JP2020076834A - 波長変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周期分極反転構造を有する非線形光学媒質を用いた波長変換装置を、安定的に最適温度で動作させる。【解決手段】非線形光学媒質を用いた波長変換器と、前記波長変換器の温度を制御する制御器とを含む波長変換装置において、前記波長変換器の出力光の一部を分岐する第１の光分岐カプラと、前記出力光の一部から前記波長変換器においてパラメトリック蛍光により発生した２つの光を分離して、それぞれを出力する第１および第２の波長分離フィルタとを備え、前記制御器は、前記２つの光の光強度の差分に基づいて、前記波長変換器の温度を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換装置に関し、より詳細には、非線形光学効果を用いた光学素子を含み、光通信システム、光計測システム等において用いられる波長変換素子装置に関する。

光通信における光信号波長変換、光変調、光計測、または光加工、医療、生物工学などの分野に適用することができ、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のために、多くの非線形光学デバイス及び電気光学デバイスの開発が進められている。このような光デバイスに用いられ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おり、ニオブ酸リチウム（ＬＮ：ＬｉＮｂＯ₃）などの酸化物系化合物基板は、２次非線形光学定数・電気光学定数が非常に高く有望な材料として知られている。ＬＮの高い非線形性を用いた光デバイスの一例として、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）が知られており、このＰＰＬＮによる第二高調波発生（ＳＨＧ）・差周波発生（ＤＦＧ）・和周波発生（ＳＦＧ）を利用した波長変換素子が知られている。

例えば、２〜５μｍの中赤外の波長域には様々な環境ガスの基準振動などの強い吸収線が存在するため、小型の中赤外光源の開発が望まれている。このような中赤外域の光源には、技術的に成熟された１μｍ付近の励起光光源と、通信波長帯の信号光を用いることのできるＤＦＧが有望だと考えられている。また、０．５μｍ付近の可視光の波長域には、半導体レーザでは実現の難しい波長域が存在することから、１μｍ付近の励起光光源を用いて、ＳＨＧまたはＳＦＧにより、緑色光などの可視光の発生を行うことのできる波長変換技術が有望視されている。

ＤＦＧを用いた波長変換技術を用いると、主に光ファイバ通信で用いられている波長１．５５μｍ帯の光を一括で別の波長帯に変換できることから、波長分割多重方式における光のルーティング、光ルーティングにおける波長の衝突回避などへの適用が可能である。波長変換装置は、大容量通信光ネットワークを構築するキーデバイスの一つとして考えられている。ＤＦＧを用いた波長変換では、その変換光が信号光に対して位相共役光になることを用いて、信号歪補償を行うことができる。伝送路のおよそ中間地点で信号光を位相共役光に変換すると、位相共役光への変換前の伝送路で生じた分散とファイバ中の非線形光学効果によって生じる信号歪みとを、位相共役光への変換後の伝送路中で打消しあうように伝搬する。これにより、波長変換装置は、分散や非線形信号歪みを低減することができるキーデバイスの一つとして考えられている。

高い波長変換効率を有する波長変換素子を用いると、励起光パワーから信号光へのエネルギーの移行により光パラメトリック増幅と呼ばれる、信号光の増幅器を構成することができる。特に、励起光と信号光の位相関係に応じた増幅特性を有する位相感応増幅器は、低雑音な光増幅が可能な技術として期待されている。ＰＰＬＮにおいて高効率を得るためには、光導波路型のデバイスが有効である。これは波長変換効率が非線形媒質を伝搬する光のパワー密度に比例するためであり、導波路構造を形成することで限られた範囲に光を閉じ込めることができるからである。このため非線形媒質を用いた種々の導波路が研究開発されている。

これまでは、Ｔｉ拡散導波路や、プロトン交換導波路と呼ばれる、拡散型の導波路を用いて検討がなされてきた。しかしながら、これらの導波路は作製において結晶内に不純物を拡散することから、光損傷耐性や長期信頼性の観点から課題があった。拡散型の導波路では、高強度の光を導波路に入射するとフォトリフラクティブ効果による結晶の損傷が発生してしまうため、導波路に入力できる光パワーに制限があった。

近年、結晶のバルクの特性をそのまま利用できることから、高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計が容易等の特徴を持つリッジ型の光導波路が研究開発されている。リッジ型の光導波路を作製する方法としては、２枚の基板を接着剤を用いて接着し、一方の基板を薄膜化した後にリッジ加工をすることで、リッジ型光導波路を作製することが知られている。しかしながら、基板同士を接着剤により張合わせる方法は、接着材と基板の熱膨張係数が異なるために、温度が変化したときに薄膜に割れが生じるという問題があった。加えて、導波路中で発生する第二高調波光によって接着剤が劣化するために、動作中に導波路損失が増加し、波長変換の効率が劣化するという問題もあった。さらにまた、接着層の不均一性のために単結晶膜の膜厚が不均一となり、波長変換素子の位相整合波長がずれるという問題もあった。

一方、接着剤を用いずに、基板同士を強固に接合する技術として、直接接合技術が知られている。直接接合法は、初めに化学薬品を用いて表面処理を行ったウエハ同士を重ね合わせることにより、表面間引力により接合する方法である。接合は常温で行われるが、このときのウエハの接合強度は小さいため、接合強度を向上させるため高温での熱処理を行う。直接接合技術は、高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計の容易性等の特徴以外にも、上述したＤＦＧによる中赤外域の光発生において、不純物の混入や接着剤等の吸収を回避できる点からも有望視されている。

さらに、直接接合技術は、非線形光学デバイスに留まらず、ハイパワーの光変調器応用にも期待されている。ＬＮなどの酸化物系化合物基板は２次非線形光学定数に加え、電気光学定数も大きく、電気光学効果（ＥＯ効果）を用いた光変調器としても広く使われている。しかしながら、Ｔｉ拡散導波路を用いた従来の光変調器では、１００ｍＷ以上のハイパワー光入力が困難であった。これに比べ、直接接合技術を用いたた光変調器は、ワット級の光入力も可能になることから、高光強度の光変調信号の生成、レーザ加工技術等への応用が期待できる。

直接接合法においては４００℃程度の高温での熱処理を必要とするために、接合できるウエハ間には表面の平坦性が良いことに加え、熱膨張率が近いことも要求される。このため、ＬＮとタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅ等の添加物を付与したＬＮなど、同種の材料基板による直接接合形成が検討されてきた。

リッジ型光導波路は、ベース基板上に導波路パターンに応じて形成されたコアを有しており、ステップ型の屈折率分布を有する（例えば、非特許文献１参照）。コアは、ベース基板に接していない３つの側面が空気層に接している。リッジ型光導波路は、コアの上部および側部が空気層（屈折率が１）であっても、動作することができる。しかし、実用上の問題点として、コア層を剥き出しにしていると、空気中に浮遊するゴミやほこりの付着等による特性の経時変化が懸念される。また、光導波路の端面にＡＲコートなどの膜を形成するために必要な耐機械的強度を考慮して、保護膜を兼ねたオーバークラッド層を設ける場合もある。

周期分極反転構造は、擬似位相整合を行うための構造であり、これは基本波と波長変換された波のコヒーレンス長ごとに結晶方位を反転し、非線形定数の符号を逆転することにより位相不整合量を補償していく手法である。特殊な非線形光学結晶を用いずに中赤外域から可視域まで幅広い波長変換が行えるという点で実用的な価値は高い。

T. Umeki, O. Tadanaga, and M. Asobe, ‘Highly Efficient Wavelength Converter Using Direct-Bonded PPZnLN Ridge Waveguide,’2010年 IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 46, No. 8, pp. 1206-1213

一般に非線形光学材料の屈折率は温度依存性を有しており、２次非線形光学素子において擬似位相整合条件を厳密に満たすためには、素子の温度を一定に保つ必要がある。通常は、２次非線形光学素子またはその近傍にサーミスタ、熱電対等の測温体を設け、その抵抗値等をモニタする。モニタ結果をフィードバックし、ヒータ、ペルチェ素子等の温度調節器を制御して、２次非線形光学素子を一定温度に保つたうえで動作させる。

しかしながら、従来の測温体のモニタ値を一定にするよう温度調節器を制御する機構のみでは、２次非線形光学素子を精密に安定させるには課題があった。具体的には、サーミスタ、熱電対等の測温体でモニタできるのは、２次非線形光学素子全体の平均的な温度であり、非線形光学効果をもたらす導波路部分の温度をモニタしているわけではない。このため、測温体の温度をモニタしているだけでは、２次非線形光学素子を最適温度で動作させることは厳密にはできない場合があった。

例えば、光デバイスの環境温度（外気温度）が変化した場合、２次非線形光学素子またはその近傍に設置した測温体が一定となるよう温度制御を行っていても、素子表面に位置する光が伝搬するコアは、ベース基板に接していない３つの側面が空気層に接しており、環境温度の変化をわずかながら受け最適動作点がシフトしてしまう。また、高い変換効率または高利得な光パラメトリック増幅を得るために、強い励起光を導波路に入射する場合、導波路内に入射された励起光の光吸収による発熱が生じる。この発熱は導波路部分の局所的な発熱であり、素子またはその近傍に設置した測温体ではモニタすることはできず、局所的な発熱による最適動作点のシフトを正しく補償することは困難であった。

本発明の目的は、周期分極反転構造を有する非線形光学媒質を用いた波長変換装置を、安定的に最適温度で動作させることにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、非線形光学媒質を用いた波長変換器と、前記波長変換器の温度を制御する制御器とを含む波長変換装置において、前記波長変換器の出力光の一部を分岐する第１の光分岐カプラと、前記出力光の一部から前記波長変換器においてパラメトリック蛍光により発生した２つの光を分離して、それぞれを出力する第１および第２の波長分離フィルタとを備え、前記制御器は、前記２つの光の光強度の差分に基づいて、前記波長変換器の温度を制御することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、出力光の一部から分離された２つの光の光強度の差分に基づいて、波長変換器の温度を制御するので、非線形光学媒質の温度を正確にモニタすることができるため、最適温度で波長変換装置を動作させることが可能となる。

実施例１にかかる波長変換装置の構成を示す図である。 励起光、信号光および変換光の周波数の関係を示す図である。 動作温度の変化に対する波長変換帯域の変化の様子を示す図である。 温度変化に対する第１および第２の光強度検出器における規格化光強度を示す図である。 実施例２にかかる波長変換装置の構成を示す図である。 実施例３にかかる波長変換装置の構成を示す図である。

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。本実施形態では、非線形光学媒質を用いたリッジ型光導波路からなる波長変換器を含み、波長変換および位相共役と変換光パラメトリック増幅とを行う波長変換装置を例に説明する。

図１に、実施例１にかかる波長変換装置の構成を示す。波長変換装置１０は、波長変換器１１の出力に、第１の光分岐カプラ１２と第２の光分岐カプラ１３とが縦続に接続され、第２の光分岐カプラ１３の２出力に第１および第２の波長分離フィルタ１４，１５がそれぞれ接続されている。第１および第２の波長分離フィルタ１４，１５のそれぞれの出力には、第１および第２の光強度検出器１６，１７が接続され、差分器１８を介して制御器（ＰＩＤ）１９が接続されている。波長変換器１１には温度調節器（ＴＥＣ）２０が熱的に結合されており、制御器１９からの制御電流によって、波長変換器１１の温度を制御する。

波長変換器１１は、入力される信号光および励起光と、出力される変換光との間で擬似位相整合を満たす周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）導波路２２と、信号光と励起光を合波してＰＰＬＮ導波路２２に入力するダイクロイックミラー型合波器２３と、ＰＰＬＮ導波路２２の出力から励起光を分波するダイクロイックミラー型分波器２４とを備えている。波長変換器１１には、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）、または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有している非線形光学媒質が用いられる。

次に、実施例１の波長変換装置の動作を、各部の機能を交えながら説明する。波長変換装置１０に入力される信号光として、複数波長から成る光信号が入力される。実施例１では、波長多重信号（ＷＤＭ信号）が入力される。波長変換器１１において、ダイクロイックミラー型合波器２３は、ＷＤＭ信号と励起光光源２１からの励起光とを合波し、ＰＰＬＮ導波路２２に入射する。ＰＰＬＮ導波路２２は、差周波発生（ＤＦＧ）によりＷＤＭ信号の変換光を生成する。

励起光の周波数を２ω₀、ＷＤＭ信号の１波長の周波数をωｓとすれば、ＰＰＬＮ導波路２２中の差周波発生により、周波数２ω₀−ωｓの変換光が生成される。光位相としては、励起光の位相をΦｐ、信号光の位相をΦｓとすれば、差周波発生によりΦｐ−Φｓとなり、励起光の位相を基準として信号光の位相共役光が生成される。励起光の倍の波長（周波数：ω₀）を基本波波長としたとき、ＷＤＭ信号に含まれる複数の信号光は、基本波波長を中心波長軸として折り返した波長の変換光として生成される。変換光が生成されるのと同時に、ＷＤＭ信号にも励起光からエネルギーが移行し、信号光が増幅される。

ＰＰＬＮ導波路２２により生成された変換光は、励起光が合波されたＷＤＭ信号とともにダイクロイックミラー型分波器２４に出力される。ダイクロイックミラー型分波器２４は、ＰＰＬＮ導波路２２から出力された光から励起光を分離し、分離された光（増幅されたＷＤＭ信号＋ＷＤＭ信号の変換光）を波長変換器１１の出力光として第１の光分岐カップラ１２に出力する。

第１の光分岐カップラ１２により、出力光（増幅されたＷＤＭ信号とＷＤＭ信号の変換光）の光強度の一部（１％〜１０％程度）を分岐する。分岐された光をさらに第２の光分岐カップラ１３により２分岐する。第１および第２の波長分離フィルタ１４，１５は、特定の波長成分のみの光を透過させるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）型の光学フィルタであり、第１および第２の波長分離フィルタ１４，１５のそれぞれの透過波長が異なっている。第１および第２の波長分離フィルタ１４，１５のそれぞれの出力は、その光強度を第１および第２の光強度検出器１６，１７により検出される。

波長変換装置１０は、第１の光分岐カップラ１２の他方の出力として、「ＷＤＭ信号の変換光」を取り出す場合には、波長変換器および位相共役変換器となり、「増幅されたＷＤＭ信号光」を取り出す場合には、光パラメトリック増幅器となる。

図２に、励起光、信号光および変換光の周波数の関係を示す。基本波波長λ₀（周波数：ω₀）を１５４５ｎｍ、励起光波長λｐ（周波数：２ω₀）を７７２．５ｎｍとした場合の、ＰＰＬＮ導波路２２の波長変換帯域について述べる。なお、ＰＰＬＮ導波路２２の素子長は４２ｍｍとした。励起光および信号光を入力することにより、ＰＰＬＮ導波路２２の差周波発生により、変換光が生成される。例えば、図２（ａ）に示すように、信号光波長λｓ（周波数：ωｓ）を１５４０ｎｍとすれば、２ω₀−ωｓにより、波長λｃが１５５０ｎｍの変換光が生成される。基本波波長λ₀を中心として波長軸上で折り返した形で変換光が生成される。

ＰＰＬＮ導波路２２中では励起光、信号光、変換光の３波の間で擬似位相整合条件が満たされている。励起光、信号光、変換光の導波路中の実効屈折率を、それぞれｎｐ、ｎｓ、ｎｃとすると、
ｎｐ／λｐ−ｎｓ／λｓ−ｎｃ／λｃ＝１／Λ （式１）
を満たす反転周期Λの分極反転構造を有する。

（式１）を満たす限り、信号光波長を変化させても、周波数２ω₀−ωｓの変換光と励起光との間では、同じ変換効率が得られる。例えば、信号光波長λｓ（周波数：ωｓ）を１５３９ｎｍとすれば、２ω₀−ωｓにより、波長１５５１ｎｍの変換光が生成される。このとき、実効屈折率ｎｓおよびｎｃも変化するが、材料の分散によりｎｓが大きくなった分ｎｃが小さくなることで信号光波長を変えても（式１）を満たすことができ、広い波長変換帯域が得ることができる利点を持つ。

しかしながら、このような波長変換前後の帯域の形状は、波長変換器１１の動作温度が正しいときに満たされ、動作温度がずれると帯域形状が変化する。温度変化の場合は、実効屈折率ｎｐ、ｎｓ、ｎｃのそれぞれが変化してしまうため、その変化に応じて得られる波長変換帯域が変化してしまう。

図３に、動作温度の変化に対する波長変換帯域の変化の様子を示す。上述した条件の波長変換帯域の光強度を、温度変化が０℃のときの光強度で正規化した図である。ＷＤＭ信号のうちの１つの変換光をモニタして、動作温度を最適化する方法が考えられるが、変換光の波長によって光強度の温度依存性が異なるので、単純には温度を上げればいいのか下げれば良いのかわからない。すべての変換光をモニタして動作温度を最適化する方法も考えられるが、部品点数が多くなり、制御が複雑になる。また、入力される信号光のパワーが変動すると、そのまま変換光強度が変動するため、外部からの入力を前提とすると制御がさらに複雑になってしまう。

そこで、本実施形態では、ＰＰＬＮ導波路が有する固有の現象を使って、動作最適温度を制御する。具体的には、パラメトリック蛍光により励起光から変換された２つの光を利用する。パラメトリック蛍光は、信号光を入力しなくても、媒質からの自然放出光（ＡＳＥ光）があると、励起光により２つの低い周波数の光に変換される自発パラメトリック過程であり、２次の非線形光学媒質に周波数２ω₀の励起光を入射すると、ω₁＋ω₂＝２ω₀を満たす２つの周波数の光に変換される。

第１および第２の波長分離フィルタ１４，１５は、特定の波長成分のみを透過させるＢＰＦ型の光学フィルタであり、波長変換器１１においてパラメトリック蛍光により発生した２つの光であって、ＷＤＭ信号の変換のない領域の２つの異なる波長の光のみを透過させる。２つの波長は、基本波波長またはごく近傍の中心波長（周波数：ω₁）と、基本波波長を基準としてＷＤＭ信号の変換光の変換帯域の端部の波長（周波数：ω₂）とすることにより、波長変換帯域の形状を制御することができる。具体的には、図２（ｂ）に示すように、入力ＷＤＭ信号を波長１５２８〜１５４４ｎｍとしたとき、「ＷＤＭ信号の変換光」は波長１５４６〜１５６２ｎｍに変換され、第１の波長分離フィルタ１４の中心透過波長λ_BPF1を１５４５ｎｍ（すなわち、基本周波数λ₀に同じ）、第２の波長分離フィルタ１５の中心透過波長λ_BPF2を１５６３ｎｍとした。

第１および第２の波長分離フィルタ１４，１５の中心透過波長を、上述したようにＷＤＭ信号の波長変換帯域の両端に設定して、パラメトリック蛍光により発生した２つの光の光強度を、第１および第２の光強度検出器１６，１７により検出する。これにより、温度変化による波長変換帯域の形状の変化を補正することができる。

図４に、温度変化に対する第１および第２の光強度検出器における規格化光強度を示す。第１の光強度検出器１６の光強度は、温度が高くなっても低くなっても減少する。第２の光強度検出器１７の光強度は、温度が低くなると減少するが、温度が高くなると一旦増加する。高温度側で最大強度が得られ、それ以上に温度が高くなると光強度は減少する。この変化の様子から、基準温度を第１の光強度検出器１６と第２の光強度検出器１７の光強度が等しくなる温度（図４においては０．１４℃）とすれば、第１の光強度検出器１６の光強度は、基準温度よりも高い場合には減少し、低い場合には増加する。逆に第２の光強度検出器１７の光強度は、基準温度よりも高い場合には増加し、低い場合には減少する。これらの２つの検出器の差を検出して、波長変換器１１の温度が基準温度になるように
フィードバック制御を行えばよい。

差分器１８を介して２つの光強度検出器の光強度の差を検出し、制御器１９によりＰＩＤ制御による計算の後、温度調節器２０の制御電流にフィードバックを行った。これにより、全帯域に渡り波長変換光の強度が０．２ｄＢ以内で安定させることができた。実施例１では、２つの波長（中心波長付近と波長変換帯域の端部の波長）をモニタしたが、３つ以上の波長をモニタしてもよい。

実施例１においては、入力光として複数波長から成る光信号として波長多重信号（ＷＤＭ信号）が入力され、第１および第２の波長分離フィルタの透過波長には入力光がないことを前提としていた。しかしながら、実際には入力光が存在することも想定される。例えば、光ファイバ通信において、伝搬するＷＤＭ信号は、ファイバ伝送路による損失と光増幅器による光増幅とを繰り返し受けるために、光増幅器からのＡＳＥ光が重畳される。重畳されたＡＳＥ光の光量が、波長変換器におけるパラメトリック蛍光の光量に比べ十分小さいとはいえない場合、実施例１に記載した構成では、正しい制御が難しいという課題があった。

図５に、実施例２にかかる波長変換装置の構成を示す。波長変換装置３０は、波長変換器３１の出力に、第１の光分岐カプラ３２と第２の光分岐カプラ３３とが縦続に接続され、第２の光分岐カプラ３３の２出力に第１および第２の波長分離フィルタ３４，３５がそれぞれ接続されている。第１および第２の波長分離フィルタ３４，３５のそれぞれの出力には、第１および第２の光強度検出器３６，３７が接続され、差分器３８を介して制御器（ＰＩＤ）３９が接続されている。波長変換器３１には温度調節器（ＴＥＣ）４０が熱的に結合されており、制御器３９からの制御電流によって、波長変換器３１の温度を制御する。

さらに、波長変換装置３０は、第１および第２の制御光光源４５，４６と、２つの制御光光源の出力を合波する第１の光合分波器４７と、信号光（ＷＤＭ信号）と第１の光合分波器４７の出力とを合波して、波長変換器３１に入力する第２の光合分波器４８を備えている。第２の光合分波器４８は、ＷＤＭ信号の波長帯域と同等の帯域を有するバンドパス型の光学フィルタ特性を有し、入力される信号光のうちＷＤＭ信号帯域内の信号光のみを第１の光合分波器４７の出力と合波して、帯域外の光および自然放出光を減衰させる。

波長変換器３１は、入力される信号光および励起光と、出力される変換光との間で擬似位相整合を満たす周期分極反転構造を有するＰＰＬＮ導波路４２と、信号光と励起光光源４１からの励起光とを合波してＰＰＬＮ導波路４２に入力するダイクロイックミラー型合波器４３と、ＰＰＬＮ導波路４２の出力から励起光を分波するダイクロイックミラー型分波器４４とを備えている。

第１および第２の制御光光源４５，４６の波長（ω_i1、ω_i2）は、それぞれ第１および第２の波長分離フィルタ３４，３５の透過波長と一致している。または、第１および第２の波長分離フィルタ３４，３５の透過波長に対応した光周波数をそれぞれω₁、ω₂としたとき、励起光の光周波数２ω₀に対して（式２）を満たす光周波数に対応する波長である。
ω_i1＝２ω₀−ω₁
ω_i2＝２ω₀−ω₂ （式２）

具体的な波長配置の例としては、基本波波長λ₀（周波数：ω₀）を１５４５ｎｍ、第１および第２の波長分離フィルタ３４，３５の透過波長をそれぞれ１５４５．５ｎｍと１５６３ｎｍとした場合、第１および第２の制御光光源４５，４６の制御光の波長を、１５４５．５ｎｍと１５６３ｎｍとするか、または１５４４．５ｎｍと１５２７ｎｍとすればよい。

このようにして、制御光または制御光から波長変換された光の光強度を、第１および第２の光強度検出器３６，３７により検出する。差分器３８を介して２つの光強度検出器の光強度の差を検出し、制御器３９によりＰＩＤ制御による計算の後、温度調節器４０の制御電流にフィードバックを行った。これにより、全帯域に渡り波長変換光の強度が０．２ｄＢ以内で安定させることができた。

実施例１および２においては、入力光として複数波長から成る光信号として波長多重信号（ＷＤＭ信号）が入力され、励起光との差周波発生に基づく波長変換及び光パラメトリック増幅を用いた。和周波発生に基づく波長変換の動作安定化にも用いることができるので、和周波発生過程の１つである第二高調波発生を例に説明する。

図６に、実施例３にかかる波長変換装置の構成を示す。波長変換装置５０は、波長変換器５１の出力に、第１の光分岐カプラ５２と第２の光分岐カプラ５３とが縦続に接続され、第２の光分岐カプラ５３の２出力に第１および第２の波長分離フィルタ５４，５５がそれぞれ接続されている。第１および第２の波長分離フィルタ５４，５５のそれぞれの出力には、第１および第２の光強度検出器５６，５７が接続され、差分器５８を介して制御器（ＰＩＤ）５９が接続されている。波長変換器５１には温度調節器（ＴＥＣ）６０が熱的に結合されており、制御器５９からの制御電流によって、波長変換器５１の温度を制御する。

波長変換器５１は、基本波光光源６１から入力される基本波光と第二高調波光との間で擬似位相整合を満たす周期分極反転構造を有するＰＰＬＮ導波路６２と、基本波光と第二高調波光を分波するダイクロイックミラー型分波器６４とを備えている。

基本波光の周波数をω₀とすると、ＰＰＬＮ導波路６２中の第二高調波発生により、周波数２ω₀の変換光が生成される。ダイクロイックミラー型分波器６４は、ＰＰＬＮ導波路６２の出力から基本波光の波長帯の光と変換光（第二高調波光）とを分離し、基本波光の波長帯の光を第１の光分岐カプラ５２へ出力する。

ＰＰＬＮ導波路６２中では、ＰＰＬＮ導波路６２中で生成された変換光（第二高調波光）自信が励起光となりパラメトリック蛍光が生じる。ダイクロイックミラー型分波器６４では、基本波光とこのパラメトリック蛍光とを、変換光（第二高調波光）から分離する。なお、第１の光分岐カプラ５２は、基本波光の波長帯の帯域と同等の帯域を有するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）型の光学フィルタ特性を有し、波長変換器５１の出力から基本波光を取り出すことができる。

第１および第２の波長分離フィルタ５４，５５は、特定の波長成分のみを透過させるＢＰＦ型の光学フィルタであり、その透過波長が異なっている。第１および第２の波長分離フィルタ５４，５５は、第１の光分岐カプラ５２から分岐された、パラメトリック蛍光により発生した２つの光の波長に対応した透過波長を有し、第１および第２の光強度検出器１６，１７は、この２つの光の光強度を検出する。

波長配置は、実施例１と同様の方法をとればよく、差分器５８を介して２つの光強度検出器の光強度の差を検出し、制御器５９によりＰＩＤ制御による計算の後、温度調節器６０の制御電流にフィードバックを行うことにより、波長変換器の帯域を安定に保つことができる。

実施例３では、第二高調波発生を用いて説明したが、２つの光源からの出力をそれぞれ第１および第２の基本波光として用いた和周波発生の場合も同様である。

１０，３０，５０ 波長変換装置
１１，３１，５１ 波長変換器
１２，３２，５２ 第１の光分岐カプラ
１３，３３，５３ 第２の光分岐カプラ
１４，３４，５４ 第１の波長分離フィルタ
１５，３５，５５ 第２の波長分離フィルタ
１６，３６，５６ 第１の光強度検出器
１７，３７，５７ 第２の光強度検出器
１８，３８，５８ 差分器
１９，３９，５９ 制御器（ＰＩＤ）
２０，４０，６０ 温度調節器（ＴＥＣ）
２１，４１ 励起光光源
２２，４２，６２ ＰＰＬＮ導波路
２３，４３ ダイクロイックミラー型合波器
２４，４４，６４ ダイクロイックミラー型分波器
４５ 第１の制御光光源
４６ 第２の制御光光源
６１ 基本波光光源

Claims (8)

1. 非線形光学媒質を用いた波長変換器と、前記波長変換器の温度を制御する制御器とを含む波長変換装置において、
   前記波長変換器の出力光の一部を分岐する第１の光分岐カプラと、
   前記出力光の一部から前記波長変換器においてパラメトリック蛍光により発生した２つの光を分離して、それぞれを出力する第１および第２の波長分離フィルタとを備え、
   前記制御器は、前記２つの光の光強度の差分に基づいて、前記波長変換器の温度を制御することを特徴とする波長変換装置。
2. 前記２つの光の光強度のそれぞれを検出する第１および第２の光強度検出器をさらに備え、
   前記制御器は、前記第１および第２の光強度検出器により検出された光強度が等しくなる温度を基準温度とし、前記波長変換器の温度が前記基準温度となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
3. 前記波長変換器には、信号光として波長多重信号が入力され、励起光の波長の２倍の波長を基本波波長としたとき、前記２つの光の波長として、前記基本波波長またはごく近傍の波長と、前記基本波波長を基準として差周波発生より生成された前記波長多重信号の変換光の変換帯域の端部の波長とが選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換装置。
4. 非線形光学媒質を用いた波長変換器と、前記波長変換器の温度を制御する制御器とを含む波長変換装置において、
   前記波長変換器に信号光として入力される波長多重信号に合波する２つの制御光をそれぞれ出力する第１および第２の制御光光源と、
   前記波長変換器の出力光の一部を分岐する第１の光分岐カプラと、
   前記出力光の一部から、励起光の波長の２倍の波長を基本波波長としたとき、前記基本波波長またはごく近傍の波長の光と、前記基本波波長を基準として差周波発生より生成された前記波長多重信号の変換光の変換帯域の端部の波長の光とを分離して、それぞれを出力する第１および第２の波長分離フィルタとを備え、
   前記制御器は、前記第１および第２の波長分離フィルタから出力された２つの光の光強度の差分に基づいて、前記波長変換器の温度を制御することを特徴とする波長変換装置。
5. 前記第１および第２の制御光光源の波長（ω_i1、ω_i2）は、前記第１および第２の波長分離フィルタの透過波長と一致しているか、または、前記第１および第２の波長分離フィルタの透過波長に対応した光周波数をそれぞれω₁、ω₂としたとき、前記励起光の光周波数２ω₀に対して以下の式
   ω_i1＝２ω₀−ω₁
   ω_i2＝２ω₀−ω₂
   を満たしていることを特徴とする請求項４に記載の波長変換装置。
6. 非線形光学媒質を用いた波長変換器と、前記波長変換器の温度を制御する制御器とを含む波長変換装置において、
   前記波長変換器に基本波光を出力する基本波光光源と、
   前記波長変換器の出力光の一部を分岐する第１の光分岐カプラと、
   前記出力光の一部から前記波長変換器においてパラメトリック蛍光により発生した２つの光を分離して、それぞれを出力する第１および第２の波長分離フィルタとを備え、
   前記制御器は、前記２つの光の光強度の差分に基づいて、前記波長変換器の温度を制御することを特徴とする波長変換装置。
7. 前記２つの光の波長は、前記基本波光から第二高調波発生により生成された変換光から発生したパラメトリック蛍光の波長であることを特徴とする請求項６に記載の波長変換装置。
8. 前記非線形光学媒質は、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）、または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の波長変換装置。

Images