JP2007102125A - 波長変換装置及び波長変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ光の波長選択の自由度を増すことで、高パワーのポンプ光源を利用可能にする。
【解決手段】差周波発生部２０と和周波発生部４０とを備えている。差周波発生部は、周波数ω_ｓの信号光と周波数ω_ｐ１の第１のポンプ光から、周波数ω_ｍがω_ｍ＝ω_ｐ１−ω_ｓを満たす差周波光を発生させて、差周波光を中間光として出力させる。和周波発生部は、中間光と周波数ω_ｐ２の第２のポンプ光から、周波数ω_ｃがω_ｃ＝ω_ｐ２＋ω_ｍを満たす和周波光を発生させて、和周波光を、信号光の変換光として出力させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、波長多重光通信等に利用される波長変換装置及び波長変換方法に関するものである。

近年、インターネットの普及等により通信需要が急速に増大している。それに対応して光ファイバ等を用いた高速でかつ大容量の光ネットワークが整備されつつある。このような光ネットワークでは、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方法が注目されている。ＷＤＭ光通信ネットワークを実現するためには、波長変換装置が必要とされる。例えば、光クロスコネクトノードに波長変換装置を採用すると、チャンネル間の衝突の回避や、波長の再利用が可能となる等の利点があるからである。

波長変換には様々な方法があるが、非線形光学結晶を用いて、信号光とポンプ光との差周波光を発生させ、この結果得られる差周波光を、上述の信号光の変換光として出力する方法が通例となっている。この差周波光を用いる方法は、信号速度、信号のフォーマットなどによらず、同時に多波長の信号光に対して変換することができるという特徴を有している。差周波光を発生させるために用いられる非線形光学結晶では、一般的に、異なる波長の光に対して屈折率が異なっている。このため、ポンプ光と、信号光との間に伝播定数の差が生じる。この伝播定数の差に起因する位相差が、ポンプ光及び信号光の伝播距離と共に変化するので、差周波発生の変換効率を高めることは困難である。

差周波発生の変換効率を高めるために、波長変換装置を構成する波長変換素子として、擬似位相整合型波長変換素子（以下、ＱＰＭ型波長変換素子と称することもある。）が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。この波長変換素子によれば、周期的ドメイン反転構造が形成された光導波路によって、擬似位相整合（ＱＰＭ：Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ）を実現して波長変換を行っている。
栖原敏明著「擬似位相整合導波路を用いた非線形光学波長変換・信号処理デバイス」応用物理第７２巻第１１号、ｐｐ．１３８１―１３８６、２００３年

上述の従来例の波長変換装置では、周波数ω_ｓの信号光と、周波数ω_ｐのポンプ光との差周波発生により、周波数ω_ｃがω_ｃ＋ω_ｓ＝ω_ｐの関係を満たす、上述の信号光の変換光を発生させる。信号光と変換光のそれぞれの周波数が近い大きさの場合には、ポンプ光の周波数ω_ｐは、信号光の周波数ω_ｓの約２倍になり、例えば、信号光の波長λ_ｓ（＝ｃ／ω_ｓ）が１．５５μｍの場合は、ポンプ光の波長λ_ｐ（＝ｃ／ω_ｐ）は、０．７７５μｍ付近の値になる。ここで、ｃは光速を表す。

しかしながら、０．７７５μｍ付近の波長域は半導体レーザの作製が難しい波長域であるため、高パワーのポンプ光を得ることが困難である。

そこで、この発明者が鋭意研究を行ったところ、ポンプ光として、周波数ω_ｐ１の第１のポンプ光と、周波数ω_ｐ２の第２のポンプ光を用いることにより、周波数ω_ｓの信号光に対して、周波数ω_ｃが、ω_ｃ＋ω_ｓ＝ω_ｐ１＋ω_ｐ２の関係を満たす、変換光を出力できることを見出した。この結果、信号光と変換光のそれぞれの周波数が近い大きさの場合には、ポンプ光の周波数として、第１のポンプ光の周波数ω_ｐ１と、第２のポンプ光の周波数ω_ｐの和が、信号光の周波数ω_ｓの約２倍になるように、好適な周波数を選択できる。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、ポンプ光として、第１のポンプ光と第２のポンプ光とを用いることで、ポンプ光の波長選択の自由度を増すことができる波長変換装置及び波長変換方法を提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の波長変換装置は、差周波発生部と和周波発生部とを備えている。差周波発生部は、周波数ω_ｓの信号光と周波数ω_ｐ１の第１のポンプ光から、周波数ω_ｍがω_ｍ＝ω_ｐ１−ω_ｓを満たす差周波光を発生させて、差周波光を中間光として出力させる。和周波発生部は、中間光と周波数ω_ｐ２の第２のポンプ光から、周波数ω_ｃがω_ｃ＝ω_ｐ２＋ω_ｍを満たす和周波光を発生させて、和周波光を信号光の変換光として出力させる。

この発明の実施にあたり、差周波発生部の出力部分に、第１のポンプ光及び信号光を遮断し、かつ、中間光を通過させる波長フィルタを備えるのが好適である。

また、好ましくは、和周波発生部の入力部分に、第２のポンプ光を導入するポンプ光導入部を備えるのが良い。

また、この発明の波長変換装置の他の好適実施形態によれば、第１差周波発生部と第２差周波発生部とを備えている。第１差周波発生部は、周波数ω_ｓの信号光と周波数ω_ｐ１の第１のポンプ光から、周波数ω_ｍがω_ｍ＝ω_ｓ−ω_ｐ１を満たす第１の差周波光を発生させて、第１の差周波光を中間光として出力させる。第２差周波発生部は、中間光と周波数ω_ｐ２の第２のポンプ光から、周波数ω_ｃがω_ｃ＝ω_ｐ２−ω_ｍを満たす第２の差周波光を発生させて、第２の差周波光を信号光の変換光として出力させる。

この発明の実施にあたり、第１差周波発生部の出力部分に、第１のポンプ光及び信号光を遮断し、かつ、中間光を通過させる波長フィルタを備えるのが好適である。

また、好ましくは、第２差周波発生部の入力部分に、第２のポンプ光を導入する、ポンプ光導入部を備えるのが良い。

さらに、この発明の波長変換装置は、第１のポンプ光を発生する第１光源及び第２のポンプ光を発生する第２光源を備え、第１光源及び第２光源のいずれか一方を波長可変光源とするのが好適である。

また、この発明の波長変換装置の他の好適実施形態によれば、第１〜ｎ（ｎは３以上の整数）の波長変換部を備える構成にするのが良い。このとき、第１の波長変換部は、周波数ω_ｓの信号光と周波数ω_ｐ１の第１のポンプ光から、和周波発生又は差周波発生により、周波数ω_ｍ１の第１の中間光を発生させ、第ｋ（ｋは２以上かつｎ−１以下の整数）の波長変換部は、第ｋ−１の中間光と周波数ω_ｐｋの第ｋのポンプ光から、和周波発生又は差周波発生により、周波数ω_ｍｋの第ｋの中間光を出力させ、第ｎの波長変換部は、第ｎ−１の中間光と周波数ω_ｐｎの第ｎのポンプ光から、和周波発生又は差周波発生により、周波数ω_ｃの第ｎの中間光を発生させて、第ｎの中間光を、信号光の変換光として出力する。さらに、第１〜ｎのポンプ光の周波数ω_ｐ１〜ω_ｐｎが、ω_ｓ＋ω_ｃ＝ω_ｐ１＋ω_ｐ２±ω_ｐ３…±ω_ｐｎの関係を満たしている。

この発明の波長変換方法は、先ず、周波数ω_ｓの信号光と周波数ω_ｐ１の第１のポンプ光から、周波数ω_ｍがω_ｍ＝ω_ｐ１−ω_ｓを満たす差周波光を発生させて、差周波光を中間光として出力させる。次に、中間光と周波数ω_ｐ２の第２のポンプ光から、周波数ω_ｃがω_ｃ＝ω_ｐ２−ω_ｍを満たす和周波光を発生させて、和周波光を信号光の変換光として出力させる。

また、この発明の波長変換方法の他の好適実施形態によれば、周波数ω_ｓの信号光と周波数ω_ｐ１の第１のポンプ光から、周波数ω_ｍがω_ｍ＝ω_ｓ−ω_ｐ１を満たす第１の差周波光を発生させて、第１の差周波光を中間光として出力させる。次に、中間光と周波数ω_ｐ２の第２のポンプ光から、周波数ω_ｃがω_ｃ＝ω_ｐ２−ω_ｍを満たす第２の差周波光を発生させて、第２の差周波光を信号光の変換光として出力させる。

この発明の波長変換装置及び波長変換方法によれば、差周波発生部で、周波数ω_ｓの信号光と周波数ω_ｐ１の第１のポンプ光の差周波発生により、周波数ω_ｍがω_ｍ＝ω_ｐ１−ω_ｓを満たす中間光を発生させて、和周波発生部で、中間光と周波数ω_ｐ２の第２のポンプ光の和周波発生により、周波数ω_ｃがω_ｃ＝ω_ｐ２＋ω_ｍを満たす変換光を発生させる。このため、第１のポンプ光及び第２のポンプ光の周波数ω_ｐ１及びω_ｐ２がω_ｐ１＋ω_ｐ２＝ω_ｓ＋ω_ｃを満たす範囲で、これらポンプ光の波長を選択することができ、すなわち、ポンプ光の波長選択の自由度を増すことが可能になる。この結果、０．７７５μｍ付近の波長域などの高パワーを得ることが困難な波長のポンプ光を用いることなく、例えば、光ファイバアンプの光源として使用される、出力波長が０．９８μｍから１．１８μｍの半導体レーザ、あるいは、出力波長が２〜４μｍ程度の固体レーザなど、高パワーが容易に得られるポンプ光を用いることができる。

また、差周波発生部の出力部分に、波長フィルタを備えると、差周波発生部から出力される光であって、和周波発生部で不要な信号光と第１のポンプ光とを遮断することができ、和周波発生部での和周波発生の際にノイズの混入を抑えることができる。

さらに、和周波発生部の入力部分に、第２のポンプ光を導入するポンプ光導入部を備えることで、第２のポンプ光を、差周波発生部を経ることなく和周波発生部に入力できる。このため、差周波発生部での差周波発生の際にノイズの混入を抑えることができる。

また、この発明の波長変換装置及び波長変換方法の他の好適実施形態によれば、第１差周波発生部で、周波数ω_ｓの信号光と周波数ω_ｐ１の第１のポンプ光の差周波発生により、周波数ω_ｍがω_ｍ＝ω_ｓ−ω_ｐ１を満たす中間光を発生させて、第２差周波発生部で、中間光と周波数ω_ｐ２の第２のポンプ光の差周波発生により、周波数ω_ｃがω_ｃ＝ω_ｐ２−ω_ｍを満たす変換光を発生させる。このため、第１のポンプ光及び第２のポンプ光の周波数ω_ｐ１及びω_ｐ２がω_ｐ１＋ω_ｐ２＝ω_ｓ＋ω_ｃを満たす範囲で、これらポンプ光の波長を選択することができ、すなわち、ポンプ光の波長選択の自由度を増すことが可能になる。

また、第１差周波発生部の出力部分に、波長フィルタを備えると、第１差周波発生部から出力される、不要な光信号である、信号光及び第１のポンプ光を遮断することができ、第２差周波発生部での差周波発生の際にノイズの混入を抑えることができる。

さらに、第２差周波発生部の入力部分に、第２のポンプ光を導入するポンプ光導入部を備えることで、第２のポンプ光を、第１の差周波発生部を経ることなく第２の差周波発生部に入力できる。このため、第１の差周波発生部での差周波発生の際にノイズの混入を抑えることができる。

上述した波長変換装置の実施にあたり、第１光源及び第２光源のいずれか一方を波長可変光源とすることで、信号光の変換光の波長を、可変にすることができる。

また、この発明の波長変換装置の他の好適実施形態によれば、第１からｎの波長変換部を備え、各波長変換部では、和周波発生又は差周波発生が発現する。この和周波発生又は差周波発生に用いられる、第１〜ｎのポンプ光の周波数ω_ｐ１〜ω_ｐｎは、ω_ｓ＋ω_ｃ＝ω_ｐ１＋ω_ｐ２±ω_ｐ３…±ω_ｐｎの関係を満たしていればよく、そのため、波長選択の自由度をさらに増すことができる。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係についてはこの発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されない。

（第１実施形態）
図１を参照して、第１実施形態の波長変換装置につき説明する。図１は、第１実施形態の波長変換装置を説明するための概略図であって、波長変換装置を上面から見た平面図として示している。なお、図１では、図を明確にするために、一部にハッチングを付しているが、断面を示す意味ではない。

波長変換装置１０は、差周波発生部２０及び和周波発生部４０を備えて構成される。差周波発生部２０は、第１光源２２、第１合波器２４、第１波長フィルタ２６及び差周波発生素子３０を備えている。和周波発生部４０は、第２光源４２、第２合波器４４、第２波長フィルタ４６及び和周波発生素子５０を備えている。

第１合波器２４及び第２合波器４４として、例えば、任意好適な周知の光カプラを用いることができる。

波長変換装置１０には、波長λ_ｓ、すなわち周波数ω_ｓ（＝ｃ／λ_ｓ）の信号光（図中、矢印１０１で示す。）が入力される。信号光１０１と、第１光源２２から出力される波長λ_ｐ１、すなわち周波数ω_ｐ１（＝ｃ／λ_ｐ１）の第１のポンプ光（図中、矢印１０３で示す。）は、第１合波器２４で合波され、第１の入力光（図中、矢印１０５で示す。）として、差周波発生素子３０に送られる。

差周波発生素子３０は、第１の入力光１０５にそれぞれ含まれる、信号光１０１と第１のポンプ光１０３とから、差周波発生（ＤＦＧ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）により、波長λ_ｍ、すなわち周波数ω_ｍ（＝ｃ／λ_ｍ）の差周波光を発生させる。このとき、差周波光の周波数ω_ｍは、以下の（１）式を満たす。

ω_ｍ＝ω_ｐ１−ω_ｓ （１）
差周波発生素子３０は、信号光１０１と第１のポンプ光１０３との差周波光を中間光として出力させるとともに、信号光１０１と第１のポンプ光１０３自体も出力させる。ここで、差周波発生素子３０からの出力である第１の中間出力光を図中、矢印１０７で示す。この中間出力光１０７は、中間光の他に、信号光１０１及び第１のポンプ光１０３を含んでいる。

波長変換装置１０は、差周波発生部２０の出力部分、すなわち差周波発生素子３０の出力端付近に、第１波長フィルタ２６を備えている。第１波長フィルタ２６は、第１の中間出力光１０７に含まれる信号光１０１及び第１のポンプ光１０３を遮断し、かつ中間光（図中、矢印１１１で示す。）のみを通過させる。このように、差周波発生部２０の出力部分に第１波長フィルタ２６を備えることは、これによって、後段の和周波発生部４０で不要な、信号光１０１及び第１のポンプ光１０３が後段の和周波発生部４０に入力されないので、好適である。なお、信号光１０１及び第１のポンプ光１０３が、後段の和周波発生部４０で擬似位相整合を実現しない場合には、和周波発生に寄与しないので、第１波長フィルタ２６を備えない構成としてもよい。

差周波発生素子３０は、信号光１０１から中間光１１１への変換効率、すなわち、波長変換効率を高めるために、例えば、光導波路３２に周期的ドメイン反転構造３４を作りつけたＱＰＭ型波長変換素子で構成される。差周波発生素子３０の周期的ドメイン反転構造３４は、周期的に設けられた第１ドメイン３６と第２ドメイン３８とから構成されていてその周期をΛ_ａとしている。この周期Λ_ａは、信号光１０１、第１のポンプ光１０３、及び中間光１１１について擬似位相整合を実現するように設定されている。

周期的ドメイン反転構造３４の周期Λ_ａは、信号光１０１、第１のポンプ光１０３及び中間光１１１のそれぞれの波数ｋ_ｓ、ｋ_ｐ１及びｋ_ｍから、従来周知のように、以下の（２）式で与えられる。

ｋ_ｍ＋ｋ_ｓ−ｋ_ｐ１＝２π／Λ_ａ （２）
一般に、波数ｋは、周波数ωの光に対する屈折率ｎ（ω）、及び、光速ｃから、ｋ＝ｎ（ω）×ω／ｃで表される。なお、差周波発生素子３０の製造方法については後述する。

波長変換装置１０は、和周波発生部４０の入力部分、すなわち、和周波発生素子５０の入力端付近に、ポンプ光導入部である、第２合波器４４を備えている。

中間光１１１と、第２光源４２から出力される波長λ_ｐ２、すなわち周波数ω_ｐ２（＝ｃ／λ_ｐ２）の第２のポンプ光（図中、矢印１１３で示す。）は、第２合波器４４で合波され、第２の入力光（図中、矢印１１５で示す。）として、和周波発生素子５０に送られる。なお、第２のポンプ光が、他の光と差周波発生素子３０で擬似位相整合を実現しない場合は、第２のポンプ光を、第１合波器２４で信号光及び第１のポンプ光と合波して、差周波発生素子３０に導入しても良い。この場合は、第２合波器４４を備えない構成とすることができる。

和周波発生素子５０は、第２の入力光１１５にそれぞれ含まれている、中間光１１１と第２のポンプ光１１３とから、和周波発生（ＳＦＧ：Ｓｕｍ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）により、波長がλ_ｃ、すなわち周波数ω_ｃ（＝ｃ／λ_ｃ）の和周波光を発生させる。このとき、和周波光の周波数ω_ｃは、以下の（３）式を満たす。

ω_ｃ＝ω_ｐ２＋ω_ｍ （３）
和周波発生素子５０は、中間光１１１と第２のポンプ光１１３との和周波光を、信号光１０１の変換光として出力させるとともに、中間光１１１と第２のポンプ光１１３自体も出力させる。ここで、和周波発生素子５０からの出力である第２の中間出力光を、図中、矢印１１７で示す。第２の中間出力光１１７は、変換光の他に、中間光１１１及び第２のポンプ光１１３を含んでいる。

和周波発生部４０は、和周波発生素子５０の出力部分に、第２波長フィルタ４６を備えている。第２波長フィルタ４６は、第２の中間出力光１１７に含まれる中間光１１１及び第２のポンプ光１１３を遮断し、かつ、変換光（図中、矢印１２１で示す。）のみを通過させる。このように、和周波発生素子５０の出力部分に第２波長フィルタ４６を備えることは、これによって波長変換装置１０の出力として不要な、中間光１１１及び第２のポンプ光１１３が波長変換装置１０から出力されないので、好適である。

和周波発生素子５０は、中間光１１１から変換光１２１への変換効率、すなわち、波長変換効率を高めるために、例えば、光導波路５２に周期的ドメイン反転構造５４を作りつけたＱＰＭ型波長変換素子で構成される。和周波発生素子５０の周期的ドメイン反転構造５４は、周期的に設けられた第１ドメイン５６と第２ドメイン５８とから構成されていてその周期をΛ_ｂとしている。この周期Λ_ｂは、中間光１１１、第２のポンプ光１１３及び変換光１２１について擬似位相整合を実現するように設定されている。

周期的ドメイン反転構造５４の周期Λ_ｂは、中間光１１１、第２のポンプ光１１３及び変換光のそれぞれの波数ｋ_ｍ、ｋ_ｐ２及びｋ_ｃから、従来周知のように、以下の式（４）で与えられる。

ｋ_ｃ−ｋ_ｍ−ｋ_ｐ２＝２π／Λ_ｂ （４）
上述した（１）式が示すように、信号光１０１に対して、第１のポンプ光１０３の周波数ω_ｐ１を決めると、中間光の周波数ω_ｍが決まる。また、上述した（３）式が示すように、中間光の周波数ω_ｍと第２のポンプ光の周波数ω_ｐ２を決めると、変換光の周波数ω_ｃが決まる。第１のポンプ光及び第２のポンプ光の周波数ω_ｐ１及びω_ｐ２は、出力について高パワーが得られるものを選定すると良い。第１光源２２及び第２光源４２として、例えば、光ファイバアンプの光源として使用される、出力波長が０．９８μｍから１．１８μｍの半導体レーザ、あるいは、出力波長が２〜４μｍ程度の固体レーザを用いることができる。これらの光源は、出力波長を０．７７５μｍ付近にするのに比べて、容易に高パワーの出力を得ることができる。

このように、この波長変換装置１０によれば、信号光を、高パワーのポンプ光を得ることができる波長帯域のポンプ光を用いて、波長変換された変換光として出力させることができる。

また、第１光源２２及び第２光源４２を、波長変換装置には備えない構成にして、第１のポンプ光及び第２のポンプ光を、信号光と同様に、外部から波長変換装置に導入する構成としても良い。

図２を参照して、第１実施形態の波長変換方法につき説明する。図２は、波長変換方法を説明するための模式図である。ここでは、信号光１０１の波長λ_ｓが１．５５μｍである場合を例にとって説明する。

先ず、信号光１０１と第１のポンプ光１０３との差周波発生により、差周波光である中間光が発生する。上述した（１）式から、信号光１０１、第１のポンプ光１０３及び中間光１１１の波長λ_ｓ、λ_ｐ１及びλ_ｍが満たす式として、以下の（５）式が得られる。

１／λ_ｍ＝１／λ_ｐ１−１／λ_ｓ （５）
従って、第１のポンプ光１０３の波長λ_ｐ１を０．９８μｍとすると、中間光１１１の波長λ_ｍは、２．６６μｍになる。

次に、中間光１１１と第２のポンプ光１１３との和周波発生により、和周波光である変換光が発生する。上述した（３）式から、中間光１１１、第２のポンプ光１１３及び変換光１２１の波長λ_ｍ、λ_ｐ２及びλ_ｃが満たす式として、以下の（６）式が得られる。

１／λ_ｃ＝１／λ_ｐ２＋１／λ_ｍ （６）
従って、第２のポンプ光１２３の波長λ_ｐ２を３．７１μｍとすると、変換光１２１の波長λ_ｃは、１．５５μｍになる（図２（Ａ））。

また、第１のポンプ光１０３の波長λ_ｐ１を１．１８μｍとすると、上述した（５）式から、中間光１１１の波長λ_ｍは、５．０μｍになる。このとき、第２のポンプ光１２３の波長λ_ｐ２を２．２５μｍにすると、上述した（６）式から、変換光１２１の波長λ_ｃは、１．５５μｍになる（図２（Ｂ））。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を参照して、差周波発生素子３０における、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１と中間光の波長λ_ｍ及びＱＰＭ周期Λ_ａの関係について説明する。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１と中間光の波長λ_ｍの関係、及び、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１とＱＰＭ周期Λ_ａの関係を示す特性図であって、横軸に、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１（μｍ）を取って示し、及び、縦軸に、中間光の波長λ_ｍ（μｍ）及びＱＰＭ周期Λ_ａ（μｍ）を取って示している。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）では、信号光の波長λ_ｓを１．５５μｍとしている。図３（Ａ）は、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１が０．７５μｍから１．１８μｍの範囲を示しており、一方、図３（Ｂ）は、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１が２．２μｍから３．０μｍの範囲を示している。

ここで、信号光１０１の波長λ_ｓ、第１のポンプ光１０３の波長λ_ｐ１、及び、中間光１１１の波長λ_ｍは、上述した（５）式の関係で与えられる。従って、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１が１．１８μｍ以下の範囲、すなわち、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１が、信号光の波長λ_ｓよりも小さい範囲では、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１を大きくしていくと、中間光の波長λ_ｍ（図３（Ａ）中、曲線Ｉで示す。）も大きくなる。例えば、信号光１０１の波長λ_ｓが１．５５μｍであるとき、第１のポンプ光１０３の波長λ_ｐ１を０．９８μｍとすると、中間光１１１の波長λ_ｍは、２．６６μｍになる。また、第１のポンプ光１０３の波長λ_ｐ１を１．１８μｍにすると、中間光１１１の波長λ_ｍは、５．０μｍになる。

また、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１が２．２μｍ以上の範囲、すなわち、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１が信号光の波長λ_ｓよりも大きい範囲では、信号光１０１、第１のポンプ光１０３及び中間光１１１の波長λ_ｓ、λ_ｐ１及びλ_ｍは、１／λ_ｍ＝１／λ_ｓ−１／λ_ｐ１の関係を満たす。このとき、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１を大きくしていくと、中間光の波長λ_ｍ（図３（Ｂ）中、曲線ＩＩＩで示す。）は小さくなる。例えば、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１を２．２５μｍとすると、中間光１１１の波長λ_ｍは５．０μｍとなる。また、第１のポンプ光１０３の波長λ_ｐ１を３．７１μｍ（図示を省略する。）とすると、中間光の波長λ_ｍは２．６６μｍとなる。

第１のポンプ光の波長λ_ｐ１を大きくしていくと、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１が１．１８μｍ以下の範囲では、ＱＰＭ周期Λ_ａ（図３（Ａ）中、曲線ＩＩで示す。）は、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１が１から１．１μｍの間で最大となり、３０μｍ程度である。従来例の波長が０．７７μｍのポンプ光を用いた場合、ＱＰＭ素子の周期は２０μｍ程度であるので、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１を１μｍ程度にすることにより、ＱＰＭ素子の周期Λ_ａを長くすることができ、作成が容易になる。また、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１が２．２μｍ以上の範囲、すなわち、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１が信号光の波長λ_ｓよりも大きい範囲では、ｋ_ｍ−ｋ_ｓ＋ｋ_ｐ１＝２π／Λ_ａで与えられる。このとき、ＱＰＭ周期Λ_ａ（図３（Ｂ）中、曲線ＩＶで示す。）は２８〜３５μｍであり、やはり、従来よりもＱＰＭ周期が長くなり、作成が容易である。

ここでは、差周波発生素子３０での、信号光、第１のポンプ光及び中間光の関係について、及び、ＱＰＭ周期Λ_ａについて説明したが、この説明は、和周波発生素子５０での、変換光、第２のポンプ光及び中間光の関係について、及び、ＱＰＭ周期Λ_ｂについても適用することができる。

第１のポンプ光、信号光、及び中間光のそれぞれの波数ｋ_ｐ１、ｋ_ｓ、及びｋ_ｍ間の波数差をΔｋ（＝ｋ_ｐ１−ｋ_ｓ−ｋ_ｍ）とすると、波長変換素子を伝播した各光の位相差は、ΔｋＬとなる。ここで、Ｌは波長変換素子の素子長である。従って、伝播中に位相差が生じないためにはΔｋ＝０とする必要がある。

ｎを周波数ωでの屈折率、ｃを光速度としたときに、波数ｋは、ｋ＝ｎω／ｃで表される。この関係を用いると、Δｋ＝（ｎ_ｐ１ω_ｐ１−ｎ_ｓω_ｓ−ｎ_ｍω_ｍ）／ｃが得られる。屈折率が光の周波数に依存して変化しないならば、ω_ｍ＋ω_ｓ＝ω_ｐ１であるので、常に、Δｋ＝０となる。しかし、実際には、屈折率は周波数依存性を有しており、Δｋは０とはならない。これを補償するために、周期的ドメイン反転構造が形成された波長変換素子であるＱＰＭ型波長変換素子を使用している。このとき、波数間の関係は、Δｋ＝ｋ_ｐ１−ｋ_ｓ−ｋ_ｍ−２π／Λ_ａとなる。ここで、第１のポンプ光の特定の波長λ_ｐ１０に対して、ｋ_ｐ１０−ｋ_ｓ０−ｋ_ｍ０＝２π／Λ_ａとなるようにΛ_ａを設定すると、この第１のポンプ光の特定の波長λ_ｐ１０では、Δｋ＝０となり、大きな変換効率が得られる。

ここで、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１が特定の波長λ_ｐ１０からずれると、Δｋ＝０とはならず、Δｋ＝ｋ_ｐ１０−ｋ_ｓ０−ｋ_ｍ０−２π／Λ_ａ＋（ｄｋ_ｐ１／ｄω_ｐ１）Δω_ｐ１−（ｄｋ_ｓ／ｄω_ｓ）Δω_ｓ−（ｄｋ_ｍ／ｄω_ｍ）Δω_ｍとなる。なお、Δω_ｐ１、Δω_ｓ、及びΔω_ｍは、それぞれ第１のポンプ光、信号光、及び中間光のＱＰＭ条件からの周波数ずれを示している。ＱＰＭ条件では、ｋ_ｐ１０−ｋ_ｓ０−ｋ_ｍ０＝２π／Λ_ａとなるので、Δｋ＝（ｄｋ_ｐ１／ｄω_ｐ１）Δω_ｐ１−（ｄｋ_ｓ／ｄω_ｓ）Δω_ｓ−（ｄｋ_ｍ／ｄω_ｍ）Δω_ｍである。光の群速度をＶ_ｇとすると、ｄｋ／ｄω＝１／Ｖ_ｇであるので、位相差は光周波数間の群速度差に対応付けられていることがわかる。波長変換では、ω_ｐ１＝ω_ｍ＋ω_ｓの関係があるため、Δω_ｐ１＝Δω_ｓ＋Δω_ｍとなる。従って、Δｋ＝（１／Ｖ_ｇｐ１−１／Ｖ_ｇｍ）Δω_ｐ１＋（１／Ｖ_ｇｍ−１／Ｖ_ｇｓ）Δω_ｓとなる。ここで、Ｖ_ｇｐ１、Ｖ_ｇｓ、及びＶ_ｇｍはそれぞれ、第１のポンプ光、信号光、及び中間光の群速度を示す。従って、第１のポンプ光と中間光の群速度差、及び、中間光と信号光の群速度差を小さくすれば、それだけ広い周波数範囲、すなわち、広い波長範囲で位相差を小さく抑えることが可能となり、広帯域での変換効率が高くなる。

図４を参照して第１のポンプ光の波長と、群速度差の関係について説明する。図４（Ａ）及び（Ｂ）は、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１と群速度差ΔＶ_ｇの関係を示す図であって、横軸に、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１をとり、及び、縦軸に、群速度差ΔＶ_ｇをとっている。ここで、図４（Ａ）及び４（Ｂ）中、曲線Ｉ及びＩＩＩは、第１のポンプ光と中間光の群速度差ΔＶ_ｇ＝１／Ｖ_ｇｐ１−１／Ｖ_ｇｍを示している。また、図４（Ａ）及び４（Ｂ）中、曲線ＩＩ及びＩＶは、中間光と信号光の群速度差ΔＶ_ｇ＝１／Ｖ_ｇｍ−１／Ｖ_ｇｓを示している。

ここで、第１のポンプ光の波長λ_１が、信号光の波長λ_ｓ（ここでは、１．５５μｍ）より小さい場合、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１を大きくすると、第１のポンプ光と中間光の群速度差ΔＶ_ｇ（＝１／Ｖ_ｇｐ１−１／Ｖ_ｇｍ）が小さくなり、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１が１．０８(μｍ）の時に最小となる（曲線Ｉ）。例えば、従来のポンプ光の波長が０．７７μｍの時には、０．０９程度であった群速度差ΔＶ_ｇが、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１が１μｍの時には０．０３となり３分の１程度になっている。これは、従来の波長変換装置に比べて、波長変換の帯域幅が３倍以上になっていることを意味する。

一方、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１を大きくすると、中間光と信号光の群速度差ΔＶ_ｇ（＝１／Ｖ_ｇｍ−１／Ｖ_ｇｓ）が大きくなり（曲線ＩＩ）、第１のポンプ光の波長が１μｍ以下の時には０．０１以下であった群速度差ΔＶ_ｇが、第１のポンプ光の波長が１．１μｍの時には０．０５となる。しかし、この場合であっても、従来の波長変換装置の半分程度になっている（図４（Ａ））。

また、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１が、信号光の波長λ_ｓ（ここでは、１．５５μｍ）より大きい場合、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１が長くなると、第１のポンプ光と中間光の群速度差ΔＶ_ｇ（＝１／Ｖ_ｇｐ１−１／Ｖ_ｇｍ）（曲線ＩＩＩ）、及び、中間光と信号光の群速度差ΔＶ_ｇ（＝１／Ｖ_ｇｍ−１／Ｖ_ｇｃ）（曲線ＩＶ）は小さくなり、第１のポンプ光の波長が２．２５μｍ以上の場合は、群速度差ΔＶ_ｇは０．１５以下である（図４（Ｂ））。

このように、第１のポンプ光の波長が長くなれば、波長変換可能な波長帯域が広くなる。波長変換可能な波長帯域が広くなれば、第１光源２２及び第２光源４２のいずれか一方を可変波長光源とすることにより、変換光の波長を、広い波長帯域で可変にすることができる。

次に、再び図１を参照して、差周波発生素子３０及び和周波発生素子５０を構成するＱＰＭ型波長変換素子の製造方法について説明する。ここで、差周波発生素子３０と和周波発生素子５０とは、周期的ドメイン反転構造３４及び５４の周期が、互いに異なっている点を除けば同じ構成にすることができるので、ここでは、代表して、差周波発生素子３０の製造方法について説明する。

第１ドメイン３６と、第２ドメイン３８とは、この差周波発生素子３０を構成する素材である強誘電体結晶の自発分極の向きが互いに１８０度の関係となっている。差周波発生素子３０を構成する素材には、例えばｚカットされたＬｉＮｂＯ_３基板が使われる。ｚカットされたＬｉＮｂＯ_３基板は、その表面に直交する方向に自発分極の向きが揃えられているシングルドメイン結晶基板である。自発分極ベクトルの終端側の面を＋ｚ面、自発分極ベクトルの初端側の面を−ｚ面と呼ぶこともある。

このＬｉＮｂＯ_３基板の＋ｚ面に周期的にドメインを反転させて、ドメイン反転領域（第２ドメイン）３８を形成する。従って、周期的ドメイン反転構造３４は、シングルドメイン結晶基板としての自発分極が保たれているドメイン（第１ドメイン）３６と自発分極の方向が反転された第２ドメイン３８とで構成される。すなわち、第１ドメイン３６の自発分極の向きは、−ｚ面から＋ｚ面に向かう方向であるのに対して、第２ドメイン３８の自発分極の向きは、＋ｚ面から−ｚ面に向かう方向である。

ＱＰＭ型波長変換素子では、第１ドメインと第２ドメインの長さを等しく、すなわち、デューティ比を１：１にすることによって、波長変換効率を最大にすることができる。ここでは、差周波発生素子３０の第１ドメイン３６及び第２ドメイン３８の長さを、ともにΛ_ａ／２とするのが好適である。

自発分極が反転している領域の形成は、ｚカットされたＬｉＮｂＯ_３基板に、Ｔｉを高温熱拡散するか或いは高電圧を印加することで行えることが知られている。Ｔｉを高温熱拡散するには第２ドメイン３８が形成される部分に、真空蒸着法等でＴｉ薄膜を５０ｎｍの厚さに形成し、約１０００℃で１０時間程度熱拡散すれば良い。また、高電圧を印加して自発分極の方向を反転させるには、ＬｉＮｂＯ_３基板の裏面全体に設けたアース電極と、第２ドメイン３８が形成される部分に設けた電極との間に高電圧を印加すれば良い。

続いて、ｚカットされたＬｉＮｂＯ_３基板に形成された周期的ドメイン反転構造３４に交差するように光導波路３２を形成する。光導波路３２は、安息香酸を交換源としたＨ^＋−Ｌｉ^＋イオン交換法（プロトン交換法とも呼ばれる。）によって形成できることが知られている。例えば、光導波路３２を形成する領域のみを露出させて、その他の領域を金属マスクで覆った状態で、例えば、安息香酸の沸点以下の温度である、２００℃の安息香酸中に２時間浸して、基板中のＬｉと安息香酸中のＨを交換する。金属マスク及び安息香酸を除去した後、４００℃のＡｒ雰囲気中で６時間熱処理することにより、Ｈをさらに基板深く浸透させ、光導波路３２を形成する。このおうに、Ｈを基板に深く浸透させることにより、光ファイバと同程度のコア径を有した光導波路３２を形成することができる。

また、化合物半導体では結晶軸を反転して成長させるプロセスを使用する。例えば、結晶の貼り付け技術を用いて、結晶軸を反転させた領域を設けることができる。この基板に半導体レーザと同様のエピタキシャルプロセスを行えば、周期的ドメイン反転構造３４を有する光導波路３２が形成される。

上述したように、第１実施形態の波長変換装置及び波長変換方法によれば、差周波発生部で、周波数ω_ｓの信号光と周波数ω_ｐ１の第１のポンプ光の差周波発生により、周波数ω_ｍがω_ｍ＝ω_ｐ１−ω_ｓを満たす中間光を発生させて、和周波発生部で、中間光と周波数ω_ｐ２の第２のポンプ光の和周波発生により、周波数ω_ｃがω_ｃ＝ω_ｐ２＋ω_ｍを満たす、信号光の変換光を発生させる。このため、第１のポンプ光及び第２のポンプ光の周波数ω_ｐ１及びω_ｐ２がω_ｐ１＋ω_ｐ２＝ω_ｓ＋ω_ｃを満たす範囲で、これらポンプ光の波長を選択することができ、すなわち、ポンプ光の波長選択の自由度を増すことが可能になる。この結果、０．７７５μｍ付近の波長域など、高パワーを得ることが困難な波長のポンプ光を用いることなく、例えば、光ファイバアンプの光源として使用される、出力波長が０．９８μｍから１．１８μｍの半導体レーザ、あるいは、出力波長が２〜４μｍ程度の固体レーザなど、高パワーが容易に得られるポンプ光を用いることができる。

（第２実施形態）
図５を参照して、第２実施形態の波長変換装置につき説明する。図５は、第２実施形態の波長変換装置を説明するための概略図であって、波長変換装置を上面から見た平面図として示している。なお、図５では、図を明確にするために、一部にハッチングを付しているが、断面を示す意味ではない。なお、図１を参照して説明した第１実施形態の波長変換装置と重複する部分については、説明を省略することもある。

波長変換装置１１は、第１差周波発生部２１及び第２差周波発生部４１を備えて構成される。第１差周波発生部２１は、第１光源２２、第１合波器２４、第１波長フィルタ２６及び第１差周波発生素子３１を備えている。第２差周波発生部４１は、第２光源４２、第２合波器４４、第２波長フィルタ４６及び第２差周波発生素子５１を備えている。

波長変換装置１１に入力される、波長がλ_ｓの信号光１０１と、第１光源２２から出力される、波長λ_ｐ１の第１のポンプ光１０３とは、合波器３２で合波され、第１の入力光１０５として、第１差周波発生部４１に送られる。

第１差周波発生部４１は、第１の入力光１０５にそれぞれ含まれる、信号光１０１と第１のポンプ光１０３とから、差周波発生（ＤＦＧ）により、波長がλ_ｍの差周波光を発生させる。信号光１０１、第１のポンプ光１０３及び差周波光の周波数をそれぞれω_ｓ、ω_ｐ１及びω_ｍとすると、差周波光の周波数ω_ｍは、以下の（７）式を満たす。

ω_ｍ＝ω_ｓ−ω_ｐ１ （７）
第１差周波発生部２１は、信号光１０１と第１のポンプ光１０３との差周波光を中間光として出力させるとともに、信号光及び第１のポンプ光自体も出力させる。ここで、第１差周波発生部４１からの出力である中間出力光１０８は、中間光の他に、信号光１０１及び第１のポンプ光１０３を含んでいる。

波長変換装置１１は、第１差周波発生部２１の出力部分、すなわち、第１差周波発生素子３１の出力端付近に、第１波長フィルタ２６を備えている。第１波長フィルタ２６は、中間出力光１０８に含まれる信号光１０１及び第１のポンプ光１０３を遮断し、かつ、中間光１１２のみを通過させる。このように、第１差周波発生部２１の出力部分に第１波長フィルタ２６を備えることは、これによって不要な光信号である信号光１０１及び第１のポンプ光１０３が後段の第２差周波発生部４１に入力されないので、好適である。なお、信号光１０１及び第１のポンプ光１０３が、後段の第２差周波発生部で擬似位相整合を実現しない場合には、差周波発生に寄与しないので、第１波長フィルタ２６を備えない構成としても良い。

第１差周波発生素子３１は、信号光１０１から中間光１１２への変換効率、すなわち、波長変換効率を高めるために、例えば、光導波路３３に周期的ドメイン反転構造３５を作りつけたＱＰＭ型波長変換素子で構成される。第１差周波発生素子３１の周期的ドメイン反転構造３５は、周期的に設けられた第１ドメイン３７と第２ドメイン３９とから構成されていてその周期をΛ_ｃとしている。この周期Λ_ｃは、信号光１０１、第１のポンプ光１０３、及び中間光１１１について擬似位相整合を実現するように設定されている。

周期的ドメイン反転構造３５の周期Λ_ｃは、信号光１０１、第１のポンプ光１０３及び中間光１１１のそれぞれの波数ｋ_ｓ、ｋ_ｐ１及びｋ_ｍから、従来周知のように、以下の（８）式で与えられる。

ｋ_ｍ−ｋ_ｓ＋ｋ_ｐ１＝２π／Λ_ｃ （８）
波長変換装置１１は、第２差周波発生部４１の入力部分、すなわち、和周波発生素子５１の入力端付近に、ポンプ光導入部である、第２合波器を備えている。

中間光１１２と、第２光源２２から出力される波長がλ_ｐ２の第２のポンプ光１１３は、第２合波器４４で合波され、第２の入力光１１６として、第２差周波発生素子４１に送られる。

第２差周波発生素子４１は、第２の入力光１１６にそれぞれ含まれている、中間光１１２と第２のポンプ光１１３とから、差周波発生（ＤＦＧ）により、波長がλ_ｃの差周波光を発生させる。このとき、差周波光の周波数ω_ｃは、以下の（９）式を満たす。

ω_ｃ＝ω_ｐ２−ω_ｍ （９）
第２差周波発生部４１は、中間光と第２のポンプ光との差周波光を、信号光の変換光として出力させるとともに、中間光及び第２のポンプ光自体も出力させる。ここで、第２差周波発生部４１からの出力である第２の中間出力光１１８は、変換光の他に、中間光１１２及び第２のポンプ光１１３を含んでいる。

波長変換装置１１は、第２差周波発生部６１の出力部分に、第２波長フィルタ４６を備えている。第２波長フィルタ４６は、第２の中間出力光１１８に含まれる中間光１１２及び第２のポンプ光１１３を遮断し、かつ、変換光１２２のみを通過させる。このように、第２差周波発生部４１の出力部分に第２波長フィルタ４６を備えることは、それにより不要な光信号である中間光１１１及び第２のポンプ光１１３が波長変換装置１１から出力されないので、好適である。

第２差周波発生部６１は、中間光１１１から変換光への変換効率、すなわち、波長変換効率を高めるために、例えば、光導波路５３に周期的ドメイン反転構造５５を作りつけたＱＰＭ型波長変換素子で構成される。第２差周波発生部５１の周期的ドメイン反転構造５５は、周期的に設けられた第１ドメイン５７と第２ドメイン５９とから構成されていてその周期をΛ_ｄとしている。この周期Λ_ｄは、中間光１１１、第２のポンプ光１１３及び変換光について擬似位相整合を実現するように設定されている。

周期的ドメイン反転構造５５の周期Λ_ｄは、中間光１１１、第２のポンプ光１１３及び変換光のそれぞれの波数ｋ_ｍ、ｋ_ｐ２及びｋ_ｃから、従来周知のように、以下の（１０）式で与えられる。

ｋ_ｃ＋ｋ_ｍ−ｋ_ｐ２＝２π／Λ_ｄ （１０）
上述したように、信号光１０１に対して、第１のポンプ光１０３の周波数ω_ｐ１を決めると、中間光の周波数ω_ｍが決まる。また、中間光の周波数ω_ｍと第２のポンプ光の周波数ω_ｐ２を決めると、変換光の周波数ω_ｃが決まる。第１のポンプ光及び第２のポンプ光の周波数ω_ｐ１及びω_ｐ２は、出力について高パワーが得られるものを選定すると良い。第１光源２２及び第２光源４２として、例えば、光ファイバアンプの光源として使用される、出力波長が０．９８μｍから１．１８μｍの半導体レーザ、あるいは、出力波長が２〜４μｍ程度の固体レーザを用いることができる。これらの光源は、出力波長を０．７７５μｍ付近にするのに比べて、容易に高パワーの出力を得ることができる。

図６を参照して、第２実施形態の波長変換方法につき説明する。図６は、第２実施形態の波長変換方法を説明するための模式図である。ここでは、信号光１０１の波長λ_ｓが１．５５μｍである場合を例にとって説明する。

先ず、信号光１０１と第１のポンプ光１０３との差周波発生により、差周波光である中間光が発生する。上述した式（７）から、信号光１０１、第１のポンプ光１０３及び中間光１１１の波長が満たす式として、以下の（１１）式が得られる。

１／λ_ｍ＝１／λ_ｓ−１／λ_ｐ１ （１１）
従って、第１のポンプ光１０３の波長λ_ｐ１を３．７１μｍとすると、中間光１１１の波長λ_ｍは、２．６６μｍになる。

次に、中間光１１１と第２のポンプ光１１３との差周波発生により、差周波光である、信号光の変換光が発生する。上述した（９）式から、中間光１１１、第２のポンプ光１１３及び変換光１２１の波長が満たす式として、以下の（１２）式が得られる。

１／λ_ｃ＝１／λ_ｐ２−１／λ_ｍ （１２）
従って、第２のポンプ光１２３の波長λ_ｐ２を０．９８μｍとすると、変換光１２１の波長λ_ｃは、１．５５μｍになる（図６（Ａ））。

また、第１のポンプ光１０３の波長λ_ｐ１を２．２５μｍとすると、上述した（１１）式から、中間光１１１の波長λ_ｍは、５．０μｍになる。このとき、第２のポンプ光１２３の波長λ_ｐ２を１．１８μｍにすると、上述した（１２）式から、変換光１２１の波長λ_ｃは、１．５５μｍになる（図６（Ｂ））。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を参照して説明した、第１実施形態の差周波発生素子３０における、第１のポンプ光の波長λ_ｐ１と中間光の波長λ_ｍ及びＱＰＭ周期Λ_ａの関係については、第１差周波発生素子３１及び第２差周波発生素子５１についても適用することができるので、ここでは、説明を省略する。

また、第１差周波発生素子３１及び第２差周波発生素子５１を構成するＱＰＭ型波長変換素子の製造方法は、図１を参照して説明した第１実施形態の差周波発生素子３０と同様なので、説明を省略する。

上述したように、第２実施形態の波長変換装置及び波長変換方法によれば、第１差周波発生部で、周波数ω_ｓの信号光と周波数ω_ｐ１の第１のポンプ光の差周波発生により、周波数ω_ｍがω_ｍ＝ω_ｓ−ω_ｐ１を満たす中間光を発生させて、第２差周波発生部で、中間光と周波数ω_ｐ２の第２のポンプ光の差周波発生により、周波数ω_ｃがω_ｃ＝ω_ｐ２−ω_ｍを満たす、信号光の変換光を発生させる。このため、第１のポンプ光及び第２のポンプ光の周波数ω_ｐ１及びω_ｐ２がω_ｐ１＋ω_ｐ２＝ω_ｓ＋ω_ｃを満たす範囲で、これらポンプ光の波長を選択することができ、すなわち、ポンプ光の波長選択の自由度を増すことが可能になる。この結果、０．７７５μｍ付近の波長域など、高パワーを得ることが困難な波長のポンプ光を用いることなく、例えば、光ファイバアンプの光源として使用される、出力波長が０．９８μｍから１．１８μｍの半導体レーザ、あるいは、出力波長が２〜４μｍ程度の固体レーザなど、高パワーが容易に得られるポンプ光を用いることができる。

（第３の実施形態）
図７を参照して、第３実施形態の波長変換装置につき説明する。図７は、第３実施形態の波長変換装置を説明するための概略図であって、波長変換装置を上面から見た平面図として示している。なお、図７では、図を明確にするために、一部にハッチングを付しているが、断面を示す意味ではない。

波長変換装置１２は、第１波長変換部６０、第２波長変換部７０及び第３波長変換部１８０を備えて構成されている。第１波長変換部６０は、さらに、第１光源６２、第１合波器６４、第１波長変換素子６８及び第１波長フィルタ６６を備えている。同様に、第２波長変換部７０は、第２光源７２、第２合波器７４、第２波長変換素子７８及び第２波長フィルタ７６を備え、第３波長変換部８０は、第３光源８２、第３合波器８４、第３波長変換素子８８及び第３波長フィルタ８６を備えている。

波長変換装置１２には、波長λ_ｓの信号光１０１が入力される。

第１波長変換部６０では、信号光１０１と、第１光源１２２から出力される波長λ_ｐ１の第１のポンプ光１０３とが、第１合波器６４で合波され、第１の入力光１０５として、第１波長変換素子６８に送られる。

第１波長変換素子６８では、例えば、信号光１０１と第１のポンプ光１０３の差周波発生（ＤＦＧ）により、波長がλ_ｍ１の差周波光を発生させる。このとき、差周波光の周波数ω_ｍ１は、以下の（１３）式を満たす。

ω_ｍ１＝ω_ｐ１−ω_ｓ （１３）
第１波長変換素子６８は、差周波光を第１の中間光として出力させる。ここで、第１波長変換素子６８からの出力である第１の中間出力光１０８は、第１の中間光に加えて、信号光１０１及び第１のポンプ光１０３を含んでいる。

波長変換装置１２は、第１波長変換部６０の出力部分に、第１波長フィルタ６６を備えている。第１波長フィルタ６６は、第１の中間出力光１０８に含まれる信号光１０１及び第１のポンプ光１０３を遮断し、かつ、第１の中間光１３１のみを通過させる。このように、第１波長変換部６０の出力部分に第１波長フィルタ６６を備えることは、これによって不要な光信号である信号光１０１及び第１のポンプ光１０３が後段の第２波長変換部７０に入力されないので、好適である。なお、信号光１０１及び第１のポンプ光１０３が、後段の第２波長変換部で擬似位相整合を実現しない場合には、差周波発生又は和周波発生に寄与しないので、第１波長フィルタ６６を備えない構成としても良い。

第１波長変換素子６８は、信号光１０１から第１の中間光１３１への変換効率を高めるために、例えば、ＱＰＭ型波長変換素子で構成される。第１波長変換素子６８の周期的ドメイン反転構造は、信号光１０１、第１のポンプ光１０３、及び第１の中間光１３１について擬似位相整合を実現するように設定されている。

第２波長変換部７０では、第１の中間光１３１と、第２光源７２から出力される第２のポンプ光１１３とが、第２合波器７４で合波され、第２の入力光１３５として、第２波長変換素子７８に送られる。

第２波長変換素子７８では、例えば、第１の中間光１３１と第２のポンプ光１１３の和周波発生（ＳＦＧ）により、波長がλ_ｍ２の和周波光を発生させる。このとき、和周波光の周波数ω_ｍ２は、以下の（１４）式を満たす。

ω_ｍ２＝ω_ｍ１＋ω_ｐ２ （１４）
第２波長変換素子７８は、和周波光を第２の中間光として出力させる。ここで、第２波長変換素子７８からの出力である第２の中間出力光１３７は、第２の中間光に加えて、第１の中間光１３１及び第２のポンプ光１１３を含んでいる。

波長変換装置１２は、第２波長変換部７０の出力部分に、第２波長フィルタ６６を備えている。第２波長フィルタ７６は、第２の中間出力光１３７に含まれる第１の中間光１３１及び第２のポンプ光１１３を遮断し、第２の中間光１４１のみを通過させる。このように、第２波長変換部７０の出力部分に第２波長フィルタ７６を備えることは、これにより、後段の第３波長変換部８０で不要な、第１の中間光１３１及び第２のポンプ光１１３が、後段の第３波長変換部８０に入力されないので、好適である。

第２波長変換素子７８は、第１の中間光１３１から第２の中間光１４１への変換効率を高めるために、例えば、ＱＰＭ型波長変換素子で構成される。第２波長変換素子７８の周期的ドメイン反転構造は、第１の中間光１３１、第２のポンプ光１１３、及び第２の中間光１４１について擬似位相整合を実現するように設定されている。

第３波長変換部８０では、第２の中間光１４１と、第３光源８２から出力される第３のポンプ光１２３とが、第３合波器８４で合波され、第３の入力光１４５として、第３波長変換素子８８に送られる。

第３波長変換素子８８では、例えば、第２の中間光１４１と第３のポンプ光１２３の和周波発生（ＳＦＧ）により、波長がλ_ｍ３の和周波光を発生させる。このとき、和周波光の周波数ω_ｍ３は、以下の（１５）式を満たす。

ω_ｍ３＝ω_ｍ２＋ω_ｐ３ （１５）
第３波長変換素子８８は、和周波光を第３の中間光として出力させる。ここで、第３波長変換素子８８からの出力である第３の中間出力光１４７は、第３の中間光に加えて、第２の中間光１４１及び第３のポンプ光１２３を含んでいる。

波長変換装置１２は、第３波長変換部８０の出力部分に、第３波長フィルタ８６を備えている。第３波長フィルタ８６は、第３の中間出力光１４７に含まれる第２の中間光１４１及び第３のポンプ光１２３を遮断し、第３の中間光１５１のみを通過させる。波長変換装置１２が第１〜３波長変換部６０、７０及び８０を備える構成の場合、第３の中間光１５１が変換光として、当該波長変換装置１２から出力される。この場合、第３波長変換部８０の出力部分に第３波長フィルタ８６を備えることで、以降の処理で不要な、第２の中間光１４１及び第３のポンプ光１２３が波長変換装置１２から出力されないので好適である。

第３波長変換素子８８は、第２の中間光１４１から第３の中間光１５１への変換効率を高めるために、例えば、ＱＰＭ型波長変換素子で構成される。第３波長変換素子８８の周期的ドメイン反転構造は、第２の中間光１２１、第３のポンプ光１２３及び第３の中間光１３１について擬似位相整合を実現するように設定されている。

波長変換装置１１０が３段の波長変換部を備える構成の場合、第３の中間光１３１が、周波数がω_ｃ（＝ω_ｍ３）の、信号光の変換光として出力される。

上述の（１３）式、（１４）式及び（１５）式から、ω_ｃ＋ω_ｓ＝ω_ｐ１＋ω_ｐ２＋ω_ｐ３が得られる。このため、第１、第２及び第３のポンプ光の周波数ω_ｐ１、ω_ｐ２及びω_ｐ３が、ω_ｐ１＋ω_ｐ２＋ω_ｐ３＝ω_ｓ＋ω_ｃを満たす範囲で、これらポンプ光の波長を選択することができ、すなわち、ポンプ光の波長選択の自由度を、第１実施形態又は第２実施形態の波長変換装置に比べて増すことが可能になる。

ここでは、第１波長変換部が差周波発生部で、第２及び第３波長変換部が和周波発生部である構成について説明したがこの例に限定されない。

（第３実施形態の変形例）
例えば、第１及び第２波長変換部を差周波発生部として、第３波長変換部を和周波発生部としても良い。

第１波長変換部での差周波光の周波数ω_ｍ１、第２波長変換部での差周波光の周波数ω_ｍ２、及び、第３波長変換部での和周波光の周波数ω_ｍ３は、それぞれ、以下の（１６）〜（１８）式を満たすように設定すれば良い。

ω_ｍ１＝ω_ｓ−ω_ｐ１ （１６）
ω_ｍ２＝ω_ｐ２−ω_ｍ１ （１７）
ω_ｍ３＝ω_ｍ２＋ω_ｐ３ （１８）
上述の（１６）式、（１７）式及び（１８）式から、ω_ｃ＋ω_ｓ＝ω_ｐ１＋ω_ｐ２＋ω_ｐ３が得られる。このため、第１、第２及び第３のポンプ光の周波数ω_ｐ１、ω_ｐ２及びω_ｐ３が、ω_ｐ１＋ω_ｐ２＋ω_ｐ３＝ω_ｓ＋ω_ｃを満たす範囲で、これらポンプ光の波長を選択することができ、すなわち、ポンプ光の波長選択の自由度を増すことが可能になる。

上述した、第３実施形態及びその変形例では、第３波長変換部として、和周波発生により第３の中間光を生成する例について説明したが、第３波長変換部として、差周波発生により第３の中間光を生成する構成としても良い。この場合、第３波長変換部での差周波光の周波数ω_ｍ３は、以下の（１９）式を満たすように設定すれば良い。

ω_ｍ３＝ω_ｍ２−ω_ｐ３ （１９）
このとき、上述の（１３）〜（１５）式、又は、（１６）〜（１８）式から、ω_ｃ＋ω_ｓ＝ω_ｐ１＋ω_ｐ２−ω_ｐ３が得られる。このため、第１、第２及び第３のポンプ光の周波数ω_ｐ１、ω_ｐ２及びω_ｐ３が、ω_ｐ１＋ω_ｐ２−ω_ｐ３＝ω_ｓ＋ω_ｃを満たす範囲で、これらポンプ光の波長を選択することができ、すなわち、ポンプ光の波長選択の自由度を増すことが可能になる。

このように、波長変換装置が第１〜３波長変換部の３段の構成の場合は、ω_ｐ１＋ω_ｐ２±ω_ｐ３＝ω_ｓ＋ω_ｃを満たす範囲で、これらポンプ光の波長を選択することができ、すなわち、ポンプ光の波長選択の自由度を、第１実施形態及び第２実施形態の波長変換装置に比べて増すことが可能になる。

ここでは、波長変換装置が第１〜３波長変換部の３段の構成の場合について説明したが、波長変換装置が備える波長変換部の個数は３に限られず、４以上にしても良い。波長変換部の個数がｎ（ｎは３以上の整数）の場合、ポンプ光の周波数ω_ｐｎは、以下の（２０）式を満たすように選択することができる。

ω_ｓ＋ω_ｃ＝ω_ｐ１＋ω_ｐ２±ω_ｐ３±…±ω_ｐｎ （２０）

第１実施形態の波長変換装置を説明するための概略図である。 第１実施形態の波長変換方法を説明するための模式図である。 第１のポンプ光の波長と中間光の波長の関係、及び、第１のポンプ光の波長とＱＰＭ周期の関係を示す特性図である。 第１のポンプ光の波長と群速度差の関係を示す特性図である。 第２実施形態の波長変換装置を説明するための概略図である。 第２実施形態の波長変換方法を説明するための模式図である。 第３実施形態の波長変換装置を説明するための概略図である。

符号の説明

１０、１１、１２ 波長変換装置
２０ 差周波発生部
２１ 第１差周波発生部
２２、６２ 第１光源
２４、６４ 第１合波器
２６、６６ 第１波長フィルタ
３０ 差周波発生素子
３１ 第１差周波発生素子
３２、３３、５２、５３ 光導波路
３４、３５、５４、５５ 周期的ドメイン反転構造
３６、３７、５６、５７ 第１ドメイン
３８、３９、５８、５９ 第２ドメイン
４０ 和周波発生部
４１ 第２差周波発生部
４２、７２ 第２光源
４４、７４ 第２合波器
４６、７６ 第２波長フィルタ
５０ 和周波発生素子
５１ 第２差周波発生素子
６０ 第１波長変換部
６８ 第１波長変換素子
７０ 第２波長変換部
７８ 第２波長変換素子
８０ 第３波長変換部
８２ 第３光源
８４ 第３合波器
８６ 第３波長フィルタ
８８ 第３波長変換素子

Claims (10)

1. 周波数ω_ｓの信号光と周波数ω_ｐ１の第１のポンプ光から、周波数ω_ｍがω_ｍ＝ω_ｐ１−ω_ｓを満たす差周波光を発生させて、該差周波光を中間光として出力させる差周波発生部と、
   前記中間光と周波数ω_ｐ２の第２のポンプ光から、周波数ω_ｃがω_ｃ＝ω_ｐ２＋ω_ｍを満たす和周波光を発生させて、該和周波光を前記信号光の変換光として出力させる和周波発生部と
   を備えることを特徴とする波長変換装置。
2. 前記差周波発生部の出力部分に、前記第１のポンプ光及び前記信号光を遮断し、かつ、前記中間光を通過させる波長フィルタを備えることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
3. 前記和周波発生部の入力部分に、前記第２のポンプ光を導入するポンプ光導入部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換装置。
4. 周波数ω_ｓの信号光と周波数ω_ｐ１の第１のポンプ光から、周波数ω_ｍがω_ｍ＝ω_ｓ−ω_ｐ１を満たす第１の差周波光を発生させて、該第１の差周波光を中間光として出力させる第１差周波発生部と、
   前記中間光と周波数ω_ｐ２の第２のポンプ光から、周波数ω_ｃがω_ｃ＝ω_ｐ２−ω_ｍを満たす第２の差周波光を発生させて、該第２の差周波光を前記信号光の変換光として出力させる第２差周波発生部と
   を備えることを特徴とする波長変換装置。
5. 前記第１差周波発生部の出力部分に、前記第１のポンプ光及び前記信号光を遮断し、かつ、前記中間光を通過させる波長フィルタを備えることを特徴とする請求項４に記載の波長変換装置。
6. 前記第２差周波発生部の入力部分に、前記第２のポンプ光を導入するポンプ光導入部を備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の波長変換装置。
7. 前記第１のポンプ光を発生する第１光源及び前記第２のポンプ光を発生する第２光源を備え、
   前記第１光源及び第２光源のいずれか一方を波長可変光源とする
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の波長変換装置。
8. 第１〜ｎ（ｎは３以上の整数）の波長変換部を備える波長変換装置であって、
   第１の波長変換部は、周波数ω_ｓの信号光と周波数ω_ｐ１の第１のポンプ光から、和周波発生又は差周波発生により、周波数ω_ｍ１の第１の中間光を発生させ、
   第ｋ（ｋは２以上かつｎ−１以下の整数）の波長変換部は、第ｋ−１の中間光と周波数ω_ｐｋの第ｋのポンプ光から、和周波発生又は差周波発生により、周波数ω_ｍｋの第ｋの中間光を出力させ、
   第ｎの波長変換部は、第ｎ−１の中間光と周波数ω_ｐｎの第ｎのポンプ光から、和周波発生又は差周波発生により、周波数ω_ｃの第ｎの中間光を発生させて、該第ｎの中間光を前記信号光の変換光として出力させ、
   第１〜ｎのポンプ光の周波数ω_ｐ１〜ω_ｐｎが、ω_ｓ＋ω_ｃ＝ω_ｐ１＋ω_ｐ２±ω_ｐ３…±ω_ｐｎの関係を満たしている
   ことを特徴とする波長変換装置。
9. 周波数ω_ｓの信号光と周波数ω_ｐ１の第１のポンプ光から、周波数ω_ｍがω_ｍ＝ω_ｐ１−ω_ｓを満たす差周波光を発生させて、該差周波光を中間光として出力させる過程と、
   前記中間光と周波数ω_ｐ２の第２のポンプ光から、周波数ω_ｃがω_ｃ＝ω_ｐ２＋ω_ｍを満たす和周波光を発生させて、該和周波光を前記信号光の変換光として出力させる過程と
   を備えることを特徴とする波長変換方法。
10. 周波数ω_ｓの信号光と周波数ω_ｐ１の第１のポンプ光から、周波数ω_ｍがω_ｍ＝ω_ｓ−ω_ｐ１を満たす第１の差周波光を発生させて、該第１の差周波光を中間光として出力させる過程と、
    前記中間光と周波数ω_ｐ２の第２のポンプ光から、周波数ω_ｃがω_ｃ＝ω_ｐ２−ω_ｍを満たす第２の差周波光を発生させて、該第２の差周波光を前記信号光の変換光として出力させる過程と
    を備えることを特徴とする波長変換方法。
    

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