JP2016191660A - 疑似位相整合(QPM:Quasi−PhaseMatching)型波長変換素子の評価装置及び評価方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】非破壊で、かつ試験用素子を用意せずに、QPM型波長変換素子の特性を評価できる評価装置及び評価方法を提供する。【解決手段】評価対象のQPM型波長変換素子200を構成する光導波路250に光を送る光源10と、光導波路から漏れる光を集光する対物レンズ20と、対物レンズが集光した光の強度を検出する検出部40とを備える【選択図】図1

Description

この発明は、QPM型波長変換素子を評価する装置及び方法に関する。
非線形光学効果に基づく波長変換の手法としてQPMがある。このQPMを光導波路において実現させた波長変換素子として、QPM型波長変換素子がある(例えば特許文献1参照)。QPM型波長変換素子は、光導波路に周期的分極反転構造を作り込んで構成される。
相互作用する光のエネルギー密度が大きいほど、また、光が相互作用する長さ(相互作用長)が大きいほど、非線形光学効果は大きくなる。従って、光導波路において非線形光学効果を実現させるためには、光のエネルギー密度を高い状態に保ったまま、光を十分な距離を伝播させる構造にすることが必要である。
ここで、QPM型波長変換素子において、第二高調波発生(SHG:Second Harmonic Generation)による波長変換効率は、相互作用長の2乗に比例し、規格化した[%/W・cm]の単位で表される。しかし、これは被変換光及び変換光の伝播損失が考慮されない場合である。実際には、被変換光及び変換光ともに伝播損失が生じる。そのため、変換光の出力強度は、相互作用長を大きくすることによる増加、及び伝播損失による減衰の双方の影響を受ける。SHGによる波長変換において、変換光は被変換光の半分の短波長であるため、伝播損失の影響が顕著となる。従って、相互作用長は、単に大きく設定すれば良いわけではなく、伝播損失を抑えつつ、高い変換効率を得るための最適値を見出す必要がある。そのため、QPM型波長変換素子における相互作用長の最適値を見出すに当たり、波長変換効率や伝播損失といった特性を評価することが重要である。
従来のQPM型波長変換素子の評価方法として、QPM型波長変換素子と外部の光学素子(光ファイバやレンズ等)との間で光の入出力を行う方法がある。この場合には、出力光を測定する。そして、入力光強度と測定された出力光強度との関係から、損失及び波長変換効率を求める。
しかし、この従来の方法において求められる損失には、QPM型波長変換素子における伝播損失のみならず、QPM型波長変換素子と外部の光学素子との間の結合損失が含まれる。この結合損失は、正確な値を見積もることが困難である。そのため、従来の方法では、伝播損失を正確に評価することが難しかった。また、結合損失の不確かさにより、QPM型波長変換素子への実際の入力光強度及び出力光強度も正確にはわからない。そのため、波長変換効率の評価についても、正確とはいえなかった。
より正確に伝播損失を測定する方法として、カットバック法がある。カットバック法は、素子長の異なる複数の光学素子の入出力特性を比較することによって、伝播損失を求める。しかし、カットバック法では、素子長の異なる複数の光学素子を用意するに当たり、光学素子を切断する等の破壊を行う必要がある。すなわち、カットバック法は、破壊検査である。
また、QPM型波長変換素子の評価方法として、QPM型波長変換素子を構成する光導波路に、蛍光体又は散乱体を含む薄膜を形成する方法がある(例えば特許文献2参照)。この方法では、光導波路から漏れた光による蛍光又は散乱光を撮影する。しかし、この方法では、製造過程において、薄膜を形成するプロセスが増える、という問題がある。また、蛍光体や散乱体は、それ自体が伝播損失の原因となる。そのため、製品として出荷するQPM型波長変換素子に対して適用することは好ましくない。従って、この方法を行う場合には、試験用のQPM型波長変換素子を作製する必要がある。
QPM型波長変換素子は製造が難しい。そのため、製造コストに鑑みて、QPM型波長変換素子に対して、破壊検査であるカットバック法や、試験用素子を用意する必要がある検査を適用することは好ましくない。
上述した各方法の他に、QPM型波長変換素子の特性を評価するに当たり、プリズム結合法を適用して、被変換光の強度を測定することが考えられる。しかし、プリズム結合法では、光導波路表面に密着させた状態のプリズムを、伝播方向に走査することは困難である。従って、QPM型波長変換素子における被変換光の強度分布を取得することが難しい。また、プリズムを密着させることによって、QPM型波長変換素子を構成する光導波路が破損する恐れがある。
特開2005−70529号公報 特開平5−248991号公報
そこで、この発明の目的は、非破壊で、かつ試験用素子を用意せずに、QPM型波長変換素子の特性を評価できる評価装置及び評価方法を提供することにある。
上述の目的を達成するために、この発明の、QPM型波長変換素子の評価装置は、以下の特徴を備えている。
すなわち、QPM型波長変換素子の評価装置は、評価対象のQPM型波長変換素子を構成する光導波路に光を送る光源と、光導波路から漏れる光を集光する対物レンズと、対物レンズが集光した光の強度を検出する検出部とを備える。
また、この発明の、QPM型波長変換素子の評価方法は、以下の過程を含んでいる。
すなわち、QPM型波長変換素子の評価方法は、評価対象のQPM型波長変換素子を構成する光導波路に光を送る第1過程と、光導波路から漏れる光を集光する第2過程と、集光した光の強度を検出する第3過程とを含む。
この発明の、QPM型波長変換素子の評価装置及び評価方法では、光導波路から漏れる光(漏れ光)の強度を検出する。漏れ光の強度は、光導波路を伝播する光の強度に対応するため、漏れ光の強度に基づいて、QPM型波長変換素子の特性を評価することができる。
また、この発明の、QPM型波長変換素子の評価装置及び評価方法では、対物レンズで漏れ光を集光することによって、漏れ光の強度を検出できる。そのため、QPM型波長変換素子の破壊、又はQPM型波長変換素子に対する薄膜の形成若しくはプラズマの密着を必要としない。従って、この発明の、QPM型波長変換素子の評価装置及び評価方法では、非破壊で、かつ試験用素子を用意することを要さずに、QPM型波長変換素子の特性を評価することができる。
この発明による、QPM型波長変換素子の評価装置を示す概略図である。 この発明による、QPM型波長変換素子の評価装置及び評価方法を用いて取得した、光導波路の光伝播方向に沿った漏れ光の強度分布を示す図である。
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るものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
(QPM型波長変換素子の評価装置)
図1を参照して、この発明の実施の形態による、QPM型波長変換素子の評価装置(単に評価装置とも称する)について説明する。図1は、評価装置を示す概略図である。
評価装置100では、評価対象のQPM型波長変換素子200に対して、光を入力する。そして、QPM型波長変換素子200を構成する光導波路から漏れる光の強度を検出する。評価装置100は、この検出された漏れ光の強度に基づいて、QPM型波長変換素子200の波長変換特性を求める。
評価対象のQPM型波長変換素子200は、光導波路250に周期的分極反転構造を作り込んで構成される。QPM型波長変換素子200は、例えば周期的分極反転ニオブ酸リチウム(PPLN:Periodically−Poled LiNbO)である。QPM型波長変換素子200は、周期的分極反転構造に応じたQPM波長の被変換光を、SHGによって波長変換する。
ここでは、QPM型波長変換素子200において、光導波路250の一端250aから入力される光が、他端250bから出力される。従って、QPM型波長変換素子200に入力される光は、一端250aから他端250bへの方向へ光導波路250を伝播する。一端250aからQPM波長の被変換光が入力される場合には、被変換光から波長変換された変換光が他端250bから出力される。なお、図1においては、光導波路250における光伝播方向を矢印Rで示してある。光導波路250は、光伝播方向に沿って例えば直線的に延在している。
評価装置100は、光源10、対物レンズ20、ビームスプリッタ30、検出部40、処理部50、撮像部60及び画像表示部70を備えて構成されている。また、評価対象のQPM型波長変換素子200は、評価装置100が備える載置台(図示せず)に載置される。
光源10は、光を生成して、QPM型波長変換素子200を構成する光導波路250に送る。ここでは、光源10は、QPM波長の被変換光を生成して、光導波路250に送る。光源10としては、例えばLD(Laser Diode)等のレーザを用いることができる。
光源10と光導波路250とは、例えば光ファイバ91によって接続されている。光源10が生成した光は、光ファイバ91を経て、一端250aから光導波路250に入力される。
対物レンズ20は、光導波路250の、光伝播方向Rに沿った側面250cと対向して配置される。そして、対物レンズ20は、光導波路250から漏れる光(漏れ光)を集光する。この実施の形態では、光導波路250において被変換光から波長変換されて生成された変換光のうち、光導波路250の側面250cから漏れる変換光を、対物レンズ20は集光する。対物レンズ20の倍率は、光導波路250の幅(光伝播方向Rに直交する方向の寸法)に応じて設定される。
また、QPM型波長変換素子200が載置される載置台及び対物レンズ20の一方又は双方は、光伝播方向Rに沿って水平移動が可能となっている。そのため、光導波路250と対物レンズ20との、光伝播方向Rに沿った相対位置を変更することができる。従って、対物レンズ20は、光伝播方向Rに沿って掃引して、光導波路250からの漏れ光を集光することができる。この実施の形態では、対物レンズ20が、光導波路250との対向位置を光伝播方向Rに沿って変更しつつ、各位置における漏れ光を集光する。従って、対物レンズ20は、光導波路250の一端250a及び他端250b間の複数の位置からの漏れ光を集光する。
対物レンズ20は、集光した漏れ光をビームスプリッタ30に送る。ビームスプリッタ30は、対物レンズ20から送られる漏れ光を2分岐する。ビームスプリッタ30は、2分岐した漏れ光の一方を、フィルタ81、第1接続用レンズ83及び光ファイバ93を順次に経て検出部40に送る。
フィルタ81は、漏れ光として検出すべき変換光以外の波長帯の光を除去する。そのため、例えば対物レンズ20が、変換光以外の光を不所望に集光した場合であっても、フィルタ81でこれら不所望に集光した光を除去することができる。
第1接続用レンズ83は、フィルタ81から送られる漏れ光を集光し、光ファイバ93に送る。
光ファイバ93は、検出部40と接続されており、第1接続用レンズ83から送られる漏れ光を検出部40に送る。
検出部40は、漏れ光の強度を検出する。検出部40としては、例えばPD(Photo Diode)等の光検出器を用いることができる。ここでは、検出部40は、漏れ光として変換光の強度を検出する。そのため、検出部40として、変換光の波長に応じて最適化された光検出器を用いるのが好ましい。検出部40は、検出した漏れ光の強度の情報を処理部50に送る。
処理部50は、検出部40から送られる強度の情報を記録する。処理部50としては、例えばコンピュータ等を用いることができる。ここで、上述したように、この実施の形態では、対物レンズ20が、光導波路250の光伝播方向Rに沿った複数の位置からの漏れ光を集光する。従って、処理部50には、光導波路250の各位置からの漏れ光の強度の情報が送られる。処理部50は、受け取った漏れ光の強度の情報を、光導波路250の位置毎に記録する。そして、処理部50は、各位置における漏れ光の強度の情報に基づいて、光導波路250の、光伝播方向Rに沿った漏れ光の強度分布を取得する。
また、上述したビームスプリッタ30は、2分岐した漏れ光の他方を、第2接続用レンズ85を経て撮像部60に送る。
第2接続用レンズ85は、ビームスプリッタ30から送られる漏れ光を集光し、撮像部60に送る。
撮像部60は、第2接続用レンズ85から送られる漏れ光を撮像する。また、撮像部60は、対物レンズ20、ビームスプリッタ30及び第2接続用レンズ85の系によって結ばれた、光導波路250の側面250cの像を撮像する。撮像部60は、撮像した漏れ光や光導波路250の像から、光導波路250の画像情報を生成する。撮像部60としては、例えばCCD(Charge Coupled Device)カメラを用いることができる。撮像部60は、生成した画像情報を画像表示部70に送る。
画像表示部70は、撮像部60から送られる画像情報を視認可能に表示する。画像表示部70としては、例えば周知のモニタ等を用いることができる。画像表示部70に表示される光導波路250の画像情報は、例えば対物レンズ20と光導波路250との位置合わせや、対物レンズ20の倍率設定等に用いることができる。
(QPM型波長変換素子の評価方法)
この発明の実施の形態による、QPM型波長変換素子の評価方法(単に評価方法とも称する)について説明する。この実施の形態による評価方法は、上述した評価装置100を用いて行う。
光源10を用いて、評価対象のQPM型波長変換素子200を構成する光導波路250に光を送る。ここでは、QPM波長の被変換光を光導波路250に送る。被変換光は、光導波路250を伝播しつつ、SHGによって変換光に変換される。変換光は、光導波路250の他端250bから出力される。なお、変換光は、光導波路250の他端250bから出力されるのみならず、光導波路250の側面250cから漏れ光として漏れる。この漏れ光を、対物レンズ20を用いて集光する。そして、対物レンズ20が集光した漏れ光としての変換光の強度を、検出部40を用いて検出する。
対物レンズ20は、光導波路250の一端250a及び他端250b間の複数の位置からの漏れ光を集光する。この実施の形態による評価方法では、これら各位置における漏れ光の強度の情報に基づき、処理部50を用いて、光伝播方向Rに沿った漏れ光の強度分布を取得する。
漏れ光としての変換光の強度は、光導波路250において被変換光から波長変換されて生成される変換光の強度に比例する。従って、光伝播方向Rに沿った漏れ光の強度分布を取得することによって、光導波路250における光伝播方向Rに沿った位置と、その位置において生成される変換光の強度との関係がわかる。従って、漏れ光の強度分布に基づいて、光導波路250の光伝播方向Rに沿った長さと波長変換効率との関係がわかる。
従って、この実施の形態による評価装置及び評価方法では、非破壊で、かつ試験用素子を用意することを要さずに、QPM型波長変換素子における波長変換特性を評価することができる。そして、この実施の形態による評価装置及び評価方法では、光導波路250の光伝播方向Rに沿った長さと波長変換特性との関係に基づいて、光導波路250の適当な長さ(すなわちQPM型波長変換素子の素子長)を決定することができる。
(特性評価)
発明者は、この実施の形態による評価装置及び評価方法を用いて、QPM型波長変換素子を評価する実験を行った。
この実験では、評価対象のQPM型波長変換素子200として、光導波路250の長さが56mm及び幅が9μmであるPPLNを用いた。また、PPLNのQPM波長に対応して、光導波路250に入力する被変換光の波長を1549.75nmとした。この場合、QPM型波長変換素子200において、SHGによって生成される変換光の波長は775nm程度である。そして、光導波路250の寸法及び変換光の波長に最適化して、対物レンズ20、フィルタ81、第1接続用レンズ83及び検出部40を設計した。ここでは、対物レンズ20の倍率を10倍に設定し、集光可能な領域幅が10μm程度となるように構成した。そして、光導波路250の光伝播方向Rに沿った複数の位置において漏れ光(変換光)を集光した。これら各位置における漏れ光の強度を検出し、光伝播方向Rに沿った漏れ光の強度分布を取得した。
この実験で取得した強度分布を図2に示す。図2では、縦軸に、漏れ光(変換光)としての強度を任意単位でとって示してある。また、横軸に、対物レンズ20による集光位置として、集光位置に対応する光導波路250の長さをmm単位でとって示してある。なお、横軸における原点(0mm)は、光導波路250の一端250aの位置に対応する。
また、図2に示す各点は、光導波路250の光伝播方向Rに沿った各位置における漏れ光の強度の実測値である。上述したように、これらの強度は、光導波路250の各位置において生成される変換光の強度に対応する。
また、図2に示す曲線は、実測値である各点の強度から求めた近似線である。ここでは、図2に示す曲線を決定するに当たり、各点の強度に基づく変化率及び変換光の伝播損失をパラメータとしてフィッティングすることにより、図2に示す曲線を決定した。
図2に示すように、漏れ光としての変換光の強度は、光導波路250が長くなるに従って増加する。そして、光導波路250の長さが47mm付近となる位置で飽和する。従って、この実験に用いたQPM型波長変換素子200では、光導波路250の長さを47mm以上に設計することによって、波長変換効率を最大にすることができる。
ここで、上述したように、この実験では、光導波路250の長さが56mmであるQPM型波長変換素子200を用いた。そして、図2の結果より、光導波路250の長さを少なくとも47mmに設計すれば、波長変換効率が最大となることがわかった。従って、光導波路250の長さを、実験に用いたQPM型波長変換素子200よりも16%程度短くしても、最大の波長変換効率が得られる。そのため、最大の波長変換効率を確保しつつ、QPM型波長変換素子200を縮小化することができる。
このように、この実施の形態による評価装置及び評価方法を用いることによって、波長変換効率の評価、及び光導波路250の長さ(すなわちQPM型波長変換素子の素子長)の最適値を求めることができる。
10:光源
20:対物レンズ
30:ビームスプリッタ
40:検出部
50:処理部
60:撮像部
70:画像表示部
81:フィルタ
83:第1接続用レンズ
85:第2接続用レンズ
91:93:光ファイバ
100:評価装置
200:QPM波長変換素子
250:光導波路

Claims (6)

  1. 評価対象のQPM型波長変換素子を構成する光導波路に光を送る光源と、
    前記光導波路から漏れる光を集光する対物レンズと、
    前記対物レンズが集光した光の強度を検出する検出部と
    を備えることを特徴とするQPM型波長変換素子の評価装置。
  2. 前記光源は、前記QPM型波長変換素子に、QPM波長の被変換光を送り、
    前記対物レンズは、前記漏れる光として、前記QPM型波長変換素子によって前記被変換光から変換された変換光を集光する
    ことを特徴とする請求項1に記載のQPM型波長変換素子の評価装置。
  3. 前記検出部が検出した強度に基づき、前記光導波路における光伝播方向に沿った、前記漏れる光の強度分布を取得する処理部をさらに備える
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載のQPM型波長変換素子の評価装置。
  4. 評価対象のQPM型波長変換素子を構成する光導波路に光を送る第1過程と、
    前記光導波路から漏れる光を集光する第2過程と、
    前記集光した光の強度を検出する第3過程と
    を含むQPM型波長変換素子の評価方法。
  5. 前記第1過程において、前記QPM型波長変換素子に、QPM波長の被変換光を送り、
    前記第2過程において、前記漏れる光として、前記QPM型波長変換素子によって前記被変換光から変換された変換光を集光する
    ことを特徴とする請求項4に記載のQPM型波長変換素子の評価方法。
  6. 前記第3過程において検出した強度に基づき、前記光導波路における光伝播方向に沿った、前記漏れる光の強度分布を取得する
    ことを特徴とする請求項4又は5に記載のQPM型波長変換素子の評価方法。
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