JP2005181897A - 光波長変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 互いに波長の異なる信号光と制御光とを高効率で光波長変換素子に結合する。
【解決手段】 二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する光導波路を含む光波長変換素子２１と、信号光と制御光とを合波して光波長変換素子２１に入力する波長合成器２５と、光波長変換素子２１と波長合成器２５とが内部に固定され、信号光と制御光とを波長合成器２５に光学的に結合するレンズが固定された筐体２９とを備えた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光波長変換モジュールに関し、より詳細には、光通信、計測の分野で用いられるレーザ光源の波長を変換するための光波長変換モジュールに関する。

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素子の実用化が求められている。従来、光の波長を変換する波長変換素子として、半導体光増幅器を応用した素子、四光波混合を利用する素子、二次非線形光学効果の一種である擬似位相整合による第二高調波発生、和周波発生、差周波発生を利用した波長変換素子等が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１に、従来の擬似位相整合型の波長変換素子を用いたレーザ光源の構成を示す（例えば、非特許文献１参照）。レーザ光源は、波長λ_Ａの信号光Ａを出力するレーザダイオードモジュール１０ａと、波長λ_Ｂの制御光Ｂを出力するレーザダイオードモジュール１０ｂと、信号光Ａと制御光Ｂとを入力し、信号光Ａを波長λ_Ｃの変換光に変換して出力する光波長変換素子モジュール９とから構成されている。光波長変換素子モジュール９は、そのパッケージ内部に、金属製サブマウント４に載置された光波長変換素子１と、光波長変換素子１と熱的に結合されたペルチェ素子８とを備えている。

レーザダイオードモジュール１０ａ，１０ｂの出力は、光コネクタ１１ａ，１１ｂを介して波長合成器モジュール１３に接続される。波長合成器モジュール１３によって合波された信号光Ａと制御光Ｂとは、光コネクタ１１ｃを介して光波長変換素子モジュール９に入力される。入力された光は、光波長変換素子１の非線形光学効果により、変換光Ｃへ変換され、変換光Ｃのみを取り出すインライン型の波長フィルタ１４を介して出力される。ここで、光ファイバ２ｂ〜２ｇは、偏波保持ファイバであり、光ファイバ２ａは、用途により偏波保持ファイバまたは通常の光ファイバを用いる。

変換光Ｃの強度は、信号光Ａと制御光Ｂの強度の積に比例するので、制御光Βを一定強度にしておけば、信号Ａから変換Ｃへ波長のみを変換することができる。例えば、λ_Ａ＝１．５５μｍ、λ_Ｂ＝０．７７μｍのとき、差周波としてλ_Ｃ＝１．５３μｍが得られる。また、λ_Ａ＝１．４８μｍ、λ_Ｂ＝０．９８μｍのとき、和周波としてλ_Ｃ＝０．５９μｍが得られる。

光波長変換素子１は、通常、ニオブ酸リチウムなどの非線形光学結晶基板に、周期的な分極反転構造が作製され、光導波路が形成されている。光波長変換素子モジュール９は、同じニオブ酸リチウム素子を使った高速光変調器モジュールとほぼ同じ構造で作製されてきた。すなわち、光ファイバは、光波長変換素子の両端面に直接接着して、光学的に結合されている。ただし、温度制御用のペルチェ素子８を内蔵している点は異なる。光波長変換素子１は温度依存性が大きいため、最適な変換効率が得られるように、素子の温度を制御する必要があるからである。

特開２００３−１４０２１４号公報 宮澤他、「１．５５μｍ帯ＱＰＭ−ＬＮモジュールの波長変換特性」、電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、C-4-26, 2002

しかしながら、従来の光波長変換素子モジュールは、波長変換効率があまり高くないので、十分な変換光出力を得るために、信号光Ａと制御光Βとは比較的大きな光強度を有する。そのために、光ファイバ２ａ，２ｂと光波長変換素子１とを直接接続する場合に、固定に使用する接着剤が損傷し、光波長変換素子モジュール９が壊れ易いという問題があった。

また、ニオブ酸リチウムと光ファイバとを構成する石英ガラスの線膨張係数が異なるために、接合部１５の長期信頼性を確保することも難しかった。さらに、ニオブ酸リチウムを用いた光波長変換素子１は、光導波路構造としてハイメサのリッジ構造にすることにより、変換効率の向上が計れる（例えば、特許文献１参照）。このようなハイメサのリッジ構造では、スポットサイズを光ファイバと適合させることが難しいという問題もあった。

一方、レンズを介して光波長変換素子と光ファイバとを結合すると、スポットサイズは像倍率によって可変することができ、耐パワー性も向上する。しかしながら、信号光Ａと制御光Βの波長は、上述の例のように大きく異なることが多いため、レンズの色収差により２つの波長に対して同時に最適な結合を得ることが難しいという問題があった。

カメラレンズのように２枚以上の組合せレンズを用いたり、特殊な非球面レンズにより色収差を解消する方法も考えられるが、使用する波長の組合せ毎に専用レンズが必要となる。このような専用レンズは、光部品としては汎用性が低く、非常に高価なレンズ系となるので実用化には適さなかった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、２つの異なった波長の入力光を高効率で結合する光波長変換モジュールを提供することにある。

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、互いに波長の異なる信号光と制御光とを入力し、前記信号光を異なる波長の変換光に変換する光波長変換モジュールにおいて、二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する光導波路を含む光波長変換素子と、前記信号光と前記制御光とを合波して前記光波長変換素子に入力する波長合成器と、前記光波長変換素子と前記波長合成器とが内部に固定され、前記信号光と前記制御光とを前記波長合成器に光学的に結合するレンズが固定された筐体とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光波長変換モジュールにおいて、前記信号光を出力する第１レーザダイオードと、前記制御光を出力する第２レーザダイオードとをさらに備え、該レーザダイオードの各々の出力は、前記レンズと光学的に結合されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記光波長変換素子は、リッジ型の光導波路であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１、２または３に記載の前記波長合成器は、誘電体多層膜型のフィルタであることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の光波長変換モジュールにおいて、前記変換光のみを透過する波長フィルタが前記筐体に固定され、前記光波長変換素子の出力と光学的に結合されていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、光波長変換素子と波長合成器とが内部に固定され、信号光と制御光とを波長合成器に光学的に結合するレンズが固定された筐体を備えたので、２つの異なった波長の入力光を高効率で結合することが可能となる。

また、本発明によれば、光ファイバ本数や光コネクタ数が減ることにより、レーザ光源などの系全体の実装面積を削減することができ、部品点数の削減による量産効果も図ることが可能となる。

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。
図２に、本発明の第１の実施形態にかかる光波長変換素子モジュールを示す。光波長変換素子モジュール２９は、そのパッケージ内部に、金属製サブマウント２４に載置された光波長変換素子２１と、光波長変換素子２１と熱的に結合されたペルチェ素子２８とを備えている。レーザダイオードモジュール１０ａの出力は、光コネクタ１１ａと偏波保持ファイバ２２ａとを介して、レンズ２３ａに入力され、波長合成器２５とレンズ２３ｄとを介して光波長変換素子２１に入力される。レーザダイオードモジュール１０ｂの出力は、光コネクタ１１ｂと偏波保持ファイバ２２ｂとを介して、レンズ２３ｂに入力され、全反射ミラー２６と波長合成器２５とレンズ２３ｄとを介して光波長変換素子２１に入力される。光波長変換素子２１からの変換光は、レンズ２３ｃと波長フィルタ２７とを介して出力される。

このような構成により、レーザダイオードモジュール１０ａからの信号光Ａと、レーザダイオードモジュール１０ｂからの制御光Ｂとは、偏波保持ファイバ２２ａ，２２ｂで導かれ、それぞれレンズ２３ａ，２３ｂでコリメート化される。入力されたコリメート光は、波長合成器２５で合成され、レンズ２３ｄで集光されて光波長変換素子２１に入力される。入力された光は、光波長変換素子２１の非線形光学効果により、変換光Ｃへ変換され、レンズ２３ｃでコリメート化され、波長フィルタ２７により波長λ_Ｃの変換光のみを出力する。レンズ２３ａ〜２３ｄには、透過する光波長に合わせた無反射コートをかけ、光学損失を防いでいる。

ここで、光波長変換素子２１は、ニオブ酸リチウム基板を使用し、ダイシングソーによりハイメサのリッジ構造を有する光導波路が形成されている。光波長変換素子２１の端面は、斜めに切断した上で、入力波長と出力波長のそれぞれに対応した反射防止膜を設け、端面反射と結合損失とを減少させる。光波長変換素子２１をサブマウント２４に搭載した後、光軸合わせを行いながらレンズ２３ｃ，２３ｄを、サブマウント２４にＹＡＧレーザで溶接固定する。サブマウント２４は、パッケージ内にハンダ固定されたペルチェ素子２８上に搭載される。

次に、波長合成器２５と全反射ミラー２６とが、ガラスプリズムで一体形成されたモジュールと、波長フィルタ２７とを、パッケージ内の所定位置に固定する。最後に、偏波保持ファイバ２２ａ，２２ｂとレンズ２３ａ，２３ｂとを、変換光Ｃの出力が最大となるように位置合せを行い、ＹＡＧレーザにより溶接固定する。

第１の実施形態によれば、光軸ずれの鍵となる光学レンズと光ファイバとは、ＹＡＧレーザにより溶接固定するので、結合は非常に安定で信頼性も高い。入力光学系のレンズ２３ｄにおける色収差の影響により、信号光Ａと制御光Βのいずれかは、コリメート条件からずれる。しかしながら、光波長変換素子モジュール内部の光路長は僅かであるので、光ファイバの位置を調整することにより補正することができ、ほぼ理想的な結合を得ることができる。

パッケージは、ニオブ酸リチウムの光波長変換素子２１の素子長が、効率を稼ぐために数十ミリあり、元々長尺のパッケージとなる。従って、波長合成器２５を内蔵するため、パッケージ全体の大さは、１０ミリ程度大きくなるものの、さほど問題にはならない。むしろ、従来の波長合成器を外付けにしたレーザ光源全体の実装面積を考慮すると、光ファイバ本数および光コネクタ個数が減ることにより、実装面積を削減できる。また、システム全体の部品点数、製造工程も減少するので、量産化によるコストダウンが期待される。なお、本実施形態では、出力をコリメート出力としているが、ここにレンズと光ファイバとを配置して、光ファイバ出力とすることもできる。

図３に、本発明の第２の実施形態にかかる光波長変換素子モジュールを示す。光波長変換素子モジュール３９は、そのパッケージ内部に、金属製サブマウント３４に載置された光波長変換素子３１と、光波長変換素子３１と熱的に結合されたペルチェ素子３８とを備え、さらに、レーザダイオードモジュール４０ａ，４０ｂと波長合成器３５とを、そのパッケージ内部に備えている。レーザダイオードモジュール４０ａの出力は、レンズ３３ａと波長合成器３５とレンズ３３ｄとを介して光波長変換素子３１に入力される。レーザダイオードモジュール４０ｂの出力は、レンズ３３ｂと波長合成器３５とレンズ３３ｄとを介して光波長変換素子３１に入力される。光波長変換素子３１からの変換光は、レンズ３３ｃと波長フィルタ３７とを介して出力される。

このような構成により、レーザダイオードモジュール４０ａ，４０ｂからの信号光Ａと制御光Ｂとは、光ファイバを介さずに入力光学系に直接入力される。このようにして、レーザ光源全体の実装面積をさらに削減し、系全体の小形化・簡素化を図ることができる。

ここで、光波長変換素子３１の搭載は、第１の実施形態に同じである。次に、誘電体多層膜型のフィルタを用いた波長合成器３５と、光ファイバ端面にコーティングされた波長フィルタ膜からなる波長フィルタ３７とをパッケージ内の所定位置に固定する。最後に、レーザダイオード素子を搭載した金属ステムからなるレーザダイオードモジュール４０ａ，４０ｂを、ＹＡＧレーザにより溶接固定する。

第２の実施形態によれば、光学レンズとレーザダイオードモジュールとを、ＹＡＧレーザにより溶接固定するので、結合は非常に安定で信頼性も高い。レンズ３３ｄにおける色収差の影響は、レンズ３３ａ，３３ｂとレーザダイオードモジュールの金属ステムとの距離を調整して補正することができる。なお、第１の実施形態同様に出力をコリメート出力としてもよいし、レーザダイオードモジュールを平行に配置して、波長合成器と全反射ミラーとが一体形成されたモジュールを配置してもよい。

従来の擬似位相整合型の波長変換素子を用いたレーザ光源を示す構成図である。 本発明の第１の実施形態にかかる光波長変換素子モジュールを示す構成図である。 本発明の第２の実施形態にかかる光波長変換素子モジュールを示す構成図である。

符号の説明

１，２１，３１ 光波長変換素子
２，３２ 光ファイバ
３，２３，３３ レンズ
４，２４，３４ 金属製サブマウント
８，２８，３８ ペルチェ素子
９，２９，３９ 光波長変換素子モジュール
１０，４０ レーザダイオードモジュール
１１ 光コネクタ
１３ 波長合成器モジュール
１４，２７，３７ 波長フィルタ
２２ 偏波保持ファイバ
２５，３５ 波長合成器
２６ 全反射ミラー

Claims (5)

1. 互いに波長の異なる信号光と制御光とを入力し、前記信号光を異なる波長の変換光に変換する光波長変換モジュールにおいて、
   二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する光導波路を含む光波長変換素子と、
   前記信号光と前記制御光とを合波して前記光波長変換素子に入力する波長合成器と、
   前記光波長変換素子と前記波長合成器とが内部に固定され、前記信号光と前記制御光とを前記波長合成器に光学的に結合するレンズが固定された筐体と
   を備えたことを特徴とする光波長変換モジュール。
2. 前記信号光を出力する第１レーザダイオードと、前記制御光を出力する第２レーザダイオードとが前記筐体に固定され、該レーザダイオードの各々の出力は、前記レンズと光学的に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の光波長変換モジュール。
3. 前記光波長変換素子は、リッジ型の光導波路であることを特徴とする請求項１または２に記載の光波長変換モジュール。
4. 前記波長合成器は、誘電体多層膜型のフィルタであることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光波長変換モジュール。
5. 前記変換光のみを透過する波長フィルタが前記筐体に固定され、前記光波長変換素子の出力と光学的に結合され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光波長変換モジュール。
   

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