JP2004020870A - 波長変換素子および波長変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】任意の励起波長数に対応した設計が可能で、変換効率の低下がなく、かつ、実用的な大きさの非線形材料を用いて構成可能な波長変換素子および光増幅素子並びにこれらを用いた波長変換装置および光増幅装置を提供すること。
【解決手段】波長変換素子に備える非線形光学媒質を、光の進行方向の周期Λ_０ごとに略連続的に位相が変化する非線形定数の周期変調構造とこの周期変調構造の位相変化が周期Λ_ｐｈごとに繰り返される位相変調構造を有する位相変化周期変調構造として構成し、位相不整合量Δβが、２π／Λ_０±２πｉ／Λ_ｐｈ（ｉ＝０，１，…，ｎ：ｎは正の整数）、または、２π／Λ_０±２π（２ｉ＋１）／Λ_ｐｈ（ｉ＝０，１，…，ｎ：ｎは正の整数）、もしくは、２π／Λ_０＋２πｉ／Λ_ｐｈ（ｉ＝ｍ，ｍ＋１，…，ｎ：ｍ，ｎは正または負の整数であり、｜ｍ｜≠｜ｎ｜）において変換効率を極大ならしめるようにした。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長変換素子および波長変換装置に関し、より詳細には、任意の励起波長数に対応した設計が可能で、変換効率の低下がなく、かつ、実用的な大きさの非線形材料を用いて構成することが可能な波長変換素子および波長変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、種々の２次非線形光学効果を利用した波長変換素子およびそれを用いて構成した波長変換装置が知られており、例えば、第２高調波発生装置は入射光をその波長の半分の波長（２倍の周波数）の光（第２高調波）に変換することができ、和周波発生装置は異なる２つの波長の光をこれらの光の周波数の和に相当する周波数の光に変換することができる。
【０００３】
また、差周波発生装置は、異なる２つの波長の光をこれらの光の周波数の差に相当する周波数の光に変換することが可能であることに加え、入射光の一方の光強度が他方の光強度に比較して充分大きい場合にはパラメトリック効果により入射光の強度を増幅する光増幅装置として構成したり、このようなパラメトリック効果を利用したパラメトリック共振器を構成して波長可変光源とすることも可能である。
【０００４】
以下に、２次非線形光学効果を利用した差周波発生素子を例にして、従来の波長変換素子の動作原理を簡単に説明する。これらの素子では、波長λ_１の信号光を、波長λ_３の励起光で励起された非線形光学媒質に入射させて波長λ_２の変換光へと変換する。これらの３つの波長間では次式で与えられる関係が成立する。
【０００５】
【数５】

【０００６】
このような素子に用いられる非線形光学媒質としては種々の材料が研究開発されており、素子構造としては、例えば、Ｍ．Ｈ．ＣｈｏｕらがＯｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　ｖｏｌ．２３，１００４（１９９８）で報告しているように、ＬｉＮｂＯ_３などの２次非線形光学材料をその非線形定数が周期的に変化するように周期変調した、いわゆる「擬似位相整合型構造」が有望視されている。
【０００７】
図９は、２次非線形光学効果を利用した従来の差周波発生素子を説明するための図で、図９（ａ）はこの差周波発生素子の構成を概念的に説明するための図であり、図９（ｂ）は変換効率の位相不整合量依存性を説明するための図である。２次非線形光学材料中に周期変調構造を形成するためには、この材料の非線形定数の符号を空間的に交互に反転させるか、あるいは、非線形定数の大きな部分と小さな部分とを交互に配置させる方法が考えられる。
【０００８】
ＬｉＮｂＯ_３のような強誘電体結晶では、非線形定数（ｄ定数）の正負は自発分極の極性に対応する。従って、図９（ａ）に示した差周波発生素子では、非線形光学媒質であるＬｉＮｂＯ_３基板９１上にプロトン交換法で光導波路９２を形成し、ＬｉＮｂＯ_３の自発分極を変調周期Λ_０１４．７５μｍで周期的に反転させることで非線形定数に変調を加えている。この差周波発生素子では、０．７８μｍ帯の励起光９５によって１．５５μｍ帯の信号光９３を波長変換することができる。
【０００９】
この素子に用いられる非線形光学媒質のＬｉＮｂＯ_３においては、波長λ_１の信号光９３に対する屈折率がｎ_１、波長λ_２の変換光（差周波光）９４に対する屈折率がｎ_２、波長λ_３の励起光９５に対する屈折率がｎ_３、非線形定数の変調周期をΛ_０として、位相不整合量Δβは、
【００１０】
【数６】

【００１１】
で与えられ、変換効率ηはこの位相不整合量Δβを用いて、
【００１２】
【数７】

【００１３】
で与えられる。ここで、Ｌは非線形光学媒質の導波方向の長さである。すなわち、この差周波発生素子の変換効率ηは、位相不整合量Δβが２π／Λ_０のとき（擬似位相整合条件）に最大値をとる。上式（２）で与えられる位相不整合量Δβが２π／Λ_０となる擬似位相整合条件を満足する励起光９５の波長は非線形光学媒質の屈折率の波長分散に依存し、信号光９３の波長λ_１を固定し変調周期Λ_０が与えられれば実質的に一意に定まることとなる。
【００１４】
励起光９５の波長を、擬似位相整合条件を満足する擬似位相整合波長から変化させると、上式（２）および（３）に従って変換効率ηは減少する。図９（ｂ）は、変換効率ηの位相不整合量Δβ依存性を示す図で、この図では、変換効率ηの最大値が１となるように規格化して示している。この差周波発生素子のＬｉＮｂＯ_３の光導波路９２の長さを４２ｍｍとすると、変換効率ηがその最大値の半分の値となる位相不整合量Δβの帯域は０．７８μｍ帯の励起波長換算で約０．１ｎｍ程度と非常に狭い。
【００１５】
上式（１）から明らかなように、信号光９３の波長λ_１を任意の波長（λ_２´）の差周波光に変換するためには複数の異なる波長の励起光を用いる必要があるが、図９（ａ）に示すような非線形定数が一定周期で変化する従来の変調構造では、励起光の波長に対する許容範囲が狭いために実質的には励起光の波長を変化させることができず、その結果、任意の波長の差周波光へと変換することはできない。
【００１６】
また、異なる励起光波長に対応させるためには、例えば、複数種類の変調周期を有する変調構造を順次長手方向に配列する方法も考えられるが、この方法で非線形光学媒質の全長を一定にすると、１つの変調周期の配列に用いることが可能な非線形光学媒質の長さが短くなってしまう。２次非線形効果を用いる波長変換素子の変換効率ηは、一般に、非線形光学媒質の長さの２乗に比例するため、例えば４種類の変調周期を配列することとすると、同じ長さの非線形光学媒質を用いた場合に比較して、変換効率ηは６．２５％にまで低下してしまう。
【００１７】
複数の励起光波長に対応可能な波長変換素子を構成するために、Ｍ．Ｈ．ＣｈｏｕらがＯｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．２４，１１５７（１９９９）で報告するように、周期変調構造に位相反転構造を付与する方法が提案されている。
【００１８】
図１０および図１１は、周期変調構造に位相反転構造を付与することで複数の励起光波長に対応可能とした従来の差周波発生素子を説明するための図で、図１０（ａ）はこの差周波発生素子の構成を概念的に示す平面図、図１０（ｂ）はその一部の拡大図であり、図１１はこの差周波発生素子における位相変調の様子および変換効率の位相不整合量依存性を説明するための図である。
【００１９】
この差周波発生素子は、図９で示した差周波発生素子と同様に、非線形媒質としてＬｉＮｂＯ_３基板１０１にプロトン交換法で光導波路１０２を形成し、ＬｉＮｂＯ_３の自発分極を基本変調周期Λ_０１４．７５μｍで周期的に反転させて非線形定数に変調を加えている。すなわち、この差周波発生素子では、一定の長周期Λ_ｐｈで一定周期Λ_０（基本変調周期１４．７５μｍ）の分極反転構造の位相を１８０°反転させて分極反転構造を形成しており、これにより、複数の位相不整合量Δβにおいて変換効率ηがピークをもつようにすることができる。なお、この差周波発生素子も、０．７８μｍ帯の波長λ_３の励起光１０５によって１．５５μｍ帯の波長λ_１の信号光１０３を波長変換して波長λ_２の差周波光１０４とすることができる。
【００２０】
図１１に示した変換効率の位相不整合量依存性において、図１１（ａ）は、位相反転周期Λ_ｐｈを１４ｍｍ、デューティ比を５０％として位相反転させた分極反転構造の非線形光学媒質中での長手方向への位相変化を示す図であり、図１１（ｂ）は、この差周波発生素子の変換効率を、図９に示した非線形光学媒質と同じ長さではあるが位相反転構造をもたない非線形光学媒質を用いて構成した差周波発生素子の変換効率を１として規格化した場合の位相不整合量依存性を示す図である。なお、この差周波発生素子において分極反転が施された光導波路の長さは４２ｍｍである。
【００２１】
図１１（ｂ）から分るように、変換効率は、位相不整合量が｛（２π／Λ_０）−（２π／Λ_ｐｈ）｝と｛（２π／Λ_０）＋（２π／Λ_ｐｈ）｝のときに最大となり、２つの励起波長を用いて波長変換を行うことが可能となる。
【００２２】
また、図１１（ｃ）および図１１（ｄ）に示すように、長周期Λ_ｐｈを７ｍｍとし位相反転のデューティ比を２６．５％とすることで、位相不整合量が、それぞれ、｛（２π／Λ_０）−（２π／Λ_ｐｈ）｝、（２π／Λ_０）、および、｛（２π／Λ_０）＋（２π／Λ_ｐｈ）｝のときに変換効率が最大となり、３つの励起波長を用いて波長変換を行うことが可能となる。
【００２３】
さらに、図１１（ｅ）および図１１（ｆ）に示すように、長周期Λ_ｐｈを１４ｍｍと倍にしてさらに位相反転を重畳させることで、位相不整合量が、それぞれ｛（２π／Λ_０）−（６π／Λ_ｐｈ）｝、｛（２π／Λ_０）−（２π／Λ_ｐｈ）｝、｛（２π／Λ_０）＋（２π／Λ_ｐｈ）｝、および、｛（２π／Λ_０）＋（６π／Λ_ｐｈ）｝のときに変換効率が最大となり、４π／Λ_ｐｈごとに４つのピークが得られるため、４つの励起波長を用いて波長変換を行うことが可能となる。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の構成の波長変換素子では、以下のような問題があった。
【００２５】
第１に、例えば図１１（ｆ）に示すような４つのピークが得られるようにした構造の規格化変換効率は、必要な波長以外にも変換効率の副次的なピークが生じることとなる結果、素子の変換効率が１７％まで低下してしまうという問題である。
【００２６】
第２に、狭い励起光波長間隔で変換効率のピークを得ようとすると必然的に長い周期反転構造が必要となり、通常用いられる３〜４インチ程度のサイズの基板内に位相反転周期を配置する際に制限が生じてしまうという問題がある。
【００２７】
図１１（ａ）、（ｃ）、（ｅ）の位相整合曲線のそれぞれのピーク間隔は０．７８μｍ帯の励起波長に換算すると０．８ｎｍとなり、これは、励起波長を４００ＧＨｚ間隔で変化できることを意味している。すなわち、式（１）の関係から、励起光波長を変化させると励起光波長の変化分だけ変換光波長も変化するため、変換光波長を４００ＧＨｚ間隔で変化できることとなる。
【００２８】
ＷＤＭ通信への応用を考えると、２００ＧＨｚ、１００ＧＨｚ等の更に短い間隔でピークをもつ素子も必要と考えられる。例えば図１１（ｆ）に示す４つのピークをもたせるようにした構造の規格化変換効率は、Λ_ｐｈの位相反転周期に対して位相不整合が４π／Λ_ｐｈごとにピークをもつため、位相反転周期を長くすることでピーク間隔を短くすることができる。ＬｉＮｂＯ_３光導波路で２００ＧＨｚ間隔や１００ＧＨｚ間隔の励起波長に対応させることを想定すると、４つの励起波長に対応させるために必要な位相反転周期は、各々２８ｍｍおよび５６ｍｍと極めて長いものとなってしまうのである。
【００２９】
第３に、上述したように、位相反転パターンの重畳により１〜４までの励起光波長数に対応する方法は開示されていたものの、それ以外の励起光波長数に対応させる方法は現在まで知られておらず、任意の励起光波長数に柔軟に対応させることが困難であった。
【００３０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、任意の励起光波長数に対応した設計が可能で、変換効率の低下がなく、かつ、実用的な大きさの非線形光学媒質を用いて構成可能な波長変換素子および光増幅素子並びにこれらを用いた波長変換装置および光増幅装置を提供することにある。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、非線形光学媒質を備え、当該非線形光学媒質に次式を満足する３つの波長（λ_１、λ_２、λ_３：但しλ_１＝λ_２の場合を含む）のうちの１つまたは２つの波長の光を入射させ、当該非線形光学媒質内で生じる２次非線形光学効果によって、前記３つの波長のうちの何れかであり、かつ、少なくとも入射光の１つの波長とは異なる波長の出射光に変換する波長変換素子であって、前記非線形光学媒質は、光の進行方向の周期Λ_０ごとに略連続的に位相が変化する非線形定数の周期変調構造と当該周期変調構造の位相変化が周期Λ_ｐｈごとに繰り返される位相変調構造とで構成された位相変化周期変調構造を有することを特徴とする。
【００３２】
【数８】

【００３３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の波長変換素子において、前記非線形光学媒質内での波長変換に関わる前記３つの波長（λ_１、λ_２、λ_３）の光に対する前記非線形光学媒質の屈折率を各々ｎ_１、ｎ_２およびｎ_３とする場合に、次式で与えられる位相不整合量Δβが２π／Λ_０±２πｉ／Λ_ｐｈ（ｉ＝０，１，…，ｎ：ｎは正の整数）のときに変換効率が極大となるように前記周期変調構造の周期Λ_０および前記位相変調構造の周期Λ_ｐｈならびに前記位相変化周期変調構造の位相変調曲線を設定したことを特徴とする。
【００３４】
【数９】

【００３５】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の波長変換素子において、前記非線形光学媒質内での波長変換に関わる前記３つの波長（λ_１、λ_２、λ_３）の光に対する前記非線形光学媒質の屈折率を各々ｎ_１、ｎ_２およびｎ_３とする場合に、次式で与えられる位相不整合量Δβが２π／Λ_０±２π（２ｉ＋１）／Λ_ｐｈ（ｉ＝０，１，…，ｎ：ｎは正の整数）のときに変換効率が極大となるように前記周期変調構造の周期Λ_０および前記位相変調構造の周期Λ_ｐｈならびに前記位相変化周期変調構造の位相変調曲線を設定したことを特徴とする。
【００３６】
【数１０】

【００３７】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の波長変換素子において、前記非線形光学媒質内での波長変換に関わる前記３つの波長（λ_１、λ_２、λ_３）の光に対する前記非線形光学媒質の屈折率を各々ｎ_１、ｎ_２およびｎ_３とする場合に、次式で与えられる位相不整合量Δβが２π／Λ_０＋２πｉ／Λ_ｐｈ（ｉ＝ｍ，ｍ＋１，ｎ：ｍ，ｎは正または負の整数であり、｜ｍ｜≠｜ｎ｜）のときに変換効率が極大となるように前記周期変調構造の周期Λ_０および前記位相変調構造の周期Λ_ｐｈならびに前記位相変化周期変調構造の位相変調曲線を設定したことを特徴とする。
【００３８】
【数１１】

【００３９】
さらに、請求項５に記載の発明は、波長変換装置であって、発振波長が可変あるいは複数の発振波長を切替可能な光源と、請求項１乃至４の何れかに記載の波長変換素子とを備え、前記光源から射出される光を前記非線形光学媒質に入射させ、当該光源から射出される光の波長に応じて変換光の波長を切り替えることを特徴とする。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明するが、本明細書において用いられている「波長変換素子（および波長変換装置）」という用語は、波長変換素子（および波長変換装置）が光増幅機能をも併せ持つ場合には、単に波長変換素子（および波長変換装置）のみを意味するものではなく、光増幅素子（および光増幅装置）をも意味する。
【００４１】
図１は、本発明の波長変換素子の構成を概念的に説明するための図で、ここでは、分極を反転することにより非線形定数の符号を反転させることのできるＬｉＮｂＯ_３のような強誘電体結晶材料を非線形光学媒質として用いた差周波発生素子を例に説明する。
【００４２】
図１（ａ）に示すように、この差周波発生素子では、非線形光学媒質である非線形材料基板１１上に光導波路１２を形成し、非線形光学媒質の自発分極を周期的に反転させることで非線形定数に変調を加え、波長λ_３の励起光１５によって波長λ_１の信号光１３を波長λ_２の変換光（差周波光）１４に変換している。
【００４３】
この差周波発生素子は、従来の波長変換素子と同様に、非線形媒質の長手方向に非線形定数が周期的に変調されているが、図１（ｂ）に示すように、光導波路１２方向の周期Λ_０ごとに略連続的に位相が変化する非線形定数の周期変調構造とこの周期変調構造の位相変化が周期Λ_ｐｈごとに繰り返される位相変調構造とで構成された位相変化周期変調構造を有し、波長λ_１の信号光１３と波長λ_３の励起光１５とを非線形材料基板１１上に形成した非線形光学媒質の光導波路１２に入射させ、励起光１５により非線形光学媒質内に生じる２次非線形光学効果によって信号光１３とは異なる波長λ_２の変換光１４を生成する。
【００４４】
なお、この図では高い波長変換効率が得られるように、非線形媒質として光の閉じ込めが強く、長い相互作用が得られる光導波路型の構造の素子を示しているが、高パワーのレーザ波長を変換する素子の場合にはバルク型の構造としてもよい。
【００４５】
図２は、図１に示した差周波発生素子の非線形媒質の２次非線形定数の周期変調構造を詳細に説明するための図で、図２（ａ）には、この周期変調構造の一部における非線形定数の長手方向での変化の様子が示されている。この図に示すように、非線形定数の変化を周期Λ_０ごとに区切ると、非線形定数は一定の周期Λ_０で反転（＋１から−１、もしくは、−１から＋１）しているが、周期変調構造がどの位相から始まっているかが、各周期ごと、あるいは、数周期ごとに徐々に変化している。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した周期変調構造の各周期ごとの位相変化を示したものである。
【００４６】
このような位相変調を加えると、例えば図２（ａ）のように長手方向に向かって位相が進んでゆく構造とした場合には、等価的に周期が短くなったのと同様な効果を与える。逆に、長手方向に向かって位相が遅れてゆく構造とした部分は、等価的に周期が長くなったのと同様な効果を与える。このような位相変調を加えた非線形定数の周期変調構造は、図２（ｃ）に示すように、Λ_０より長い周期Λ_ｐｈで繰り返す構造となっている。
【００４７】
本発明の波長変換素子では、従来の素子のように位相を１８０°反転させる方法とは異なり、図２（ｃ）のように、ほぼ連続的に位相が変化する非線形定数の周期変調構造を採用し、この周期変調構造の位相変化が周期Λ_ｐｈで繰り返される位相変調構造で構成された位相変化周期変調構造を導入している。更に、発明者らはこのような長周期繰り返し構造を有する周期変調型の非線形材料に位相変調を施す際の位相変調の方法について鋭意検討を行った結果、位相変調波形の形状（位相変調曲線）を変化させることで変換効率を大幅に損なうことなく任意の励起波長数に対応できることを見出した。
【００４８】
以下に、位相変調曲線の設定方法について説明する。光の伝搬方向軸上の位置ｚにおける非線形定数をｄ（ｚ）とすると、光導波路がｚ＝０からｚ＝Ｌまで存在すると仮定して、光導波路を励起光と信号光が伝搬した後（ｚ＝Ｌ）の変換効率は、位相不整合量Δβに対して次式で与えられる。
【００４９】
【数１２】

【００５０】
この式から非線形定数の空間的な変化ｄ（ｚ）を与え、フーリエ変換を行うことで位相不整合量Δβに対する変換効率の変化を計算することができる。本発明では、非線形定数が周期Λ_０ごとに変調され、かつ、周期Λ_ｐｈで位相が変調されているために、２π／Λ_０を中心に２π／Λ_ｐｈごとに離れた位相不整合量Δβ（Δβ＝２π／Λ_０、２π／Λ_０±２π／Λ_ｐｈ、２π／Λ_０±４π／Λ_ｐｈ、…）において、変換効率のピークをもつようになる。
【００５１】
所望の励起光波長数において最大の効率を得るためには、所望のピークのみが大きくなり、それ以外のピークが小さくなるようにすればよい。例えば、３つの励起波長に対応させる場合は、Δβが２π／Λ_０および２π／Λ_０±２π／Λ_ｐｈの３つのピークが最大となるようにすればよい。また、Ｌ個のピークをもつようにする場合、分極反転構造単位ごとの位相変調曲線を変化させては非線形定数の空間変化ｄ（ｚ）を計算し、フーリエ変換を行って所望の各ピークにおける変換効率を求めて以下に与える評価関数Ｔを計算し、その値が最小になるように逐次計算を行って最適化すればよい。
【００５２】
【数１３】

【００５３】
但し、ここでη（ｊ）はｊ番目のピークにおける効率、η_ｎｏｒｍは長さが同じで位相変調をもたない場合の波長変換素子の効率である。
【００５４】
発明者らは、この方法により、様々な励起波長数の場合において位相変調の設定を検討した結果、本発明によれば、変換効率を損なうことなく任意の励起波長数に対応可能であることを見出した。
【００５５】
図３は、種々の励起波長数に対応可能な本発明の波長変換素子の、位相変調曲線および変換効率の位相不整合量依存性の例を説明するための図である。これらの図において、変換効率は、非線形媒質の長さが同じで位相変調をもたない場合の波長変換素子の変換効率を１として規格化して示している。
【００５６】
例えば、図３（ａ）および図３（ｂ）の各々は、３つの励起光波長に対応させるように構成した波長変換素子の位相変調曲線と変換効率の位相不整合量依存性を示す図であるが、これらの図を図１１（ｃ）および図１１（ｄ）に示した従来の構成の波長変換素子の特性と比較すると、変換効率の位相不整合量依存性の余分な副次的ピークが抑制され、かつ、３０％という従来よりも高い変換効率が得られている。
【００５７】
本発明の波長変換素子では、これらの周期変調構造の基本反転周期Λ_０およびこの繰り返しのための位相変調構造の周期Λ_ｐｈ並びにこれら周期変調構造と位相変調構造とで構成される位相変化周期変調構造の位相変調曲線を上述した方法によって適当に設定して位相整合曲線の形状を変化させることで、任意の励起波長数に容易に対応させることができる。これらの周期Λ_０、Λ_ｐｈおよび位相変調曲線の設定の仕方はその目的に応じて異なるが、何れの方法においても、位相不整合量Δβが周期Λ_０、Λ_ｐｈで決定される特定の値を取るときに変換効率が極大値を取るように位相変調曲線が設定される。
【００５８】
具体的には、第１の方法は、位相不整合量Δβが２π／Λ_０±２πｉ／Λ_ｐｈ（ｉ＝０，１，…，ｎ：ｎは正の整数）において変換効率が極大となるように設定する方法であり、第２の方法は、位相不整合量Δβが２π／Λ_０±２π（２ｉ＋１）／Λ_ｐｈ（ｉ＝０，１，…，ｎ：ｎは正の整数）において変換効率が極大となるように設定する方法であり、そして、第３の方法は、位相不整合量Δβが２π／Λ_０＋２πｉ／Λ_ｐｈ（ｉ＝ｍ，ｍ＋１，…，ｎ：ｍ，ｎは正または負の整数であり、｜ｍ｜≠｜ｎ｜）において変換効率が極大となるように設定する方法である。
【００５９】
例えば、４つの励起光波長に対応可能な波長変換素子を構成するためには、その位相変調曲線を図３（ｃ）に示すようにすることで、図３（ｄ）に示すように、位相不整合量｛（２π／Λ_０）−（２π／Λ_ｐｈ）｝、（２π／Λ_０）、｛（２π／Λ_０）＋（２π／Λ_ｐｈ）｝、および、｛（２π／Λ_０）＋（４π／Λ_ｐｈ）｝のときに変換効率を最大とすることができる。なお、図３（ｂ）は上述した第１の方法においてｎ＝１とした場合に相当し、図３（ｄ）は第３の方法において、ｍ＝−１、ｎ＝２とした場合に相当する。
【００６０】
このように、本発明の波長変換素子によれば、位相不整合量が２π／Λ_ｐｈごとに４つのピークが得られるため、図１１に示した従来の構成の波長変換素子に比較して、同じ位相変調周期で半分の励起光波長間隔が得られる。従って、同じ励起波長間隔を得るためには半分の周期で済むことになる。
【００６１】
非線形媒質としてＬｉＮｂＯ_３にプロトン交換法で形成した光導波路を用いることとし、ＬｉＮｂＯ_３の自発分極を周期的に反転させて非線形定数に変調を加え、図３中の周期Λ_ｐｈを約１４ｍｍあるいは２８ｍｍとした場合を想定すると、位相整合カーブのピークに相当する使用可能な励起波長の間隔はそれぞれ２００ＧＨｚおよび１００ＧＨｚとなり、従来の波長変換素子に比較して半分の繰り返し周期で同じ励起波長間隔を実現でき、その結果、一般的に使用される３〜４インチ径の基板上に容易に配置することが可能となる。
【００６２】
以上説明したように、本発明の波長変換素子の構成では、非線形光学媒質内での光の進行方向に略連続的に位相が変化する周期変調構造が周期Λ_ｐｈで繰り返す位相変調構造を非線形定数の周期反転構造に導入することにより、任意の励起波長数に対応可能で、かつ、変換効率の低下が抑制され、さらに、実用的な大きさの非線形材料を用いて容易に構成可能な励起波長可変型の波長変換素子（およびそれを用いて構成される波長変換装置）を実現することが可能となる。
【００６３】
（実施例１）
図４は、本発明の波長変換素子の第１の実施例の諸特性を説明するための図で、この波長変換素子は、波長０．７８μｍ帯の励起光を入射して波長１．５５μｍ帯の信号光を差周波光へ変換するように構成されている。ここで、図４（ａ）は本実施例に用いた非線形定数の変調構造における位相変調曲線、図４（ｂ）は１．５５μｍ帯の波長可変光源を用いてＳＨＧ特性を評価した規格化変換効率、図４（ｃ）は１．５５μｍ帯における変換光のスペクトルである。
【００６４】
この波長変換装置では、ＬｉＮｂＯ_３のＺ板（Ｚ軸に垂直な面となるように切出された基板）を用い、分極反転部を電界印加法により基本周期１５．５μｍで分極反転させている。このようにして分極反転させた基板にフォトリソグラフィー技術によりＳｉＯ_２をパターンニングし、約１８０度の温度で安息香酸中に浸漬させた後に酸素雰囲気中で熱処理して光導波路を形成した。なお、この波長変換素子は５つの励起波長に対応可能なように構成されている。
【００６５】
この波長変換素子の分極反転部は、位相変調周期Λ_ｐｈを１４．２６ｍｍとし、その全体の長さが５７．０４ｍｍであり、位相変調パターンが４周期分（５７．０４ｍｍ／１４．２６ｍｍ）繰り返されるように構成されており、位相変調周期Λ_ｐｈ当たりに配置される分極反転構造は９２０周期（１４．２６ｍｍ／１５．５μｍ）となる。本実施例においては、この周期１５．５μｍの分極反転構造を２周期ごとを単位として位相変調周期を４６０分割し、それぞれの分極反転構造単位ごとの位相を最適化して５つの励起波長において最大の変換効率が得られるように構成している。
【００６６】
この波長変換素子に備えられた非線形光学媒質には、図４（ａ）に示した非線形定数の変調構造における位相変調曲線のように、１周期の間に位相が０から約１．６πまで滑らかに変化するように位相変調が施されている。
【００６７】
本実施例で用いた分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ_３基板は、この基板の＋Ｚ面にレジストを塗布した後にフォトリソグラフィ技術によりパターン化して電極を蒸着し、基板の両側に電解液を接触させて電界を印加することでレジストのない電極が基板に直接触れている部分の分極を反転させるようにして作成される。なお、分極反転するドメインの幅は電極の幅よりも若干広くなるため、その広がりを考慮してフォトリソグラフィに用いるマスクを設計しておく必要がある。本実施例では、計算上理想的な周期位相変調分極反転構造を計算した後に反転ドメイン幅の広がり分だけレジスト幅が広くなるようにマスクを設計している。
【００６８】
図４（ｂ）の横軸は本実施例の波長変換装置に備える波長変換素子から発生する０．７８μｍ帯の第２高調波の波長であり、縦軸の変換効率は５７．０４ｍｍの長さに一定周期１５．５μｍの分極反転構造で同様に作成した素子の変換効率を１として規格化して示しており、上述した第１の方法において、ｎ＝２とした場合に相当する。この図に示した結果から、この波長変換素子に０．７８μｍ帯の励起光を入射して差周波発生させた際の変換効率の波長依存性が評価できる。
【００６９】
この図に示すように、波長７７８．７ｎｍを中心として約０．４ｎｍ間隔で５つのピークが得られており、このことは、励起光波長を２００ＧＨｚ間隔で変化させることができることに相当する。また、一定周期の素子に比較した場合の変換効率は約１８％であり、図１１（ｆ）に示した従来の構成の４波長対応の波長変換素子と比較すると、励起波長数が多いのにも関わらず同等の変換効率が実現されていることがわかる。
【００７０】
図４（ｃ）は、信号光の波長を１５４８．９ｎｍとし、励起光の波長を７７７．９、７７８．３、７７８．７、７７９．１、および、７７９．５ｎｍと約０．４ｎｍ間隔で変化させた場合の１．５５μｍ帯のスペクトルで、この図に示すように、励起光の波長が変化することに伴って変換光の波長を１．６ｎｍ間隔で変化させることが可能である。
【００７１】
（実施例２）
図５は、本発明の波長変換素子の第２の実施例の諸特性を説明するための図で、図５（ａ）はこの波長変換素子の位相変調曲線、図５（ｂ）は１．５５μｍ帯の波長可変光源を用いてＳＨＧ特性を評価した規格化効率、図５（ｃ）は１．５５μｍ帯における変換光のスペクトルである。
【００７２】
この波長変換素子は、第１の実施例が奇数の励起波長に対応するように構成されているのに対して、偶数の励起波長を用いて波長変換を行えるように構成されている。図４からわかるように、周期変調構造の基本周期Λ_０に周期Λ_ｐｈで位相変調を施した第１の実施例の構成では位相不整合量が２π／Λ_０を中心に２π／Λ_ｐｈごとに変換効率のピークが現れる。従って、偶数のピークをもたせるためには、中心ピークを０次ピークとすると、この中心から数えて奇数番目のピークのみを大きくし、０次ピークを含めた偶数番目のピークが小さくなるように位相変調曲線を設定すればよい。
【００７３】
本実施例では、図中に示すように、＋１次、＋３次、−１次、および、−３次の４つのピークが最大となるように構成されている。なお、本実施例では、分極反転の基本周期を１５．５μｍとし、分極反転部の全長を５７．０４ｍｍ、位相変調周期を１４．２６ｍｍとして、位相変調パターンが４周期分繰り返すようにしている。従って、位相変調パターン１周期当たりに配置される分極反転構造は９２０周期となる。本実施例では、この周期１５．５μｍの分極反転構造を２周期を単位として位相変調周期を４６０分割してそれぞれの分極反転構造単位ごとの位相を最適化し、４つの励起波長において最大の変換効率が得られる構造とされ、図５（ａ）に示す位相変調曲線ように、１周期の間に位相が０から約１．６πまで滑らかに変化するように位相変調が施されている。
【００７４】
この波長変換素子からは、図５（ｂ）に示すように、波長７７８．７ｎｍを中心として約０．８ｎｍ間隔で４つのピークが得られ、これは、励起光波長を４００ＧＨｚ間隔で変化させ得ることに相当する。本実施例では、偶数次のピークを間引いた間隔でピークが得られるように位相変調曲線を構成したことに対応して、第１の実施例と同様の位相変調周期を用いたにも関わらず各ピーク間隔が倍となっている。このように、本発明では、位相変調曲線を様々に変更することでピーク数やピーク間隔を自在に変更することができる。
【００７５】
図５（ｂ）の縦軸の変換効率は、５７．０４ｍｍの長さに一定周期１５．５μｍの分極反転を有する構造とした素子の変換効率を１として規格化して示しており、上述した第２の方法において、ｎ＝１とした場合に相当する。この一定周期の分極反転を有する構造の素子に比較した場合の変換効率は約２３％であり、図１１（ｂ）の４波長対応の従来技術と比較して、励起波長数が同じでありながら１．２５倍程度の効率が実現できていることがわかる。
【００７６】
第１の実施例では、励起光として０．７８μｍ帯の光を外部から入射して１．５５μｍ帯の波長変換動作させる例を示したが、この他にも、１．５５μｍ帯の光源を外部励起光として用い、非線形媒質中のＳＨＧにより媒質内部で０．７８μｍ帯の光を発生して励起光として用いるいわゆるカスケード励起を行うことも可能である。
【００７７】
図５（ｃ）は、本発明の波長変換素子をカスケード励起方式で動作確認を行い、信号光の波長を１５４２．７ｎｍとし、励起光の波長を１５５９．８、１５５８．２、１５５６．６、および、１５５５．０ｎｍと約１．６ｎｍ間隔で変化させた場合の１．５５μｍ帯のスペクトルで、この図に示すように、励起光の波長が変化することに伴って変換光の波長を３．２ｎｍ間隔で変化させることが可能である。
【００７８】
（実施例３）
図６は、本発明の波長変換素子の第３の実施例の諸特性を説明するための図で、図６（ａ）はこの波長変換素子の位相変調曲線、図６（ｂ）は１．５５μｍ帯の波長可変光源を用いてＳＨＧ特性を評価した規格化効率、図６（ｃ）は１．５５μｍ帯における変換光のスペクトルである。
【００７９】
この波長変換素子は、第２の実施例が偶数の励起波長に対応するように構成されているのに対して、偶数の励起波長を用いて波長変換を行えるように構成されていることに加え、励起光波長間隔を短くすることができるように構成している。第２の実施例では、偶数次のピークを間引いてピークが得られるように位相変調曲線を構成したが、偶数のピークをもたせるためには０次ピークも含めて０次ピークの周りに非対称にピークが得られるように位相変調曲線を設定する方法もある。本実施例では、図中に示すように、０次、−１次、−２次、および、＋１次の４つのピークが最大となるように構成している。なお、本実施例では、分極反転の基本周期を１５．５μｍとし、分極反転部の全長を５７．０４ｍｍ、位相変調周期を１４．２６ｍｍとして、位相変調パターンが４周期分繰り返すようにしている。従って、位相変調パターン１周期当たりに配置される分極反転構造は９２０周期となる。本実施例では、この周期１５．５μｍの分極反転構造を２周期を単位として位相変調周期を４６０分割してそれぞれの分極反転構造単位ごとの位相を最適化し、４つの励起波長において最大の変換効率が得られる構造とされ、図６（ａ）に示す位相変調曲線ように、１周期の間に位相が−０．１πから約１．１πまでほぼ滑らかに変化するように位相変調が施されている。
【００８０】
この波長変換素子からは、図６（ｂ）に示すように、波長７７８．７ｎｍを中心として約０．４ｎｍ間隔で４つのピークが得られ、これは、励起光波長を２００ＧＨｚ間隔で変化させ得ることに相当する。本実施例では、０次のピークの周りに非対称に４つのピークが得られるように位相変調曲線を構成した結果として、第２の実施例と同様の位相変調周期を用いたにも関わらず各ピーク間隔が倍となっている。このように、本発明では、位相変調曲線を様々に変更することでピーク数やピーク間隔を自在に変更することができる。
【００８１】
図６（ｂ）の縦軸の変換効率は、５７．０４ｍｍの長さに一定周期１５．５μｍの分極反転を有する構造の素子の変換効率を１として規格化して示しており、上述した第３の方法において、ｍ＝−１、ｎ＝２とした場合に相当する。これから分るように、一定周期の素子に比較した場合の本実施例の素子の変換効率は約２３％であり、図１１（ｂ）の４波長対応の従来技術と比較して、励起波長数が同じでありながら１．２５倍程度の効率が実現できていることがわかる。
【００８２】
本実施例では、１．５５μｍ帯の波長の光を信号光とし、励起光の波長をそれぞれ７７８．３、７７８．７、７７９．１、および、７７９．５ｎｍと約０．４ｎｍ間隔で変化させることにより、変換光の波長を１．６ｎｍ間隔で変化させることが可能である。なお、本実施例では２００ＧＨｚ間隔で励起光波長を変化させるために位相変調周期を１４．２６ｎｍとしたが、例えば励起光波長の間隔を半分の１００ＧＨｚにしたい場合には、位相変調周期を倍の２８．５２ｍｍとして同様の手順で装置を構成すればよく、この周期とすれば一般的に使用される３〜４インチ径の基板上に容易に配置することが可能となる。このように、本発明によれば、位相変調関数を工夫することで従来よりも短い周期構造を用いても１００ＧＨｚ等の狭い励起波長間隔に対応可能となる。
【００８３】
本発明の波長変換素子に入射する励起光のパワーが充分に大きな場合には、差周波光を発生するだけではなく、パラメトリック効果により入力光を増幅することも可能である。このことを確認するため、本実施例では、１．５５μｍ帯の光源を外部励起光として用い、非線形媒質中のＳＨＧにより媒質内部で０．７８μｍ帯の光を発生して励起光とするカスケード方式で増幅動作の確認を行った。
【００８４】
励起光としては、繰り返し周波数１００ＭＨｚ、時間幅１００ｐｓの励起光パルスを用い、信号光には繰り返し周波数１００ＭＨｚ、時間幅１０ｐｓのパルスを励起光パルスと時間的に同期させて本実施例の素子に入射させて増幅動作を確認した。
【００８５】
図６（ｃ）は、本実施例の素子をカスケード励起方式で動作確認を行い、信号光の波長を１５４０．０ｎｍとし、励起光の波長を１５５７．４と１５５９．０ｎｍとに変化させた場合の１．５５μｍ帯のスペクトルで、この図に示すように、励起光の波長が変化することに伴って変換光の波長を変化させることが可能であるとともに、励起光を入射させない場合に比較して１２ｄＢ程入射信号が増幅されており、変換光のパワーも信号光と同等のパワーが得られることがわかる。
【００８６】
（実施例４）
図７は、本発明の波長変換素子の第４の実施例の諸特性を説明するための図で、図７（ａ）はこの波長変換素子の位相変調曲線であり、図７（ｂ）は１．５５μｍ帯の波長可変光源を用いてＳＨＧ特性を評価した規格化効率である。
【００８７】
この波長変換素子は、第１〜３の実施例が４または５の励起波長に対応するように構成されているのに対して、更に多くの励起波長を用いて波長変換が可能であり、図中に示すように、奇数次の８つのピークが最大になるように構成されている。
【００８８】
本実施例では、分極反転の基本周期を１５．５μｍとし、分極反転部の全長を５７．０４ｍｍ、位相変調周期を１４．２６ｍｍとして、位相変調パターンが４周期分繰り返すようにしている。従って、位相変調パターン１周期当たりに配置される分極反転構造は９２０周期となる。本実施例では、この周期１５．５μｍの分極反転構造を２周期を単位として位相変調周期を４６０分割してそれぞれの分極反転構造単位ごとの位相を最適化し、４つの励起波長において最大の変換効率が得られる構造とされ、本実施例の波長変換素子には、図７（ａ）に示す位相変調曲線ように、１周期の間に位相が０から約２．７πまでほぼ滑らかに変化するように位相変調が施されている。
【００８９】
この波長変換素子における周期設定は、上述した第２の方法においてｎ＝３とした場合に相当し、図７（ｂ）に示すように、波長７７８．７ｎｍを中心として約０．８ｎｍ間隔で８つのピークが得られ、これは、励起光波長を４００ＧＨｚ間隔で変化させ得ることに相当する。
【００９０】
本実施例では、１．５５μｍ帯の波長の光を信号光とし、励起光の波長をそれぞれ７８０ｎｍ近傍で約０．４ｎｍ間隔で変化させることにより、変換光の波長を３．２ｎｍ間隔で変化させることが可能である。このように、本発明によれば、位相変調関数を工夫することで、励起波長数が非常に多い場合においても、容易に設計・作成を行うことが可能となる。
【００９１】
（実施例５）
図８は、本発明の波長変換素子を備える波長変換装置の構成を説明するための図で、この波長変換装置８０の励起発生部８１には１．５５μｍ帯の異なる波長でそれぞれ発振する５つの半導体レーザが励起光源８２として用いられている。これらの励起光源８２からのレーザ光をアレイ導波路格子からなる合波器８３で合波し、Ｅｒドープの光ファイバ増幅器８４で増幅して励起光を発生させる。信号光８８と励起光は、誘電体多層膜からなる合波器８６により合波され、本発明の波長変換素子８７に入射して変換光８９を射出する。なお、この実施例では、波長変換素子８７として、第１の実施例と同様に５つの励起波長に対応可能な素子を用いている。
【００９２】
この実施例では、１．５５μｍ帯の外部励起光を用いてカスケード励起方式を採用している。この他にも、０．７８μｍ帯の異なる波長でそれぞれ発振する５つの半導体レーザを用意すれば同様の装置が構成できる。その場合、Ｅｒドープの光ファイバ増幅器８４を省略するか半導体レーザ増幅器を用いることとすればよい。本実施例では、励起光源８２として用いられるそれぞれの半導体レーザの波長を１５５５．８、１５５６．６、１５５７．４、１５５８．２、および、１５５９．０ｎｍとして約０．８ｎｍ間隔で用意した。
【００９３】
励起波長制御部８５によりこれらの半導体レーザのどれか１つを選択して発振させることにより、図４（ｃ）に示したのと同様に、変換光の波長を１．６ｎｍ間隔で変化させることができる。また、複数の半導体レーザを同時に発振させることにより１．６ｎｍ間隔ごとに離れた複数の変換光８９を同時に発生させることもできる。
【００９４】
なお、本実施例では、複数の励起光源を用いて励起光発生部８１を構成することとしたが、発振波長が可変な単体の光源、あるいは、複数の波長の切替可能な光源を用いる構成としても同様の装置が構成可能である。
【００９５】
また、本実施例では、非線形材料としてＬｉＮｂＯ_３を用いたが、これに限定されるものではなく、非線形定数の反転もしくは変調が可能な２次非線形材料（例えば、ＬｉＴａＯ_３、ＫＮｂＯ_３、ＫＴａＯ_３、Ｌｉ_ｘＫ_１−ｘＴａ_ｙＮｂ_１−ｙＯ_３、ＫＴＰ等の酸化物結晶、ＡｌＧａＡｓ等の半導体、有機材料など）を用いることとしてもよい。
【００９６】
さらに、本実施例では、本発明の波長変換素子を、光の閉じ込めを強くし、長い相互作用長が得られ、高効率化に有利な非線形媒質として光導波路型の素子構成で説明したが、これに限定されるものではなく、例えば高パワーのレーザ波長を変換するような場合においては、バルク型の素子構成を採用するようにしてもよい。
【００９７】
以上、本発明の波長変換素子を、この波長変換素子に備える非線形光学媒質に信号光と励起光という波長の異なる２種の光を入射させ、これらの光と波長の異なる変換光を出射する差周波発生素子を例として説明したが、入射光または出射光の種類はこれに限定されるものではなく、次式を満足する３つの波長（λ_１、λ_２、λ_３：但しλ_１＝λ_２の場合を含む）のうちの１つまたは２つの波長の光を入射させ、これら３つの波長のうちの何れかであり、かつ、少なくとも入射光の１つの波長とは異なる波長の光に変換するように構成することも可能である。
【００９８】
【数１４】

【００９９】
例えば、波長λ_１、λ_２の光を入射させて和周波である波長λ_３の光を出射させたり、あるいは、λ_１＝λ_２の関係を満足する２つの光を入射させて第２高調波である波長λ_３＝２λ_１の光を出射させるように波長変換素子を構成するようにしてもよい。本発明によれば、その様な構成とした場合にも、入射光の波長を変化させて出射光の波長を変換させることができる。
【０１００】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、波長変換素子に備える非線形光学媒質を、光の進行方向の周期Λ_０ごとに略連続的に変化する非線形定数の周期変調構造とこの周期変調構造の位相変化が周期Λ_ｐｈごとに繰り返される位相変調構造を有するように構成し、位相不整合量Δβが、２π／Λ_０±２πｉ／Λ_ｐｈ（ｉ＝０，１，…，ｎ：ｎは正の整数）、または、２π／Λ_０±２π（２ｉ＋１）／Λ_ｐｈ（ｉ＝０，１，…，ｎ：ｎは正の整数）、もしくは、２π／Λ_０＋２πｉ／Λ_ｐｈ（ｉ＝ｍ，ｍ＋１，…，ｎ：ｍ，ｎは正または負の整数であり、｜ｍ｜≠｜ｎ｜）において変換効率を極大ならしめるようにしたので、任意の励起波長数に対応した設計が可能で、変換効率の低下がなく、かつ、実用的な大きさの非線形材料を用いて構成可能な波長変換素子および光増幅素子並びにこれらを用いた波長変換装置および光増幅装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の波長変換素子の構成を概念的に説明するための図である。
【図２】図１に示した本発明の差周波発生素子が備える非線形媒質の２次非線形定数の周期変調構造を詳細に説明するための図である。
【図３】種々の励起波長数に対応させるために考案した本発明の波長変換素子の、位相変調曲線と変換効率の位相不整合量依存性とを説明するための図である。
【図４】本発明の波長変換素子の第１の実施例の諸特性を説明するための図である。
【図５】本発明の波長変換素子の第２の実施例の諸特性を説明するための図である。
【図６】本発明の波長変換素子の第３の実施例の諸特性を説明するための図である。
【図７】本発明の波長変換素子の第４の実施例の諸特性を説明するための図である。
【図８】本発明の波長変換装置の構成を説明するための図である。
【図９】２次非線形光学効果を利用した従来の差周波発生素子を説明するための図で、（ａ）はこの差周波発生素子の構成を説明するための図であり、（ｂ）は位相不整合量に対する変換効率依存性を説明するための図である。
【図１０】周期変調構造に位相反転構造を付与することで複数の励起光波長に対応可能とした、従来の差周波発生素子の構成を示す図である。
【図１１】周期変調構造に位相反転構造を付与することで複数の励起光波長に対応可能とした、従来の差周波発生素子における変換効率の位相不整合量依存性を説明するための図である。
【符号の説明】
１１、９１、１０１　非線形材料基板
１２、９２、１０２　光導波路
１３、９３、１０３　信号光
１４、９４、１０４　変換光
１５、９５、１０５　励起光
８０　波長変換装置
８１　励起発生部
８２　励起光源
８３　アレイ導波路格子からなる合波器
８４　光ファイバ増幅器
８５　励起波長制御部
８６　誘電体多層膜からなる合波器
８７　波長変換素子
８８　信号光
８９　変換光

Claims (5)

1. 非線形光学媒質を備え、当該非線形光学媒質に次式を満足する３つの波長（λ_１、λ_２、λ_３：但しλ_１＝λ_２の場合を含む）のうちの１つまたは２つの波長の光を入射させ、当該非線形光学媒質内で生じる２次非線形光学効果によって、前記３つの波長のうちの何れかであり、かつ、少なくとも入射光の１つの波長とは異なる波長の出射光に変換する波長変換素子であって、
   前記非線形光学媒質は、光の進行方向の周期Λ_０ごとに略連続的に位相が変化する非線形定数の周期変調構造と当該周期変調構造の位相変化が周期Λ_ｐｈごとに繰り返される位相変調構造とで構成された位相変化周期変調構造を有することを特徴とする波長変換素子。
   

   
2. 前記非線形光学媒質内での波長変換に関わる前記３つの波長（λ_１、λ_２、λ_３）の光に対する前記非線形光学媒質の屈折率を各々ｎ_１、ｎ_２およびｎ_３とする場合に、次式で与えられる位相不整合量Δβが２π／Λ_０±２πｉ／Λ_ｐｈ（ｉ＝０，１，…，ｎ：ｎは正の整数）のときに変換効率が極大となるように前記周期変調構造の周期Λ_０および前記位相変調構造の周期Λ_ｐｈならびに前記位相変化周期変調構造の位相変調曲線を設定したことを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
   

   
3. 前記非線形光学媒質内での波長変換に関わる前記３つの波長（λ_１、λ_２、λ_３）の光に対する前記非線形光学媒質の屈折率を各々ｎ_１、ｎ_２およびｎ_３とする場合に、次式で与えられる位相不整合量Δβが２π／Λ_０±２π（２ｉ＋１）／Λ_ｐｈ（ｉ＝０，１，…，ｎ：ｎは正の整数）のときに変換効率が極大となるように前記周期変調構造の周期Λ_０および前記位相変調構造の周期Λ_ｐｈならびに前記位相変化周期変調構造の位相変調曲線を設定したことを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
   

   
4. 前記非線形光学媒質内での波長変換に関わる前記３つの波長（λ_１、λ_２、λ_３）の光に対する前記非線形光学媒質の屈折率を各々ｎ_１、ｎ_２およびｎ_３とする場合に、次式で与えられる位相不整合量Δβが２π／Λ_０＋２πｉ／Λ_ｐｈ（ｉ＝ｍ，ｍ＋１，ｎ：ｍ，ｎは正または負の整数であり、｜ｍ｜≠｜ｎ｜）のときに変換効率が極大となるように前記周期変調構造の周期Λ_０および前記位相変調構造の周期Λ_ｐｈならびに前記位相変化周期変調構造の位相変調曲線を設定したことを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
   

   
5. 発振波長が可変あるいは複数の発振波長を切替可能な光源と、請求項１乃至４の何れかに記載の波長変換素子とを備え、
   前記光源から射出される光を前記非線形光学媒質に入射させ、当該光源から射出される光の波長に応じて変換光の波長を切り替えることを特徴とする波長変換装置。

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