JP2004020588A - 波長変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】波長変換素子と光ファイバと接続した構成を有する従来の波長変換装置を改善し、波長変換効率をより高めること。
【解決手段】素子１の入射面、出射面にフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）２、３を接続する。このとき、素子、ＰＣＦのうち、少なくともＰＣＦを、〔素子とＰＣＦとの接続面において、受け渡しすべき光（例えば、Ｌ１、Ｌ２）の伝播モードのピーク位置が、互いに一致すること〕という条件を満たすように形成する。
【選択図】 図１
【解決手段】素子１の入射面、出射面にフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）２、３を接続する。このとき、素子、ＰＣＦのうち、少なくともＰＣＦを、〔素子とＰＣＦとの接続面において、受け渡しすべき光（例えば、Ｌ１、Ｌ２）の伝播モードのピーク位置が、互いに一致すること〕という条件を満たすように形成する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長変換素子（以下、単に「素子」ともいう）を用いた装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路型の波長変換素子に光を入射し、波長変換された光（変換光）を出射させる場合には、図８に示すように、波長変換素子１００の入射面、出射面に、それぞれ光ファイバ２００、３００を接続する構成が採用される。
図８の例は、光ファイバ２００を通して２つの入射光（ポンプ光Ｌ１１、シグナル光Ｌ１２）を素子１００に入射し、波長変換として差周波発生を行い、差周波光Ｌ２０、入射光Ｌ１１、Ｌ１２を、光ファイバ３００を通して出射する構成である。
【０００３】
光導波路型の波長変換素子１００は、強誘電体結晶基板１１０の表層に帯状の光導波路１２０を形成し、かつ該光導波路１２０に重複させて周期的分極反転構造（以下、分極反転構造ともいう）を形成し、差周波発生可能としたものである。図８では、分極反転構造をハッチングによって象徴的にストライプ模様として示しており、光導波路１２０にもハッチングを施して、両者が結晶の同じ部位を共有していることを示している。
【０００４】
各光の波長は、ポンプ光Ｌ１１（０．７７５μｍ）、シグナル光Ｌ１２（１．５４μｍ）、差周波光Ｌ２０（１．５６μｍ）であって、接続される両光ファイバ２００、３００には、波長１．５５μｍ帯シングルモードファイバが用いられる。
【０００５】
上記のような構成において、ポンプ光Ｌ１１とシグナル光Ｌ１２は、予めファイバカプラー等で合波されて１本の光ファイバ２００に結合され、素子１００の光導波路１２０に導かれる。素子内では、非線形光学効果と擬似位相整合とによって差周波光Ｌ２０が発生し、入射光Ｌ１１、Ｌ１２と共に、出射側の光ファイバ３００を通して、出力される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者等が、素子と光ファイバとの接続面での光の受け渡しについて検討したところ、素子と光ファイバとの接続構造特有の次のような問題が存在することがわかった。
即ち、差周波発生のように２つの入射光が入射する場合、波長変換効率をより高める為には、光導波路中において、２つの入射光の各伝播モードの電界強度のピーク位置を互いにできる限り一致させることが重要である（以下、伝播モードの電界強度のピーク位置を、単に「ピーク位置」とも言う）。この点を鑑みて、素子の光導波路は、屈折率分布を制御して形成されており、図９に示すように、光導波路１２０内では、２つの入射光Ｌ１１、Ｌ１２の各々の最も強いピーク位置は、深さ方向については、ほぼ同じ軸線上に一致して伝播する様になっている（ただし、光導波路のモード形状は通常は楕円形であって、幅方向には必ずしも一致してはいない）。
【０００７】
しかし、従来接続されている光ファイバ２００については、波長の異なる２つの入射光Ｌ１１、Ｌ１２のピーク位置を、ファイバ内で互いに一致させることは困難であり、全く検討されてはいない。図９に示すように、光ファイバ２００内では、波長の短いポンプ光Ｌ１１（０．７７５μｍ）の伝播モードは双頭のピーク（実線）を呈し、波長の長いシグナル光Ｌ１２（１．５４μｍ）の伝播モードは単一のピーク（破線）を呈する。
【０００８】
図９のように、ピーク位置が互いにずれた状態で入射光Ｌ１１、Ｌ１２が素子内に入射すると、必ず一方の光が光導波路のピーク位置に合わないために伝播損失（モード変換ロス）が生じ、波長変換効率が低下する。光ファイバ内に複数のピークがあるために、この問題を、素子と光ファイバとの単純な位置合わせだけで解決することは困難である。
また、ピーク位置が互いにずれた状態で２つの入射光が素子内に入射した場合、光導波路内でのモード変換の作用によって、入射面から特定の距離まで進んだ時点で両ピーク位置は互いに一致するように修正される。しかし、そのようなピーク位置の一致に必要な距離は、製品として長さが制限される波長変換素子にとっては大きな無駄であり、コンパクト化の障害にもなる。
【０００９】
上記のような接続部分におけるピーク位置の不一致の問題は、入射光が複数の場合だけでなく、単一波長の場合であっても同様に生じる問題である。例えば、１つのポンプ光でも、入射波長により、図９に示すように、光ファイバ１０内と、光導波路１２０内とでは、伝播モードのピーク形状が互いに全く異なるために、素子と光ファイバとの単純な位置合わせでは、ピーク位置を一致させることが困難である。
【００１０】
また、入射側の光ファイバと素子との関係だけでなく、出射側の光ファイバと素子との関係においても、上記と全く同様の問題が存在し、両者のピーク位置が互いに一致しないことによって伝播損失が生じ、最終的に得られる出力は低下する。
【００１１】
本発明の課題は、上記問題を解決し、波長変換素子と光ファイバと接続した構成を有する従来の波長変換装置を改善して、波長変換効率をより高めることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は以下の特徴を有するものである。
（１）波長変換素子の入射面および／または出射面にフォトニック結晶ファイバが接続された構成を有することを特徴とし、かつ、前記の波長変換素子とフォトニック結晶ファイバのうち、少なくともフォトニック結晶ファイバが、下記（Ａ）の条件を満たすように形成されていることを特徴とする、波長変換装置。
【００１３】
（Ａ）波長変換素子とフォトニック結晶ファイバとの接続面において、受け渡しすべき光の伝播モードのピーク位置が、互いに一致すること。
【００１４】
（２）上記（Ａ）の条件における伝播モードがシングルモードであって、フォトニック結晶ファイバに加えて波長変換素子が上記（Ａ）の条件を満たすように形成されている、上記（１）記載の波長変換装置。
【００１５】
（３）上記（Ａ）の条件における受け渡しすべき光が、２以上の波長を含む光である、上記（１）または（２）記載の波長変換装置。
【００１６】
（４）波長変換素子が光導波路型の素子であり、入射面および出射面が光導波路の端面であって、該光導波路は、伝播モードの断面形状が円形を呈するように形成され、フォトニック結晶ファイバは、該ファイバを受け渡しすべき光の伝播モードが断面円形を呈するシングルモードとなるように形成されている、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の波長変換装置。
【００１７】
（５）波長変換素子が２以上の波長を含む光を出射する素子であり、波長変換素子の入射面および／または出射面に接続されたフォトニック結晶ファイバのうちの少なくとも一方が、前記２以上の波長の光の波長分散を補償するように形成されている、上記（１）記載の波長変換装置。
【００１８】
（６）フォトニック結晶ファイバが少なくとも入射面に接続され、該フォトニック結晶ファイバは、さらに、スーパコンティニューム光を発生させ得るように形成されており、波長変換素子は、入射する前記スーパコンティニューム光から新たな波長の光を発生させ得るように形成されている、上記（１）記載の波長変換装置。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、差周波発生を行うように形成された波長変換素子を用いて当該装置を構成した場合を例として、本発明を説明する。
本発明による波長変換装置は、図１に示すように、波長変換素子１と、該素子の入射面および／または出射面に接続された光ファイバとを有し、該光ファイバが、フォトニック結晶ファイバ（以下、「ＰＣＦ」ともいう）であることを基本的な特徴とする。ＰＣＦは、素子の入射面・出射面のうちのいずれか一方だけに接続される態様であってもよいが、ＰＣＦの特徴を充分に利用する点では、両方に接続するのが好ましい態様である。図１の例では、入射面にＰＣＦ２、出射面にＰＣＦ３が接続されている。
【００２０】
当該装置のさらなる基本的な特徴は、素子とＰＣＦのうち、少なくともＰＣＦが、上記（Ａ）の条件を満たすように形成されている点である。即ち、図２に、入射側・出射側の接続部を拡大して示すように、素子１とＰＣＦ２との接続面、および／または、素子１とＰＣＦ３との接続面において、それぞれ受け渡しされる光のピーク位置が、素子とＰＣＦとで互いに一致するようにＰＣＦ２、ＰＣＦ３が形成されていることが重要である。
【００２１】
上記構成によって、例えば、入射側の接続面では、入射光Ｌ１、Ｌ２の両方共に、ピーク位置が素子とＰＣＦとで互いに一致しており、伝播損失が生じることもなく、波長変換効率が向上する。また、素子内で両入射光のピーク位置を一致させるための無駄な光導波路距離を確保する必要も無くなる。
【００２２】
また、一般的な素子の光導波路のコア断面形状（または伝播モードの断面形状）である楕円形に合わせて、ＰＣＦの伝播モードの断面形状を楕円形にすることも可能であり、さらには後述のように、光導波路のコア断面形状（または伝播モードの断面形状）を円形とし、これに合わせてＰＣＦの伝播モードの断面形状を円形にすることも可能である。これらによって、接続部での結合効率をより向上させることができる。また出射側のＰＣＦでは、波長差による影響が無い形で光出力が得られ、伝播損失が低減する。
【００２３】
ここで、伝播モードの断面形状とは、伝播光によって伝播モードとして生じている電界強度分布を、光導波路の光路（光軸）に垂直な断面で見たときの該分布の形状である。
【００２４】
上記（Ａ）の条件における伝播モードは、ピークが１点に集中するシングルモードとすることが好ましく、これにより伝播損失が低減し、また波長変換素子に対して光パワー密度を高く保った状態で結合することができる。
また、上記（Ａ）の条件における受け渡しすべき光は、第二高調波発生の入射光の場合のように、１つの波長の光（スペクトルの波形を見たときに１つの波長に強度のピークを持つ光）だけであってもよいが、図１の例のように、２以上の波長を含む光（スペクトルの波形を見たときに２以上の波長に強度のピークを持つ光）を受け渡しするような場合には、波長の長短によって伝播モードのピーク位置のずれが大きな問題となるので、それを解消する本発明の有用性は特に顕著となる。
【００２５】
ＰＣＦは、シングルモードが保存される形で素子との接続部のコア径を拡大することが可能であることから、素子との結合効率を向上させることができ、これにより変換効率も高くなる。
【００２６】
ＰＣＦは、近年報告された光ファイバの一種であって、短波長域でコア径を大きくしてもシングルモード伝播が可能であることから、もっぱら短波長域のエネルギー伝送用として検討されている。本発明者等は、素子と光ファイバとの接続部分に存在する波長変換装置独特の問題点（伝播モードのピーク位置の不一致）に着目し、また一方で、ＰＣＦが、通常のファイバ（屈折率分布を内部に形成したもの）とは異なり、伝播モードをそのピーク位置をも含めて自在に変化させ得る点に着目している。そして、図１の構成のように、ＰＣＦを波長変換素子の入出力用ファイバとして適用することに想到し、ＰＣＦの前記特徴によってピーク位置を一致させ、上記接続部分の問題点を解決している。
【００２７】
本発明でいうＰＣＦには、狭義のフォトニック結晶ファイバ（後述）のみならず、所謂、ホーリーファイバ（微細構造ファイバ）をも含めるものとする。いずれの態様でも、空孔がファイバ内に長手方向に沿って延びており、この空孔によって、例えば、互いに異なる波長の光であっても、それぞれの伝播モードを波長の長短に関わらずシングルモードとし、さらにはピーク位置を微調整するなど、伝播モードに関するコントロールが可能になる。
【００２８】
狭義のＰＣＦとは、図４に例示するように、空孔ｈ１の周期的な配列と、その配列の周期性を破る配列（中心部の空孔ｈ２）とを有するものである。これらの配列によってフォトニックバンドギャップが生じ、光は、周期性を破る空孔コアに局在して伝播する。この原理に基づくＰＣＦは、フォトニックバンドギャップファイバとも呼ばれている。
ホーリーファイバは、必ずしも空孔の周期的な配列を持たず、全反射で導波するものをも含んでいるが、本発明が必要とする性質に応じて、偏波面保持性および／または断面形状の可変性が付与されたものであればよい。
ＰＣＦについては、特開平１０−９５６２８号公報などを参照してよい。
【００２９】
素子に接続すべきＰＣＦの寸法は限定されないが、当該装置が波長変換モジュールなどとして装置の組み立てに用いられ、単品としての取り扱い性が求められる場合には、ＰＣＦの長さは、数１０ｍｍ〜数１０ｍ程度が一例として挙げられる。
【００３０】
当該波長変換装置の最も基本的な動作は、▲１▼ポンプ光等の入射、▲２▼素子内での波長変換、▲３▼変換光等の出射である。
図１の装置では、素子１は差周波発生素子（ＤＦＧ素子）であって、ポンプ光Ｌ１（０．７７５μｍ）とシグナル光Ｌ２（１．５４μｍ）が予め合波されてＰＣＦ２に結合され、図２に示すように、ＰＣＦ２内においていずれもシングルモードとされかつピーク位置が互いに一致した状態とされてＤＦＧ素子１に接続される。ＤＦＧ素子１では、非線形光学効果と擬似位相整合とによって差周波光Ｌ３が発生する。また、図２に示すように、素子の光導波路の屈折率分布が調整されて、ポンプ光Ｌ１、シグナル光Ｌ２、差周波光Ｌ３の全ての最も強いピーク位置が互いにほぼ一致するようになっている。また、出射側のＰＣＦ３は、前記光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３がいずれもシングルモードでかつピーク位置が一致するように形成されており、素子側のピーク位置とも一致するように接続されているので、接続時の伝播損失は発生しない。
【００３１】
波長変換素子の基本的な構成自体は公知技術を参照してもよく、例えば、国際公開公報ＷＯ９７／１５８６３などに詳細に説明されているように、強誘電体結晶からなる基板に分極反転構造が形成されたものが挙げられる。導波路型のものは、さらに該分極反転構造を横切るように導波路が設けられる。
【００３２】
分極反転構造は、図３（ａ）、（ｂ）に一例を示すように、強誘電体結晶基板１１中の分極方向を局所的に反転させた構造であって、分極方向を反転させた反転領域Ｒ１と、もとの結晶基板の分極方向のままの非反転領域Ｎ１とが、所定の周期にてストライプ状に交互に並ぶように形成した構造である。
図３（ａ）は導波路型の例を示しており、結晶基板の表層に、分極反転構造を横切るように導波路１２が形成されている。また、図３（ｂ）はバルク型の例を示しており、結晶基板の基板面全体、厚さ全体にわたって分極反転構造が形成されており、光路に制限は無い。これら結晶基板に対して、波長変換すべき入力光Ｌ１０がＰＣＦによって入射され、該光Ｌ１０は、非反転領域と反転領域とを交互に通過することで、非線形光学効果、擬似位相整合によって波長変換され、出力光Ｌ２０となる。
【００３３】
強誘電体結晶は公知のものであってよく、例えば、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＸＡＴｉＯＸＢＯ４（ＸＡ＝Ｋ、Ｒｂ、Ｔｌ、Ｃｓ、ＸＢ＝Ｐ、Ａｓ）などの代表的なものや、これらにＭｇなどの種々の元素をドープしたものが挙げられる。
【００３４】
分極反転構造による波長変換には、上記差周波発生の他にも、和周波発生（ＳＦＧ）、光パラメトリック発振（ＯＰＯ）、光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）、第２高調波発生（ＳＨＧ）などが挙げられる。
【００３５】
光導波路型の波長変換素子の構造は公知技術を参照すればよいが、光導波路構造については、例えば、イオン交換法などによって光導波路部分の屈折率を周囲よりも高くした埋め込み型光導波路構造、該光導波路部分だけをリッジ状（尾根状）に残して周囲を除去したリッジ光導波路構造、表面に誘電体や金属を装荷した装荷型光導波路構造などが挙げられる。
【００３６】
波長変換素子が、図３（ｂ）で示したバルク型の素子の場合には、素子に対して共焦点（コンフォーカル）集光条件となるように入射光を集光し、結晶内での光の伝播モード形状をガウス分布とすることが高い変換効率を得るために望ましい。ガウシアン分布とは光の伝播方向（Ｚ方向）に直交する径方向（Ｘ方向、及びＹ方向）の光のエネルギー変化がガウス分布となるものである。これに対しＰＣＦは入射波長に依らずシングルモード伝播が可能であり、出射されるビームのモード形状は、通常の光ファイバと同じくガウス分布に近いため、バルク型素子の入射側に用いることで高い変換効率を得ることが可能である。
またＰＣＦとバルク素子の間に適宜レンズ類などの光学要素を設け、上記コンフォーカル集光条件を満たすことができる。コンフォーカル集光条件とは、素子内での入射光の最小ビーム半径ω０、素子長Ｌ、入射波長λ、屈折率ｎとした時に、ω０ ２＝λＬ／２πｎを満たすような集光条件である。またＰＣＦは入射側のみならず、出射側にも用いることが可能であり、バルク素子から出射光に対して、高い効率で光を結合することができる。
【００３７】
光導波路型の波長変換素子を用いる場合、従来公知の素子をそのまま用いてもよいが、光導波路の屈折率分布を制御して、伝播モードの断面形状を従来の楕円形から中心対象の円形に近づける態様が好ましい。
従来では、光導波路の伝播モードの断面形状は楕円形であり、深さ方向に対しては、表面付近の屈折率が高いために、表面近傍にピーク位置が近接し、ピーク位置も波長により異なっていた。また横方向に対しては、波長によりモードサイズが大きく異なっていた。
これに対して、光導波路の屈折率分布を制御することで、伝播モードの断面形状を円形化し、かつ円の中心付近の屈折率を高くすることにより、各波長の伝播モードのピーク位置を円の中心付近に集中させることができ、波長に依らずシングルモードに近い状態とすることができる。
【００３８】
また、光導波路中においては、入射光と変換光のピーク位置についても互いに一致させることが大切である。しかしながら、通常の波長変換では、入射光と変換光の波長差が非常に大きいため、素子中を伝播する際に屈折率の波長分散の違いにより、各波長の伝播モード（形状、ピーク位置）が異なり、伝播モードの重なりを大きくすることが難しく、変換効率改善の障害となっている。このような問題も、伝播モードの断面形状の円形化によって、改善することができる。
【００３９】
以上のように、ＰＣＦの採用とその作用に加えて、素子の光導波路の伝播モードの断面形状の円形化の作用により、接合部分でのピーク位置の一致による伝播損失の低減、素子内での入射光・変換光のピーク位置の一致による波長変換効率の改善がなされ、装置全体としての波長変換効率が大幅に向上する。
【００４０】
強誘電体結晶基板に光導波路を形成するに際し、その伝播モードの断面形状を略円形となるように形成する方法としては、プロトン交換により、通常の埋め込み型の光導波路を形成したのち、表面付近の高濃度のプロトンを抜き去る逆プロトン交換や、Ｔｉ拡散導波路により通常の埋め込み型の光導波路を形成したのち、ＭｇＯを追い拡散して低濃度領域を作るＭｇＯ拡散を行う方法があり、さらにこれらの逆プロトン交換やＭｇＯ追い拡散を施す前に、導波路の両側面を除去してリッジ導波路とした後、逆プロトン交換やＭｇＯ追い拡散する方法などが挙げられる。リッジ加工を施した後に逆プロトン交換やＭｇＯ追い拡散することで、より断面円形の伝播モード形状が得られやすくなる。
【００４１】
波長変換素子には、素子を一定温度に保つように、電子冷却素子などの温度制御手段を付与することが好ましい。これによって、常に安定な波長変換動作が可能となる。
【００４２】
本発明でいう「波長変換装置」は、１つの製品として独立したものだけでなく、いわゆるモジュール、ユニットなどと呼ばれる、製品の一部を構成する波長変換用部品の形態であってもよい。
当該装置は、波長変換素子の機能と、ＰＣＦの種々の機能とを組合わせることによって、単純な波長変換のみならず、種々の機能を有する装置として構成することが可能である。以下に、当該装置の構成例を挙げる。
【００４３】
〔構成例１：波長変換素子を連結したモジュール〕
図５の例は、同図の右側から順に、ＰＣＦ１０、ＳＨＧ素子２０、ＰＣＦ３０、ＤＦＧ素子４０、ＰＣＦ５０を直列的に連結した波長変換装置であって、前段のＳＨＧ素子２０により発生させたＳＨＧ光Ｌ１ｓを、後段のＤＦＣ素子４０でポンプ光として用いる構成である。
波長変換の過程を順に説明すると、ポンプ光Ｌ１（波長１．５５０μｍ）とシグナル光Ｌ２（波長１．５４μｍ）が、ＰＣＦ１０によってＳＨＧ素子２０に入射される。ＳＨＧ素子２０では、ポンプ光Ｌ１が、ＳＨＧ光Ｌ１ｓ（波長０．７７５μｍ）に変換され、シグナル光Ｌ２とＳＨＧ光Ｌ１ｓとが、ＰＣＦ３０によってＤＦＣ素子４０に入射される。ＤＦＣ素子４０では、ＳＨＧ光Ｌ１ｓが新たなポンプ光となり、シグナル光Ｌ２との差周波光Ｌ３（波長１．５６０μｍ）が発生する。ＰＣＦは両波長変換素子２０、４０の間、および素子と光源、素子と利用側の機器とを理想的なモード形状を維持して連結する役割を担っている。
【００４４】
〔構成例２：ＰＣＦに分散補償機能を付与したモジュール〕
図６の例は、ＤＦＧ素子を用いた光通信帯波長変換装置であって、パルス信号を長距離伝送するための装置である。同図の右側から順に、ＰＣＦ１１、ＤＦＧ素子２１、ＰＣＦ３１、通常のコア・クラッド型光ファイバ４１が直列的に連結されている。
同図の例では、パルス信号とされた２つの波長の光〔ポンプ光Ｌ１（波長０．７８μｍ）、シグナル光Ｌ２（波長１．５５μｍ）〕が、ＰＣＦ１１によってＤＦＧ素子２１に入射される。ＤＦＧ素子２１では、光Ｌ１と光Ｌ２とから、差周波光Ｌ３（１．５７μｍ）が発生し、差周波光Ｌ３と、シグナル光Ｌ２は、ＰＣＦ３１を通じて長距離伝送用光ファイバ４１へと伝達される。伝播モードのピーク位置を一致させている点は、図１と同様である。
【００４５】
従来の装置において、シグナル光と変換光とを長距離伝送を行った場合、長距離伝送に於ける光ファイバでの波長分散の影響により、波長によっては伝送速度が劣化し、長距離伝送後では信号の品質が劣化する。
そこで、本発明では、波長変換素子にＰＣＦを接続したことに伴い、入射側または出射側のうちの少なくとも一方のＰＣＦに、さらに波長分散を補償する機能（分散補償機能）を加えることを提案する。
【００４６】
例えば、図６に示すように、長距離伝送用光ファイバ４１において生じる前記光の波長分散を事前に補償しておくよう、ＰＣＦ３１に分散補償機能を持たせる。より具体的には、例えばＤＦＧ素子２１からＰＣＦ３１へ出射された２つのパルス光がＬ２（波長１．５５μｍ）、Ｌ３（波長１．５７ｍ）であり、長距離伝送用ファイバが正の分散値を有し、かつ分散傾斜の関係からＬ３の方が分散値が大きい場合、Ｌ２よりもＬ３の方に大きな負の分散を与えて分散補償するようにＰＣＦを設計する。
分散値の絶対値は伝送システムの仕様（長さ、伝送速度など）により適宜設計すれば良い。この事前の分散補償によって、光ファイバ４１を通じた長距離伝送後でも、光Ｌ２とＬ３の伝送波形に劣化が無く、かつ波長変換前後で信号の品質が保たれる。分散補償の対象となる波長は２つに限らず、広い波長域に渡って可能である。
【００４７】
〔構成例３：波長変換＋ＳＣ光発生モジュール〕
図７の例では、伝播モードのピーク位置の一致に加えて、波長変換素子２２の入射面に接続したＰＣＦ１２において、スーパコンティニューム光Ｌ２が発生するように構成した例である。
スーパコンティニューム光（以下、ＳＣ光）とは、図７の入射光Ｌ１としてスペクトル図を描いているように、広い波長域ｆにわたって連続的でフラットなスペクトルを持つ光である。ＳＣ光は、光通信の分野において、例えば、波長多重光通信用の多波長光源として、また超短パルス光源として用いられている。ＳＣ光については、例えば、Ｈ． Ｔａｋａｒａ他， Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ． Ｌｅｔｔｅｒｓ． ３６， ５９０（１９９９）に詳しく記載されている。
本発明では、波長変換素子にＰＣＦを接続したことに伴い、入射側のＰＣＦに、さらにＳＣ光発生機能を加えることを提案する。
【００４８】
図７の例では、ＰＣＦ１２において、波長１．５３μｍ〜１．５７μｍにわたってフラットなスペクトルを持つＳＣ光Ｌ２を発生させるべく、該ＰＣＦ１２をゼロ分散波長を１．５５μｍとしている。また、ＰＣＦでＳＣ光を発生させるように、入力光Ｌ１は、１．５５μｍとしている。
このように、ＳＣ光Ｌ２を波長変換素子２２に入射することで、広い波長範囲での波長変換動作（即ち、ＳＣ光Ｌ２の広い波長成分を用いての各種波長変換動作）が可能である。例えば、波長変換素子２２をＳＨＧ素子とした場合、ＳＣ光Ｌ２を入射することによって、素子２２で任意に設計された第２高調波光が発生する。また素子２２をＤＦＧ素子又はＳＦＧ素子とした場合には、ＳＣ光と同時にポンプ光を入射した際にはＳＣ光Ｌ２とポンプ光とにより、新たな波長領域で広いスペクトルが得られる。
【００４９】
本発明の装置の前段に接続される光源装置によっては、該光源装置から送られてくる光の偏光方向と、素子の光導波路の偏光方向（＝波長変換に係る結晶の分極方向）とが一致していない場合がある。
このような場合であっても、ＰＣＦ内では偏波面が全長にわたって一定に保存される性質（偏波面保持特性）を有するので、入射側にＰＣＦを接続しておけば、該ＰＣＦに捩じりを加えるだけで、光源からＰＣＦ内に入射する光の偏光方向を、簡単に素子の偏光方向と一致させて導波路内に入射させることができる。
【００５０】
また、ＰＣＦは、通常のファイバとは異なり、テーパ状に断面形状を変化させながらシングルモード伝播を維持することができるので、例えば、半導体レーザ（ＬＤ）光源と導波路型の波長変換素子との組合わせでは、ＬＤ側のコア径を大きくしてＬＤとの結合効率を上げ、素子側のコア径を小さくして光導波路モード形状に合わせるというように、ＰＣＦの伝播モード断面形状を長手方向に沿って変化させることができる。より具体的には、ＬＤ光源側の端面においては、該光源の開口数以上の開口数とし、素子側の端面においては、該素子の導波路の開口数以下の開口数となるように、光源側から素子側に向かって漸次細くなるテーパ状とする態様が挙げられる。これによって、光源とＰＣＦとの結合効率、ＰＣＦと素子との結合効率が十分に高められ、ＬＤ光源と、導波路型の波長変換素子との結合効率を向上させることができる。
【００５１】
【実施例】
以下に、波長変換素子とＰＣＦとを接続し、実際に波長変換装置を構成した例を示す。
実施例１
本実施例では、図１に示すように、光導波路型のＤＦＧ素子の入出射端面にそれぞれＰＣＦを接続して差周波発生モジュールを構成した。
波長変換素子は、図３（ａ）に示すように、ＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１に分極反転構造（反転周期１７．４μｍ）を形成してなる分極反転結晶であって、表面に帯状の光導波路１２が形成されている。素子の全長は３０ｍｍ、光導波路モードサイズ（横×縦）は１４．２μｍ×１２．５μｍである。
ポンプ光として波長７８３ｎｍ、シグナル光として波長１５３０〜１５５５ｎｍの（選択して入射）光を用いるものとした。
ＰＣＦは、波長１５５０ｎｍおよび７８０ｎｍの光の伝播モードが共に同心円状のシングルモードでありかつモード径が約１５μｍとなるように形成し、保存される垂直及び水平の偏光に対する消光比は３０ｄＢ以上である。
【００５２】
ポンプ光、シグナル光を、ＰＣＦ２を通して素子１に入射し、差周波発生を行い、ＰＣＦ３を通して変換光（波長１６０４〜１５７７ｎｍ）を取り出したところ、ポンプ光入力２ｍＷ、シグナル光入力１０ｍＷに対して、取り出された変換光は、０．１ｍＷであり、−２０ｄＢの変換効率であることがわかった。
【００５３】
比較例１
上記実施例１のＰＣＦ２、ＰＣＦ３に代えて、従来のコア・クラッド型光ファイバ（コア径１５μｍ）を用いたこと以外は、上記実施例１と同様に、波長変換装置を構成した。
上記実施例１と同様に、ポンプ光、シグナル光を、光ファイバを通して素子に入射し、差周波発生を行い、光ファイバを通して変換光を取り出したところ、ポンプ光入力２ｍＷ、シグナル光入力１０ｍＷに対して、取り出された変換光は、１０μＷ、変換効率−３０ｄＢであることがわかった。
実施例１、比較例１の結果から、接続部分における伝播損失がＰＣＦによって改善され、装置全体としての波長変換効率が改善されていることがわかった。
【００５４】
実施例２
本実施例では、上記実施例１におけるＤＦＧ素子の光導波路の屈折率分布を断面円形の同心円状に変えたこと以外は、上記実施例１と同様に、波長変換装置を構成した。
【００５５】
光導波路の屈折率分布を断面円形に加工する手順は次のとおりである。
先ず、電圧印加法によりＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３結晶基板上に、周期１７．４μｍの分極反転構造を形成し、さらに安息香酸を用いたプロトン交換法により長さ３０ｍｍの光導波路を形成した。次に、形成した光導波路に対して、硝酸リチウムと硝酸ナトリウムと硝酸カリウムとの混合物により逆プロトン交換を行い、これによって、光導波路の屈折率分布形状を断面円形の同心円状とした。これにより、ポンプ光、シグナル光、変換光のそれぞれの伝播モードのピーク位置は、中心軸線の付近に集合し、シングルモードに近い伝播を行うようになった。
【００５６】
ポンプ光、シグナル光を、ＰＣＦ２を通して素子１に入射し、差周波発生を行い、ＰＣＦ３を通して変換光（波長１６０４〜１５７７ｎｍ）を取り出したところ、ポンプ光入力２ｍＷ、シグナル光入力１０ｍＷに対して、取り出された変換光は、０．２ｍＷであり、−１７ｄＢの変換効率であることがわかった。
実施例１との比較から、素子の光導波路のコアの断面円形化によって、各波長の伝播モードのピーク位置を円の中心付近に集中させることができ、実施例１に比べてさらに入射光と導波路の伝播モードの結合が改善され、変換効率が向上することがわかった。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、波長変換素子とＰＣＦとを接続し、伝播モードのピーク位置を一致させることによって、伝播損失が減少し、波長変換効率をより高めることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置構成の一例を概略的に示す断面図である。同図では、伝播する光を、わかり易い様に、装置の外側に矢印Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３で示している。これと同様に、図５、６、７、８においても、波形の変化等を装置の外側に描いている。また、分極反転構造は、ハッチングによって象徴的にストライプ模様として示しており、また、基板表層の光導波路にもハッチングを施して、両者が結晶の同じ部位を共有しながら交差していることを模式的に表現している。他の図５、６、７、８においても同様である。
【図２】本発明の装置における、素子とＰＣＦとの接続部分を拡大した断面図であって、ピーク位置が１つの軸線上で一致している状態を表している。同図では、各光の伝播モードを、実線（入射光Ｌ１）、破線（入射光Ｌ２）、一点鎖線（変換光Ｌ３）で示し、各伝播モードを明確に見せるために、これらを伝播方向にずらせて描いている。また、素子は、途中の部分を省略している。
【図３】本発明に用いられる波長変換素子の例を模式的に示す斜視図である。
【図４】本発明に用いられるＰＣＦの構造例を模式的に示すファイバ断面（光軸に垂直な断面）図である。
【図５】本発明において、素子とＰＣＦとの組合わせ例を示す図である。
【図６】本発明において、素子とＰＣＦとの組合わせ例を示す図である。
【図７】本発明において、素子とＰＣＦとの組合わせ例を示す図である。
【図８】従来の素子と光ファイバとの接続構成を示す図である。
【図９】従来の素子と光ファイバとの接続部分を拡大して示した図である。同図では、図１と同様に、各伝播モードを実線（Ｌ１１）、破線（Ｌ１２）にて描き、両者を伝播方向にずらせて表現している。
【符号の説明】
１ 波長変換素子
２、３ フォトニック結晶ファイバ
Ｌ１、Ｌ２ 入射光
Ｌ３ 変換光
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長変換素子（以下、単に「素子」ともいう）を用いた装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路型の波長変換素子に光を入射し、波長変換された光（変換光）を出射させる場合には、図８に示すように、波長変換素子１００の入射面、出射面に、それぞれ光ファイバ２００、３００を接続する構成が採用される。
図８の例は、光ファイバ２００を通して２つの入射光（ポンプ光Ｌ１１、シグナル光Ｌ１２）を素子１００に入射し、波長変換として差周波発生を行い、差周波光Ｌ２０、入射光Ｌ１１、Ｌ１２を、光ファイバ３００を通して出射する構成である。
【０００３】
光導波路型の波長変換素子１００は、強誘電体結晶基板１１０の表層に帯状の光導波路１２０を形成し、かつ該光導波路１２０に重複させて周期的分極反転構造（以下、分極反転構造ともいう）を形成し、差周波発生可能としたものである。図８では、分極反転構造をハッチングによって象徴的にストライプ模様として示しており、光導波路１２０にもハッチングを施して、両者が結晶の同じ部位を共有していることを示している。
【０００４】
各光の波長は、ポンプ光Ｌ１１（０．７７５μｍ）、シグナル光Ｌ１２（１．５４μｍ）、差周波光Ｌ２０（１．５６μｍ）であって、接続される両光ファイバ２００、３００には、波長１．５５μｍ帯シングルモードファイバが用いられる。
【０００５】
上記のような構成において、ポンプ光Ｌ１１とシグナル光Ｌ１２は、予めファイバカプラー等で合波されて１本の光ファイバ２００に結合され、素子１００の光導波路１２０に導かれる。素子内では、非線形光学効果と擬似位相整合とによって差周波光Ｌ２０が発生し、入射光Ｌ１１、Ｌ１２と共に、出射側の光ファイバ３００を通して、出力される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者等が、素子と光ファイバとの接続面での光の受け渡しについて検討したところ、素子と光ファイバとの接続構造特有の次のような問題が存在することがわかった。
即ち、差周波発生のように２つの入射光が入射する場合、波長変換効率をより高める為には、光導波路中において、２つの入射光の各伝播モードの電界強度のピーク位置を互いにできる限り一致させることが重要である（以下、伝播モードの電界強度のピーク位置を、単に「ピーク位置」とも言う）。この点を鑑みて、素子の光導波路は、屈折率分布を制御して形成されており、図９に示すように、光導波路１２０内では、２つの入射光Ｌ１１、Ｌ１２の各々の最も強いピーク位置は、深さ方向については、ほぼ同じ軸線上に一致して伝播する様になっている（ただし、光導波路のモード形状は通常は楕円形であって、幅方向には必ずしも一致してはいない）。
【０００７】
しかし、従来接続されている光ファイバ２００については、波長の異なる２つの入射光Ｌ１１、Ｌ１２のピーク位置を、ファイバ内で互いに一致させることは困難であり、全く検討されてはいない。図９に示すように、光ファイバ２００内では、波長の短いポンプ光Ｌ１１（０．７７５μｍ）の伝播モードは双頭のピーク（実線）を呈し、波長の長いシグナル光Ｌ１２（１．５４μｍ）の伝播モードは単一のピーク（破線）を呈する。
【０００８】
図９のように、ピーク位置が互いにずれた状態で入射光Ｌ１１、Ｌ１２が素子内に入射すると、必ず一方の光が光導波路のピーク位置に合わないために伝播損失（モード変換ロス）が生じ、波長変換効率が低下する。光ファイバ内に複数のピークがあるために、この問題を、素子と光ファイバとの単純な位置合わせだけで解決することは困難である。
また、ピーク位置が互いにずれた状態で２つの入射光が素子内に入射した場合、光導波路内でのモード変換の作用によって、入射面から特定の距離まで進んだ時点で両ピーク位置は互いに一致するように修正される。しかし、そのようなピーク位置の一致に必要な距離は、製品として長さが制限される波長変換素子にとっては大きな無駄であり、コンパクト化の障害にもなる。
【０００９】
上記のような接続部分におけるピーク位置の不一致の問題は、入射光が複数の場合だけでなく、単一波長の場合であっても同様に生じる問題である。例えば、１つのポンプ光でも、入射波長により、図９に示すように、光ファイバ１０内と、光導波路１２０内とでは、伝播モードのピーク形状が互いに全く異なるために、素子と光ファイバとの単純な位置合わせでは、ピーク位置を一致させることが困難である。
【００１０】
また、入射側の光ファイバと素子との関係だけでなく、出射側の光ファイバと素子との関係においても、上記と全く同様の問題が存在し、両者のピーク位置が互いに一致しないことによって伝播損失が生じ、最終的に得られる出力は低下する。
【００１１】
本発明の課題は、上記問題を解決し、波長変換素子と光ファイバと接続した構成を有する従来の波長変換装置を改善して、波長変換効率をより高めることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は以下の特徴を有するものである。
（１）波長変換素子の入射面および／または出射面にフォトニック結晶ファイバが接続された構成を有することを特徴とし、かつ、前記の波長変換素子とフォトニック結晶ファイバのうち、少なくともフォトニック結晶ファイバが、下記（Ａ）の条件を満たすように形成されていることを特徴とする、波長変換装置。
【００１３】
（Ａ）波長変換素子とフォトニック結晶ファイバとの接続面において、受け渡しすべき光の伝播モードのピーク位置が、互いに一致すること。
【００１４】
（２）上記（Ａ）の条件における伝播モードがシングルモードであって、フォトニック結晶ファイバに加えて波長変換素子が上記（Ａ）の条件を満たすように形成されている、上記（１）記載の波長変換装置。
【００１５】
（３）上記（Ａ）の条件における受け渡しすべき光が、２以上の波長を含む光である、上記（１）または（２）記載の波長変換装置。
【００１６】
（４）波長変換素子が光導波路型の素子であり、入射面および出射面が光導波路の端面であって、該光導波路は、伝播モードの断面形状が円形を呈するように形成され、フォトニック結晶ファイバは、該ファイバを受け渡しすべき光の伝播モードが断面円形を呈するシングルモードとなるように形成されている、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の波長変換装置。
【００１７】
（５）波長変換素子が２以上の波長を含む光を出射する素子であり、波長変換素子の入射面および／または出射面に接続されたフォトニック結晶ファイバのうちの少なくとも一方が、前記２以上の波長の光の波長分散を補償するように形成されている、上記（１）記載の波長変換装置。
【００１８】
（６）フォトニック結晶ファイバが少なくとも入射面に接続され、該フォトニック結晶ファイバは、さらに、スーパコンティニューム光を発生させ得るように形成されており、波長変換素子は、入射する前記スーパコンティニューム光から新たな波長の光を発生させ得るように形成されている、上記（１）記載の波長変換装置。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、差周波発生を行うように形成された波長変換素子を用いて当該装置を構成した場合を例として、本発明を説明する。
本発明による波長変換装置は、図１に示すように、波長変換素子１と、該素子の入射面および／または出射面に接続された光ファイバとを有し、該光ファイバが、フォトニック結晶ファイバ（以下、「ＰＣＦ」ともいう）であることを基本的な特徴とする。ＰＣＦは、素子の入射面・出射面のうちのいずれか一方だけに接続される態様であってもよいが、ＰＣＦの特徴を充分に利用する点では、両方に接続するのが好ましい態様である。図１の例では、入射面にＰＣＦ２、出射面にＰＣＦ３が接続されている。
【００２０】
当該装置のさらなる基本的な特徴は、素子とＰＣＦのうち、少なくともＰＣＦが、上記（Ａ）の条件を満たすように形成されている点である。即ち、図２に、入射側・出射側の接続部を拡大して示すように、素子１とＰＣＦ２との接続面、および／または、素子１とＰＣＦ３との接続面において、それぞれ受け渡しされる光のピーク位置が、素子とＰＣＦとで互いに一致するようにＰＣＦ２、ＰＣＦ３が形成されていることが重要である。
【００２１】
上記構成によって、例えば、入射側の接続面では、入射光Ｌ１、Ｌ２の両方共に、ピーク位置が素子とＰＣＦとで互いに一致しており、伝播損失が生じることもなく、波長変換効率が向上する。また、素子内で両入射光のピーク位置を一致させるための無駄な光導波路距離を確保する必要も無くなる。
【００２２】
また、一般的な素子の光導波路のコア断面形状（または伝播モードの断面形状）である楕円形に合わせて、ＰＣＦの伝播モードの断面形状を楕円形にすることも可能であり、さらには後述のように、光導波路のコア断面形状（または伝播モードの断面形状）を円形とし、これに合わせてＰＣＦの伝播モードの断面形状を円形にすることも可能である。これらによって、接続部での結合効率をより向上させることができる。また出射側のＰＣＦでは、波長差による影響が無い形で光出力が得られ、伝播損失が低減する。
【００２３】
ここで、伝播モードの断面形状とは、伝播光によって伝播モードとして生じている電界強度分布を、光導波路の光路（光軸）に垂直な断面で見たときの該分布の形状である。
【００２４】
上記（Ａ）の条件における伝播モードは、ピークが１点に集中するシングルモードとすることが好ましく、これにより伝播損失が低減し、また波長変換素子に対して光パワー密度を高く保った状態で結合することができる。
また、上記（Ａ）の条件における受け渡しすべき光は、第二高調波発生の入射光の場合のように、１つの波長の光（スペクトルの波形を見たときに１つの波長に強度のピークを持つ光）だけであってもよいが、図１の例のように、２以上の波長を含む光（スペクトルの波形を見たときに２以上の波長に強度のピークを持つ光）を受け渡しするような場合には、波長の長短によって伝播モードのピーク位置のずれが大きな問題となるので、それを解消する本発明の有用性は特に顕著となる。
【００２５】
ＰＣＦは、シングルモードが保存される形で素子との接続部のコア径を拡大することが可能であることから、素子との結合効率を向上させることができ、これにより変換効率も高くなる。
【００２６】
ＰＣＦは、近年報告された光ファイバの一種であって、短波長域でコア径を大きくしてもシングルモード伝播が可能であることから、もっぱら短波長域のエネルギー伝送用として検討されている。本発明者等は、素子と光ファイバとの接続部分に存在する波長変換装置独特の問題点（伝播モードのピーク位置の不一致）に着目し、また一方で、ＰＣＦが、通常のファイバ（屈折率分布を内部に形成したもの）とは異なり、伝播モードをそのピーク位置をも含めて自在に変化させ得る点に着目している。そして、図１の構成のように、ＰＣＦを波長変換素子の入出力用ファイバとして適用することに想到し、ＰＣＦの前記特徴によってピーク位置を一致させ、上記接続部分の問題点を解決している。
【００２７】
本発明でいうＰＣＦには、狭義のフォトニック結晶ファイバ（後述）のみならず、所謂、ホーリーファイバ（微細構造ファイバ）をも含めるものとする。いずれの態様でも、空孔がファイバ内に長手方向に沿って延びており、この空孔によって、例えば、互いに異なる波長の光であっても、それぞれの伝播モードを波長の長短に関わらずシングルモードとし、さらにはピーク位置を微調整するなど、伝播モードに関するコントロールが可能になる。
【００２８】
狭義のＰＣＦとは、図４に例示するように、空孔ｈ１の周期的な配列と、その配列の周期性を破る配列（中心部の空孔ｈ２）とを有するものである。これらの配列によってフォトニックバンドギャップが生じ、光は、周期性を破る空孔コアに局在して伝播する。この原理に基づくＰＣＦは、フォトニックバンドギャップファイバとも呼ばれている。
ホーリーファイバは、必ずしも空孔の周期的な配列を持たず、全反射で導波するものをも含んでいるが、本発明が必要とする性質に応じて、偏波面保持性および／または断面形状の可変性が付与されたものであればよい。
ＰＣＦについては、特開平１０−９５６２８号公報などを参照してよい。
【００２９】
素子に接続すべきＰＣＦの寸法は限定されないが、当該装置が波長変換モジュールなどとして装置の組み立てに用いられ、単品としての取り扱い性が求められる場合には、ＰＣＦの長さは、数１０ｍｍ〜数１０ｍ程度が一例として挙げられる。
【００３０】
当該波長変換装置の最も基本的な動作は、▲１▼ポンプ光等の入射、▲２▼素子内での波長変換、▲３▼変換光等の出射である。
図１の装置では、素子１は差周波発生素子（ＤＦＧ素子）であって、ポンプ光Ｌ１（０．７７５μｍ）とシグナル光Ｌ２（１．５４μｍ）が予め合波されてＰＣＦ２に結合され、図２に示すように、ＰＣＦ２内においていずれもシングルモードとされかつピーク位置が互いに一致した状態とされてＤＦＧ素子１に接続される。ＤＦＧ素子１では、非線形光学効果と擬似位相整合とによって差周波光Ｌ３が発生する。また、図２に示すように、素子の光導波路の屈折率分布が調整されて、ポンプ光Ｌ１、シグナル光Ｌ２、差周波光Ｌ３の全ての最も強いピーク位置が互いにほぼ一致するようになっている。また、出射側のＰＣＦ３は、前記光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３がいずれもシングルモードでかつピーク位置が一致するように形成されており、素子側のピーク位置とも一致するように接続されているので、接続時の伝播損失は発生しない。
【００３１】
波長変換素子の基本的な構成自体は公知技術を参照してもよく、例えば、国際公開公報ＷＯ９７／１５８６３などに詳細に説明されているように、強誘電体結晶からなる基板に分極反転構造が形成されたものが挙げられる。導波路型のものは、さらに該分極反転構造を横切るように導波路が設けられる。
【００３２】
分極反転構造は、図３（ａ）、（ｂ）に一例を示すように、強誘電体結晶基板１１中の分極方向を局所的に反転させた構造であって、分極方向を反転させた反転領域Ｒ１と、もとの結晶基板の分極方向のままの非反転領域Ｎ１とが、所定の周期にてストライプ状に交互に並ぶように形成した構造である。
図３（ａ）は導波路型の例を示しており、結晶基板の表層に、分極反転構造を横切るように導波路１２が形成されている。また、図３（ｂ）はバルク型の例を示しており、結晶基板の基板面全体、厚さ全体にわたって分極反転構造が形成されており、光路に制限は無い。これら結晶基板に対して、波長変換すべき入力光Ｌ１０がＰＣＦによって入射され、該光Ｌ１０は、非反転領域と反転領域とを交互に通過することで、非線形光学効果、擬似位相整合によって波長変換され、出力光Ｌ２０となる。
【００３３】
強誘電体結晶は公知のものであってよく、例えば、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＸＡＴｉＯＸＢＯ４（ＸＡ＝Ｋ、Ｒｂ、Ｔｌ、Ｃｓ、ＸＢ＝Ｐ、Ａｓ）などの代表的なものや、これらにＭｇなどの種々の元素をドープしたものが挙げられる。
【００３４】
分極反転構造による波長変換には、上記差周波発生の他にも、和周波発生（ＳＦＧ）、光パラメトリック発振（ＯＰＯ）、光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）、第２高調波発生（ＳＨＧ）などが挙げられる。
【００３５】
光導波路型の波長変換素子の構造は公知技術を参照すればよいが、光導波路構造については、例えば、イオン交換法などによって光導波路部分の屈折率を周囲よりも高くした埋め込み型光導波路構造、該光導波路部分だけをリッジ状（尾根状）に残して周囲を除去したリッジ光導波路構造、表面に誘電体や金属を装荷した装荷型光導波路構造などが挙げられる。
【００３６】
波長変換素子が、図３（ｂ）で示したバルク型の素子の場合には、素子に対して共焦点（コンフォーカル）集光条件となるように入射光を集光し、結晶内での光の伝播モード形状をガウス分布とすることが高い変換効率を得るために望ましい。ガウシアン分布とは光の伝播方向（Ｚ方向）に直交する径方向（Ｘ方向、及びＹ方向）の光のエネルギー変化がガウス分布となるものである。これに対しＰＣＦは入射波長に依らずシングルモード伝播が可能であり、出射されるビームのモード形状は、通常の光ファイバと同じくガウス分布に近いため、バルク型素子の入射側に用いることで高い変換効率を得ることが可能である。
またＰＣＦとバルク素子の間に適宜レンズ類などの光学要素を設け、上記コンフォーカル集光条件を満たすことができる。コンフォーカル集光条件とは、素子内での入射光の最小ビーム半径ω０、素子長Ｌ、入射波長λ、屈折率ｎとした時に、ω０ ２＝λＬ／２πｎを満たすような集光条件である。またＰＣＦは入射側のみならず、出射側にも用いることが可能であり、バルク素子から出射光に対して、高い効率で光を結合することができる。
【００３７】
光導波路型の波長変換素子を用いる場合、従来公知の素子をそのまま用いてもよいが、光導波路の屈折率分布を制御して、伝播モードの断面形状を従来の楕円形から中心対象の円形に近づける態様が好ましい。
従来では、光導波路の伝播モードの断面形状は楕円形であり、深さ方向に対しては、表面付近の屈折率が高いために、表面近傍にピーク位置が近接し、ピーク位置も波長により異なっていた。また横方向に対しては、波長によりモードサイズが大きく異なっていた。
これに対して、光導波路の屈折率分布を制御することで、伝播モードの断面形状を円形化し、かつ円の中心付近の屈折率を高くすることにより、各波長の伝播モードのピーク位置を円の中心付近に集中させることができ、波長に依らずシングルモードに近い状態とすることができる。
【００３８】
また、光導波路中においては、入射光と変換光のピーク位置についても互いに一致させることが大切である。しかしながら、通常の波長変換では、入射光と変換光の波長差が非常に大きいため、素子中を伝播する際に屈折率の波長分散の違いにより、各波長の伝播モード（形状、ピーク位置）が異なり、伝播モードの重なりを大きくすることが難しく、変換効率改善の障害となっている。このような問題も、伝播モードの断面形状の円形化によって、改善することができる。
【００３９】
以上のように、ＰＣＦの採用とその作用に加えて、素子の光導波路の伝播モードの断面形状の円形化の作用により、接合部分でのピーク位置の一致による伝播損失の低減、素子内での入射光・変換光のピーク位置の一致による波長変換効率の改善がなされ、装置全体としての波長変換効率が大幅に向上する。
【００４０】
強誘電体結晶基板に光導波路を形成するに際し、その伝播モードの断面形状を略円形となるように形成する方法としては、プロトン交換により、通常の埋め込み型の光導波路を形成したのち、表面付近の高濃度のプロトンを抜き去る逆プロトン交換や、Ｔｉ拡散導波路により通常の埋め込み型の光導波路を形成したのち、ＭｇＯを追い拡散して低濃度領域を作るＭｇＯ拡散を行う方法があり、さらにこれらの逆プロトン交換やＭｇＯ追い拡散を施す前に、導波路の両側面を除去してリッジ導波路とした後、逆プロトン交換やＭｇＯ追い拡散する方法などが挙げられる。リッジ加工を施した後に逆プロトン交換やＭｇＯ追い拡散することで、より断面円形の伝播モード形状が得られやすくなる。
【００４１】
波長変換素子には、素子を一定温度に保つように、電子冷却素子などの温度制御手段を付与することが好ましい。これによって、常に安定な波長変換動作が可能となる。
【００４２】
本発明でいう「波長変換装置」は、１つの製品として独立したものだけでなく、いわゆるモジュール、ユニットなどと呼ばれる、製品の一部を構成する波長変換用部品の形態であってもよい。
当該装置は、波長変換素子の機能と、ＰＣＦの種々の機能とを組合わせることによって、単純な波長変換のみならず、種々の機能を有する装置として構成することが可能である。以下に、当該装置の構成例を挙げる。
【００４３】
〔構成例１：波長変換素子を連結したモジュール〕
図５の例は、同図の右側から順に、ＰＣＦ１０、ＳＨＧ素子２０、ＰＣＦ３０、ＤＦＧ素子４０、ＰＣＦ５０を直列的に連結した波長変換装置であって、前段のＳＨＧ素子２０により発生させたＳＨＧ光Ｌ１ｓを、後段のＤＦＣ素子４０でポンプ光として用いる構成である。
波長変換の過程を順に説明すると、ポンプ光Ｌ１（波長１．５５０μｍ）とシグナル光Ｌ２（波長１．５４μｍ）が、ＰＣＦ１０によってＳＨＧ素子２０に入射される。ＳＨＧ素子２０では、ポンプ光Ｌ１が、ＳＨＧ光Ｌ１ｓ（波長０．７７５μｍ）に変換され、シグナル光Ｌ２とＳＨＧ光Ｌ１ｓとが、ＰＣＦ３０によってＤＦＣ素子４０に入射される。ＤＦＣ素子４０では、ＳＨＧ光Ｌ１ｓが新たなポンプ光となり、シグナル光Ｌ２との差周波光Ｌ３（波長１．５６０μｍ）が発生する。ＰＣＦは両波長変換素子２０、４０の間、および素子と光源、素子と利用側の機器とを理想的なモード形状を維持して連結する役割を担っている。
【００４４】
〔構成例２：ＰＣＦに分散補償機能を付与したモジュール〕
図６の例は、ＤＦＧ素子を用いた光通信帯波長変換装置であって、パルス信号を長距離伝送するための装置である。同図の右側から順に、ＰＣＦ１１、ＤＦＧ素子２１、ＰＣＦ３１、通常のコア・クラッド型光ファイバ４１が直列的に連結されている。
同図の例では、パルス信号とされた２つの波長の光〔ポンプ光Ｌ１（波長０．７８μｍ）、シグナル光Ｌ２（波長１．５５μｍ）〕が、ＰＣＦ１１によってＤＦＧ素子２１に入射される。ＤＦＧ素子２１では、光Ｌ１と光Ｌ２とから、差周波光Ｌ３（１．５７μｍ）が発生し、差周波光Ｌ３と、シグナル光Ｌ２は、ＰＣＦ３１を通じて長距離伝送用光ファイバ４１へと伝達される。伝播モードのピーク位置を一致させている点は、図１と同様である。
【００４５】
従来の装置において、シグナル光と変換光とを長距離伝送を行った場合、長距離伝送に於ける光ファイバでの波長分散の影響により、波長によっては伝送速度が劣化し、長距離伝送後では信号の品質が劣化する。
そこで、本発明では、波長変換素子にＰＣＦを接続したことに伴い、入射側または出射側のうちの少なくとも一方のＰＣＦに、さらに波長分散を補償する機能（分散補償機能）を加えることを提案する。
【００４６】
例えば、図６に示すように、長距離伝送用光ファイバ４１において生じる前記光の波長分散を事前に補償しておくよう、ＰＣＦ３１に分散補償機能を持たせる。より具体的には、例えばＤＦＧ素子２１からＰＣＦ３１へ出射された２つのパルス光がＬ２（波長１．５５μｍ）、Ｌ３（波長１．５７ｍ）であり、長距離伝送用ファイバが正の分散値を有し、かつ分散傾斜の関係からＬ３の方が分散値が大きい場合、Ｌ２よりもＬ３の方に大きな負の分散を与えて分散補償するようにＰＣＦを設計する。
分散値の絶対値は伝送システムの仕様（長さ、伝送速度など）により適宜設計すれば良い。この事前の分散補償によって、光ファイバ４１を通じた長距離伝送後でも、光Ｌ２とＬ３の伝送波形に劣化が無く、かつ波長変換前後で信号の品質が保たれる。分散補償の対象となる波長は２つに限らず、広い波長域に渡って可能である。
【００４７】
〔構成例３：波長変換＋ＳＣ光発生モジュール〕
図７の例では、伝播モードのピーク位置の一致に加えて、波長変換素子２２の入射面に接続したＰＣＦ１２において、スーパコンティニューム光Ｌ２が発生するように構成した例である。
スーパコンティニューム光（以下、ＳＣ光）とは、図７の入射光Ｌ１としてスペクトル図を描いているように、広い波長域ｆにわたって連続的でフラットなスペクトルを持つ光である。ＳＣ光は、光通信の分野において、例えば、波長多重光通信用の多波長光源として、また超短パルス光源として用いられている。ＳＣ光については、例えば、Ｈ． Ｔａｋａｒａ他， Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ． Ｌｅｔｔｅｒｓ． ３６， ５９０（１９９９）に詳しく記載されている。
本発明では、波長変換素子にＰＣＦを接続したことに伴い、入射側のＰＣＦに、さらにＳＣ光発生機能を加えることを提案する。
【００４８】
図７の例では、ＰＣＦ１２において、波長１．５３μｍ〜１．５７μｍにわたってフラットなスペクトルを持つＳＣ光Ｌ２を発生させるべく、該ＰＣＦ１２をゼロ分散波長を１．５５μｍとしている。また、ＰＣＦでＳＣ光を発生させるように、入力光Ｌ１は、１．５５μｍとしている。
このように、ＳＣ光Ｌ２を波長変換素子２２に入射することで、広い波長範囲での波長変換動作（即ち、ＳＣ光Ｌ２の広い波長成分を用いての各種波長変換動作）が可能である。例えば、波長変換素子２２をＳＨＧ素子とした場合、ＳＣ光Ｌ２を入射することによって、素子２２で任意に設計された第２高調波光が発生する。また素子２２をＤＦＧ素子又はＳＦＧ素子とした場合には、ＳＣ光と同時にポンプ光を入射した際にはＳＣ光Ｌ２とポンプ光とにより、新たな波長領域で広いスペクトルが得られる。
【００４９】
本発明の装置の前段に接続される光源装置によっては、該光源装置から送られてくる光の偏光方向と、素子の光導波路の偏光方向（＝波長変換に係る結晶の分極方向）とが一致していない場合がある。
このような場合であっても、ＰＣＦ内では偏波面が全長にわたって一定に保存される性質（偏波面保持特性）を有するので、入射側にＰＣＦを接続しておけば、該ＰＣＦに捩じりを加えるだけで、光源からＰＣＦ内に入射する光の偏光方向を、簡単に素子の偏光方向と一致させて導波路内に入射させることができる。
【００５０】
また、ＰＣＦは、通常のファイバとは異なり、テーパ状に断面形状を変化させながらシングルモード伝播を維持することができるので、例えば、半導体レーザ（ＬＤ）光源と導波路型の波長変換素子との組合わせでは、ＬＤ側のコア径を大きくしてＬＤとの結合効率を上げ、素子側のコア径を小さくして光導波路モード形状に合わせるというように、ＰＣＦの伝播モード断面形状を長手方向に沿って変化させることができる。より具体的には、ＬＤ光源側の端面においては、該光源の開口数以上の開口数とし、素子側の端面においては、該素子の導波路の開口数以下の開口数となるように、光源側から素子側に向かって漸次細くなるテーパ状とする態様が挙げられる。これによって、光源とＰＣＦとの結合効率、ＰＣＦと素子との結合効率が十分に高められ、ＬＤ光源と、導波路型の波長変換素子との結合効率を向上させることができる。
【００５１】
【実施例】
以下に、波長変換素子とＰＣＦとを接続し、実際に波長変換装置を構成した例を示す。
実施例１
本実施例では、図１に示すように、光導波路型のＤＦＧ素子の入出射端面にそれぞれＰＣＦを接続して差周波発生モジュールを構成した。
波長変換素子は、図３（ａ）に示すように、ＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１に分極反転構造（反転周期１７．４μｍ）を形成してなる分極反転結晶であって、表面に帯状の光導波路１２が形成されている。素子の全長は３０ｍｍ、光導波路モードサイズ（横×縦）は１４．２μｍ×１２．５μｍである。
ポンプ光として波長７８３ｎｍ、シグナル光として波長１５３０〜１５５５ｎｍの（選択して入射）光を用いるものとした。
ＰＣＦは、波長１５５０ｎｍおよび７８０ｎｍの光の伝播モードが共に同心円状のシングルモードでありかつモード径が約１５μｍとなるように形成し、保存される垂直及び水平の偏光に対する消光比は３０ｄＢ以上である。
【００５２】
ポンプ光、シグナル光を、ＰＣＦ２を通して素子１に入射し、差周波発生を行い、ＰＣＦ３を通して変換光（波長１６０４〜１５７７ｎｍ）を取り出したところ、ポンプ光入力２ｍＷ、シグナル光入力１０ｍＷに対して、取り出された変換光は、０．１ｍＷであり、−２０ｄＢの変換効率であることがわかった。
【００５３】
比較例１
上記実施例１のＰＣＦ２、ＰＣＦ３に代えて、従来のコア・クラッド型光ファイバ（コア径１５μｍ）を用いたこと以外は、上記実施例１と同様に、波長変換装置を構成した。
上記実施例１と同様に、ポンプ光、シグナル光を、光ファイバを通して素子に入射し、差周波発生を行い、光ファイバを通して変換光を取り出したところ、ポンプ光入力２ｍＷ、シグナル光入力１０ｍＷに対して、取り出された変換光は、１０μＷ、変換効率−３０ｄＢであることがわかった。
実施例１、比較例１の結果から、接続部分における伝播損失がＰＣＦによって改善され、装置全体としての波長変換効率が改善されていることがわかった。
【００５４】
実施例２
本実施例では、上記実施例１におけるＤＦＧ素子の光導波路の屈折率分布を断面円形の同心円状に変えたこと以外は、上記実施例１と同様に、波長変換装置を構成した。
【００５５】
光導波路の屈折率分布を断面円形に加工する手順は次のとおりである。
先ず、電圧印加法によりＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３結晶基板上に、周期１７．４μｍの分極反転構造を形成し、さらに安息香酸を用いたプロトン交換法により長さ３０ｍｍの光導波路を形成した。次に、形成した光導波路に対して、硝酸リチウムと硝酸ナトリウムと硝酸カリウムとの混合物により逆プロトン交換を行い、これによって、光導波路の屈折率分布形状を断面円形の同心円状とした。これにより、ポンプ光、シグナル光、変換光のそれぞれの伝播モードのピーク位置は、中心軸線の付近に集合し、シングルモードに近い伝播を行うようになった。
【００５６】
ポンプ光、シグナル光を、ＰＣＦ２を通して素子１に入射し、差周波発生を行い、ＰＣＦ３を通して変換光（波長１６０４〜１５７７ｎｍ）を取り出したところ、ポンプ光入力２ｍＷ、シグナル光入力１０ｍＷに対して、取り出された変換光は、０．２ｍＷであり、−１７ｄＢの変換効率であることがわかった。
実施例１との比較から、素子の光導波路のコアの断面円形化によって、各波長の伝播モードのピーク位置を円の中心付近に集中させることができ、実施例１に比べてさらに入射光と導波路の伝播モードの結合が改善され、変換効率が向上することがわかった。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、波長変換素子とＰＣＦとを接続し、伝播モードのピーク位置を一致させることによって、伝播損失が減少し、波長変換効率をより高めることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置構成の一例を概略的に示す断面図である。同図では、伝播する光を、わかり易い様に、装置の外側に矢印Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３で示している。これと同様に、図５、６、７、８においても、波形の変化等を装置の外側に描いている。また、分極反転構造は、ハッチングによって象徴的にストライプ模様として示しており、また、基板表層の光導波路にもハッチングを施して、両者が結晶の同じ部位を共有しながら交差していることを模式的に表現している。他の図５、６、７、８においても同様である。
【図２】本発明の装置における、素子とＰＣＦとの接続部分を拡大した断面図であって、ピーク位置が１つの軸線上で一致している状態を表している。同図では、各光の伝播モードを、実線（入射光Ｌ１）、破線（入射光Ｌ２）、一点鎖線（変換光Ｌ３）で示し、各伝播モードを明確に見せるために、これらを伝播方向にずらせて描いている。また、素子は、途中の部分を省略している。
【図３】本発明に用いられる波長変換素子の例を模式的に示す斜視図である。
【図４】本発明に用いられるＰＣＦの構造例を模式的に示すファイバ断面（光軸に垂直な断面）図である。
【図５】本発明において、素子とＰＣＦとの組合わせ例を示す図である。
【図６】本発明において、素子とＰＣＦとの組合わせ例を示す図である。
【図７】本発明において、素子とＰＣＦとの組合わせ例を示す図である。
【図８】従来の素子と光ファイバとの接続構成を示す図である。
【図９】従来の素子と光ファイバとの接続部分を拡大して示した図である。同図では、図１と同様に、各伝播モードを実線（Ｌ１１）、破線（Ｌ１２）にて描き、両者を伝播方向にずらせて表現している。
【符号の説明】
１ 波長変換素子
２、３ フォトニック結晶ファイバ
Ｌ１、Ｌ２ 入射光
Ｌ３ 変換光
Claims (6)
- 波長変換素子の入射面および／または出射面にフォトニック結晶ファイバが接続された構成を有することを特徴とし、かつ、
前記の波長変換素子とフォトニック結晶ファイバのうち、少なくともフォトニック結晶ファイバが、下記（Ａ）の条件を満たすように形成されていることを特徴とする、波長変換装置。
（Ａ）波長変換素子とフォトニック結晶ファイバとの接続面において、受け渡しすべき光の伝播モードのピーク位置が、互いに一致すること。 - 上記（Ａ）の条件における伝播モードがシングルモードであって、フォトニック結晶ファイバに加えて波長変換素子が上記（Ａ）の条件を満たすように形成されている、請求項１記載の波長変換装置。
- 上記（Ａ）の条件における受け渡しすべき光が、２以上の波長を含む光である、請求項１または２記載の波長変換装置。
- 波長変換素子が光導波路型の素子であり、入射面および出射面が光導波路の端面であって、
該光導波路は、伝播モードの断面形状が円形を呈するように形成され、
フォトニック結晶ファイバは、該ファイバを受け渡しすべき光の伝播モードが断面円形を呈するシングルモードとなるように形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の波長変換装置。 - 波長変換素子が２以上の波長を含む光を出射する素子であり、波長変換素子の入射面および／または出射面に接続されたフォトニック結晶ファイバのうちの少なくとも一方が、前記２以上の波長の光の波長分散を補償するように形成されている、請求項１記載の波長変換装置。
- フォトニック結晶ファイバが少なくとも入射面に接続され、該フォトニック結晶ファイバは、さらに、スーパコンティニューム光を発生させ得るように形成されており、波長変換素子は、入射する前記スーパコンティニューム光から新たな波長の光を発生させ得るように形成されている、請求項１記載の波長変換装置。
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-
2002
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