结构，

其特征在于，设所述非线性介质对波长λ₁、λ₂、λ₃的折射率分别为n₁、n₂、n₃，相位失配量Δβ表示为Δβ＝2π(n₃/λ₃-n₂/λ₂-n₁/λ₁)，所述非线性介质还具有使所述周期调制的调制曲线变化以使得在Δβ为2π/Λ₀+2πi/Λ_f(i＝m，m+1，…，n：m，n为正整数或负整数)时得到的多个相位匹配峰值中不等间隔地排列的至少三个相位匹配峰值的变换效率为最大的调制结构。

4.根据权利要求3所述的波长变换元件，其特征在于，使所述周期调制的调制曲线变化的调制结构构成为：使所述非线性光学介质的每个周期Λ₀的调制曲线变化，计算沿光的传播方向上位置z的非线性光学常数的空间变化d(z)，进行所述空间变化d(z)的傅立叶变换，求出各相位匹配峰值的变换效率η(i)，使用期望的变换效率η_t(i)计算如下给出的评价函数T：

[表达式2]

$T={\mathrm{\Σ}}_{i=m}^{i=n}{[\mathrm{\η}\left(i\right)-{\mathrm{\η}}_t\left(i\right)]}^2$

使所述评价函数T的值为最小。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的波长变换元件，其特征在于，所述非线性光学介质是LiNbO₃、KNbO₃、LiTaO₃、LiNb_(x)Ta_(1-x)O₃(0≦x≦1)、Li_(x)K_(1-x)Ta_(y)Nb_(1-y)O₃、KTiOPO₄中的任何一种，或在这些化合物中含有选自Mg、Zn、Sc、In中的至少一种作为添加物。

6.波长变换装置，包括：

信号光光源，能够使波长可变并输出波长为λ₁的信号光；

激发光光源，输出波长为λ₂或λ₃的激发光；

复用器，将所述信号光和所述激发光合波；

波长变换元件，与所述复用器连接，并将具有1/λ₃＝1/λ₂+1/λ₁关系的波长中的两个(λ₁、λ₂或λ₁、λ₃)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为λ₃或λ₂的变换光，所述非线性介质为具有沿光的传播方向周期为Λ₀的非线性光学常数的调制结构，并且具有在每个周期Λ₀中连续进行相位变化、并附加不同周期Λ_ph的连续相位调制的调制结构，

其特征在于，设所述非线性介质对波长λ₁、λ₂、λ₃的折射率分别为n₁、n₂、n₃，相位失配量Δβ表示为Δβ＝2π(n₃/λ₃-n₂/λ₂-n₁/λ₁)，所述非线性介质还具有使所述相位调制的调制曲线变化以使得在Δβ为2π/Λ₀+2πi/Λ_f(i＝m，m+1，…，n：m，n为正整数或负整数)时得到的多个相位匹配峰值中不等间隔地排列的至少三个相位匹配峰值的变换效率为最大的调制结构。

7.波长变换装置，其包括：

信号光光源，能够使波长可变，并输出波长为λ₁的信号光；

波长变换元件，与所述信号光光源连接，并将具有1/λ₃＝1/λ₂+1/λ₁关系的波长中的一个(λ₁＝λ₂)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为λ₃的变换光，所述非线性介质是沿光的传播方向周期为Λ₀的非线性光学常数的调制结构，并且具有每个周期Λ₀连续进行相位变化、并附加不同周期Λ_ph的连续相位调制的调制结构，

其特征在于，设所述非线性介质对波长λ₁、λ₂、λ₃的折射率分别为n₁、n₂、n₃，相位失配量Δβ表示为Δβ＝2π(n₃/λ₃-n₂/λ₂-n₁/λ₁)，所述非线性介质还具有使所述相位调制的调制曲线变化以使得在Δβ为2π/Λ₀+2πi/Λ_f(i＝m，m+1，…，n：m，n为正整数或负整数)时得到的多个相位匹配峰值中不等间隔地排列的至少三个相位匹配峰值的变换效率为最大的调制结构。

8.根据权利要求6或7所述的波长变换装置，其特征在于，所述信号光光源包括：

多个DFB-LD；

光耦合器，将所述DFB-LD的各输出光耦合；

半导体光放大器，与所述光耦合器的输出连接。

9.波长变换元件的制备方法，所述波长变换元件将具有1/λ₃＝1/λ₂+1/λ₁关系的波长中的一个(λ₁＝λ₂)或两个(λ₁、λ₂或λ₁、λ₃)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为λ₃或λ₂的变换光，所述非线性介质是沿光的传播方向周期为Λ₀的非线性光学常数的调制结构，并具有在每个周期Λ₀连续进行相位变化、且附加不同周期Λ_ph的连续相位调制的调制结构，

其特征在于，所述方法包括：

使所述非线性光学介质的每个周期Λ₀的相位调制曲线变化；

计算在光的传播方向上位置z的非线性光学常数的空间变化d(z)；

进行所述空间变化d(z)的傅立叶变换，求出各相位匹配峰值的变换效率η(i)，使用期望的变换效率η_t(i)计算如下给出的评价函数T：

[表达式3]

$T={\mathrm{\Σ}}_{i=m}^{i=n}{[\mathrm{\η}\left(i\right)-{\mathrm{\η}}_t\left(i\right)]}^2$

使所述相位调制曲线变化以使所述评价函数T的值为最小。

10.波长变换元件的制备方法，所述波长变换元件将具有1/λ₃＝1/λ₂+1/λ₁关系的波长中的一个(λ₁＝λ₂)或两个(λ₁、λ₂或λ₁、λ₃)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为λ₃或λ₂的变换光，所述非线性介质是沿光的传播方向周期为Λ₀的非线性光学常数的调制结构，并且具有在每个周期Λ₀连续进行周期变化、且附加不同周期Λ_f的连续周期调制的调制结构，

其特征在于，所述方法包括：

使所述非线性光学介质的每个周期Λ₀的周期调制曲线变化；

计算在光的传播方向上位置z的非线性光学常数的空间变化d(z)；

进行所述空间变化d(z)的傅立叶变换，求出各相位匹配峰值的变换效率η(i)，使用期望的变换效率η_t(i)计算如下给出的评价函数T：

[表达式4]

$T={\mathrm{\Σ}}_{i=m}^{i=n}{[\mathrm{\η}\left(i\right)-{\mathrm{\η}}_t\left(i\right)]}^2$

以及使所述周期调制曲线变化以使所述评价函数T的值为最小。

Claims (10)

1.波长变换元件，其将具有1/λ₃＝1/λ₂+1/λ₁关系的波长中的一个(λ₁＝λ₂)或两个(λ₁、λ₂或λ₁、λ₃)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为λ₃或λ₂的变换光，所述非线性介质为具有沿光的传播方向周期为Λ₀的非线性光学常数的调制结构，并且具有每个周期Λ₀连续地进行相位变化、且附加不同周期Λ_ph的连续相位调制的调制结构，

其特征在于，设所述非线性介质对波长λ₁、λ₂、λ₃的折射率分别为n₁、n₂、n₃，相位失配量Δβ表示为Δβ＝2π(n₃/λ₃-n₂/λ₂-n₁/λ₁)，所述非线性介质还具有使所述相位调制的调制曲线变化以使得在Δβ为2π/Λ₀+2πi/Λ_f(i＝m，m+1，…，n：m，n为正整数或负整数)时得到的多个变换效率的峰值中不等间隔地排列的至少三个峰值的变换效率为极大的调制结构。

2.根据权利要求1所述的波长变换元件，其特征在于，使所述相位调制的调制曲线变化的调制结构构成为：使所述非线性光学介质的每个周期Λ₀的调制曲线变化，计算光的传播方向的位置z中的非线性光学常数的空间变化d(z)，进行所述空间变化d(z)的傅立叶变换，求出各峰值的变换效率η(i)，使用期望的变换效率η_t(i)计算如下给出的评价函数T：

[表达式1]

$T={\mathrm{\Σ}}_{i=m}^{i=n}{[\mathrm{\η}\left(i\right)-{\mathrm{\η}}_t\left(i\right)]}^2$

使所述评价函数T的值为最小。

3.波长变换元件，将具有1/λ₃＝1/λ₂+1/λ₁关系的波长中的一个(λ₁＝λ₂)或两个(λ₁、λ₂或λ₁、λ₃)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为λ₃或λ₂的变换光，所述非线性介质为具有沿光的传播方向周期为Λ₀的非线性光学常数的调制结构，并且具有每个周期Λ₀连续地进行相位变化、且附加不同周期Λ_f的连续周期调制的调制结构，

其特征在于，设所述非线性介质对波长λ₁、λ₂、λ₃的折射率分别为n₁、n₂、n₃，相位失配量Δβ表示为Δβ＝2π(n₃/λ₃-n₂/λ₂-n₁/λ₁)，所述非线性介质还具有使所述周期调制的调制曲线变化以使得在Δβ为2π/Λ₀+2πi/Λ_f(i＝m，m+1，…，n：m，n为正整数或负整数)时得到的多个变换效率的峰值中不等间隔地排列的至少三个峰值的变换效率为极大的调制结构。

4.根据权利要求3所述的波长变换元件，其特征在于，使所述周期调制的调制曲线变化的调制结构构成为：使所述非线性光学介质的每个周期Λ₀的调制曲线变化，计算沿光的传播方向上位置z的非线性光学常数的空间变化d(z)，进行所述空间变化d(z)的傅立叶变换，求出各峰值的变换效率η(i)，使用期望的变换效率η_t(i)计算如下给出的评价函数T：

[表达式2]

$T={\mathrm{\Σ}}_{i=m}^{i=n}{[\mathrm{\η}\left(i\right)-{\mathrm{\η}}_t\left(i\right)]}^2$

使所述评价函数T的值为最小。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的波长变换元件，其特征在于，所述非线性光学介质是LiNbO₃、KNbO₃、LiTaO₃、LiNb_(x)Ta_(1-x)O₃(0≦x≦1)、Li_(x)K_(1-x)Ta_(y)Nb_(1-y)O₃、KTiOPO₄中的任何一种，或在这些化合物中含有选自Mg、Zn、Sc、In中的至少一种作为添加物。

6.波长变换装置，包括：

信号光光源，能够使波长可变并输出波长为λ₁的信号光；

激发光光源，输出波长为λ₂或λ₃的激发光；

复用器，将所述信号光和所述激发光合波；

波长变换元件，与所述复用器连接，并将具有1/λ₃＝1/λ₂+1/λ₁关系的波长中的两个(λ₁、λ₂或λ₁、λ₃)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为λ₃或λ₂的变换光，所述非线性介质为具有沿光的传播方向周期为Λ₀的非线性光学常数的调制结构，并且具有在每个周期Λ₀中连续进行相位变化、并附加不同周期Λ_ph的连续相位调制的调制结构，

其特征在于，设所述非线性介质对波长λ₁、λ₂、λ₃的折射率分别为n₁、n₂、n₃，相位失配量Δβ表示为Δβ＝2π(n₃/λ₃-n₂/λ₂-n₁/λ₁)，所述非线性介质还具有使所述相位调制的调制曲线变化以使得在Δβ为2π/Λ₀+2πi/Λ_f(i＝m，m+1，…，n：m，n为正整数或负整数)时得到的多个变换效率的峰值中不等间隔地排列的至少三个峰值的变换效率为极大的调制结构。

7.波长变换装置，其包括：

信号光光源，能够使波长可变，并输出波长为λ1的信号光；

波长变换元件，与所述信号光光源连接，并将具有1/λ₃＝1/λ₂+1/λ₁关系的波长中的一个(λ₁＝λ₂)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为λ₃的变换光，所述非线性介质是沿光的传播方向周期为Λ₀的非线性光学常数的调制结构，并且具有每个周期Λ₀连续进行相位变化、并附加不同周期Λ_ph的连续相位调制的调制结构，

其特征在于，设所述非线性介质对波长λ₁、λ₂、λ₃的折射率分别为n₁、n₂、n₃，相位失配量Δβ表示为Δβ＝2π(n₃/λ₃-n₂/λ₂-n₁/λ₁)，所述非线性介质还具有使所述相位调制的调制曲线变化以使得在Δβ为2π/Λ₀+2πi/Λ_f(i＝m，m+1，…，n：m，n为正整数或负整数)时得到的多个变换效率的峰值中不等间隔地排列的至少三个峰值的变换效率为极大的调制结构。

8.根据权利要求6或7所述的波长变换装置，其特征在于，所述信号光光源包括：

多个DFB-LD；

光耦合器，将所述DFB-LD的各输出光耦合；

半导体光放大器，与所述光耦合器的输出连接。

9.波长变换元件的制备方法，所述波长变换元件将具有1/λ₃＝1/λ₂+1/λ₁关系的波长中的一个(λ₁＝λ₂)或两个(λ₁、λ₂或λ₁、λ₃)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为λ₃或λ₂的变换光，所述非线性介质是沿光的传播方向周期为Λ₀的非线性光学常数的调制结构，并具有在每个周期Λ₀连续进行相位变化、且附加不同周期Λ_ph的连续相位调制的调制结构，

其特征在于，所述方法包括：

使所述非线性光学介质的每个周期Λ₀的相位调制曲线变化；

计算在光的传播方向上位置z的非线性光学常数的空间变化d(z)；

进行所述空间变化d(z)的傅立叶变换，求出各峰值的变换效率η(i)，使用期望的变换效率η_t(i)计算如下给出的评价函数T：

[表达式3]

$T={\mathrm{\Σ}}_{i=m}^{i=n}{[\mathrm{\η}\left(i\right)-{\mathrm{\η}}_t\left(i\right)]}^2$

使所述相位调制曲线变化以使所述评价函数T的值为最小。

10.波长变换元件的制备方法，所述波长变换元件将具有1/λ₃＝1/λ₂+1/λ₁关系的波长中的一个(λ₁＝λ₂)或两个(λ₁、λ₂或λ₁、λ₃)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为λ₃或λ₂的变换光，所述非线性介质是沿光的传播方向周期为Λ₀的非线性光学常数的调制结构，并且具有在每个周期Λ₀连续进行周期变化、且附加不同周期Λ_f的连续周期调制的调制结构，

其特征在于，所述方法包括：

使所述非线性光学介质的每个周期Λ₀的周期调制曲线变化；

计算在光的传播方向上位置z的非线性光学常数的空间变化d(z)；

进行所述空间变化d(z)的傅立叶变换，求出各峰值的变换效率η(i)，使用期望的变换效率η_t(i)计算如下给出的评价函数T：

[表达式4]

$T={\mathrm{\Σ}}_{i=m}^{i=n}{[\mathrm{\η}\left(i\right)-{\mathrm{\η}}_t\left(i\right)]}^2$

以及使所述周期调制曲线变化以使所述评价函数T的值为最小。

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