JP2005275064A

JP2005275064A - 白色光パルス生成方法、光パルス波長変換方法、非線形光学素子、白色パルス光源、波長可変パルス光源

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Publication number: JP2005275064A
Application number: JP2004089206A
Authority: JP
Inventors: Hirohito Yamada; 博仁山田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2005-10-06
Also published as: US20050213905A1; US7286738B2

Abstract

【課題】高効率かつ安定な光パルスの白色化を可能にするコンパクトな非線形光学素子（細線光導波路、フォトニック結晶光導波路）、かかる非線形光学素子を用いた白色パルス光源、波長可変パルス光源を提供する。
【解決手段】細線光導波路またはフォトニック結晶光導波路について、コアの断面積を１μｍ²以下、コアとクラッドとの屈折率差を１以上とし、入射光パルスについて、ピークパワーが数百Ｗ以上、パルス幅が１０ｐｓ以下として、スーパーコンチュウム光生成のための非線形光学効果を高める。素子長については、細線光導波路は１ｃｍ程度、フォトニック結晶光導波路は数ｍｍで十分である。パルス光源については、上記条件であればモード同期半導体レーザで十分である。以上により、モード同期半導体レーザ１４２、チューナブル光フィルタ１４５を組み合わせて、コンパクトな白色パルス光源、波長可変パルス光源が得られる。
【選択図】図１４

Description

本発明は、非線形光学素子を用いた光パルスの白色化と波長変換に関する。

従来、光パルスの白色化を行う方法としては、高非線形光ファイバまたはフォトニック結晶光ファイバ（ホーリーファイバとも呼ばれる）などに光パルスを導くことにより、スーパーコンチュウム光（入射された光パルスが、媒質中を伝搬する間に、非線形光学効果によって自己位相変調を受ける結果、そのスペクトルが非常に広い波長範囲にわたって連続的に広げられるが、このスペクトルの広げられた光パルスをスーパーコンチュウム光と呼ぶ）を発生させる方法が知られている。そして、このスーパーコンチュウム光から、チューナブル光フィルタなどによって所望の波長成分の光パルスだけを取り出すことにより、光パルスの波長変換が実現される。詳細は、ＷｉｌｌｉａｍＪ．Ｗａｄｓｗｏｒｔｈ，ＡｒｔｕｒｏＯｒｔｉｇｏｓａ−Ｂｌａｎｃｈ，ＪｏｎａｔｈａｎＣ．Ｋｎｉｇｈｔ，ＴｉｍＡ．Ｂｉｒｋｓ，Ｔ．−Ｐ．ＭａｒｔｉｎＭａｎ，ａｎｄＰｈｉｌｌｉｐＳｔ．Ｊ．Ｒｕｓｓｅｌｌ，Ｊｏｕｒｎａｌ．ｏｆＯｐｔｉｃａｌ．Ｓｏｃｉｅｔｙ．ｏｆＡｍｅｒｉｃａＢ，Ｖｏｌ.１９，Ｎｏ．９，ｐｐ．２１４８−２１５５（２００２）（非特許文献１）に開示されている。

図１を参照すると、代表的なホーリーファイバの断面ＳＥＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真が示されている。中心に直径２μｍくらいのコアがあり、その周りにたくさんの孔が開いている。コアはシリカ（ＳｉＯ₂）であり、その屈折率は１．５程度である。クラッドもＳｉＯ₂であるが、孔が設けられているため、その屈折率は１．０程度になる。したがって、コアとクラッドの屈折率は、０．５程度である。ホーリーファイバにおいては、光パルスが直径２μｍくらいの小さいコアに閉じ込められて伝搬することにより、その母体材料であるシリカとの間で強い相互作用が生じ、大きな非線形光学効果が生じる。これを利用してスーパーコンチュウム光を発生させる。また、光パルスの波長で分散がほぼゼロとなるようにホーリーファイバを設計することで、光パルスがホーリーファイバを伝搬中に広がるのを抑え、スーパーコンチュウム光を効率よく発生させることができる。

ホーリーファイバなどを用いた従来のスーパーコンチュウム光生成の場合には、相互作用長を稼ぐため、少なくとも数十ｃｍ程度の長さの光ファイバが必要である。また、スーパーコンチュウム光の生成には、ｋＷ〜ＭＷ級のピークパワーを有し、数百ｆｓのパルス幅を有する光パルスが必要になり、そのため、チタンサファイヤレーザなどの大型の固体レーザをパルス光源として用いなければならない。さらに、ホーリーファイバなどの光ファイバは、直交する偏波面を有する伝搬光に対して、伝搬特性の依存性がないか、あっても非常に小さい。そのため、光ファイバに曲げやねじれなどが存在すると、光が光ファイバ中を伝搬する間に偏波面が回転してしまう。特に光ファイバが長い場合はこの現象が顕著となり、スーパーコンチュウム光生成の安定性に問題が生じる場合がある。

以上のように、ホーリーファイバなどを用いた従来のスーパーコンチュウム光生成の場合には、パルス光源、ホーリーファイバなどから波長可変パルス光源を構成する際に、波長可変パルス光源のサイズが大きくなってしまうことや、発生するスーパーコンチュウム光が安定性を欠くことなど、大きな問題が残されていた。さらに、大型の固体レーザは非常に高価であり、ホーリーファイバも現在のところ非常に高価である（数万円／ｍ程度）。

そこで、高非線形光ファイバやホーリーファイバなどに代えて、他の非線形光学素子をスーパーコンチュウム光生成のために利用できないかが検討されるべきである。その候補の１つとして、細線光導波路が挙げられる。

図２を参照すると、細線光導波路の一例が示されている。半導体などの基板２０上に、シリカ（ＳｉＯ₂）からなる下部クラッド２１を形成し、その上にシリコン（Ｓｉ）の細線からなるコア２２を形成し、入射端面２２０と出射端面２２１を形成したものである。コア２２の断面サイズとして、高さ０.２〜０.２５μｍ程度、幅１.０〜０.５μｍ程度のものが試作されている。コア２２はＳｉであるため、その屈折率は約３.５である。下部クラッド２１はＳｉＯ₂であるため、その屈折率は約１.５である。上部クラッドは空気のため、その屈折率は１である。したがって、コアとクラッドとの間の屈折率差は少なくとも２程度得られており、大きな屈折率差がつけられている。

図３を参照すると、図２とは異なる細線光導波路の一例が示されている（特開２００３-３２２７３７号公報（特許文献１）を参照）。半導体などの基板３０上に、ＳｉＯ₂からなる下部クラッド３１を形成し、その上にＳｉの細線からなるコア３２を形成しているが、図２とは異なり、さらに全体をポリマーまたはＳｉＯ₂からなる上部クラッド３３で埋めこみ、入射端面２２０と出射端面２２１を形成している。コア３２の断面サイズは、高さ０.２〜０.３μｍ程度、幅約０.２７〜０.３３μｍ程度である。コア３２はＳｉであるため、その屈折率は約３.５である。下部クラッド３１および上部クラッド３３はＳｉＯ₂またはポリマーであるため、その屈折率は約１.５である。したがって、コアとクラッドとの間の屈折率差は約２となり、大きな屈折率差がつけられている。

図２または図３の細線光導波路では、コアが細線化されているため、光を細線光導波路に入射する際、大きな光損失が生じる。そこで、細線光導波路への入射効率を向上させる方法として、細線光導波路の先端部分にポリマー光導波路を被服することにより、ビームスポットサイズ変換器を形成する方法が、Ｔ．Ｓｈｏｊｉ，Ｔ．Ｔｓｕｃｈｉｚａｗａ，Ｔ．Ｗａｔａｎａｂｅ，Ｋ．Ｙａｍａｄａ，ａｎｄＨ．Ｍｏｒｉｔａ，ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒ，Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．２５，ｐｐ．１６６９−１６７０（２００２）（非特許文献２）に開示されている。
特開２００３-３２２７３７号公報ＷｉｌｌｉａｍＪ．Ｗａｄｓｗｏｒｔｈ，ＡｒｔｕｒｏＯｒｔｉｇｏｓａ−Ｂｌａｎｃｈ，ＪｏｎａｔｈａｎＣ．Ｋｎｉｇｈｔ，ＴｉｍＡ．Ｂｉｒｋｓ，Ｔ．−Ｐ．ＭａｒｔｉｎＭａｎ，ａｎｄＰｈｉｌｌｉｐＳｔ．Ｊ．Ｒｕｓｓｅｌｌ，Ｊｏｕｒｎａｌ．ｏｆＯｐｔｉｃａｌ．Ｓｏｃｉｅｔｙ．ｏｆＡｍｅｒｉｃａＢ，Ｖｏｌ.１９，Ｎｏ．９，ｐｐ．２１４８−２１５５（２００２）Ｔ．Ｓｈｏｊｉ，Ｔ．Ｔｓｕｃｈｉｚａｗａ，Ｔ．Ｗａｔａｎａｂｅ，Ｋ．Ｙａｍａｄａ，ａｎｄＨ．Ｍｏｒｉｔａ，ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒ，Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．２５，ｐｐ．１６６９−１６７０（２００２）

上述した細線光導波路は、ホーリーファイバなどに比べて、強い光閉じ込めを実現している。しかしながら、これまで、細線光導波路が非線形光学素子として利用されることはあまりなかった。したがって、これまで、細線光導波路に光パルスを導波させて白色化させるのに効率的な光閉じ込め構造、分散の制御、あるいは、白色化を安定性させるための偏波面制御など、白色化に適した細線光導波路の構造設計が提案されることはなかった。また、細線光導波路では、コアが細いので、細線光導波路に光を入射させる際の光損失が著しく大きくなることは上述したとおりであるが、光パルスの白色化の場合において、この問題にどのように対処するべきなのかということも、当然、これまで検討されることはなかった。

さらに、細線光導波路と並んで、スーパーコンチュウム光生成に利用できる可能性を有する非線形光学素子であり、図４に示すようなフォトニック結晶光導波路に関しても、白色化を効率よく行うことができるような光導波路構造に関する構造設計や、分散制御のための構造設計は、これまでなされることはなかった。

本発明の目的は、上述のような高非線形光ファイバまたはホーリーファイバの有する欠点を克服し、高効率かつ安定な白色化が可能であるコンパクトな非線形光学素子（細線光導波路、フォトニック結晶光導波路）を提供することにある。また、このような非線形光学素子、モード同期半導体レーザのような小型のパルス光源、チューナブル光フィルタを組み合わせることにより、高効率かつ安定かつコンパクトな白色パルス光源や波長可変パルス光源を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の白色光パルス生成方法は、コアの断面積が１μｍ²以下で、コアとクラッドとの屈折率差が１以上である光導波路の入射端面に、ピークパワーが数百Ｗ以上で、パルス幅が１０ｐｓ以下の光パルスを入射させ、光導波路中を伝搬させた光パルスを、光導波路の出射端面から取り出す。

本発明の光パルス波長変換方法は、上記の白色光パルス生成方法によって生成された白色光パルスを、所望の波長の光を透過するように設定された波長可変光フィルタリング手段に入射させ、波長可変光フィルタリング手段から、所望の波長の光パルスを取り出す。

本発明の非線形光学素子（細線光導波路）は、光パルスが入射される入射端面と、少なくとも素子中央部の断面積が１μｍ²以下である細線状のコアと、コアとの屈折率差が１以上であるクラッドと、伝搬された光パルスが出射される出射端面を有する。

上記の細線光導波路において、コアは、屈折率が高く、光通信帯域で透明なシリコンでできているのが好ましい。また、クラッドは、シリカまたはポリマーでできているのが好ましい。さらに、クラッドは、シリカとポリマーを含む少なくとも２種類の材料で構成できることが好ましい。

クラッドの一部が除去され、コアの一部が空気にさらされるようにすると、空気がクラッドの一部を形成し、コアとクラッドの屈折率差が大きくなるので、光をコアに閉じ込めるうえで好ましい。

光入射効率を高めるために、コアの断面積が、素子中央部から入射端面および／または出射端面に向けて、連続的に大きくなっているのが好ましい。逆に、コアの断面積が、素子中央部から入射端面および／または出射端面に向けて、連続的に小さくなっていてもよい。

本発明の細線光導波路は、ホーリーファイバなどに比べて素子長がかなり小さいので、光導波路の分散は抑制されるが、さらに分散を抑えるために、コアには、光導波路の分散を抑制するための切り込みが設けられているのが好ましい。切り込みは、光導波路の分散による光パルスの時間軸上での広がりが、光パルスのパルス幅の１／５以下になるように、その幅と深さを含むサイズが設定されるのが好ましい。

また、コアには、光導波路の分散を抑制するための回折格子が設けられていてもよい。回折格子は、光導波路の分散による光パルスの時間軸上での広がりが、光パルスのパルス幅の１／５以下になるように、その周期を含むサイズが設定されているのが好ましい。

光導波路を伝搬する光の偏波面を維持し、スーパーコンチューム光を安定に生成するため、コアは異方性形状を有しているのが好ましい。コアの縦横比が１．２以上であるのが好ましい。

本発明の非線形光学素子（フォトニック結晶光導波路）は、光パルスが入射される入射端面と、２次元フォトニック結晶スラブ内の線状欠陥であるコアと、２次元フォトニック結晶スラブの線状欠陥を挟む結晶格子部を含むクラッドと、伝搬された光パルスが出射される出射端面を有し、２次元フォトニック結晶スラブの厚さと格子定数の積が１μｍ²以下であり、コアとクラッドとの屈折率差が１以上である。

２次元フォトニック結晶スラブは、シリコンでできているのが好ましい。

格子定数を含む２次元フォトニック結晶スラブの構造が、光導波路の分散が光パルスのパルス幅の１／５以下になるように設定されているのが好ましい。

さらに、光と光導波路の媒質との非線形光学作用を高めるため、格子定数を含む２次元フォトニック結晶スラブの構造が、素子を伝搬する光パルスの群速度が真空中の光速度の１／１０以下になるように設定されているのが好ましい。

２次元フォトニック結晶スラブの厚さと格子定数は、コアの断面を異方性形状にするため、異なる値をとるのが好ましい。

本発明の白色パルス光源は、以上の非線形光学素子と、非線形光学素子の入射端面に入射される、ピークパワーが数百Ｗ以上で、パルス幅が１０ｐｓ以下の光パルスを生成するパルス光源を有する。パルス光源は、モード同期半導体レーザであるのが好ましい。

本発明の波長可変パルス光源は、この白色パルス光源と、白色パルス光源によって生成された白色光パルスから、あらかじめ設定された所望の波長成分を取り出す波長可変光フィルタリング手段を有する。

本発明の細線光導波路またはフォトニック結晶光導波路は、ホーリーファイバ（コア断面積は約３μｍ²、屈折率差は約０．５）にくらべて、非線形光学効果を容易に高められる。そこで、素子長については、細線光導波路については１ｃｍ程度、フォトニック結晶光導波路については数ｍｍと短くできる。また、入射させる光パルスは、ホーリーファイバの場合に比べて、ピークパワーが小さくてもよく、パルス幅は長くてもよい。ピークパワーが数百Ｗ以上、パルス幅が１０ｐｓ以下の条件であれば、コンパクトなモード同期半導体レーザでも十分に対応できる。以上により、細線光導波路またはフォトニック結晶光導波路を用いると、白色パルス光源や波長可変パルス光源をコンパクトにできる。

以上説明したように、本発明によれば、高効率かつ安定かつコンパクトな波長可変パルス光源を実現できるので、次世代のフォトニックネットワークを構成する素子として、本発明の波長可変パルス光源を用いることができる。また、本発明の白色パルス光源や波長可変パルス光源は、通信ネットワーク応用ばかりでなく、診療用や分析用の光源などとしても幅広く用いることができる。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図５を参照すると、本発明の細線光導波路を用いた白色光パルス生成方法を説明するための図が示されている。基板５０の上に形成された、高い屈折率を有する材料からなるコア５１の入射端面５１０に光パルス５２を導く。光パルス５２がコア５１を伝搬する間に、光パルス５２と細線光導波路の母体材料との間で強い相互作用が引き起こされることによって、非線形光学効果が生じ、出力端面５１１からスーパーコンチューム光５３が出力される。

図２および図３に示す細線光導波路も、所定のサイズ、所定の材料を選択することで、本発明の細線光導波路として機能する。

本発明の細線光導波路の第１の実施形態として、図２に示す細線光導波路が、本発明の細線光導波路として機能する場合を説明する。以下、図２を参照して説明する。

屈折率が比較的小さい基板２０上に、屈折率１.５程度の材料（ＳｉＯ₂、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリイミド、ポリマー、樹脂など）からなる下部クラッド２１を形成し、これらよりも屈折率の大きく、少なくとも屈折率が２の材料でコア２２を形成し、入射端面２２０と出射端面２２１を形成する。コア２２の断面積は１μｍ²以下であることが必要であるが、０.３μｍ²以下であるのが好ましく、さらに０.１μｍ²以下であるのが好ましい。断面積が１μｍ²以下のときに、スーパーコンチューム光を発生させる非線形光学効果が生じ、０.３μｍ²以下のときに、この非線形光学効果が顕著になる。特に、０.１μｍ²以下のときには、スーパーコンチューム光の生成を効率よく行えるようになる。

コア２２は、Ｓｉ（屈折率３．５）であるのが好ましい。この場合、コア２２と下部クラッド２１の屈折率差は約２となり、コア２２と上部クラッドである空気（屈折率１）の屈折率差は約２．５となる。スーパーコンチューム光生成のためには、コアとクラッドの屈折率差は、少なくとも１は必要である。コア２２は、Ｓｉの他にも、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ_yＰ_1-y、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ、Ｇａ_xＩｎ_yＮ_1-x-yＡｓなどの半導体材料であってもよい。これらの半導体材料は、Ｓｉと同程度に高い屈折率を有しており、１.５５μｍなどの光通信波長帯で透明である。

基板２０としては、所定の機械的・光学的・熱的特性を満たすものであればなんでもよく、ガラス、プラスチック、石英、サファイアなどの絶縁体基板、Ｓｉ、ＧａＡｓＩｎＰなどの半導体基板を用いることができる。特に、製造面からは、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハなどを加工して用いることが好ましい。

次に、本発明の細線光導波路の第２の実施形態として、図３に示す細線光導波路が、本発明の細線光導波路として機能する場合を説明する。以下、図３を参照して説明する。

基板３０上に、下部クラッド３１を形成し、その上にコア３２を形成し、その上に屈折率１.５程度の材料（ＳｉＯ₂、ＰＭＭＡ、ポリイミド、ポリマー、樹脂など）の上部クラッド３３を形成し、入射端面３２０と出射端面３２１を形成する。

なお、例えば、下部クラッド３１をＳｉＯ₂、上部クラッド３３をポリマーというように、各クラッドを異なる材料で構成してもよい。この場合、下部クラッド３１をＳｉＯ₂とすることで、コア３２を安定に保持でき、コア３２を柔らかいポリマーで覆うことで、素子内の歪みなどを吸収して、素子を構造的に安定化させることができる。

第１の実施形態では、上部クラッドが空気であったが、第２の実施形態では、屈折率１.５程度の材料になる。第２の実施形態の方がコアとクラッドの屈折率差が小さくなるが、コアを保護できるという長所がある。その他の点については、第１の実施形態と同様である。

本発明の細線光導波路では、光を非常に細い高屈折率のコア内に閉じ込め、光と細線光導波路の母体材料との間で強い相互作用を引き起こさせることにより、大きな非線形光学効果を引き出す。図２および図３の細線光導波路よりもさらに強く光を閉じ込められる構造として、図６および図７のような細線光導波路が考えられる。

図６を参照すると、本発明の第３の実施形態の細線光導波路が示されている。この細線光導波路は、第１の実施形態（図２）の細線光導波路において、基板（２０、６０）上に形成された下部クラッド（２１、６１）のうち、細線光導波路中央部の下部クラッド（２１、６１）を除去し、細線光導波路中央部のクラッドを全て空気としている。以上により、コア６２とクラッドとの間で、より大きな屈折率差を実現することにより、より強い光閉じ込め効果を得ている。その他の点においては、第１の実施形態と同様である。

図７を参照すると、本発明の第４の実施形態の細線光導波路が示されている。この細線光導波路は、第２の実施形態（図３）の細線光導波路において、細線光導波路中央部の下部クラッド（３１、７１）および上部クラッド（３３、７３）を除去して、細線光導波路中央部のクラッドを全て空気としている。以上により、コア７２とクラッドの間で、より大きな屈折率差を実現することにより、より強い光閉じ込め効果を得ている。その他の点においては、第２の実施形態と同様である。

コアへの入射効率を改善する方法として、コアの入射端面近傍の断面を大きくする方法がある。具体的には、細線光導波路中央部のコアの断面を上記サイズに維持しつつ、入射端面のコアの断面を大きくして、コアの入射端面近傍から入射端面へ向けて、コアの断面が中央部の大きさから入射端面の大きさに連続的に大きくなるようにすることで、入射効率を改善できる。また、スーパーコンチューム光を発生させるのに必要なコアの断面サイズは、他の光学部材の入射端面よりも小さいので、出射端面側も同様な処置をとることで、細線光導波路と他の光学部材との接続が容易になる。図８Ａおよび図８Ｂの細線光導波路は、以上の方法により、入射効率を改善した細線光導波路である。

図８Ａを参照すると、本発明の第５の実施形態の細線光導波路が示されている。第２の実施形態（図３）の細線光導波路をベースにして、コア８２の断面サイズを、入射端面８２０近傍と出射端面８２１近傍において大きくしている。細線光導波路中央部のコアの断面積は、上記のように、少なくとも１μｍ²以下である必要があり、０.３μｍ²以下であるのが好ましく、さらに０.１μｍ²以下であるのが好ましい。入射端面８２０の断面積は、入射光のビーム径と同程度またはそれより大きくすればよく、特に限定されない。

もっとも、入射端面８２０の断面積を大きすぎると、入射された光がマルチモードとなり、白色光パルス生成の安定性を損なうおそれがある。加えて、コア８２において入射端面８２０の断面積から細線光導波路中央部の断面積に移行するまでの部分（以下、入射部とする）が短すぎると、入射した光を細線光導波路中央部に収束できず、光の損失が起きる。そのため、入射部の長さとして、光の損失が起きない程度、具体的には入射端面８２０の辺の長さ（または直径）の少なくとも１０倍程度の確保が必要である。

したがって、入射端面８２０の断面積を大きくし過ぎると、入射部を長くせざるをえず、細線光導波路全体が長くなってしまう。そこで、入射端面８２０の断面積はビーム径と同程度または２倍程度の大きさとするのが好ましい。出射端面８２１についても入射端面８２０と同様なことが言える。具体的なサイズとしては、ビーム径が約０．４μｍのとき、コア８２は、入射端面８２０および出射端面８２１において、高さ約０.３μｍ、幅約０.３μｍ、細線光導波路中央部で高さ約０.３μｍ、幅約０.２μｍである。

光の入射効率を改善する別の方法として、図８Ｂに示すように、入射面近傍のコア断面積を、前述の方法とは逆に細くすることも効果的である。コア断面を所定の断面積以下に細くすると、光はもはや狭いコア内には閉じ込められなくなり、導波される光はコアからはみ出して、逆に導波光のビームスポット径は大きくなってしまう。したがって、コアのテーパー形状を適切に設計すれば、入射光ビームの径と等しくすることが可能である。具体的には、導波路中央部で厚さ約０．２５μｍ、幅約０．３μｍの細線コアを、約１００μｍの長さに渡り次第に細くしてゆき、先端部分で厚さ約０．２μｍ、幅約０．１μｍ程度にすれば良い。この場合、テーパーコアの先端が、必ずしも端面まで達していなくても機能する。

その他の点においては、第２の実施形態と同様である。なお、第５の実施形態（図８Ａ、図８Ｂ）の細線光導波路を、第２の実施形態（図３）の細線光導波路をベースにして説明したが、第１の実施形態（図２）、第３の実施形態（図６）、第４の実施形態（図７）の細線光導波路をベースにしてもよい。

コアへの入射効率を改善する他の方法として、非特許文献２に記載のビームスポットサイズ変換器を形成する方法を用いてもよい。また、レンズや凹面鏡を用いた各種集光素子も、入射効率を改善するために利用できる。

本発明の細線光導波路は、ホーリーファイバなどに比べて、大幅に導波路長を短くできるため、導波路の分散を抑えることができることも利点である。分散を低く抑えることができるとはいえ、さらに良好な非線形光学特性を得るためには、分散値による光パルスの広がりを入射する光パルスの時間幅の１／５以下に抑えることが好ましい。できれば、光パルスの時間幅の１／１０以下に抑えることがより好ましい。細線光導波路に分散抑制機構を組み込むことで、分散値による光パルスの広がりが光パルスの時間幅の１／１０以下に抑えることができる。図９および図１０の細線光導波路は、分散抑制機構を組み込んだ細線光導波路である。

図９を参照すると、本発明の第６の実施形態の細線光導波路が示されている。第２の実施形態（図３）の細線光導波路をベースにして、細線光導波路の屈折率分散を小さくするために、コア９２の長手方向に沿って切れ込み９２０を設けている。切れ込み９２０が分散抑制機構として働く。切れ込み９２０の幅は、コア９２の断面方向の横幅の１／２０〜１／３、好ましくは１／１０〜１／５である。切れ込み９２０は、コア９２の長手方向に分断して形成してもよく、長手方向に沿って複数本形成してもよい。切れ込み９２０は、コア９２の断面方向の中央部近傍に、コアの長手方向全体に渡って形成した方が良好な非線形光学特性が得られるが、部分的に形成するだけでも分散抑制効果は得られる。コア９２の断面方向の中央部近傍に、コア９２の長手方向全体に渡って切り込み９２０を形成した場合の具体例としては、コア９２の断面サイズが、厚さと幅がともに約０.３μｍのとき、コア９２の断面方向の中央に、幅０.０５μｍ、深さ約０.１μｍの切り込み９２０を形成したものが挙げられる。シミュレーションによると、このような切れ込み９２０を入れることで、波長１.５５μｍ帯での分散値をほぼゼロにすることができる。

その他の点においては、第２の実施形態と同様である。なお、第６の実施形態（図９）の細線光導波路を、第２の実施形態（図３）の細線光導波路をベースにして説明したが、第１の実施形態（図２）、第３の実施形態（図６）、第４の実施形態（図７）、第５の実施形態（図８Ａ、図８Ｂ）の細線光導波路をベースにしてもよい。

図１０を参照すると、本発明の第７の実施形態の細線光導波路が示されている。第２の実施形態（図３）の細線光導波路をベースにして、細線光導波路の長手方向に沿って回折格子１０２２を設けている。コア１０２の上下面または側面に周期的な凹凸を形成したもので、回折格子１０２２の溝の深さと周期を適切に選ぶことにより、所望の波長域でゼロ分散を実現することが可能である。最適な回折格子１０２２の溝の深さと周期は、入射光の波長、コア１０２とクラッド（１０１、１０３）の屈折率、サイズなどから計算することができる。コア１０２の両側面に、コア１０２の長手方向全体に渡って回折格子１０２２を形成した方が良好な非線形光学特性が得られる。具体例としては、周期が約０.３μｍで、出っ張りが約０.０２μｍの凹凸をコア１０２の両側面に形成したものが挙げられ、この場合、計算上ゼロ分散にできることが分かった。

その他の点においては、第２の実施形態と同様である。なお、第７の実施形態（図１０）の細線光導波路を、第２の実施形態（図３）の細線光導波路をベースにして説明したが、第１の実施形態（図２）、第３の実施形態（図６）、第４の実施形態（図７）、第５の実施形態（図８Ａ、図８Ｂ）の細線光導波路をベースにしてもよい。

以上の細線光導波路においては、基板上に直線的に細線光導波路が形成されていたが、細線光導波路は必ずしも直線的に形成する必要はない。本発明の細線光導波路においては、コアが高屈折材料からなるので、細線光導波路が曲がっていてもコアからの光の染み出しは少ない。特に、コアとクラッドの屈折率差が２を超える場合には、細線光導波路が急峻に曲がっていても、コアからの光の染み出しは少ない。図１１は、限られた基板スペースで、光と細線光導波路の媒質との相互作用長を稼ぐことのできる細線光導波路である。

図１１を参照すると、本発明の第８の実施形態の細線光導波路が示されている。細線光導波路を渦巻き状にしている。スーパーコンチューム光の生成効率は、入射させる光パルスのピークパワーの２乗と導波路長に比例して高くなるので、導波路長は、ある程度の長さが必要となる。第８の実施形態の細線光導波路では、素子面積が限られている場合でも、必要な導波路長を確保できる。また、細線光導波路を渦巻き状に形成することで、基板面積をよりコンパクトにすることができる。第８の実施形態の細線光導波路は、第１から第７の実施形態の細線光導波路のすべてをベースにできる。

本発明の細線光導波路を第１から第８の実施形態を用いて説明してきたが、第１の実施形態（図２、上部クラッド層なし）、第２の実施形態（図３、上部クラッド層あり）、第３の実施形態（図６、上部クラッド層がなく、下部クラッド層の中央部が取り除かれている）、第４の実施形態（図７、上部クラッド層と下部クラッド層の中央部が取り除かれている）、第５の実施形態（図８Ａまたは図８Ｂ、入射端面と出射端面におけるコアの断面積が大きくなっている、または小さくなっている）、第６の実施形態（図９、分散抑制機構として、コアに切り込みが設けられている）、第７の実施形態（図１０、分散抑制機構として、コアに回折格子が設けられている）、第８の実施形態（図１１、コアが折りたたまれている）の各特徴を任意に組み合わせることで、本発明の細線光導波路の新たな実施形態を作り出すことができる。

Ｓｉなどの半導体材料は、１μｍ以上の波長では透明であるが、可視光領域では透明でないため、可視光領域で白色光パルス生成を行う導波路材料としては用いることができない。しかし、可視光領域で透明な高屈折率材（屈折率が２以上）をコアとして用いることで、本発明の細線光導波路は可視光領域で利用できる細線光導波路となる。例えば、ＴｉＯ₂（屈折率２．４）、Ｔａ₂Ｏ₅（屈折率２．１）、ジルコニア（屈折率２．２）、ダイヤモンド（屈折率２．４）などが利用できる。この場合、クラッド用材料としては、ＳｉＯ₂、ポリマー材料を用いることができる。

本発明の細線光導波路において、コアの断面形状は、円や正多角形のような等方性形状よりも、直交する２つの方向に対して長さが異なる異方性形状、例えば、長方形、台形、楕円形にするのが好ましい。コアを異方性形状にすることで、伝搬光の偏波面を安定に維持できるようになる。その結果、スーパーコンチュウム光生成の安定性も高めることができる。具体的には、直交する二つの偏波面の伝搬光に対して十分な大きさの有効屈折率の差を生じさせればよい。シミュレーションの結果、コア幅の比は、１:１.２以上とすることが好ましく、１:１.５以上とすると、より好ましい結果が得られることが分かった。

コア断面が正方形であることに加え、その周りのクラッドの屈折率が均一の場合、直交する偏波面の光に対する伝搬特性の差は小さい。したがって、たとえ短い長さでも、光が細線光導波路を伝搬する間に偏波面が回転してしまうこともあり、スーパーコンチュウム光生成の安定性の面では好ましくはない。しかし、第１の実施形態（図２）、第３の実施形態（図６）、第４の実施形態（図７）の細線光導波路のように、コアを囲むクラッドのうち、下部クラッドのみが例えばＳｉＯ₂であり、その他は空気となっている場合には、コア断面が正方形のような等方性形状であっても偏波無依存ではなくなるので、伝搬光の偏波面を維持できる。つまり、クラッドの一部を空気とすることは、コアとクラッドの屈折率差を大きくするだけでなく、偏波依存性を設けることにも役立っている。

次に、本発明のフォトニック結晶光導波路を用いた白色光パルス生成について説明する。図４で示したフォトニック結晶光導波路は、所定のサイズ、所定の材料を選択することで、本発明のフォトニック結晶光導波路として機能する。以下、図４を参照して説明する。

Ｓｉのように比較的高い屈折率を有する半導体薄板に対して、三角格子状に空気孔４１０を開けた２元フォトニック結晶において、結晶中に線状欠陥を導入することによりコア４０を形成する。この場合、光は、薄板の面内では、フォトニック結晶によるフォトニックバンドギャップの効果で閉じ込められ、厚さ方向では、屈折率差によって閉じ込められることにより、線状欠陥部分がコア４０として機能する。

このようなフォトニック結晶光導波路のコア４０の断面サイズは、通常、薄板の厚さが０.２５μｍ程度であり、フォトニック結晶の格子定数が０.４μｍ程度であるため、０.２５×０.４μｍ程度と非常に小さいものとなる。フォトニック結晶光導波路の場合も、コア断面積は１μｍ²以下である必要があり、コアとクラッドとの屈折率差は１以上である必要がある。なお、Ｓｉ以外にも、ＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰなどの化合物半導体の薄板を用いても同様の効果が得られる。このようなフォトニック結晶光導波路も細線光導波路と同様、非常に強い光閉じ込めの効果と偏波依存性を有しているが、同時に波長によっては大きな屈折率分散を有しているため、光パルスを入射して非線形光学素子として用いるためには、分散制御の必要性がある。

このようなフォトニック結晶光導波路の分散値は、図１２に示す導波モードの分散関係から分かるように、導波モードのカットオフ波長付近では非常に大きな分散を有する。しかし、そのカットオフ波長から短波長側に離れるにしたがい、分散が小さくなり、ある波長で分散がゼロとなり、さらに分散量の符号が逆になり、大きくなっていくという傾向にある。したがって、波長を適当に選べば、導波路の分散の値が材料分散を打ち消す波長が必ず存在する。したがって、カット・アンド・トライにより、フォトニック結晶の孔径や周期を最適化すれば、所望の波長でゼロ分散とすることができる。分散による光パルスの広がりは、入射する光パルスの時間幅の１／５以下に抑えることが好ましい。できれば、光パルスの時間幅の１／１０以下に抑えることがより好ましい。

また、フォトニック結晶光導波路の場合、導波路を伝搬する光の群速度を極端に遅くすることも可能である（真空中の光速度の数十分の１にまで遅くすることが可能である）。その結果、光と導波路の母体材料とが相互に作用する時間が長くなり、非線形光学効果が効果的に得られる。導波路を伝搬する光の群速度は、フォトニック結晶の孔径や周期により制御可能であり、真空中の光速度の１０分の１以下にするのが好ましい。

図１３を参照すると、本発明のフォトニック結晶光導波路を用いた白色光パルス生成方法を説明するための図が示されている。細線光導波路の場合と同様に、光パルス１３２をコア１３１０に導くことにより、スーパーコンチューム光１３３を生成できる。この場合も、光ファイバとフォトニック結晶光導波路との結合効率を高めるために、ビームスポットサイズ変換器などを用いてもよい。

図１４を参照すると、本発明による光パルス波長変換方法が示されている。図１４では、細線光導波路が示されているが、フォトニック結晶光導波路でも同様である。光パルスを生成するモード同期半導体レーザ１４２と、チューナブル光フィルタ１４５を組み合わせることにより、コンパクトなサイズで、波長可変パルス光源が実現できる。モード同期半導体レーザ１４２から出力される中心波長λ₁の光パルス１４３は、細線光導波路またはフォトニック結晶光導波路に導入され、伝搬されることにより、自己位相変調を受けて、スペクトルの広がった白色光パルス、すなわち、スーパーコンチューム光１４４となる。このスーパーコンチューム光１４４は、中心波長λ₂の光を透過するように設定されたチューナブル光フィルタ１４５により、中心波長λ₂の光パルス１４６に変換される。

白色光パルス生成または光パルス波長変換を行うためには、細線光導波路なら１ｃｍ程度、フォトニック結晶導波路ならば数ｍｍ程度が必要である。また、光パルスのピークパワーとしては数百Ｗ程度、光パルス幅としては１０ｐｓ程度が必要である。モード同期半導体レーザでは、ピークパワー数百Ｗ、光パルス幅が２〜３ｐｓの光パルスを生成することは容易なので、そのままでも励起用パルス光源として使用可能である。出力される光パルスのチャーピング（分散）を補償してやれば、サブピコ秒のパルス幅に圧縮可能であり、その場合、ピークパワーもパルス幅が圧縮された分だけ高くなる。したがって、より高効率にスーパーコンチューム光の生成が可能になる。この場合のチャーピング補償の機能を、細線光導波路やフォトニック結晶光導波路に担わせれば、別にチャーピング補償を行うための素子も不要になり、構成もシンプルになり好ましい。

ホーリーファイバの断面ＳＥＭ写真である。細線光導波路の一例（上部クラッド層のない細線光導波路）を示した図である。細線光導波路の一例（上部クラッド層のある細線光導波路）を示した図である。フォトニック結晶光導波路の一例を示した図である。本発明の細線光導波路を用いた白色光パルス生成方法を説明するための図である。細線光導波路の一例（上部クラッド層がなく、下部クラッド層の細線光導波路中央部が除去された細線光導波路）を示した図である。細線光導波路の一例（上部クラッド層と下部クラッド層の細線光導波路中央部が除去された細線光導波路）を示した図である。細線光導波路の一例（入射端面および出射端面におけるコアの断面積が大きい細線光導波路）を示した図である。細線光導波路の一例（入射端面および出射端面におけるコアの断面積が小さい細線光導波路）を示した図である。細線光導波路の一例（分散を抑制するため、コアに切り込みが設けられた細線光導波路）を示した図である。細線光導波路の一例（分散を抑制するため、コアに回折格子が設けられた細線光導波路）を示した図である。細線光導波路の一例（コアが折りたたまれた細線光導波路）を示した図である。フォトニック結晶光導波路の分散関係を示した図である。本発明のフォトニック結晶光導波路を用いた白色光パルス生成方法を説明するための図である。本発明による光パルス波長変換方法を説明するための図である。

符号の説明

２０基板
２１下部クラッド
２２コア
２２０入射端面
２２１出射端面
３０基板
３１下部クラッド
３２コア
３２０入射端面
３２１出射端面
３３上部クラッド
４０コア
４１クラッド
４１０空気孔
５０基板
５１コア
５１０入射端面
５１１出射端面
５２光パルス
５３スーパーコンチューム光
６０基板
６１下部クラッド
６２コア
６２０入射端面
６２１出射端面
７０基板
７１下部クラッド
７２コア
７２０入射端面
７２１出射端面
７３上部クラッド
８０基板
８１下部クラッド
８２コア
８２０入射端面
８２１出射端面
８３上部クラッド
９０基板
９１下部クラッド
９２コア
９２０入射端面
９２１出射端面
９３上部クラッド
９４分散抑制機構（切り込み）
１００基板
１０１下部クラッド
１０２コア
１０２０入射端面
１０２１出射端面
１０２２分散抑制機構（回折格子）
１０３上部クラッド
１１０コア
１３０基板
１３１フォトニック結晶スラブ
１３１０コア
１３１１クラッド
１３１２空気孔
１３１３入射端面
１３１４出射端面
１３２光パルス
１３３スーパーコンチューム光
１４０基板
１４１コア
１４１０入射端面
１４１１出射端面
１４２モード同期半導体レーザ
１４３中心波長λ₁の光パルス
１４４スーパーコンチューム光
１４５チューナブルフィルタ
１４６中心波長λ₂の光パルス

Claims

コアの断面積が１μｍ²以下で、前記コアとクラッドとの屈折率差が１以上である光導波路の入射端面に、ピークパワーが数百Ｗ以上で、パルス幅が１０ｐｓ以下の光パルスを入射させるステップと、
前記光導波路中を伝搬させた前記光パルスを、前記光導波路の出射端面から取り出すステップを有する白色光パルス生成方法。
請求項１に記載の白色光パルス生成方法によって生成された白色光パルスを、所望の波長の光を透過するように設定された波長可変光フィルタリング手段に入射させるステップと、
前記波長可変光フィルタリング手段から、前記所望の波長の光パルスを取り出すステップを有する光パルス波長変換方法。
光パルスが入射される入射端面と、
少なくとも素子中央部の断面積が１μｍ²以下である細線状のコアと、
前記コアとの屈折率差が１以上であるクラッドと、
伝搬された前記光パルスが出射される出射端面を有する光導波路型非線形光学素子。
前記コアはシリコンでできている、請求項３に記載の非線形光学素子。
前記クラッドは、シリカまたはポリマーでできている、請求項３または４に記載の非線形光学素子。
前記クラッドは、シリカとポリマーを含む少なくとも２種類の材料でできている、請求項３または４に記載の非線形光学素子。
前記クラッドの一部が除去され、前記コアの一部が空気にさらされている、請求項３から６のいずれか１項に記載の非線形光学素子。
前記コアの断面積が、前記素子中央部から前記入射端面および／または前記出射端面に向けて、連続的に大きくなっている、請求項３から７のいずれか１項に記載の非線形光学素子。
前記コアの断面積が、前記素子中央部から前記入射端面および／または前記出射端面に向けて、連続的に小さくなっている、請求項３から７のいずれか１項に記載の非線形光学素子。
前記コアには、前記光導波路の分散を抑制するための切り込みが設けられている、請求項３から９のいずれか１項に記載の非線形光学素子。
前記切り込みは、前記光導波路の分散による前記光パルスの時間軸上での広がりが、前記光パルスのパルス幅の１／５以下になるように、その幅と深さを含むサイズが設定されている、請求項１０に記載の非線形光学素子。
前記コアには、前記光導波路の分散を抑制するための回折格子が設けられている、請求項３から９のいずれか１項に記載の非線形光学素子。
前記回折格子は、前記光導波路の分散による前記光パルスの時間軸上での広がりが、前記光パルスのパルス幅の１／５以下になるように、その周期を含むサイズが設定されている、請求項１２に記載の非線形光学素子。
前記コアは異方性形状を有している、請求項３から１３のいずれか１項に記載の非線形光学素子。
前記コアの縦横比が１．２以上である、請求項１４に記載の非線形光学素子。
光パルスが入射される入射端面と、
２次元フォトニック結晶スラブ内の線状欠陥であるコアと、
前記２次元フォトニック結晶スラブの線状欠陥を挟む結晶格子部を含むクラッドと、
伝搬された前記光パルスが出射される出射端面を有し、
前記２次元フォトニック結晶スラブの厚さと格子定数の積が１μｍ²以下であり、前記コアと前記クラッドとの屈折率差が１以上である光導波路型非線形光学素子。
前記２次元フォトニック結晶スラブはシリコンでできている、請求項１６に記載の非線形光学素子。
前記格子定数を含む前記２次元フォトニック結晶スラブの構造が、前記光導波路の分散が前記光パルスのパルス幅の１／５以下になるように設定されている、請求項１６または１７に記載の非線形光学素子。
前記格子定数を含む前記２次元フォトニック結晶スラブの構造が、素子を伝搬する前記光パルスの群速度が真空中の光速度の１／１０以下になるように設定されている、請求項１６から１８のいずれか１項に記載の非線形光学素子。
前記２次元フォトニック結晶スラブの厚さと格子定数は異なる値をとる、請求項１６から１９のいずれか１項に記載の非線形光学素子。
請求項３から２０のいずれか１項に記載の前記非線形光学素子と、
前記非線形光学素子の前記入射端面に入射される、ピークパワーが数百Ｗ以上で、パルス幅が１０ｐｓ以下の光パルスを生成するパルス光源を有する白色パルス光源。
前記パルス光源はモード同期半導体レーザである、請求項２１に記載の白色パルス光源。
請求項２１または２２に記載の前記白色パルス光源と、
前記白色パルス光源によって生成された白色光パルスから、あらかじめ設定された所望の波長成分を取り出す波長可変光フィルタリング手段を有する波長可変パルス光源。