JP3272250B2 - 波長変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光情報処理、光通
信システム等において用いられる波長変換装置に関し、
特に入射光の周波数の差の周波数の光を発生する波長変
換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信技術の一種である波長多重（Wave
length division multiplexing：ＷＤＭ）ネットワーク
において、波長多重／分離を行う例えば光交換装置等の
キーデバイスとして波長変換素子を利用するものが知ら
れている。従来、この種の波長変換として、半導体光増
幅器を用いるもの、四光波混合を利用するもの、過飽和
吸収領域を備えた半導体レーザを利用するもの等が提案
されていた。

【０００３】しかし、これらの技術では光通信システム
を構築する上で求められる、高効率、高速、広帯域、低
ノイズ、偏波無依存という条件をクリヤーできない。

【０００４】そこで、本発明の発明者らは、光導波路を
利用して２次の非線形光学効果の一種である疑似位相整
合（Quasi-Phase matching：ＱＰＭ）による差周波発生
（difference frequency generation ：ＤＦＧ）を使う
ことを考えた。

【０００５】本発明の発明者らは、例えば先の特許出願
（特願平6-175265）、あるいは論文 ［１］C.Q.Xu, et.al., Applied Physics Letter 63，1
170（1993） ［２］徐長青, 他 信学技報ＯＣＳ９５−３，P.17（19
95） 等において、このような波長変換を用いた波長変換装置
を開示している。

【０００６】これらの文献に示されている波長変換素子
はＬｉＮｂＯ₃ に周期的分極反転構造が形成され、ここ
を基本波光が伝播するように光導波路が形成されている
ものである。この様な波長変換素子では、例えば光差周
波発生（ＤＦＧ）により波長が１．５３μｍの光から
１．５５μｍの光へと光交換を実現している。ここで提
案されている方式によれば、超高速、高帯域（１４０ｎ
ｍ以上）、低ノイズ（量子雑音以内）、多チャンネル間
の交換が可能、高変換効率（４ｍＷのポンプ光を使って
−３０ｄＢ）という特性が得られている。偏波無依存に
ついての課題が残されているが、ＤＦＧによる波長変換
技術を光通信システムに取り込むことの有効性が示され
た。

【０００７】また、この他にも同様の提案が以下の文献
に開示されている。

【０００８】［３］S.J.B．Yoo, et.al., App1ied Phys
ics Letter 68,2609（1996） この文献に示されている波長変換素子では、ＧａＡｓ基
板を用い、結晶の直接接着法でもう一つのＧａＡｓ基板
を面方位が反対の方向となるようにはりつけ、フォトリ
ソグラフィーにより周期的にＧａＡｓ結晶を取り除いて
作成したグレーティング（乃至周期構造）上に有機金属
気相成長法で周期的分極反転構造を形成している。これ
は、両方位を反対の方向に形成することで分極の方向も
反対の方向となるので、面方位が逆方向になるように２
枚のＧａＡｓ結晶基板を直接接着法を応用して接着し
て、更にフォトリソグラフィー、エッチング、再成長を
経て形成できた素子である。この素子を用いて、超高
速、高帯域、低ノイズ、多チャンネル間の交換が可能、
高変換効率という特性に加えて、用いられる光の偏光方
向の依存性もない波長変換素子を形成することに成功し
ている。

【０００９】文献［１］［２］［３］によるいずれの提
案も光通信システムにおいて交換機能の部分に波長変換
技術（光差周波発生技術）を導入しようとするものであ
る。このように光差周波発生技術を導入することにより
既に説明してきたように、電子素子では実現できない超
高速、高帯域、低ノイズ、多チャンネル間の交換が可
能、高変換効率という利点が生ずる。

【００１０】ここで、以後の説明の都合上、非線形光学
効果を利用する波長変換について従来例を引用して説明
する。

【００１１】［非線形光学効果を利用する波長変換につ
いて］２次の非線形光学効果を利用した波長変換技術に
は光第２高調波発生（ＳＨＧ）、光和周波発生（ＳＦ
Ｇ）、ＤＦＧがある。このうちで光導波路を使う素子が
使われた例として代表的な例に以下の文献に開示された
ものがある。

【００１２】［４］K. Yamamoto, et.al., App1ied Phy
sics Letter 58,1227（1991） ［５］F．Laurell，et.al., Applied Physics Letter 6
2,1872（1993） 文献［４］には、光導波路を用いて、チェレンコフ放射
スキームにより位相整合を実現し、ＳＨＧ、ＳＦＧによ
り波長変換を行った例が報告されている。この例では半
導体レーザの波長の不安定性はチェレンコフ放射角の変
化で吸収できるので位相整合は常に実現できる。そのか
わり、変換された光の放射方向は常に変化することにな
る。また、変換光が通常のレンズでは集光できない光で
あり、実用的な技術ではない。

【００１３】文献［５］では、上述の文献［４］の例と
同様に光導波路を用いて波長変換を実現している。ただ
し、文献［４］の例とは異なり疑似位相整合により位相
整合を実現しているので、変換光の放射方向が変化する
ことはないが、光導波路の位置合わせ等の応用上の困難
がある。また、疑似位相整合で位相整合を実現するには
周期的な分極反転構造を結晶内に形成しなければなら
ず、これを形成するのが技術的に難しい。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述のいずれの光変換
素子もそのままでは実用的な光通信システムに用いるこ
とはできない。上述の光交換装置にＤＦＧを利用する波
長変換を適用するには、まず、変換光が通常のレンズで
集光できることが重要である。しかし、文献［３］の例
ではこの点が解決できない。通常のレンズで集光するこ
とができないと、変換光を光ファイバ等に入射させるこ
とができないため実用上使用することができない。ま
た、この文献［３］の例では非線形光学結晶に周期的な
分極反転構造等を形成しなければならないため、コスト
が増加する。さらに、光導波路を利用するため、数μｍ
程度以下の位置合わせ精度を必要とし、装置を構成する
上で障害となり、コストを増やす一因にもなる。

【００１５】また、文献［４］の例では、周期的構造を
結晶内に形成しなければならず、さらに、変換効率を高
めるため光導波路を必要とするため構造が複雑化する。

【００１６】本発明は、上述のような問題点に鑑みてな
されたものであり、構造を複雑化せずに高効率な差周波
発生を実現することができる波長変換装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】波長λ_２のシグナル光と
波長λ_３のポンプ光とから差周波光である波長λ_１（１
／λ_１＝１／λ_３−１／λ_２である。）のアイドラー光
を生成する波長変換装置において、円錐対称軸を持ち、
この円錐対称軸に平行に入射する前記シグナル光及び前
記ポンプ光をベッセル光束として集光する円錐状レンズ
と、前記円錐状レンズによりベッセル光束として集光さ
れた前記シグナル光と前記ポンプ光の周波数の差の周波
数を有するアイドラー光を発生する非線形光学素子とを
有し、前記非線形光学素子が１軸性又は２軸性の異方性
結晶であり、前記円錐状レンズの円錐対称軸に直交する
方向であって、前記非線形光学素子に固有の方向をＺ方
向とし、Ｚ方向は、非線形光学定数が最大となる偏光方
向であり、前記シグナル光、前記ポンプ光、及び前記ア
イドラー光がいずれも前記非線形光学素子の光学主軸に
対してＺ方向に偏光しており、前記アイドラー光に対す
る前記非線形光学素子の屈折率をｎ（λ_１）とし、前記
シグナル光に対する前記非線形光学素子の屈折率をｎ
（λ_２）とし、前記ポンプ光に対する前記非線形光学素
子の屈折率をｎ（λ_３）とし、前記シグナル光の前記非
線形光学素子内における進行方向の前記円錐対称軸に対
する角度をθ_２とし、前記ポンプ光の前記非線形光学素
子内における進行方向の前記円錐対称軸に対する角度を
θ_３としたときに、次式の位相整合条件

【数２】 を満たすように構成したことを特徴としている。

【００１８】

【００１９】

【発明の実施の形態】

第１の実施形態 図１は、本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の
構成を示すブロック図である。同図中に示すように、こ
の波長変換装置は、波長の異なる２つの入射光（シグナ
ル光、ポンプ光）の周波数の差の周波数を有する光（ア
イドラー光）を発生する非線型光学結晶１と、入射され
た２つの光を集光して非線型光学結晶１に入射させるア
キシコンレンズ２と、各々異なった方向から供給される
入射光を合成するための半透鏡３とを備えている。

【００２０】非線型光学素子１には、各々波長の異なる
光（シグナル光とポンプ光）を後述のベッセル光束（光
軸に垂直な方向の光強度分布がベッセル分布となってい
る光束）の形で入射させて、これらの差周波（Differen
ce Frequency：ＤＦ）光であるアイドラー光を得るよう
になっている。この非線型光学素子１は、後述するＤＦ
Ｇのための位相整合条件を満たすように設計されてい
る。

【００２１】また、アキシコンレンズ２は、円錐状のレ
ンズであり、入射光束を集光させて、ベッセル光束を形
成する。アキシコンレンズ２に入射される光束は一般に
ガウシアン光束（光軸に垂直な方向の光強度分布がガウ
ス分布となっている光束）となっている。

【００２２】ガウシアン光束を基にしてアキシコンレン
ズ等の光学部品でベッセル光束を作り出すと通常以下の
式で示されるガウス関数とベッセル関数の積の形で書か
れる光束になる。通常は非回折光束としてこのような光
束が使われる。

【００２３】ここで、以下の説明で必要になる物理量の
定義を行っておく。光波の波数をｋ_j で表す。すなわ
ち、光の波長をλ_i として、ｋ_i ＝（２π／λ_i ）ｎ
（λ_i ）でありｉ＝１をアイドラー光、ｉ＝２をシグナ
ル光、ｉ＝３をポンプ光に対応させる。ｎ（λ_i ）は非
線形光学結晶の屈折率を意味し、波長の関数として与え
られたものである。

【００２４】例えばシグナル光が、

【数１】 であり、ポンプ光が、

【数２】 で表せるとする。ξ₂ 、ξ₃ はそれぞれシグナル光、ポ
ンプ光の入射パワーで決まる定数、σ₂ 、σ₃ はガウス
光束の形状を決めている定数である。θ₂ 、θ₃はそれ
ぞれ図１に表されている角度である。そうすると差周波
光として発生するアイドラー光（変換光ともいう）の振
幅は、

【数３】 で与えられる。ここにｄ_eff は実効的な非線形光学定
数、ε₀ 、μ₀ はそれぞれ真空中の誘電率、透磁率、ｌ
は非線形光学結晶長である。また、ω₁ はアイドラー光
の周波数で、真空中の光速をｃとして、ω₁ ＝（２πｃ
／λ₁ ）ｎ（λ₁ ）である、従って（３）式は、

【数４】 と変形される。（３）式において、位相整合条件が満足
されていれば、すなわち、

【数５】 であれば、アイドラー光の強度Ｉ₁ は、

【数６】 となる。

【００２５】（５）式から光学軸上（r＝0）でのアイド
ラー光の強度は、

【数７】 となる。

【００２６】ここで、シグナル光とポンプ光にガウシア
ン光束を用いた場合、この強度はどのようになるかを説
明する。入射パワーはどちらの光も等しく、シグナル光
のパワーをＰ₂ ポンプ光のパワーをＰ₃ とすると、規格
化定数ξ₂ 、ξ₃ はベッセル光束の場合は、それぞれ、

【数８】 となり、一方、ガウス光束の場合は、

【数９】 となる。

【００２７】分母の積分の被積分関数はｒ≠０で以下の
関係にある。

【００２８】

【数１０】 従って、（８）式の分母の積分値のほうが（７）式の分
母の積分値より大きい。このため、

【数１１】 である。一方、シグナル光およびポンプ光にガウス光束
を用いた場合のアイドラー光の強度Ｉ'₁（０）は、

【数１２】 であるから、

【数１３】 であることがわかる。

【００２９】すなわち、ベッセル光束を用いることで変
換光であるアイドラー光の強度がガウス光束を用いた場
合より大きくなる。従って本発明の目的である、高効率
なＤＦＧがベッセル光束を用いることで実現することに
なる。

【００３０】次に、位相整合条件を満たすための条件に
ついて説明する。（４）式の位相不整合が０である条件
は、

【数１４】 となる。

【００３１】非線形結晶の主軸Ｘ、Ｙ、Ｚに対する屈折
率の波長依存性ｎ（λ）は、例えばＫＴＰ（ＬｉＴｉＯ
ＰＯ₄ ）について次式に示すような実験式が与えられて
いる。

【００３２】

【数１５】 この式（２５）の両辺の平方根を求めることによりｎ
（λ）が求められる。具体的には、このような実験式を
実際に用いる結晶について求める。

【００３３】ここで、座標ｘｙｚ軸（図１中の座標）を
屈折率楕円体の主軸方向にとり、位相整合条件を満たす
シグナル光、ポンプ光、アイドラー光の伝播方向がｘｙ
平面上でｘ軸からθの角をなし、ｚ軸とφの角をなすも
のとする。これらの光の方向余弦は、

【数１６】 とし、この方向に進むシグナル光、ポンプ光、アイドラ
ー光に対する屈折率を、それぞれｎ_s 、ｎ_p 、ｎ_i であ
るとすると、これらは次式（屈折率楕円体）で与えられ
る。

【００３４】

【数１７】 ここで、添字ｘ、ｙ、ｚは、結晶固有の屈折率のｘ、
ｙ、ｚ成分（主軸成分）であることを示している。ま
た、ｎ_x,p、ｎ_y,p、ｎ_x,p はそれぞれポンプ光波長の
ｘ、ｙ、ｚ偏向成分に対する屈折率であり、ｎ_x,s、ｎ
_x,iはそれぞれシグナル光、アイドラー光波長のｘ偏向
成分に対する屈折率である。

【００３５】これらの（１３−２）式及び（１３−３）
式からｎ_p 、ｎ_s 、ｎ_i を求め、これらをそれぞれｎ
（λ）、ｎ（λ）、ｎ（λ）として上述の（１３）式に
代入し、（１３）式を満たすθ、φを求める。このよう
にして、非線型光学結晶１に対するシグナル光及びポン
プ光を入射させる方向θ、φを求める。

【００３６】例えば（１３−３）式からｎ_p を求めると
次式のようになる。

【００３７】

【数１８】 ここで、以下のＢ_p 、Ｃ_p を代入すると、

【数１９】 となる。他のｎ_s 、ｎ_i についても同様に求めることが
できる。ここで、解が２つ存在するのは、複屈折を意味
している。

【００３８】ところで、上述の（１３）式と、エネルギ
ー保存則

【数２０】 とを連立させると、

【数２１】 となる。従って、この（１５）式を満たすようにシグナ
ル光およびポンプ光の波長を選べばよいことがわかる。

【００３９】ＤＦＧを実現するには、上述の図１に示す
ように、ポンプ光とシグナル光とを同時に非線形光学結
晶に入射させなければならない。

【００４０】従来の光導波路型の波長変換素子を使う場
合、ポンプ光とシグナル光という通常は波長が２倍程度
違う光をレンズで集光して光導波路に入射させる必要が
ある。しかしながら、レンズの焦点距離は波長に依存す
るのでこれらの光を共に同一の光導波路の入射端面に集
光することは原理的に無理である。すなわち、ポンプ光
とシグナル光を同時に光導波路に効率よく入射させるこ
とは原理的に困難なことである。

【００４１】この実施形態に係る波長変換装置では、上
述したように位相整合条件を満たしていればよく、波長
変換素子（図１中の非線型光学素子１）に光導波路を必
要としていないので、このような問題が生ずることがな
い。上述の（１５）式で表される位相整合条件はシグナ
ル光、ポンプ光、アイドラー光の偏彼方向を適切に選択
すれば満たされることは、ガウス光束を用いた波長変換
の場合と同様である。ただし、余弦関数ｃｏｓの項があ
るのでそれだけ整合条件にゆとりがあり、ガウス光束で
は実現できなかった波長の光の変換も可能になる。換言
するとより大きな非線形光学定数を利用できる可能性、
すなわち、上述の（３）式中のｄ_eff にガウス光束では
利用できなかった大きな値を持つ成分を利用できる可能
性がある。波長変換装置（素子）における変換効率はｄ
_eff の二乗に比例するため、ｄ_{ef f} の値を大きくするこ
とにより変換効率をさらに向上させることができる。

【００４２】第２の実施形態 本発明の第２の実施形態に係る波長変換装置は、上述の
図１に示す第１の実施形態と同様に構成されている。こ
の第２の実施形態の波長変換装置は、波長変換装置の変
換効率をより高めるために非線型光学結晶１等に特徴を
有する。

【００４３】この波長変換装置では、非線型光学結晶１
が１軸性又は２軸性の異方性結晶から構成されており、
シグナル光、ポンプ光、アイドラー光のいずれもこの非
線形光学結品の光学主軸に対してＺ方向に偏光してお
り、上述した位相整合条件が上記偏光に対して満たされ
た状態で、上記アキシコンレンズによりベッセル光束が
形成されるようになっている。

【００４４】以下、混乱を避けるために結晶主軸を表す
Ｘ、Ｙ、Ｚを全て大文字で表し、光の伝播方向を示す座
標をｚと小文字で表す。

【００４５】上述のベッセル光束は、シグナル光に対し
て

【数２２】 ポンプ光に対して、

【数２３】 の形で表現される光束であって、θ₂ 、θ₃ がＤＦＧの
位相整合条件、すなわち上述の（１３）式を満たすよう
に設定されている。このようなベッセル光束はアキシコ
ンレンズによって形成することができる。

【００４６】また、（１６）式及び（１７式）中のξ
₂ 、ξ₃ はそれぞれシグナル光、ポンプ光の入射パワー
で決まる定数、上述の（１３）式中のｎ（λ）は波長λ
の関数として表した非線形光学結晶の屈折率、λ₁ はア
イドラー光の波長である。

【００４７】一方、シグナル光、ポンプ光、アイドラー
光の波長の間にはエネルギー保存の条件から、上述の
（１４）式の関係がある。

【００４８】また、上述の非線形光学結晶１は１軸性か
または２軸性の異方性結晶であって、ポンプ光、シグナ
ル光、アイドラー光のいずれもこの非線形光学結晶の光
学主軸に対してＺ方向に偏光しており、位相整合条件が
これらの偏光に対してみたされるようにアキシコンレン
ズ２の底角が設定されている。

【００４９】このアキシコンレンズ２は、底角δが次式
を満たすように設定されている。

【００５０】

【数２４】

【数２５】 （１８）式及び（１９）式において、Ｎ（λ）はアキシ
コンレンズを構成しているガラスの屈折率である。

【００５１】ここで、動作の説明をする前に実効的な非
線形光学定数ｄ_eff について説明する。一般に非線形光
学定数のテンソル成分ｄ_jm（ｊ＝１、２、３、ｍ＝１、
２、３、４、５、６でありｄ_ijk を縮約したものであ
る。ここでｊ＝１、２、３の１、２、３の意味はそれぞ
れＸ、Ｙ、Ｚに対応する．当業者にとってこのような表
記法は周知である。）のうち最大のものはｄ₃₃である。

【００５２】例えばＫＴＰの場合、 ｄ₃₁＝６．５×１０^-12 ｍ／Ｖ、 ｄ₃₂＝５．０×１０^-12 ｍ／Ｖ、 ｄ₃₃＝１３．７×１０^-12 ｍ／Ｖ、 ｄ₂₄＝７．６×１０^-12 ｍ／Ｖ、 ｄ₁₅＝６．１×１０^-12 ｍ／Ｖ、 である。ｄ₃₃は他の成分に比べて２倍程大きい。従っ
て、ｄ₃₃を有効に使えれば変換効率が高くできることに
なる。これはＫＴＰに限らずニオブ酸リチウム（ＬｉＮ
ｂＯ₃ ）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃ ）等でも
同様である。

【００５３】ＤＦＧの基になる非線形分極ｐ⁽²⁾ のｄ₃₃
に関係する部分は、

【数２６】 で与えられる。

【００５４】従って、ｄ₃₃を有効に使ったＤＦＧを実現
するには、シグナル光、ポンプ光、アイドラー光の全て
がＺ方向偏光成分を使えばよいことになる。この場合、 ｄ_eff＝ｄ₃₃ （２１） である。

【００５５】このようにシグナル光、ポンプ光、アイド
ラー光の全てがＺ方向偏光成分となるようにするために
は、位相整合条件を与える（１５）式において屈折率波
長分散を与える関数ｎ（λ）についてすべてＺ方向偏光
成分に対するものを使えばよいことになる。

【００５６】しかし、従来のガウス光束を用いた場合
は、位相整合条件を与える（１５）式で

【数２７】 とした場合に相当し、この条件下で上述の（１３）式を
満足するようにシグナル光、ポンプ光、アイドラー光の
波長を決めることはできない。すなわち、（１３）式を
満たす解が存在しないので、ガウス光束を用いたのでは
上述のようにｄ₃₃を有効に使ったＤＦＧは実現しない。

【００５７】そこでベッセル光束を利用するとθ₁ 、θ
₂ という新たなる自由度が加わるので、（１４）式を満
たす解が存在する可能性がある．このような解が存在す
ると、ｄ₃₃を有効に使ったＤＦＧが実現し、従来のガウ
ス光束を用いたのでは実現しなかった高効率変換を実現
できることになる．以下でこのような解の存在を検討す
る。

【００５８】非線形光学結晶がｌ軸性又は２軸性の異方
性結晶であって、シグナル光、ポンプ光、アイドラー光
のいずれもこの非線形光学結晶の光学主軸に対してＺ方
向に偏光しており、位相整合条件が上記偏光に対して満
たされるようにベッセル光束が生成できるように上述の
アキシコンレンズ２が形成されているとする。この場
合、上記ベッセル光束は、シグナル光に対して上述の
（１６）式、ポンプ光に対して（１７）式で表される光
束であって、θ₂、θ₃がＤＦＧの位相整合条件を満たす
ように上述の（１３）式及び（１４）式で表されるよう
に設定されていれば、アイドラー光の強度Ｉ₁ は上述の
（５）式で与えられることを既に説明した。

【００５９】この（５）式においてξ₂ 、ξ₃ はそれぞ
れシグナル光、ポンプ光の入射パワーで決まる定数、ｎ
（λ）は波長λの関数として表した非線形光学結晶の屈
折率、λ₁ はアイドラー光の波長である。

【００６０】ここで、シグナル光、ポンプ光、アイドラ
ー光に対する非線形光学結晶の屈折率ｎ（λ₂ ）、ｎ
（λ₃ ）、ｎ（λ_l ）を全て非線形光学結晶の光学主軸
に対するＺ方向の偏光に対するものを取ることにする。

【００６１】例えばｘ軸方向に伝播する光を考えると、
上述の（１３−２）式に対応するこの光の方向余弦は、
（γ_x ，γ_y ，γ_z ）＝（１，０，０）であるため、こ
れを上述の（１３−４）式に代入すると、 ｎ_p ＝ｎ_z,p 又はｎ_p ＝ｎ_y,p （２２−２） となる。同様にｙ軸方向に伝播する光を考えると、この
光の方向余弦が（γ_x ，γ_y ，γ_z ）＝（０，１，０）
であるため、これを上述の（１３−４）式に代入する
と、 ｎ_p ＝ｎ_z,p 又はｎ_p ＝ｎ_x,p （２２−３） となる。いずれにしてもｎ_p ＝ｎ_z,p とすることができ
る。

【００６２】あるいは、上述の（１３−３）式に示す屈
折率楕円体の方程式を γ_x(ｎ_p ^-2−ｎ_y、p ^-2)(ｎ_p ^-2−ｎ_z、p ^-2) ＋ γ_y(ｎ_p ^-2−ｎ_x,p ^-2) ×(ｎ_p ^-2−ｎ_z、p ^-2) ＋ γ_z(ｎ_p ^-2−ｎ_x、p ^-2)(ｎ_p ^-2−ｎ_y、p ^-2) ＝０ （２２−４） と変形し、γ_x＝１，γ_y＝０，γ_z＝０ を代入すると γ_x(ｎ_p ^-2−ｎ_y、p ^-2)(ｎ_p ^-2−ｎ_z、p ^-2)＝０ （２２−５） であるため、ｎ_p＝ｎ_y、p又はｎ_p＝ｎ_z、pとなることが明
らかである。（γ_x ，γ_y ，γ_z ）＝（０，１，０）の
ときも同様である。

【００６３】従って、この実施形態では、ｚ軸に垂直に
進む光を入射光とすれば、目的（変換効率の向上）を果
たすことができる。以上の説明は、ポンプ光のみならず
信号光、アイドラー光についても同様に成立することは
明らかである。

【００６４】以上の設定で位相整合条件を検討するにあ
たり、図２を用いて角度について定義する。この図２の
ように角度を定義すると、アキシコンレンズを用いてベ
ッセル光束を形成するとすると図２に示すようにように
アキシコンレンズに入射する平面波光束の光線が進むの
で、

【数２８】

【数２９】 という関係がある。これらの（２３）式及び（２４）式
でθ₂、θ₃を消去すると上述の（１８）式及び（１９）
式となる。

【００６５】ここで、（１３）式、（２３）式及び（２
４）式を連立させてθ₂、θ₃について解けば、この実施
形態の目的、すなわち、波長変換の高効率化が達成され
る。ここに、Ｎ（λ）はアキシコンレンズの材料のガラ
スの屈折率分散である。

【００６６】一例として、ＫＴＰについて説明する。Ｋ
ＴＰでは、屈折率の波長分散は、

【数３０】 で与えられる。

【００６７】一方、アキシコンレンズの材料のガラスの
屈折率分散Ｎ（λ）をＨＯＹＡ（商標）ガラスのＮ５と
いうガラス材料を用いることを仮定して以下の（２６）
式で与えられるとする。Ｎ５ガラスはモールド処理に適
した材質であるのでアキシコンレンズを作るには都合の
良いものである。

【００６８】

【数３１】 （２６）ここで、 Ａ₁ ＝５．１１２０１３７１×１０^-2 Ｂ₁ ＝３．４６５２５７７２×１０^-2 Ａ₂ ＝１．２６６２８２４２ Ｂ₂ ＝８．７７１６３４２９×１０^-3 Ａ₃ ＝３．３７５９９９２９×１０^-1 Ｂ₃ ＝４．０３４４６５２９×１０¹ である。

【００６９】図３に一例として、シグナル光を波長（λ
₂ ）をｌ．５５μｍ、ポンプ光の波長（λ₃ ）を０．７
７μｍとした場合を示す。この場合は、上述の（１４）
式からアイドラー光の波長（λ₁ ）は１．５３μｍとな
る。図３に、シグナル光の波長が１．３μｍから１．６
μｍの間である場合について位相整合条件が満足される
角度について示した。この図に示すような角度を満たす
ように光学系（アキシコンレンズ等）を設計すれば、実
効的な非線形光学定数ｄ_eff として、ｄ₃₃を有効に使っ
た差周波数発生（ＤＦＧ）、すなわち波長変換効率を向
上させたことになる。

【００７０】一般に非線形光学定数のテンソルの対角成
分は他の成分より大きいのでこの対角成分を実効的な非
線形光学定数ｄ_eff として利用できれば、光学軸上（ｒ
＝０）でのアイドラー光の強度は上述の（６）式で表さ
れる。従って、この第２の実施形態に係る波長変換装置
では、変換効率をさらに向上させ、より大きな変換光
（アイドラー光）を得ることができる。

【００７１】ところで、第ｌ及び第２の発明のいずれに
しても発生するアイドラー光は上述の（３）式で与えら
れる。この式の主要部分を書き出すと

【数３２】 という形をしている．これはｚ方向に進む平面波を表し
ている。また、

【数３３】 であるから、（３）式で与えられる光束の半径は近似的
に次式

【数３４】 を解いて、

【数３５】 となる。一例として、シグナル光の波長（λ₂ ）を１．
５５μｍ、ポンプ光の波長（λ₃ ）を０．７７μｍとし
た場合を示す．図３からわかるように、θ₂ ＝１３．２
°、θ₃ ＝１３．５°程度であることがわかるから、
（３０）式からｒ＝０．５６μｍ程度となり、光ファイ
バーにそのまま挿入できる程度の細い光束になっている
ことがわかる。

【００７２】以上説明したように、各実施形態に係る波
長変換装置によれば、高効率の差周波発生が実現でき、
さらに発生するアイドラー光（変換光）を分に細い平行
光とすることができる。従って、光ファイバー等の光導
波路との結合が容易となり、当該波長変換装置の応用が
容易となる。

【００７３】上述の第１及び第２の実施形態において説
明した波長変換素子は、例えば図４に示すような構成の
光スイッチ装置において、分離された各々の光の波長を
変換する波長変換部として用いることができる。

【００７４】光多重通信においてＷＤＭ交換を行う場合
には、異なる波長間のスイッチングが必要となる。例え
ば、波長λ１の光で形成されているチャンネルが混雑し
ている場合、図４に示すようなスイッチ構成により、空
いているチャンネル（波長λ２で構成される）にスイッ
チングできれば、一時待機等の手段を講ずることなく、
そのまま問題なく通話（交信）できることになる。

【００７５】この様な構成を実現するために、まず光分
岐素子１１と波長選択素子５１とによって、波長λ１の
光を分離選択し、波長変換素子に導く。次に、波長変換
素子によって、波長λ２の光に変換して、更に波長選択
素子５２によって波長λ２の光だけを取り出し、それを
合波素子１２を通して送り出す。この様な構成が実現す
れば、送信の相手先のチャンネルが何らかの理由で使用
できない状態となっていても、一時待機等の手段を講ず
ることなくスムーズな交信が可能となり、通信効率を高
めることができる。波長変換素子としては、本発明の波
長変換装置を利用したシステムが考えられる。いずれに
しても、変換効率が高く、低雑音、高速動作可能等の性
質を持つことが必須である。

【００７６】以上、主に差周波数発生（ＤＦＧ）につい
て説明したが、変換光を得るためには入射光の和周波数
発生（ＳＦＧ）によることも可能である。この場合は、
ポンプ光としての半導体レーザの発振波長を１．５５μ
ｍ近傍に設定し、これに関係して位相整合条件を変更す
ればよい。またＤＦＧ、ＳＦＧ以外にも光パラメトリッ
ク発振・増幅等が２次の非線形光学効果として、本発明
の変換光を得るために利用可能であり、また３次以上の
高次の非線形光学効果を利用することも原理的に可能
で、特に四光波混合による波長変換にも利用できる、も
ちろんこれらの異なる光学効果を利用する際には、上述
の波長変換装置の細部に適宜、変更することができる。

【００７７】なお、上述の説明では、本発明に係る光周
波数発生装置を光交換システムに適用する場合について
説明したが、本発明の適用対象は光の波長変換を行う装
置であれば特に限定されない。

【００７８】

【発明の効果】本発明に係る波長変換装置は、集光手段
によりベッセル光束として集光したシグナル光とポンプ
光を非線形光学素子に入射させることにより、周期的構
造や光導波路を非線形光学素子内に形成せずとも十分に
効率の高い差周波数発生を行うことができる。

【００７９】また、非線形光学素子を１軸性又は２軸性
の異方性結晶から構成し、シグナル光、ポンプ光及びア
イドラー光の偏向方向をいずれも非線形光学素子の光学
主軸に対してＺ方向とし、非線型光学素子が、シグナル
光、ポンプ光及びアイドラー光に対して位相整合条件が
満たされた状態でシグナル光、ポンプ光をベッセル光束
として集光させることにより、波長変換効率をさらに向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置
の構成を示すブロック図である。

【図２】 本発明の第２の実施形態に係る波長変換装置
の動作を説明するための図である。

【図３】 上記波長変換装置の動作特性を示す図であ
る。

【図４】 本発明に係る波長変換装置を用いた光交換器
の構成例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ 非線形光学結晶、２ アキシコンレンズ、３ 半透
鏡

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−191386（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−271942（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−98226（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−130686（ＪＰ，Ａ) Ｌ．Ｃ．Ｌａｙｃｏｃｋ ａｎｄ Ｓ．Ｃ．Ｗｅｂｓｔｅｒ，ＧＥＣ Ｊｏ ｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ, Ｖｏｌ．10，Ｎｏ．１（1992），ｐｐ. 36−51 Ｒ．Ｔａｎｕｍａ ａｎｄ Ｔ．Ｋａ ｓａｉ，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎ ａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓ ｉｃｓ，Ｖｏｌ．28，Ｎｏ．８ （1989），ｐｐ．1521−1522 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/37 H01S 3/108 - 3/109 ＩＮＳＰＥＣ（ＤＩＡＬＯＧ) ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 波長λ_２のシグナル光と波長λ_３のポン
   プ光とから差周波光である波長λ_１（１／λ_１＝１／λ
   _３−１／λ_２である。）のアイドラー光を生成する波長
   変換装置において、 円錐対称軸を持ち、この円錐対称軸に平行に入射する前
   記シグナル光及び前記ポンプ光をベッセル光束として集
   光する円錐状レンズと、 前記円錐状レンズによりベッセル光束として集光された
   前記シグナル光と前記ポンプ光の周波数の差の周波数を
   有するアイドラー光を発生する非線形光学素子と を有し、 前記非線形光学素子が１軸性又は２軸性の異方性結晶で
   あり、 前記円錐状レンズの円錐対称軸に直交する方向であっ
   て、前記非線形光学素子に固有の方向をＺ方向とし、Ｚ方向は、非線形光学定数が最大となる偏光方向であ
   り、 前記シグナル光、前記ポンプ光、及び前記アイドラー光
   がいずれも前記非線形光学素子の光学主軸に対してＺ方
   向に偏光しており、 前記アイドラー光に対する前記非線形光学素子の屈折率
   をｎ（λ_１）とし、 前記シグナル光に対する前記非線形光学素子の屈折率を
   ｎ（λ_２）とし、 前記ポンプ光に対する前記非線形光学素子の屈折率をｎ
   （λ_３）とし、 前記シグナル光の前記非線形光学素子内における進行方
   向の前記円錐対称軸に対する角度をθ_２とし、 前記ポンプ光の前記非線形光学素子内における進行方向
   の前記円錐対称軸に対する角度をθ_３としたときに、 次式の位相整合条件 【数１】 を満たすように構成したことを特徴とする波長変換装
   置。