JP2011257559A

JP2011257559A - 波長変換素子

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Publication number: JP2011257559A
Application number: JP2010131396A
Authority: JP
Inventors: Isao Tomita; 勲富田; Takeshi Umeki; 毅伺梅木; Osamu Tadanaga; 修忠永; Katsuaki Magari; 克明曲; Hongbin Song; 紅彬宋; Masaki Asobe; 雅生遊部
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2011-12-22

Abstract

【課題】本発明は、高効率な第三高調波を発生できる波長変換素子を提供する。
【解決手段】光の入射により第二高調波を発生し、入射光と第二高調波の和周波発生により第三高調波を発生する波長変換素子であって、周期分極反転構造を有する二次非線形光学媒質からなる導波路部であって、入射光を第二高調波に変換する第二高調波発生部と、入射光と第二高調波とを合波して第三高調波に変換する和周波発生部と、第二高調波の屈折率を変化させるための位相変調部とを有する、導波路部と、導波路部の入力端に設けられ、第二高調波を反射する第１の反射部と、導波路部の出力端に設けられ、第二高調波を反射する第２の反射部とを備え、位相調整部は、第１の反射部によって反射された第二高調波の位相と第二高調波発生部で発生する第二高調波の位相とを整合させる波長変換素子である。
【選択図】図２

Description

本発明は、波長変換素子に関し、より詳細には、精密光周波数計測等で使用される波長変換素子に関する。

等しい周波数間隔の離散的なスペクトルを有する光は、光コム（ＯｐｔｉｃａｌＣｏｍｂ）と呼ばれている。この光コムを利用した周波数の基準となる光源の研究開発は、近年活発に行われてきており、原子・分子等のスペクトル線の精密測定、及び光通信での波長多重分割通信等に応用されつつある。特に、非特許文献１に示されるように、光コム技術の原子・分子等のスペクトル線の精密測定への応用に対しては、２００５年にノーベル物理学賞が与えられ、世界に注目されている。また、光通信での波長多重分割通信に関しても、我々の利用するブロードバンド光通信で活用できるので、研究の価値は大きい。

次に、従来の光コム技術について、詳しく説明する。光コムを生成する方法としては、例えばモード同期レーザ素子を用いて光コムを生成する方法がある。モード同期レーザ素子を用いる場合、正確なタイミングで光パルスを繰り返し発生できるので、スペクトルは元々等しい間隔の離散スペクトルになっている。このことは、時間領域と周波数領域のフーリエ変換との関係を考えると容易に理解できる。すなわち、光パルスの時間領域での繰り返し時間がＴである場合、周波数領域での離散スペクトルの間隔は１／Ｔとなり、光パルス幅がτである場合、スペクトル拡がりがτの逆数の１／τとなる。ここで、周波数は、振動数（単位：Ｈｚ）として定義しているが、角振動数（単位：ｒａｄ／ｓ）として定義する場合には、振動数に係数２πを付け加えて、振動数１／Ｔは角振動数２π／Ｔとなり、振動数１／τは角振動数２π／τとなる。

しかしながら、モード同期レーザ素子を用いて光コムを生成する方法では、特に、広く使用されている半導体モード同期レーザ素子の場合には、上記のＴ及びτに制約があり、スペクトル幅は狭いため、利用できる光コムは数本程度である。

また、光コムを生成する他の方法としては、非特許文献２に示されるように、キャビティに挿入されたＬｉＮｂＯ₃等の電気光学結晶に単一波長のレーザを入射させ、マイクロ波発振器等で電界を印加し、マイクロ波の周波数と同じ間隔で入射した単一波長の光の近傍にサイドモードを発生させ、これをキャビティ内で繰り返し行うことによって光コムを生成する方法も挙げられる。非特許文献２で示される方法においても、出射光はパルス化され、パルス幅の逆数が光コムのスペクトル拡がりとなるが、スペクトル拡がりはやはり狭い。

そこで、特許文献１及び非特許文献３に示されるように、光コムを光増幅器または光パルス圧縮ファイバに通過させ、光のピークパワーを増大し、ホーリーファイバ等の高非線形性を有する光ファイバに入射させて、光カー効果の自己位相変調により、光コムのスペクトルの拡大化を実現する方法（スーパーコンティニウム発生）が提案されている。特許文献１及び非特許文献３に示される方法を用いると、１オクターブ程度のスペクトル拡大が可能となっている。このスペクトル拡大は、光コムという「周波数の物差し」の目盛りを増やすことに相当する。

次に、光コムを周波数の基準光として利用する上で最も重要な点として、オフセット周波数と呼ばれる周波数の基準値ｆ₀を決める操作がある。オフセット周波数ｆ₀を決める操作が重要である理由を、図１を参照して説明する。

図１は、光コムの各周波数の名称及び定義を説明するための図である。図１に示されるように、光コムの離散スペクトルの間隔は、光パルスの繰り返し周波数ｆ_repに等しく、既知である。スペクトル線の周波数ｆは、ｆ＝ｆ₀＋ｎｆ_repと表されるが、オフセット周波数ｆ₀が未定であるために未知である。但し、ｆ₀の大きさに関しては、０≦ｆ₀＜ｆ_repという制限が存在する。すなわち、オフセット周波数ｆ₀は、スペクトル線の周波数ｆを求めるために非常に重要である。

このオフセット周波数ｆ₀を決定し、光コムという「周波数の物差し」に絶対的な周波数の目盛りを割り当てるため、自己参照法という方法を用いる。自己参照法について以下に説明する。

特許文献２及び非特許文献４に示されるように、自己参照法では、スペクトル拡大された光コムの長波長側のスペクトルの一部をバンドパスフィルタ等を用いて取り出し、取り出したスペクトルの一部を二次非線形光学材料に通過させて第二高調波を発生させる。この第二高調波を、バンドパスフィルタ等によってフィルタリングされた短波長側の光コムと干渉させてビート光を生成する。このビート光の最低次の周波数成分をフィルタで取り出して測定すると、このビート光の最低次の周波数成分がｆ₀となっている。

また、特許文献３に示されるように、自己参照法を実施する際には、高次の高調波を干渉させてもよい。例えば、光コムの長波長側でのスペクトルの一部をバンドパスフィルタ等を用いて取り出し、取り出したスペクトルの一部を三次非線形光学材料に通過させ、第三高調波を発生させる。また、光コムの短波長側でのスペクトルの一部を同様にバンドパスフィルタ等で取り出して二次非線形光学材料に通過させ、第二高調波を発生させる。発生した第三高調波と第二高調波とを干渉させてビート光を発生させ、最低次の周波数成分をフィルタで取り出すと、これがやはりｆ₀となっている。

第三高調波を発生させる方法としては、非特許文献５に示されるように、シリコン等の三次非線形光学材料に光を照射して発生させる方法がある。第三高調波を発生させる他の方法としては、非特許文献６に示されるように、二次非線形光学材料に光を入射して第二高調波発生を行い、発生した第二高調波を入射光とともに二次非線形光学材料に入射させて和周波発生を行い、第三高調波を発生させる方法がある。

特開平８−０２９８１５号公報特開２００９−１１６２４２号公報特開２００７−００３５１１号公報

J. Hall and T. Hansch, ‘‘For their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique’’, Nobel Prize in Physics, 2005. http://nobelprize.org M. Kourogi, K. Nakagawa, and M. Ohtsu, ‘‘Wide-span optical frequency comb generator for accurate optical frequency difference measurement’’, IEEE J. Quantum Electron. 29, p.2693 (1993). T. Morioka, K. Mori, and M. Saruwatari, ‘‘More than 100-wavelength-channel picosecond optical pulse generation from single laser source using supercontinuum in optical fibres’’, Electron. Lett. 29, p.862 (1993). R. Holzwarth, Th. Udem, T. W. Hansch, J. C. Knight, W. J. Wadsworth, and P. St. J. Russell, ‘‘Optical frequency synthesizer for precision spectroscopy’’, Phys. Rev. Lett. 85, p.2264 (2000). M. Mehendale, S. A. Mitchell, J.-P. Likforman, D. M. Villeneuve, and P. B. Corkum, ‘‘Method for single-shot measurement of the carrier envelope phase of a few-cycle laser pulse’’, Opt. Lett. 25, p.1672 (2000). K. Kintaka K, M. Fujimura T. Suhara, and H. Nishihara, ‘‘Third harmonic generation of Nd:YAG laser light in periodically poled LiNbO３ waveguide’’, Electron. Lett., 33, p.1459 (1997). M. Fujimura, M. Sudoh, K. Kintaka, T. Suhara, and H. Nishihara, ‘‘Enhancement of SHG efficiency in periodically poled ＬｉＮｂＯ３ waveguide utilising a resonance effect’’, Electron. Lett., 32, p.1283 (1996).

非特許文献６で示される方法は、非特許文献５で示される方法よりも第三高調波の発生効率は大きいが、実用的な観点からすると、その発生効率はまだ小さい。そこで、本発明は、特に非特許文献６で示される方法に関して、以下に述べるような共振構造を設けることにより、高効率な第三高調波を発生できる波長変換素子を提供することを目的とする。

上記のような問題を解決するために、請求項１に記載の発明によれば、光の入射により第二高調波を発生し、入射光と第二高調波の和周波発生により第三高調波を発生する波長変換素子であって、周期分極反転構造を有する二次非線形光学媒質からなる導波路部であって、入射光を第二高調波に変換する第二高調波発生部と、入射光と第二高調波とを合波して第三高調波に変換する和周波発生部と、第二高調波の屈折率を変化させるための位相変調部とを有する、導波路部と、前記導波路部の入力端に設けられ、第二高調波を反射する第１の反射部と、前記導波路部の出力端に設けられ、第二高調波を反射する第２の反射部とを備え、前記位相調整部は、前記第１の反射部によって反射された第二高調波の位相と前記第二高調波発生部で発生する第二高調波の位相とを整合させることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載されている波長変換素子において、前記導波路部は、それぞれ屈折率が異なる２枚の二次非線形光学材料基板で構成され、前記２枚の二次非線形光学材料基板は、基板直接接合法で接合され、前記２枚の二次非線形光学材料基板のうち、屈折率の高い方の基板は、ダイシングまたはエッチングにより加工された導波路であることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載されている波長変換素子において、前記第１の反射部及び前記第２の反射部は、誘電体多層膜により形成されているか、あるいはブラッグ反射器により形成されていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項２に記載されている波長変換素子において、前記２枚の二次非線形光学材料基板は、ＬｉＮｂＯ₃、あるいは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を添加物として含有したＬｉＮｂＯ₃で構成され、前記２枚の二次非線形光学材料基板のうち、屈折率の高い方の基板は周期分極反転構造を有する基板であることを特徴とする。

さらに、請求項５に記載の発明は、請求項２に記載されている波長変換素子において、前記２枚の二次非線形光学材料基板のうち、屈折率の高い方の基板は、ＬｉＮｂＯ₃、あるいは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を添加物として含有するＬｉＮｂＯ₃で構成される周期分極反転構造を有する基板であり、屈折率の低い方の基板は、ＬｉＴａＯ₃で構成されることを特徴とする。

本発明によれば、二次非線形光学媒質を備え、これに光を入射させて第二高調波を発生し、さらに入射光と第二高調波との和周波発生を二次非線形媒質内で行い、第三高調波を発生させることができる導波路形状の周期分極反転構造を有する波長変換素子において、導波路の入力端及び出力端に第二高調波を反射する反射部を備えることにより、第二高調波に対する共振器を形成し、さらに電気光学効果で共振器内の屈折率を変化させて第二高調波の位相整合条件を調整し、第二高調波のパワーを増大することができる。これにより、第三高調波の出力も増大させるという効果を奏する。さらに、導波路は、基板直接接合法で接合した基板をダイシングまたはエッチングで加工して作製するため、導波路内に閉じ込められた高パワーの第二高調波に対して、光損傷耐性が高いという効果を奏する。

光コムの各周波数の名称及び定義を説明するための図である。本発明の実施例１に係る波長変換素子の構成を示す図であり、図２（ａ）は上面図を示し、図２（ｂ）は側面図を示し、図２（ｃ）は正面図を示す。本発明の実施例１に係る波長変換素子の出力特性の解析方法を説明するための図である。本発明の実施例１に係る波長変換素子の出力特性及び従来の波長変換素子の出力特性の解析結果を示す図である。本発明の実施例１に係る波長変換素子の出力増大率の解析結果を示す図である。本発明の実施例２に係る波長変換素子の構成を示す図であり、図６（ａ）は上面図を示し、図６（ｂ）は側面図を示し、図６（ｃ）は正面図を示す。本発明の波長変換素子を用いてオフセット周波数を測定するための実験系の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図を参照して説明する。

図２は、本発明の実施例１に係る波長変換素子を示す。図２（ａ）は、本発明の実施例１に係る波長変換素子の上面図を示し、図２（ｂ）は、本発明の実施例１に係る波長変換素子の側面図を示し、図２（ｃ）は、本発明の実施例１に係る波長変換素子の正面図を示す。図２に示されるように、本発明の実施例１に係る波長変換素子は、第二高調波発生部３０と和周波発生部４０とを有する導波路部１０と、基板部２０と、電極６０を有する位相調節部５０と、誘電体多層膜７０及び誘電体多層膜８０と、誘電体スパッタ膜９０とで構成される。

導波路部１０は、ＬｉＮｂＯ₃にＺｎをドープしたＺｎ−ＬｉＮｂＯ₃で作製されており、幾つかの周期の異なる周期分極反転構造を有している。基板部２０は、導波路部１０への光閉じ込めのため、導波路部１０よりも屈折率が小さくなるように、ＬｉＮｂＯ₃にＭｇをドープしたＭｇ−ＬｉＮｂＯ₃基板で作製されている。

導波路部１０及び基板部２０の材料の組み合わせとしては、ＬｉＮｂＯ₃、及びＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を添加物として含有したＬｉＮｂＯ₃、あるいはＬｉＴａＯ₃を使用し、導波路部１０の屈折率が、基板部２０の屈折率よりも大きくなるように選択されているものとする。

ここで、ＬｉＮｂＯ₃のような強誘電体結晶では、二次非線形光学定数の正負は自発分極の極性に対応している。そこで、自発分極を反転することにより二次非線形光学定数の符号を周期的に反転することができる。以下、二次非線形光学定数の符号が周期的に反転されている構成を有する構造を周期分極反転構造と呼ぶ。

導波路部１０の第二高調波発生部３０では、入射した波長λ₁の入射光が、第二高調波発生部３０で発生する波長λ₂の第二高調波と擬似位相整合するように、第二高調波発生部３０における周期分極反転構造の周期Λ₀が、

の関係を満たすように設定されている。ここで、ｎ₁は波長λ₁に対する導波路部１０の屈折率であり、ｎ₂は波長λ₂に対する導波路部１０の屈折率である。

導波路部１０の和周波発生部４０では、第二高調波発生部３０で発生した第二高調波と第二高調波発生部３０を透過した入射光とが和周波発生を行い、波長λ₃の和周波光が発生する。発生した波長λ₃の和周波光に対して、入射光及び第二高調波が擬似位相整合するように、和周波発生部４０における周期分極反転構造の周期Λ₁が、

の関係を満たすように設定されている。ここで、ｎ₃は波長λ₃に対する導波路部１０の屈折率である。

ｃを光の速度とし、入射光の周波数をＦ＝ｃ／λ₁とすると、入射光は第二高調波発生部３０で二倍の周波数２Ｆ＝ｃ／λ₂の第二高調波に変換され、和周波発生部４０で三倍の周波数３Ｆ＝ｃ／λ₃の和周波光に変換される。その結果、導波路部１０から第三高調波が出力される。

本発明では、この第三高調波の出力を増大させるために、第二高調波を反射する誘電体多層膜７０を導波路部１０の入力端に設け、第二高調波を反射する誘電体多層膜８０を導波路部１０の出力端に設け、さらに導波路部１０に光の屈折率を変化させる位相調節部５０を設けた。

ここで、導波路部１０の入力端とは、導波路部１０において、入射光を入力する部位を示し、導波路部１０の出力端とは、導波路部１０において、第三高調波を出力する部位を示す。すなわち、導波路部１０の入力端と出力端との間には、第二高調波発生部３０と、和周波発生部４０と、位相調節部５０とが配置されている。また、誘電体多層膜７０、８０は、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂等で構成される。

本発明の波長変換素子において、入射光は、第二高調波発生部３０によって第二高調波に変換される。第二高調波発生部３０において発生した第二高調波は、和周波発生部４０に入射し、第二高調波発生部３０を透過して変換されずに残留した入射光は、和周波発生部４０に入射する。ここで、入射光パワーは十分に大きいものとして、以下では、その光損失を無視するものとする。和周波発生部４０に入射した第二高調波及び和周波発生部４０に入射した入射光は、互いに合波されて第三高調波に変換され、和周波発生部４０を透過する。和周波発生部４０で発生した第三高調波及び和周波発生部４０を透過した入射光は、誘電体多層膜８０を通過する。入射光と合波後に残留し、和周波発生部４０を透過した第二高調波は位相調整部５０により位相調整されて、位相調整された第二高調波は誘電体多層膜８０によって反射される。位相調整部５０による位相調整に関しては、後述する。誘電体多層膜８０によって反射された第二高調波は、導波路部１０を介して誘電体多層膜７０に入射してさらに反射されて、第二高調波発生部３０に入射する。ここで、誘電体多層膜７０によって反射されて第二高調波発生部３０に入射した第二高調波は、前述したように位相調整部５０によって位相調整されており、第二高調波発生部３０で入射光が新たに変換されて発生した第二高調波の位相と擬似位相整合されている。誘電体多層膜７０によって反射されて第二高調波発生部３０に入射した第二高調波と、第二高調波発生部３０で入射光が新たに変換されて発生した第二高調波と、第二高調波発生部３０を透過した入射光は、和周波発生部４０に入射する。第二高調波発生部３０で入射光が新たに変換されて発生した第二高調波及び誘電体多層膜７０によって反射されて和周波発生部４０に入射した第二高調波は、和周波発生部４０において、第二高調波発生部３０を透過した入射光と合波されて第三高調波に変換されて誘電体多層膜８０を透過して出力され、合波後に残留する第二高調波は、和周波発生部４０及び位相調整部５０を通過して誘電体多層膜８０によって反射される。この合波後に残留する和周波発生部４０を透過した第二高調波は、和周波発生部４０にて入射光と合波されて第三高調波に変換されるまで、誘電体多層膜７０、８０による反射が繰り返される。

本構成を利用して、誘電体多層膜７０、８０によって第二高調波と入射光とを多数回合波させ、誘電体多層膜７０に反射された第二高調波と、第二高調波発生部３０で入射光が新たに変換されて発生した第二高調波とを位相調節部５０によって擬似位相整合させることにより、第三高調波の出力を増大させる。

誘電体多層膜７０、８０は、和周波発生部４０で入射光と合波されずに残留した第二高調波を反射することにより、第二高調波を導波路部１０内に多数回往復させて、第二高調波と入射光とを多数回合波させることを可能にする。第二高調波と入射光とを多数回合波させることにより、和周波発生部４０において第三高調波を高効率で発生させることができる。

位相調節部５０は、導波路部１０に電界を印加して電気光学効果により光の屈折率を変化させる。具体的には、位相調節部５０は、和周波発生部４０を通過した第二高調波が誘電体多層膜７０で反射され、誘電体多層膜７０で反射された第二高調波が誘電体多層膜８０でさらに反射されて第二高調波発生部３０に再度入射する際、ここで新たに発生する第二高調波の位相と誘電体多層膜８０によって反射された第二高調波の位相とが一致するように、残留した第二高調波に屈折率変化を与えて位相調節を行う。これにより、第二高調波の共振条件を保持しつつ、その光パワーを増大させることができる。

以下、本発明の波長変換素子において、特に位相調節部５０及び誘電体多層膜７０、８０によって実現されるような、第二高調波の共振条件を保持しつつ、その光パワーを増大させることができる構造を共振構造と呼ぶ。

なお、位相調節部５０が設けられる部位には、電界を印加するための金属性の電極６０を導波路上とその近傍の素子表面に作製する必要があるが、導波路部１０に金属電極を直接接触させると大きな光損失が生じるため、導波路上にＳｉＯ₂等から成る誘電体スパッタ膜９０を作製後、電極６０を作製した。

上記のような本発明の波長変換素子の構成により、入射光パワーが同じであっても出力が増大するため、出力効率が改善されたとも言える。ここで重要なことは、第三高調波のみが最終的に必要な出力であるため、第二高調波に対して高い反射率を有する反射鏡を用い、第二高調波を導波路部１０内に閉じ込めることができるので、導波路部１０内での第二高調波発生の効率を高めることができ、結果として第三高調波を高い効率で得ることができることである。

次に、本発明の波長変換素子の出力特性の解析方法と結果を示す。図３は、本発明の波長変換素子の出力特性の解析方法を説明するための図である。図３に示されるように、入射光の電界をＥ₀、第二高調波発生部３０の入力端での第二高調波の電界をＡ_n、和周波発生部４０に入射する第二高調波の電界をＢ_n、和周波発生部４０で入射光と合波されずに残留した第二高調波の電界をＣ_n、素子外へ出射させる和周波光の電界をＤ_nとする。電界Ａ_n、Ｂ_n、Ｃ_n、Ｄ_nは、第二高調波が導波路部１０をｎ回往復した場合の電界である。電界Ａ_n、Ｂ_n、Ｃ_n、Ｄ_nが満たす漸化式は次のようになる。

ここで、Ｄ_n＝κ_SHGＥ₀Ｂ_nであり、κ_SHGは第二高調波の電界へ変換される際の結合係数であり、κ_SFGは和周波光の電界へ変換される際の結合係数である。また、定義より明らかなように、Ａ₀＝０という初期条件を有する。また、入射光の電界Ｅ₀は十分大きく、導波路内でも減衰しない。第二高調波及び第三高調波については、導波路部１０の材料による光吸収は無視できるものとし、誘電体多層膜７０、８０での第二高調波の反射率は１００％と仮定した。

（式３）、（式４）、及び（式５）は、解析的に計算することができ、出力される第三高調波の電界Ｄ_nは、次のＢ_nの解析解

を用いて、

となる。

の条件の下、無限回反射後の第三高調波の電界Ｄ_∞は、

となる。従って、その第三高調波の出力パワーＰ_outは、入射光パワーをＰ₀、第二高調波への変換効率をη_SHG、和周波発生への変換効率をη_SFGとすると、

となる。波長変換素子が共振構造を有する場合の第三高調波の出力パワーＰ_outに対する波長変換素子が共振構造を有していない場合の第三高調波の出力パワーＰ'_outの比を出力増大率ｅとする。波長変換素子が共振構造を有していない場合、
Ｐ'_out＝η_SFGη_SHGＰ₀ ³ （式１０）
となるので、波長変換素子が共振構造を有する場合の（式９）で示されるＰ_outを（式１０）で示されるＰ'_outで割ると、出力増大率ｅは、

となる。

さらに、本発明の波長変換素子では、取り扱っている周波数の関係から、和周波発生への変換効率は、第二高調波への変換効率の二倍（η_SFG＝２η_SHG）となるので、（式９）及び（式１１）は、

と変形される。

図４は、入射光パワーＰ₀に対する第三高調波の出力パワーの特性を示す。図４は、本願発明のように共振構造を有する波長変換素子が出力する第三高調波の出力パワーの特性を（式１３）を利用して解析し、従来技術のように共振構造を有さない波長変換素子が出力する第三高調波の出力パワーの特性を（式１０）を利用して解析したものである。第二高調波への変換効率η_SHG＝１００［％／Ｗ］と仮定した。また、（式１２）の根号内の値が負にならないように、０≦Ｐ₀≦５００［ｍＷ］という制限が存在する。

図４の実線は、本願発明の波長変換素子が共振構造を有する場合に出力される第三高調波の出力パワーの特性を示し、図４の点線は、波長変換素子が共振構造を有していない場合に出力される第三高調波の出力パワーの特性を示している。図４に示されるように、共振構造が存在することにより、出力特性が大きく改善されることが分かる。

図５は、入射光パワーＰ₀に対する第三高調波の出力増大率ｅの特性を示す。図５は、（式１２）を利用することにより、第三高調波の出力増大率ｅの特性を解析したものである。ここでも、第二高調波への変換効率η_SHG＝１００［％／Ｗ］と仮定した。

図５で示される出力増大率ｅは、入射光パワーＰ₀が大きくなるにつれて小さくなり、Ｐ₀＝５００［ｍＷ］でｅ＝１となる。ｅ＝１となる理由は、第二高調波発生部３０では、Ｐ₀の自乗で第二高調波が発生するが、和周波発生部４０では、Ｐ₀の三乗に比例して和周波光が発生するためである。その結果、入射光パワーＰ₀が大きくなると、導波路部１０における第二高調波のパワー消費が大きくなり、誘電体多層膜７０、８０で有効にフィードバックされる第二高調波がなくなり、最小値としては１パス分の第三高調波の出力しか得られないため、最終的にｅ＝１となる。逆に、入射光パワーＰ₀が小さくなると、誘電体多層膜７０、８０により多数回のフィードバックが掛かることになり、出力増大率ｅが増加する。

非特許文献７に示されるように、周期分極反転構造を有する導波路型のＬｉＮｂＯ₃波長変換素子の入力端及び出力端に誘電体多層膜からなる反射部を設け、第二高調波を増大させる波長変換素子は既に開発されている。しかしながら、これは第二高調波を出力する波長変換素子であり、第三高調波を出力する本発明の波長変換素子とは異なる。

また、非特許文献７に示される波長変換素子は、「第二高調波」ではなく、「入射光」を反射鏡で往復させ、フィードバック効果を得た第二高調波を出力するものであるが、入射光を種光として波長変換素子外から入射する必要があるため、入射光に対して１００％の反射率の反射鏡を使用することはできず、フィードバック効果も最大限には得られない。

それに対して、本発明の波長変換素子では、種光として波長変換素子外から入射光を入射し、入射光と第二高調波との和周波発生で生成した第三高調波を出射させるものである。従って、第二高調波は、入出射とは無関係な中間状態に発生するものであるため、本発明の波長変換素子においては、第二高調波に対する反射率が１００％の反射部を使用することができる。そのため、第二高調波を反射率１００％の反射部を使用して波長変換素子内に閉じ込めて、最大限に有効なフィードバック効果を得た第二高調波を出力することができる。

また、本発明の波長変換素子の導波路部１０は、所望の設計に基づいて、周期分極反転構造を有するＺｎ−ＬｉＮｂＯ₃基板をＭｇ−ＬｉＮｂＯ₃基板又はＬｉＴａＯ₃基板に基板直接接合法を利用して接合した後、Ｚｎ−ＬｉＮｂＯ₃基板をダイシングまたはエッチングで加工することにより作製される。

それに対して、周期分極反転構造を有する導波路型の他のＬｉＮｂＯ₃波長変換素子の導波路部の多くは、Ｔｉ拡散等を利用して作製される。Ｔｉ拡散等を利用して作製された波長変換素子に反射鏡を用いた共振構造を設けた場合、導波路内部に閉じ込められる光のパワーが非常に大きくなる。そのため、光誘起のキャリアが生成されやすくなり、光誘起屈折率変化（光損傷ともいう）により共振条件の制御が難しくなる。

本発明の波長変換素子は、Ｚｎ−ＬｉＮｂＯ₃基板をダイシングまたはエッチングで加工して作製され、Ｔｉのような光損傷を引き起こす元素を含まないため、光損傷に対する高い耐性を有するという特徴がある。

また、本発明の波長変換素子の共振構造は、通常の誘電体多層膜の蒸着で作製できるが、蒸着の際、位相調節部５０の電極６０の作製予定部位には、誘電体多層膜７０、８０の材料が付着しないように注意する必要がある。誘電体多層膜７０、８０の材料が付着しないように作製するためには、例えば、フォトレジスト等の保護材料を用いて電極６０の作製予定部位を保護してから、誘電体多層膜７０、８０の蒸着を行い、その後、溶剤で保護材料を除去すればよい。

共振構造の他の作製方法として、本発明の実施例２で示す波長変換素子の共振構造の作製方法を示す。図６は、本発明の実施例２に係る波長変換素子を示す図である。図６（ａ）は、本発明の実施例２に係る波長変換素子の上面図を示し、図６（ｂ）は、本発明の実施例２に係る波長変換素子の側面図を示し、図６（ｃ）は、本発明の実施例２に係る波長変換素子の正面図を示す。図６に示されるように、本発明の実施例２に係る波長変換素子は、第二高調波発生部３０と和周波発生部４０とを有する導波路部１０と、基板部２０と、電極６０を有する位相調節部５０と、ブラッグ反射器１１０及びブラッグ反射器１２０と、誘電体スパッタ膜９０とで構成される。

本発明の実施例２で示す波長変換素子の共振構造の作製方法は、周期分極反転構造を有するＺｎ−ＬｉＮｂＯ₃基板に対して、ブラッグ反射器１１０、１２０の作製予定部位である導波路部１０の入力端及び出力端付近をプロトン交換法等で周期的に屈折率変化を与えてブラッグ反射器１１０、１２０を構成し、このようにして作製した基板をＭｇ−ＬｉＮｂＯ₃基板またはＬｉＴａＯ₃基板に基板直接接合法で接合し、ダイシングまたはエッチングで導波路を加工して、ブラッグ反射器１１０、１２０を有する導波路部１０を作製するものである。

本発明の実施例２に係る波長変換素子の作製方法は、誘電体多層膜７０、８０の蒸着する必要がないため、保護材料を用いて電極６０の作成予定部位を保護し、作成後に保護材料を除去するという工程を経る必要がない。従って、本発明の実施例２に係る波長変換素子の作製方法は、本発明の実施例１に係る波長変換素子を作製する際に行われる工程よりも簡略化された工程で行うことができる。

図７は、本発明の波長変換素子を用いたオフセット周波数ｆ₀を測定するための実験系の一例である。

図７に示される実験系は、モード同期レーザ素子２１０と、Ｅｒドープ光ファイバ増幅器２２０と、λ／２波長板２３０と、ホーリーファイバ２４０と、本発明の波長変換素子２５０と、ＬｉＮｂＯ₃からなる周期分極反転構造を有する導波路型の第二高調波発生素子２６０と、ロングパスフィルタ２７０と、ビームスプリッタ２８０と、遅延線２９０と、バンドパスフィルタ３００と、フォトダイオード３１０とで構成される。

図７に示される実験系では、まずモード同期レーザ素子２１０から出射された光コムの光パルス列が、Ｅｒドープ光ファイバ増幅器２２０を通過して、光パルスのピークパワーが増大される。Ｅｒドープ光ファイバ増幅器２２０を通過後、光コムは、λ／２波長板２３０で偏波が９０度回転され、高光非線形特性を有するホーリーファイバ２４０に入射する。

光コムがホーリーファイバ２４０に入射することにより、光コムのスペクトル幅が拡大される。λ／２波長板２３０による９０度の偏波の回転は、後に光が入射される本発明の波長変換素子２５０の偏波と第二高調波発生素子２６０の偏波との整合を取るために行われる。

図７に示されるように、次に、このスペクトル拡大された光コムは、ロングパスフィルタ２７０を通って長波長側の光が透過される。この透過光は、本発明の波長変換素子２５０に入射し、本発明の波長変換素子２５０により第三高調波が発生する。また、ロングパスフィルタ２７０によってフィルタリングされた短波長側の光コムは、第二高調波発生素子２６０に入射し、第二高調波発生素子２６０により第二高調波が発生する。

この際、周知のように、本発明の波長変換素子２５０及び第二高調波発生素子２６０のような周期分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ₃波長変換素子は、設計された変換波長（又は変換周波数）周辺の０．２ｎｍ程度（２５ＧＨｚ程度）の幅の光のみを変換するため、一種のバンドパスフィルタとして機能する。今、本発明の波長変換素子２５０は周波数ｆ₁の光を選択して、周波数３ｆ₁の光に変換し、第二高調波発生素子２６０は周波数ｆ₂の光を選択して、周波数２ｆ₂の光に変換し、周波数ｆ₁、ｆ₂は、３ｆ₁≒２ｆ₂（ｆ₁＜ｆ₂）を満たすように設定されているものとする。この場合、光コムのスペクトルは、ホーリーファイバ２４０を透過後、周波数ｆ₁、ｆ₂を含む程度の幅に拡大されているものとする。

図７に示されるように、本発明の波長変換素子２５０及び第二高調波発生素子２６０において、上記のような周波数３ｆ₁、２ｆ₂の変換光をそれぞれ発生した後、２つの変換光をビームスプリッタ２８０で合波して、ビート光を発生させる。第二高調波発生素子２６０の後段の遅延線２９０は、第二高調波発生素子２６０を透過後の光と本発明の波長変換素子２５０を透過後の光との位相ずれを補正することができる。

このようにして生成されたビート光のうち、最低次の周波数の光をバンドパスフィルタ３００で取り出した後、フォトダイオード３１０でその値を測定するとオフセット周波数ｆ₀が得られる。

１０導波路部
２０基板部
３０第二高調波発生部
４０和周波発生部
５０位相調節部
６０電極
７０、８０誘電体多層膜
９０誘電体スパッタ膜
１１０、１２０ブラッグ反射器
２１０モード同期レーザ素子
２２０Ｅｒドープ光ファイバ増幅器
２３０ λ／２波長板
２４０ホーリーファイバ
２５０本発明の波長変換素子
２６０第二高調波発生素子
２７０ロングパスフィルタ
２８０ビームスプリッタ
２９０遅延線
３００バンドパスフィルタ
３１０フォトダイオード

Claims

光の入射により第二高調波を発生し、入射光と第二高調波の和周波発生により第三高調波を発生する波長変換素子であって、
周期分極反転構造を有する二次非線形光学媒質からなる導波路部であって、入射光を第二高調波に変換する第二高調波発生部と、入射光と第二高調波とを合波して第三高調波に変換する和周波発生部と、第二高調波の屈折率を変化させるための位相変調部とを有する、導波路部と、
前記導波路部の入力端に設けられ、第二高調波を反射する第１の反射部と、
前記導波路部の出力端に設けられ、第二高調波を反射する第２の反射部と
を備え、
前記位相調整部は、前記第１の反射部によって反射された第二高調波の位相と前記第二高調波発生部で発生する第二高調波の位相とを整合させることを特徴とする波長変換素子。
前記導波路部は、それぞれ屈折率が異なる２枚の二次非線形光学材料基板で構成され、前記２枚の二次非線形光学材料基板は、基板直接接合法で接合され、前記２枚の二次非線形光学材料基板のうち、屈折率の高い方の基板は、ダイシングまたはエッチングにより加工された導波路であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
前記第１の反射部及び前記第２の反射部は、誘電体多層膜により形成されているか、あるいはブラッグ反射器により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
前記２枚の二次非線形光学材料基板は、ＬｉＮｂＯ₃、あるいは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を添加物として含有したＬｉＮｂＯ₃で構成され、前記２枚の二次非線形光学材料基板のうち、屈折率の高い方の基板は周期分極反転構造を有する基板であることを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。
前記２枚の二次非線形光学材料基板のうち、屈折率の高い方の基板は、ＬｉＮｂＯ₃、あるいは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を添加物として含有するＬｉＮｂＯ₃で構成される周期分極反転構造を有する基板であり、屈折率の低い方の基板は、ＬｉＴａＯ₃で構成されることを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。