JP2007108593A - 非線形光学媒質およびそれを用いた波長変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分極反転構造を有する非線形光学媒質において、拡張された帯域内における変換効率の変動を低減する。
【解決手段】光の伝播方向に分極反転構造の周期が、連続的に変化し、かつ、周期ごとの反転領域と非反転領域の割合が、少なくとも非線形光学媒質４１の光の伝播方向の一部において、連続的に変化している。
【選択図】図５

Description

本発明は、非線形光学媒質およびそれを用いた波長変換装置に関し、より詳細には、周期的な分極反転構造を有する擬似位相整合型構造の非線形光学媒質およびそれを用いた波長変換装置に関する。

紫外域−可視域−赤外域−テラヘルツ域にわたるコヒーレント光の発生と変調とを行う非線形光学デバイスおよび電気光学デバイスの開発が進められており、光通信分野における光信号の光波長変換、光変調のほか、光計測、光加工、医療、生物工学などの分野に応用されている。非線形光学媒質および電気光学媒質としては、種々の材料が研究開発されている。その中で、ＬｉＮｂＯ_３などの２次非線形光学材料を用い、非線形定数が周期的に変化するように変調された、いわゆる「擬似位相整合型構造」の光学デバイスが有望視されている（例えば、非特許文献１参照）。擬似位相整合（または擬似郡速度整合）型構造は、結晶の自発分極の極性を周期的に反転した格子（グレーティング）状の構造を有しており、非線形光学デバイスおよび電気光学デバイスにおける光波長変換、光変調の効率を飛躍的に高めることができる。

図１に、従来の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す。２次非線形光学効果を利用して差周波発生を行う波長変換素子の構成である。波長変換素子は、比較的小さな光強度を有する信号光（λ_１）１３と、比較的大きな光強度を有する励起光（λ_３）１５とを合波する合波器１０と、擬似位相整合型構造の非線形光学媒質１１からなる導波路１２と、差周波数光である変換光（λ_２）１４と励起光とを分離する分波器１６とから構成されている。非線形光学媒質１１は、波長λ_１の信号光と波長λ_３の励起光とを入射すると、波長λ_２の変換光を出力する。これらの３つの波長の間には次式で与えられる関係が成立する。

信号光１３は、導波路１２において、異なる波長を有する差周波数光１４へと変換され、励起光と共に出射される。

なお、このような波長変換素子の構成により、信号光１３および励起光１５により和周波発生を行うこともできる。また、信号光１３および励起光１５を同一の波長とし、または信号光１３のみを入射することにより、第二高調波発生を行って、励起光の２倍の周波数を有する第二高調波に変換することもできる。

２次非線形光学材料中に周期的に変調された構造を形成するためには、２次非線形光学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、または、非線形定数の大きな部分と小さい部分とを交互に配置させる方法が考えられる。例えば、ＬｉＮｂＯ_３のような強誘電体結晶を用いて、差周波発生を行うことを考える。非線形定数（以下、ｄ定数という）の正負は、自発分極の極性に対応するので、図１に示した非線形光学媒質１１は、ＬｉＮｂＯ_３基板上にプロトン交換法で形成された光導波路１２を有し、ＬｉＮｂＯ_３の自発分極が、変調周期Λ_０＝１４．７５μｍで周期的に反転されている。このような構成の波長変換素子は、１．５５μｍ帯の信号光１３と０．７８μｍ帯の励起光１５とにより、差周波発生が可能となり、１．５７μｍ帯の変換光に波長変換することができる。

ＬｉＮｂＯ_３からなる非線形光学媒質１１おいて、波長λ_１の信号光１３に対する屈折率
ｎ_１、波長λ_２の変換光１４に対する屈折率をｎ_２、波長λ_３の励起光１５に対する屈折率をｎ_３、非線形定数の変調周期をΛ_０とすると、位相不整合量Δβは、

で与えられる。

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。

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により、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。

図２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。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。擬似位相整合条件を満足する励起光１５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１３の波長λ_１を固定して、変調周期Λ_０が与えられれば一意に定まる。しかし、励起光１５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、変換効率ηに急激に減少してしまう。図１に示したＬｉＮｂＯ_３の非線形光学媒質１１の光導波路１２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。また、この位相不整合量の帯域をＬｉＮｂＯ_３の温度に対する分散からその温度許容幅に換算すると、約１℃程度と非常に狭い。

M. H. Chou, et al., "1.5-μm-band wavelength conversion based on difference-frequency generation in LiNbO3 waveguides with integrated coupling structures", Optics Letters vol.23, no.13, p.1004-1006 (1998) T. Suhara, et al., "Theoretical Analysis of Waveguide Second-Harmonic Generation Phase Matched with Uniform and Chirped Gratings", IEEE J. of Quantum Electronics, Vol.26, No.7, pp.1265-1276, 1990 K. Mizuuchi, et al., "Waveguide second-harmonic generation device with broadened flat quasi-phase-matching response by use of a grating structure with located phase shifts", OPTICS LETTERS, Vol.28, No.24, p.1880-1882, 1998 Y. Nisida et al., "Direct-bonded QPM-LN ridge waveguide with high damage resistance at room temperature", Electronics Lett. 3rd April 2003 Vol.39, No.7

従来の波長変換素子は、信号光１３の波長λ_１を任意の波長の差周波光に変換するためには、励起光１５の波長を変化させる必要がある。しかしながら、従来の擬似位相整合型構造では、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ない。その結果、任意の波長の差周波光に変換することはできないという問題があった。

同様に、任意の波長の和周波光に変換することもできない。また、励起光を高速変調する場合には、それに応じた広い帯域が必要であるが、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高速変調も行うことができない。

さらに、従来の擬似位相整合型構造では、波長に対する許容範囲が狭いため、励起光源の安定化を行う必要がある。また、温度に対する許容範囲も狭く、波長変換素子の温度調整を行う必要があり、いずれも技術面、コスト面からすると不利になる。

波長に対する許容範囲の拡張が可能な波長変換素子を構成するために、周期的に変調された構造の周期を光の伝播方向に線形に変化（線形チャープ）させる方法が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。図２に、線形チャープさせた非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を示す。しかしながら、波長帯域が拡大されているものの、帯域内の変換効率の変化が激しいという問題があった。チャープ量さらに増加（または減少）させた場合を図４の点線で示す。図４（ａ）〜（ｃ）の点線に示したように、周期の増減の量を替えることにより任意に帯域を広げることができる。

しかし、帯域内の変換効率の変動は、例えば、波長を掃引した場合には出力の変動となり、高速の変調信号を波長変換すると、誤り率が大幅に増えてしまう。特殊な装置を用いて変換光の出射強度が一定になるようにするには、技術面、コスト面からすると困難が伴う。また、変換効率の変動の下限で、出射強度を一定にすると、変換効率が低下してしまう。さらに、励起光源の安定化、波長変換素子の温度調整は、変換効率の変動が大きいため、より困難を伴うこととなる。

波長に対する許容範囲の拡張する方法として、非線形光学媒質の素子長Ｌを短くすることが知られている。しかしながら、非線形光学媒質の長さを短くすると、波長変換素子の変換効率が大幅に小さくなる。２次非線形光学効果を用いる波長変換素子の変換効率ηは、一般的に、非線形光学媒質の長さの２乗に比例する。例えば、非線形光学媒質の長さを１／５にすることによって波長許容範囲を５倍にすることができるが、変換効率ηは４％にまで低下してしまう。

波長に対する許容範囲の拡張するその他の方法として、周期的に変調された構造をいくつかのブロックに分け、ブロックごとの周期構造を変調し、ブロック間に位相を調整する領域を設ける手法が知られている（例えば、非特許文献３参照）。この手法によると、波長帯域が拡大されているものの、帯域内の変換効率の変化が平坦になる条件が満たされるのは、ごく限られた帯域幅の場合のみであった。

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、周期的に変調された構造の周期を、光の伝播方向に変化させることにより拡張された帯域内における変換効率の変動を低減する非線形光学媒質およびそれを用いた波長変換装置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、分極反転構造を有する非線形光学媒質において、光の伝播方向に前記分極反転構造の周期が、連続的に変化し、かつ、前記周期ごとの反転領域と非反転領域の割合が、少なくとも前記非線形光学媒質の光の伝播方向の一部において、連続的に変化していることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、分極反転構造を有する非線形光学媒質において、光の伝播方向に前記分極反転構造の周期が一定であり、分極の反転する位相が連続的に変化し、かつ、前記周期ごとの反転領域と非反転領域の割合が、少なくとも前記非線形光学媒質の光の伝播方向の一部において、連続的に変化し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に記載の前記反転領域と非反転領域の割合は、少なくとも前記非線形光学媒質の光の伝播方向の一部において、増加または減少してい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に記載の前記反転領域と非反転領域の割合は、少なくとも前記非線形光学媒質の入射端と出射端のいずれかにおいて、増加または減少していることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、波長変換装置であって、出力光の波長を可変することができる光源と、前記出力光が入射され、第二高調波発生により変換光を出射する、請求項１ないし４のいずれかに記載の非線形光学媒質とを備えたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、波長変換装置であって、出力する信号光の波長を可変することができる第１の光源と、励起光を出力する第２の光源と、差周波波発生と和周波発生のいずれかにより変換光を出射する、請求項１ないし４のいずれかに記載の非線形光学媒質と、前記信号光と前記励起光とを合波して、前記非線形光学媒質に入射させる合波器とを備えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、光の伝播方向に分極反転構造の周期が、連続的に変化し、かつ、周期ごとの反転領域と非反転領域の割合が、少なくとも非線形光学媒質の光の伝播方向の一部において、連続的に変化しているので、波長変換効率を低下させることなく、帯域内における変換効率の変動を低減することが可能となる。従って、任意の波長帯域に応じた設計が可能となり、拡張された帯域内における変換効率の変動を大幅に抑えることができる。

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。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、単に波長変換機能のみを有する素子および装置という意味だけではなく、光増幅機能を併せて有する素子および装置も含む。

図５に、本発明の一実施形態にかかる非線形光学媒質の構成を示す。ここでは、ＬｉＮｂＯ_３などの強誘電体結晶材料を非線形光学媒質４１として用いて、第二高調波発生を例に説明する。図５（ａ）に示した非線形光学媒質４１は、自発分極の極性を周期的に反転する（以下、分極反転構造という）ことで、非線形定数の符号を空間的に交互に反転させている。非線形光学媒質４１には、光導波路４２が形成され、波長λ_１の信号光４３を入力し、２次非線形光学効果によって波長λ_３の変換光４４を出力する。

非線形光学媒質４１は、長手方向に非線形定数が周期的に変調されているが、これに加えて、光導波路４２の光軸方向に周期が連続的に変化し、この周期ごとの反転領域と非反転領域の割合が素子端で増加または減少する。具体的には、図５（ｂ）に示したように、分極反転構造の周期は、信号光４３の入射端から連続的に変化し、かつ増加する。さらに、この周期ごとの反転領域と非反転領域の割合が、信号光４３の入射端から連続的に変化し、かつ増加する。非線形光学媒質４１の中央部では、一定の割合となり、変換光４４の出射端に向けて連続的に変化し、かつ減少する。

以下に、反転周期ごとの反転領域と非反転領域の割合を変化させる手法について説明する。一つの反転周期内での反転の割合を表す関数として次式を定義する。

反転領域と非反転領域が１対１の場合にはデューティ比は０．５となる。今、デューティ比が非線形光学媒質の素子端（入射端および出射端をいう）で小さく（または大きく）なる構造を考える。このとき、以下に定義された関数に従うとする。

ここで、Ｄは上で定義したデューティ比、ｚは素子の端からの光の伝播方向の距離、Ｌは素子の全長、ａはデューティ比の変化を制御するパラメータである。図６に、ａ＝４としたときの関数Ｄ（ｚ）、すなわち分極反転構造におけるデューティ比の変化を示す。

図７に、非線形光学媒質４１の分極反転構造の構成を詳しく示す。図７（ｄ）は、分極反転構造におけるデューティ比の変化を示し、図７（ａ）〜（ｃ）は、反転周期ごとの反転領域と非反転領域の割合を示す。ｄ定数／｜ｄ定数｜が＋１とは、図５に示した自発分極の極性が上向き、すなわち非反転領域を示し、ｄ定数／｜ｄ定数｜が−１とは、図５に示した自発分極の極性が下向き、すなわち反転領域を示している。

図８に、非線形光学媒質４１の変換効率の位相不整合量依存性を実線で示す。点線は、図４に示した従来の位相不整合量依存性を示している。図８（ａ）において、点線と実線とを比較すると、従来の分極反転構造の変動幅がピークの平均値に対して約７０％であるのに対して、本実施形態においては約７％と１／１０に抑制されている。おり、明らかに変換効率の変動が抑えられていることがわかる。非線形光学媒質４１の分極反転構造を、光導波路４２の光軸方向に周期が連続的に変化するようにし、この周期ごとの反転領域と非反転領域の割合が素子端で増加または減少することにより、波長変換効率を低下させることなく、帯域内における変換効率の変動を低減することができる。

非線形光学媒質４１の光導波路４２の光軸方向に周期を連続的に変化させるだけでなく、この周期ごとの反転領域と非反転領域の割合が素子端で増加または減少させることにより、任意の波長帯域において応じた設計が可能となり、拡張した帯域内での変換効率の変動を大幅に抑えることができる。

ここで、本実施形態では、反転周期を、光導波路４２の光軸方向に線形に増加（または減少）させたが、非線形であっても構わない。また、デューティ比の変化は、式（５）に示した関数とし、素子端で減少するようにしたが、素子端で増加させてもよい。単調増加単調減少に留まらず非単調増加、非単調減少を行ってもよい。さらに、素子端からではなくいくらか内側に入っていてもよいし、入射端または出射端のいずれか一方でもよい。

非線形光学媒質の全長に対して、反転領域と非反転領域の割合が変化する領域を素子端からどの程度とするか、反転領域と非反転領域の割合をどの程度とするかは、帯域内における変換効率の変動（リップル）をどの程度低減させたいかによる。定性的には、反転領域と非反転領域の割合が変化する領域を大きくとり、反転領域と非反転領域の割合を大きくすれば、より大きなリップルを低減することができるが、一方で波長変換効率が低下する。従って、反転領域と非反転領域の割合が変化する領域と、反転領域と非反転領域の割合とは、リップルの大きさと波長変換効率とにより決定される。

分極反転構造の周期を線形に変化させ、反転領域と非反転領域の割合、すなわちデューティ比を式（５）にしたがって変化させた場合に、反転領域と非反転領域の割合が変化する領域の大きさを変えたときの変換効率の位相不整合量依存性を図９〜１３に示す。図９（ａ）〜１３（ａ）は、デューティ比の変化を制御するパラメータａを、
図９（ａ） ａ＝３０
図１０（ａ） ａ＝２０
図１１（ａ） ａ＝１０
図１２（ａ） ａ＝５
図１３（ａ） ａ＝２．５
と変化させた場合の分極反転構造におけるデューティ比の変化を示す。パラメータａを減らしていくことにより、非線形光学媒質の全長に対して、反転領域と非反転領域の割合が変化する領域が大きくなることがわかる。

図９（ｂ）〜１３（ｂ）において、実線はデューティ比を変化させた場合、点線はデューティ比を変化させなかった場合の変換効率の位相不整合量依存性を示す。図９（ｂ）を参照すると、非線形光学媒質の全長に対して反転領域と非反転領域の割合が変化する領域が、素子端において数％程度でもリップルの低減が行われている。一方、図１３（ｂ）を参照すると、リップルの低減が行われているものの、波長変換効率が低下していることもわかる。従って、図１１（ｂ）に示すように、素子端において数十％が望ましい。

ただし、反転領域と非反転領域の割合が変化する領域の大きさは、デューティ比を変化させなかった場合のリップルの量に依存する。従って、場合によっては数十％よりも大きくする必要もあり、逆に数％程度でも有効に変換効率の変動を抑えることもできる。具体的には、分極反転構造の周期を非線形に変化させ、線形に変化させた場合に比べてリップルが小さくなるようにしておけば、反転領域と非反転領域の割合が変化する領域の大きさを小さくすることができる。

以上説明したように、反転領域と非反転領域の割合が変化する領域と、反転領域と非反転領域の割合とを、適切に設定することにより、波長変換効率を低下させることなく、拡張した帯域内における変換効率の変動を低減することができる。

図１４に、本発明の実施例１にかかる波長可変光源の構成を示す。波長可変光源は、１．５５μｍ帯で波長可変が可能なＳＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤを用いた光源１０３と、その出力を増幅するＥr添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）１０２と、ＬｉＮｂＯ_３からなり分極反転構造を有する非線形光学媒質１１１を含む波長変換素子１０１とが縦続に接続されている。光源１０３からの出力光のパワーは１ｍＷであり、ＥＤＦＡ１０２により３００ｍＷまで増幅される。ＥＤＦＡ１０２の出力光は、信号光１１３として、非線形光学媒質１１１の導波路波１１２に入力され、第二高調波発生により７７５ｎｍ帯の変換光１１４に変換される。波長変換素子１０１から出射された信号光を、ダイクロイックミラーにより分離すれば、変換光のみを取り出すことができる。非線形光学媒質１１１には、ウエハ接合法（例えば、非特許文献４参照）により作製された基板に、ダイシングによって形成した光導波路１１２が形成されている。

比較参考のために、図１５に、周期１８μｍの一定周期で作製した長さ５０ｍｍの非線形光学媒質の波長変換効率を示す。縦軸は、ピークの波長変換効率を１として、規格化した値を示している。ピーク波長における変換効率は、１０００％／Ｗである。信号光波長に対する帯域は約０．２ｎｍであり、変換光波長は信号光波長の半分となるため、変換光波長における帯域は約０．１ｎｍとなる。このように、一定の周期で作製した分極反転構造を有する非線形光学媒質は、変換後の帯域が非常に狭いため、信号光波長を可変にすることは困難である。

比較参考のために、分極反転構造の周期を線形に変化させ、波長変換帯域を拡大した波長変換素子の構造を、図１６に点線で示す。図１６（ａ）は、分極反転構造の周期を示し、長さ５０ｍｍの非線形光学媒質の入射端から出射端に向けて、周期１８．５μｍから１７．５μｍまで線形に単調減少させている。図１６（ｂ）は、デューティ比の変化を示し、０．５で一定である。このとき、非線形光学媒質の変換効率の位相不整合量依存性を、図１７に点線で示す。波長変換帯域が拡大されているものの、帯域内の変換効率の変化が大きいことを示している。

実施例１にかかる非線形光学媒質の構造を、図１６に実線で示す。図１６（ａ）において、分極反転構造の周期は、非線形光学媒質の入射端から出射端に向けて単調に変化させている。図１６（ｂ）において、デューティ比は、入射端から連続的に変化し、かつ増加する。非線形光学媒質の中央部では、一定の割合となり、出射端に向けて連続的に変化し、かつ減少する。このとき、非線形光学媒質の変換効率の位相不整合量依存性を、図１７に実線で示す。実施例１にかかる非線形光学媒質の構造によれば、波長変換効率を低下させることなく、帯域内における変換効率の変動を低減することができる。

実施例１にかかる波長変換素子１０１は、広い帯域を確保しながら、帯域内での変換効率の変動を小さくできるので、波長掃引時の出力変動を小さく抑えることができる。また、第二高調波の出力を一定とするために、光源１０３の駆動電流のフィードバック制御を行う場合に、駆動電流の変動を小さく抑えることができ、安定した動作を実現することができる。

実施例１に用いた波長変換素子１０１の変換効率は３２％／Ｗであり、ＥＤＦＡ１０２により３００ｍＷまで増幅された信号光を、波長変換素子１０１に入力すると、１４ｍＷの変換光が得られる。光源１０３からの出力光の波長を、１５４８ｎｍから１５５４ｎｍまで変化させた場合、７７４ｎｍから７７７ｎｍの第二高調波を安定して出力することができる。実施例１によれば、ＳＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤを用いた広帯域波長変換により、７７５ｎｍ帯における高速な波長掃引が可能となる。

実施例２にかかる波長可変光源は、図１４に示した実施例１の波長可変光源と同じ構成である。実施例２における長さ５０ｍｍの非線形光学媒質１１１は、分極反転構造の周期を入射端から出射端に向けて、周期１８．５μｍから１７．５μｍまで非線形に変化させる。周期の変化は、例えば次式に従う。

ここで、Λ_startは、入射端の周期であり１８．５μｍである。Λ_endは、出射端の周期であり１７．５μｍである。αは、sinの大きさを調整するパラメータで０．０１５とする。ζは、sin関数の周期を表すパラメータでＬと等しい。Ｌは、非線形光学媒質１１１の長さである。このとき、非線形光学媒質の変換効率の位相不整合量依存性を、図１８に点線で示す。

実施例２にかかる非線形光学媒質の構造は、図１６（ｂ）に示した実施例１と同様に、素子端において、デューティ比を変化させる。実施例２における非線形光学媒質の変換効率の位相不整合量依存性を、図１８に実線で示し、実施例１における非線形光学媒質の変換効率の位相不整合量依存性を、図１８に点線で示す。実施例１と比較すると、波長帯域が拡大されているとともに、変換効率の変動が抑えられていることがわかる。

実施例３にかかる波長可変光源は、図１４に示した実施例１の波長可変光源と同じ構成である。実施例３における長さ５０ｍｍの非線形光学媒質１１１は、実施例１と同様に、分極反転構造の周期を入射端から出射端に向けて、周期１８．５μｍから１７．５μｍまで線形に単調減少させている。実施例３においては、デューティ比の変化が異なる。

図１９に示す実施例３−１において、デューティ比は、入射端から連続的に変化し、かつ増加する。非線形光学媒質の中央部では、一定の割合となり、出射端に向けて連続的に変化し、かつ減少する。図２０に、非線形光学媒質の変換効率の位相不整合量依存性を示す。

図２１に示す実施例３−２において、デューティ比は、入射端から連続的に変化し、かつ減少する。非線形光学媒質の中央部では、一定の割合となり、出射端に向けて連続的に変化し、かつ増加する。図２２に、非線形光学媒質の変換効率の位相不整合量依存性を示す。

図２３に示す実施例３−３において、デューティ比は、入射端から連続的に変化し、かつ減少する。非線形光学媒質の中央部では、一定の割合となり、出射端に向けて連続的に変化し、かつ減少する。図２４に、非線形光学媒質の変換効率の位相不整合量依存性を示す。

図２５に示す実施例３−４において、デューティ比は、入射端から連続的に変化し、かつ増加する。非線形光学媒質の中央部では、一定の割合となり、出射端に向けて連続的に変化し、かつ増加する。図２６に、非線形光学媒質の変換効率の位相不整合量依存性を示す。

実施例３のいずれの場合においても、分極反転構造の周期を変化させるだけでなく、デューティ比を変化させることにより、帯域内における変換効率の変動を低減することができる。

実施例４にかかる波長可変光源は、図１４に示した実施例１の波長可変光源と同じ構成である。実施例４における長さ５０ｍｍの非線形光学媒質１１１は、実施例１と同様に、分極反転構造の周期を入射端から出射端に向けて、周期１８．５μｍから１７．５μｍまで線形に単調減少させている。

実施例１〜３では、デューティ比が０または１から始まり、単調に減少または増加させ、デューティ比が０または１で終わる。実施例４においては、デューティ比の変化を０または１以外から開始し、終了する。その間のデューティ比の変化は、図２７に示すように、単調に変化しない。

図２８に、非線形光学媒質の変換効率の位相不整合量依存性を示す。分極反転構造の周期を変化させるだけでなく、デューティ比を変化させることにより、帯域内における変換効率の変動を低減することができる。

実施例５にかかる波長可変光源は、図１４に示した実施例１の波長可変光源と同じ構成である。実施例５における長さ５０ｍｍの非線形光学媒質１１１は、実施例１と同様に、分極反転構造の周期を入射端から出射端に向けて、周期１８．５μｍから１７．５μｍまで線形に単調減少させている。

実施例１〜３では、デューティ比の変化は入射端から始まり、出射端で終わる。実施例５においては、素子端からではなく、素子端からいくらか内側の点からデューティ比を変化させる。その間のデューティ比の変化は、図２９に示す。

図３０に、非線形光学媒質の変換効率の位相不整合量依存性を示す。分極反転構造の周期を変化させるだけでなく、デューティ比を変化させることにより、帯域内における変換効率の変動を低減することができる。

実施例６にかかる波長可変光源は、図１４に示した実施例１の波長可変光源と同じ構成である。実施例６における長さ５０ｍｍの非線形光学媒質１１１は、デューティ比の変化を入射端にのみ設ける。図３１（ａ）に示すように、分極反転構造の周期は、入射端から出射端に向けて、周期１８．８μｍから１７．４μｍまで非線形に変化させる。このとき、非線形光学媒質の変換効率の位相不整合量依存性を、図３２に点線で示す。位相整合曲線の特性は、信号光の波長が短いほど変換効率が増加する特性を有する。例えば、ファイバーアンプの利得特性が、波長を短くすると出力が低下する特性を有しているとする。このファイバーアンプと組み合わせることにより、このような利得特性を補償して、効率的に変換光を取り出すことができる。

実施例６においては、図３１（ｂ）に示すように、デューティ比は、入射端から連続的に変化し、かつ増加する。非線形光学媒質の中央部から出射端までの割合は一定である。このとき、非線形光学媒質の変換効率の位相不整合量依存性を、図３２に実線で示す。実施例６にかかる非線形光学媒質の構造によれば、波長変換効率を低下させることなく、帯域内における変換効率の変動を低減することができる。

図３３に、本発明の実施例７にかかる波長可変光源の構成を示す。波長可変光源は、１．５５μｍ帯で波長可変が可能なＳＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤを用いた光源２０３と、１．６μｍ帯のＤＦＢ−ＬＤを用いた光源２０４とを備えている。光源２０３，２０４の出力光は、光ファイバカプラ２０５で合波され、ＥＤＦＡ２０２に入力される。光源２０３からの出力光のパワーは１ｍＷであり、ＥＤＦＡ２０２により３００ｍＷまで増幅される。ＥＤＦＡ２０２の出力光は、信号光として、非線形光学媒質２１１の導波路波２１２に入力され、和周波波発生により８００ｎｍ帯の変換光２１４に変換される。波長変換素子２０１から出射された信号光と励起光とを、ダイクロイックミラーにより分離すれば、変換光２１４のみを取り出すことができる。非線形光学媒質２１１には、ウエハ接合法（例えば、非特許文献４参照）により作製された基板に、ダイシングによって形成した光導波路２１２が形成されている。

実施例７の非線形光学媒質２１１は、分極反転構造の周期を１９μｍで一定とし、分極が反転する位相を変化させる。図３４に、実施例７にかかる波長変換素子の分極反転構造を示す。長さ５０ｍｍの非線形光学媒質２１１の長さ方向の中心に対して、位相を０から−２０ラジアンまで対称に変化させる。デューティ比は、入射端から連続的に変化し、かつ増加する。非線形光学媒質の中央部では、一定の割合となり、出射端に向けて連続的に変化し、かつ減少する。このとき、非線形光学媒質の変換効率の位相不整合量依存性を、図３５に示す。実施例７にかかる非線形光学媒質の構造によれば、波長変換帯域は１０ｎｍ以上であり、波長変換効率を低下させることなく、帯域内における変換効率の変動を低減することができる。

実施例７に用いた波長変換素子２０１の変換効率は１４０％／Ｗであり、ＥＤＦＡ２０２により３００ｍＷまで増幅された信号光を、波長変換素子２０１に入力すると、３ｍＷの変換光が得られる。光源２０３からの出力光の波長を、１５７４ｎｍから１５８７ｎｍまで変化させた場合、７９８．３ｎｍから８０１．６ｎｍの和周波を安定して出力することができる。実施例７によれば、ＳＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤを用いた広帯域波長変換により８００ｎｍ帯における高速な波長掃引が可能となる。

なお、１．５〜１．６μｍ帯の固定波長半導体レーザと１μｍ帯の波長可変半導体レーザを用いて、波長可変光源を構成することができる。実施例７の構成によれば、高価な１μｍ帯の波長可変半導体レーザに比べて、安価な１．５〜１．６μｍ帯の波長可変半導体レーザが利用できる点で有利である。

図３６に、本発明の実施例８にかかる波長可変光源の構成を示す。波長可変光源は、１．５５μｍ帯で波長可変が可能なＳＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤを用いた光源３０３と、波長１．０６４μｍのＦＰ−ＬＤを用いた光源３０４とを備えている。光源３０３からの出力光のパワーは１ｍＷであり、ＥＤＦＡ２０２により２００ｍＷまで増幅される。光源３０４からの出力光のパワーは１００ｍＷであり、ファイバグレーティング３０６によりシングルモード化され、光ファイバカプラ３０５により、光源３０３からの出力光と合波される。

光ファイバカプラ３０５の出力光は、非線形光学媒質３１１の導波路波３１２に入力され、差周波発生により３４００ｎｍ帯の変換光３１４に変換される。波長変換素子３０１から出射された信号光と励起光とを、ダイクロイックミラーにより分離すれば、変換光３１４のみを取り出すことができる。非線形光学媒質３１１には、ウエハ接合法（例えば、非特許文献４参照）により作製された基板に、ダイシングによって形成した光導波路３１２が形成されている。

比較参考のために、図３７に、周期３０μｍの一定周期で作製した長さ５０ｍｍの波長変換素子の波長変換効率を示す。縦軸は、ピークの波長変換効率を１として、規格化した値を示している。ピーク波長における変換効率は、１６０％／Ｗである。信号光波長における帯域は約７ｎｍとなる。このように、一定の周期で作製した分極反転構造を有する非線形光学媒質は、変換後の帯域が非常に狭いため、信号光波長を可変にすることは困難である。このとき、非線形光学媒質の変換効率の位相不整合量依存性を、図３８に点線で示す。波長変換帯域が拡大されているものの、帯域内の変換効率の変化が大きいことを示している。

実施例１にかかる非線形光学媒質の分極反転構造の周期は、非線形光学媒質の入射端から出射端に向けて、周期３１μｍから２９μｍまで線形に単調減少させる。デューティ比は、入射端から連続的に変化し、かつ増加する。非線形光学媒質の中央部では、一定の割合となり、出射端に向けて連続的に変化し、かつ減少する。このとき、非線形光学媒質の変換効率の位相不整合量依存性を、図３８に実線で示す。実施例８にかかる非線形光学媒質の構造によれば、波長変換効率を低下させることなく、帯域内における変換効率の変動を低減することができる。

実施例８に用いた波長変換素子３０１の変換効率は１０％／Ｗであり、ＥＤＦＡ３０２により２００ｍＷまで増幅された信号光を、波長変換素子３０１に入力すると、１ｍＷの変換光が得られる。光源３０１からの出力光の波長を、１５３４ｎｍから１５６５ｎｍまで変化させた場合、３３２３ｎｍから３４７２ｎｍの差周波を安定して出力することができる。実施例８によれば、ＳＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤを用いた広帯域波長変換により３４００ｎｍ帯における高速な波長掃引が可能となり、ガスの吸収スペクトルの同定や複数ガスの検出などが可能となる。

本実施形態においては、非線形光学媒質として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次非線形材料を用いることができる。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ができる。

また、本実施形態においては、高い波長変換効率が得られるように、非線形光学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成を示したが、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場合には、バルク型の構造としてもよい。

従来の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す図である。 非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 線形チャープさせた非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 チャープ量さらに増加させた場合の変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる非線形光学媒質の構成を示す図である。 分極反転構造におけるデューティ比の変化を示す図である。 非線形光学媒質の分極反転構造の構成を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 反転領域と非反転領域の割合が変化する領域の大きさを変えたときの変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 反転領域と非反転領域の割合が変化する領域の大きさを変えたときの変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 反転領域と非反転領域の割合が変化する領域の大きさを変えたときの変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 反転領域と非反転領域の割合が変化する領域の大きさを変えたときの変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 反転領域と非反転領域の割合が変化する領域の大きさを変えたときの変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 本発明の実施例１にかかる波長可変光源の構成を示す図である。 周期１８μｍの一定周期で作製した長さ５０ｍｍの非線形光学媒質の波長変換効率を示す図である。 実施例１にかかる非線形光学媒質の分極反転構造の構成を示す図である。 実施例１にかかる非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 実施例２にかかる非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 実施例３−１にかかる分極反転構造におけるデューティ比の変化を示す図である。 実施例３−１にかかる非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 実施例３−２にかかる分極反転構造におけるデューティ比の変化を示す図である。 実施例３−２にかかる非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 実施例３−３にかかる分極反転構造におけるデューティ比の変化を示す図である。 実施例３−３にかかる非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 実施例３−４にかかる分極反転構造におけるデューティ比の変化を示す図である。 実施例３−４にかかる非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 実施例４にかかる分極反転構造におけるデューティ比の変化を示す図である。 実施例４にかかる非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 実施例５にかかる分極反転構造におけるデューティ比の変化を示す図である。 実施例５にかかる非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 実施例６にかかる非線形光学媒質の分極反転構造の構成を示す図である。 実施例６にかかる非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 本発明の実施例７にかかる波長可変光源の構成を示す図である。 実施例７にかかる非線形光学媒質の分極反転構造の構成を示す図である。 実施例７にかかる非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。 本発明の実施例８にかかる波長可変光源の構成を示す図である。 周期１８μｍの一定周期で作製した長さ５０ｍｍの非線形光学媒質の波長変換効率を示す図である。 実施例８にかかる非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。

符号の説明

１０ 合波器
１１，４１，１１１，２１１，３１１ 非線形光学媒質
１２，４２，１１２，２１２，３１２ 光導波路
１３，４３，１１３ 信号光
１４，４４，１１４，２１４，３１４ 変換光
１５ 励起光
１６ 分波器
１０１，２０１，３０１ 波長変換素子
１０２，２０２，３０２ ＥＤＦＡ
１０３，２０３，２０４，３０３，３０４ 光源
２０５，３０５ 光ファイバカプラ
３０６ ファイバグレーティング

Claims (6)

1. 分極反転構造を有する非線形光学媒質において、
   光の伝播方向に前記分極反転構造の周期が、連続的に変化し、かつ、
   前記周期ごとの反転領域と非反転領域の割合が、少なくとも前記非線形光学媒質の光の伝播方向の一部において、連続的に変化している
   ことを特徴とする非線形光学媒質。
2. 分極反転構造を有する非線形光学媒質において、
   光の伝播方向に前記分極反転構造の周期が一定であり、分極の反転する位相が連続的に変化し、かつ、
   前記周期ごとの反転領域と非反転領域の割合が、少なくとも前記非線形光学媒質の光の伝播方向の一部において、連続的に変化している
   ことを特徴とする非線形光学媒質。
3. 前記反転領域と非反転領域の割合は、少なくとも前記非線形光学媒質の光の伝播方向の一部において、増加または減少していることを特徴とする請求項１または２に記載の非線形光学媒質。
4. 前記反転領域と非反転領域の割合は、少なくとも前記非線形光学媒質の入射端と出射端のいずれかにおいて、増加または減少していることを特徴とする請求項１、２または３に記載の非線形光学媒質。
5. 出力光の波長を可変することができる光源と、
   前記出力光が入射され、第二高調波発生により変換光を出射する、請求項１ないし４のいずれかに記載の非線形光学媒質と
   を備えたことを特徴とする波長変換装置。
6. 出力する信号光の波長を可変することができる第１の光源と、
   励起光を出力する第２の光源と、
   差周波波発生と和周波発生のいずれかにより変換光を出射する、請求項１ないし４のいずれかに記載の非線形光学媒質と、
   前記信号光と前記励起光とを合波して、前記非線形光学媒質に入射させる合波器と
   を備えたことを特徴とする波長変換装置。
   

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