JP2010256502A

JP2010256502A - 波長分離導波路及びそれを用いた波長変換素子

Info

Publication number: JP2010256502A
Application number: JP2009104574A
Authority: JP
Inventors: Katsutoshi Kondo; 勝利近藤
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2010-11-11

Abstract

【課題】同一光導波路中に複数の波長が伝搬している場合に、空間系や複雑な設計の光フィルタを用いることなく、安定な波長分離機能を実現可能な波長分離導波路及びそれを用いた波長変換素子を提供する。
【解決手段】光導波路を用いた波長分離導波路であって、少なくとも２以上の異なる波長の光が入射するマルチモード導波路部１と、該マルチモード導波路部の出射部には、シングルモード導波路部２と、該シングルモード導波路部の両側に該シングルモード導波路部よりも狭い幅の副導波路部３が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は波長分離導波路及びそれを用いた波長変換素子に関し、特に、複数の異なる波長が混在する光波から波長毎の光波を、光導波路を用いて分離することが可能な波長分離導波路及びそれを用いた波長変換素子に関する。

光通信分野においては、高密度波長分割多重方式や波長変換デバイス等で行われているように、導波路中に複数の波長を導波させることが行われている。このように導波路中に複数の波長を伝搬させる装置においては、複数の波長を波長ごとに分離する必要があり波長フィルタを使用する場面が多い。

このため、波長フィルタを波長変化素子などのデバイス中に形成する方法が、考案されている。例えば、非特許文献１には、非対称Ｙ分岐導波路を付加して波長を分離する方法が記載されている。しかし、非対称Ｙ分岐導波路を形成し、安定した波長分離を行うことは容易ではない。

波長変換素子としては、特許文献１記載のような構造の非線形光学結晶を用いたものがよく知られている。このような非線形光学結晶としては、光透過性の強誘電体基板（ＬｉＮｂＯ_３等）に、Ｔｉ拡散等のド−ピングによって位相を反転させるための周期的な分極反転層を設け、さらに、各分極反転層と交差させて、３次元光導波路がプロトン交換等のドーピングにより形成され、基本波を光導波路の一端面から他端面まで導波させることで、波長変換光を光導波路中に励起させるように構成されている。

このように発生した波長変換光を利用するためには、導波路から波長変換光のみを抽出する必要があり、例えば特許文献２においては伝搬されている光の光路上にビームスプリッタを設ける構造、また特許文献３においては、複数の波長が伝搬されている光路上に吸収フィルタを用いて励起光を吸収させる構成を開示している。

しかし、特許文献２で記載の光フィルタを用いる方法は、空間系で光学系を構成するため、組立・調整が煩雑でありまた装置が大きくなるなどの問題がある。また、特許文献３のように、吸収フィルタを用いる構成では、異なる波長の光波を吸収させる吸収部にて熱を発生するなどの問題がある。また、非特許文献１に開示されている非対称Ｙ分岐導波路を用いた構成では、安定した波長分離機構をデバイス中に形成することは容易ではなく、歩留まりが悪いなどの問題がある。

特開２００２−３７２７３１号公報特開２００１−１２５１５９号公報特開平６−１７５１８０号公報

Optics Letters Vol.31 No.6 pp799(2006)

本発明は、上述した問題を解消し、同一光導波路中に複数の波長が伝搬している場合に、空間系や複雑な設計の光フィルタを用いることなく、安定な波長分離機能を実現可能な波長分離導波路及びそれを用いた波長変換素子を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、光導波路を用いた波長分離導波路であって、少なくとも２以上の異なる波長の光が入射するマルチモード導波路部と、該マルチモード導波路部の出射部には、シングルモード導波路部と、該シングルモード導波路部の両側に該シングルモード導波路部よりも狭い幅の副導波路部が形成されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の波長分離導波路において、該マルチモード導波路部の入射部には、２つの入力導波路部が形成されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の波長分離導波路を用いた波長変換素子において、該波長分離導波路を波長変換部で発生した異なる波長の光波を分離するために用いることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の波長変換素子において、該波長変換部は、該波長分離導波路のマルチモード導波路部の少なくとも一部を含み、該マルチモード導波路部に分極反転部を形成することを特徴とする。

請求項１に係る発明により、光導波路を用いた波長分離導波路であって、少なくとも２以上の異なる波長の光が入射するマルチモード導波路部と、該マルチモード導波路部の出射部には、シングルモード導波路部と、該シングルモード導波路部の両側に該シングルモード導波路部よりも狭い幅の副導波路部が形成されているため、波長変換光（シグナル光）などの基本モード光はシングルモード導波路部に伝搬され、それ以外の励起光（ポンプ光）やアイドラー光などの第一励起モード光（高次モード光）は副導波路部に伝搬され、異なる波長の光を分離し、容易かつ効率良く基本モード光を取り出すことができる。

請求項２に係る発明により、マルチモード導波路部の入射部には、２つの入力導波路部が形成されているため、マルチモード導波路部に複数の異なる波長の光波を導入することができるだけでなく、２つの光波の干渉により基本モード光と第一励起モード光（高次モード光）を発生させることも可能である。さらに、励起光の導入に利用することで、励起光に係るオン・オフを制御することで、基本モード光と第一励起モード光を切り替えて出力でき、取り出される波長変換光のオン・オフ変調も可能となる。

請求項３に係る発明により、波長分離導波路を波長変換部で発生した異なる波長の光波を分離するために用いるため、波長変換部で発生した波長変換光（シグナル光）をシングルモード導波路部から取り出し、励起光やアイドラー光を副導波路部から取り出すことができ、容易かつ効率的に波長変換光を出力することができる。

請求項４に係る発明により、波長変換部は、波長分離導波路のマルチモード導波路部の少なくとも一部を含み、該マルチモード導波路部に分極反転部を形成するため、マルチモード導波路部の一部が波長変換部となるため、波長変換素子をより小型化すると共に、波長変換光を効率良く分離出力することも可能となる。

本発明に係る波長分離導波路の構成を説明する図である。本発明の波長分離導波路に２つの入力導波路部を接続した例を示す図である。本発明に係る波長変換素子の構成を説明する図である。本発明の波長分離導波路に関する試験体を説明する図である。図４の試験体における一点鎖線Ａ−Ａ及びＢ−Ｂにおける伝搬光波の状態を示す断面図である。

本発明の波長分離導波路及びそれを用いた波長変換素子について、以下に詳細に説明する。
本発明の波長分離導波路は、図１に示すように光導波路（１〜３）を用いた波長分離導波路であって、少なくとも２以上の異なる波長の光（ａ，ｂ）が入射するマルチモード導波路部１と、該マルチモード導波路部の出射部には、シングルモード導波路部２と、該シングルモード導波路部の両側に該シングルモード導波路部よりも狭い幅の副導波路部３が形成されていることを特徴とする。

このような構成により、波長変換光（シグナル光）などの基本モード光ａはシングルモード導波路部２に伝搬され、それ以外の励起光（ポンプ光）やアイドラー光などの第一励起モード光（高次モード光）ｂは副導波路部３に伝搬され、異なる波長の光を分離し、容易かつ効率良く基本モード光ａを取り出すことができる。

本発明の波長分離導波路は、誘電体基板に光導波路を形成することで容易に製造可能であり、例えば、誘電体基板にＬｉＮｂＯ_３などの電気光学効果を有する基板を利用する際には、Ｔｉなどの熱拡散法やプロトン交換法などで誘電体基板上に光導波路を形成する方法や、エッチングを利用しリッジ型の光導波路を形成する方法など、種々の方法が利用できる。

図２は、本発明の波長分離導波路に２つの入力導波路部４を接続した例を示している。マルチモード導波路部は光導波路１の領域Ｍの範囲であり、通常、マルチモード導波路の幅Ｗ１は、シングルモード導波路部２の幅Ｗ２より大きい。また、本発明の特徴である、波長分離導波路を構成する副導波路部３の幅Ｗ３は、シングルモード導波路部２の幅Ｗ２より狭く構成されている。

図２の入力導波路部４には、用途に応じて任意の光波を導入することができる。そして、導入された光波が互いに干渉など相互作用を行い、マルチモード導波路部１を伝搬する。例えば、入力導波路部４に同じ波長で位相差の異なる２つのコヒーレント光を導入すると、２つの光波の干渉により、両者の位相差に関係して基本モード光と第一励起モード光（高次モード光）が発し、基本モード光をシングルモード導波路部２に、第一励起モード光を副導波路部３に分離導出することが可能となる。さらに、入力導波路部４を、励起光の導入に利用することで、励起光に係るオン・オフを制御することで、基本モード光と第一励起モード光を切り替えて出力でき、シングルモード導波路部２から取り出される波長変換光のオン・オフ変調も可能となる。

次に、図３に示すように、本発明の波長分離導波路を利用した波長変換素子の例を説明する。図３では、マルチモード導波路部（領域Ｍ）に、波長変換部（領域Ｃ）を組み込み、その後段にある波長分離導波路で、波長変換部で発生した異なる波長の光波を分離している。波長変換部（領域Ｃ）には、複数の分極反転部６が所定間隔及び所定幅で形成されている。

図３の波長変換素子では、入力導波路部４，５から励起光αを導入し、波長変換部（領域Ｃ）の分極反転部を通過することにより、波長変換光（シグナル光）γや波長変換光（アイドラー光）βが形成される。波長変換素子の出力側では、シングルモード導波路部２からは基本モード光である波長変換光γが出射され、副導波路部３からは、励起光αやアイドラー光βが取り出される。

このように、波長変換部（領域Ｃ）を、波長分離導波路のマルチモード導波路部（領域Ｍ）の少なくとも一部に分極反転部６として組み込むことで、波長変換素子をより小型化すると共に、波長変換光を効率良く分離出力することが可能となる。

次に、本発明の波長分離導波路の波長分離機能が有効に作用していることを確認するため、図４に示すような試験体で試験を行った。
図４は、Ｚカット型ＬｉＮｂＯ_３ウェハを３μｍまで研磨した薄板状のウェハ基板であり、該基板上に、波長分離導波路として、マルチモード導波路部１、シングルモード導波路部２及び副導波路部３を形成している。

マルチモード導波路部の幅は５μｍ、シングルモード導波路部の幅は３μｍ、副導波路部の幅は１μｍとした。また、波長分離導波路に入力する入力導波路部４として、マッハツェンダー型導波路の分岐導波路を利用した。マッハツェンダー型導波路は、導波路７を２つの分岐導波路４に分け、波長分離導波路を構成するマルチモード導波路部１の入力側で合波している。分岐導波路には、伝搬する光波の位相を制御するため、変調電極７１，７２が形成されている。入力導波路部である分岐導波路４の幅は、３μｍとした。また、光導波路４の上にはＳｉＯ_２膜を成膜後、変調電極７１，７２を形成している。

図４に示す試験体に、２つの入力光波（波長７８０ｎｍと波長１５５０ｎｍ）をそれぞれ入射した場合について、基本モード光発生条件（マッハツェンダー型導波路の合波部で位相差が０）及び第一励起モード光発生条件（マッハツェンダー型導波路の合波部での位相差がπ）での各導波路部を伝搬する光波の状態を調べた。

図５は、図４の試験体を、一点鎖線Ａ−Ａ（マルチモード導波路部）と、一点鎖線Ｂ−Ｂ（シングルモード導波路部及び副導波路部）で切断した際の断面における光波の状態を示す図（写真）である。

図５の結果から、本発明の波長分離導波路が、基本モード光と第一励起モード光とを適切に分離して取り出すことができることが確認できる。

以上説明したように、本発明によれば、同一光導波路中に複数の波長が伝搬している場合に、空間系や複雑な設計の光フィルタを用いることなく、安定な波長分離機能を実現可能な波長分離導波路及びそれを用いた波長変換素子を提供することが可能となる。

１マルチモード導波路部
２シングルモード導波路部
３副導波路部
４，５入力導波路部

Claims

光導波路を用いた波長分離導波路であって、
少なくとも２以上の異なる波長の光が入射するマルチモード導波路部と、
該マルチモード導波路部の出射部には、シングルモード導波路部と、該シングルモード導波路部の両側に該シングルモード導波路部よりも狭い幅の副導波路部が形成されていることを特徴とする波長分離導波路。
請求項１に記載の波長分離導波路において、該マルチモード導波路部の入射部には、２つの入力導波路部が形成されていることを特徴とする波長分離導波路。
請求項１又は２に記載の波長分離導波路を用いた波長変換素子において、該波長分離導波路を波長変換部で発生した異なる波長の光波を分離するために用いることを特徴とする波長変換素子。
請求項３に記載の波長変換素子において、該波長変換部は、該波長分離導波路のマルチモード導波路部の少なくとも一部を含み、該マルチモード導波路部に分極反転部を形成することを特徴とする波長変換素子。