JP3548472B2 - 光波長変換装置 - Google Patents
光波長変換装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3548472B2 JP3548472B2 JP32966399A JP32966399A JP3548472B2 JP 3548472 B2 JP3548472 B2 JP 3548472B2 JP 32966399 A JP32966399 A JP 32966399A JP 32966399 A JP32966399 A JP 32966399A JP 3548472 B2 JP3548472 B2 JP 3548472B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- control light
- light
- waveguide
- polarization
- signal light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光波長変換装置に関し、特に、光通信、光情報処理の分野において、信号光の波長を別の波長に変換する光駆動型の光波長変換装置に適用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、二次元非線形光学効果を有する非線形光学媒質で構成された光導波路中で生じる差周波発生効果を利用した光波長変換装置が知られている。図4は、この種の光波長変換装置を示すものであり、情報を持った信号光の波長を制御光によって別の波長へと変換する。
【0003】
以下、差周波発生効果を利用した光波長変換装置の場合について説明する。図4に示すように、従来の差周波発生効果を利用した光波長変換装置は、信号光Aを入力する信号光入力導波路11と、制御光Bを入力する制御光入力導波路12と、信号光Aと制御光Bとを合波する導波路光カプラ13と、二次の非線形効果を有する非線形光導波路14と、制御光Bと差周波光Cとを分散する分波器15とで構成されている。
【0004】
前記信号光入力導波路11を伝搬する比較的小さな光強度を持つ信号光Aと制御光入力導波路12を伝搬する比較的大きな光強度を持つ制御光Bとを導波路光カプラ13で合波し、非線形光導波路14に入力する。これにより、非線形光導波路14中で信号光Aは別の波長を持つ差周波光Cへと変換され、制御光Bと共に非線形光導波路14から出力される。差周波光Cと制御光Bは分波器15により分離される。
【0005】
差周波発生過程においては、信号光Aの波長λAと、制御光Bの波長λBと、差周波光Cの波長λCの間には、数1の式の関係がある。
【0006】
【数1】1/λA+1/λC=1/λB
従って、例えば、信号光Aの波長λA=1.55μmを差周波光の波長λC=1.53μmに変換する場合、制御光Bの波長λBを0.77μmに設定すれば良い。
【0007】
また、一般に、光学結晶で作られた導波路の非線形光学効果を利用する場合、非線形定数の方位依存性と位相整合条件から制御光、信号光の偏光方向をある一定方向をそろえる必要がある場合が多い。例えば、非線形材料としてよく知られているニオブ酸リチウム(LiNbO3)を例にとると、結晶のZ軸に垂直な平面内(z面)に導波路を形成した場合、波長変換を引き起こすためには信号光と制御光の偏光をZ軸に平行(TMモード)にする必要がある。
【0008】
非線形光導波路中で非線形現象である波長変換を効率良く引き起こすためには、制御光の光導波路内での閉じ込めを強くして非線形効果を大きくするとともに、制御光と信号光の光導波路内における電界分布の重なりを良くして両光の相互作用を強める必要がある。従って、非線形光導波路中を伝搬する信号光と制御光はともに最低次モードであることが望ましい。
【0009】
しかし、信号光と制御光を最低次モードとする上で、信号光と制御光の波長が大きく異なっていることが問題となる。例えば、通信波長領域である波長1.5μm帯における波長変換を考えると、信号光が波長1.5μm帯にあるのに対し、制御光の波長は0.77μmの近傍になる。通常の導波路では、波長1.5μm帯で最低次モードのみが伝搬するように設定すると波長0.77μmでは必ず複数のモ−ド(多モ−ド)が伝搬するようになる。逆に、波長0.77μmで最低次モードを伝搬するように設定すると、波長1.5μm帯では光の閉じ込め機能がなくなり、光は伝搬できない。
【0010】
従って、非線形光導波路としては、波長1.5μm帯で最低次モ−ドを伝搬し、波長0.77μmで多モードを伝搬するものが用いられる。ただ、制御光を多モード状態で伝搬させた場合には、非線形光導波路内での閉じ込めも信号光との電界分布の重なりも悪い。従って、効率良い波長変換を達成するためには、非線形光導波路へ制御光を選択的に最低次モードとして入力させる必要がある。
【0011】
従来、制御光を最低次モードとして非線形光導波路に入力する方法として、制御光入力導波路としてテーパ状の周期的セグメント導波路を用いた入力方法が知られている。この入力方法は、例えば、0ptics Letters誌.23巻(1998年).13号.1004頁に公刊されている。
【0012】
以下、この入力方法について簡単に説明する、図5にテーパ状の周期的セグメント導波路を用いた光波長変換装置の構成を示す。図5に示すように、光波長変換装置は、信号光入力導波路21と、制御光が入力するテーパ状の周期的セグメント導波路22と、導波路光カプラ23と、非線形光導波路24と分波器25とで構成されている。制御光はテーパ状の周期的セグメント導波路22において最低次モード化され、導波路光カプラ23及び非線形光導波路24中も最低次モードとして伝搬する。このように、テーパ状の周期的セグメント導波路を制御光入力導波路として用いることにより、非線形光導波路中での制御光の最低次モード伝搬が可能となっている。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかるテーパ状の周期的セグメント導波路を用いる方法では、テーパ状の周期的セグメント導波路を精度良く作製することが難しいという問題があった。
【0014】
導波路形状の設計値からのズレがモード電界分布のずれや結合損失に直接繋がり、結果として高効率光波長変換素子の歩留まりを向上することが難しい。
【0015】
本発明の目的は、簡単な構成で歩留まりも良く、非線形光導波路中での制御光の基本モード伝搬が可能な光波長変換装置を提供することにある。
【0016】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0018】
本発明は、二次元非線形光学効果を有し、非線形定数を周期的に変調した非線形光学媒質からなる非線形光導波路と、信号光を入力する信号光入力導波路と、制御光を入力する制御光入力導波路と、前記信号光入力導波路と前記制御光入力導波路に結合し信号光と制御光を合波して前記非線形光導波路に入力する導波路光カプラと、前記非線形光導波路から出力される波長変換光とそれ以外の光とを分離する光分離手段とを具備する光波長変換装置であって、前記非線形光導波路は、前記信号光の一つの偏波について最低次モードのみを導波し、前記制御光の前記信号光の一つの偏波については多モードを導波する構成を有し、制御光入力導波路は、前記制御光の一つの偏波、前記制御光の1つの偏波と直交する別の偏波については最低次モードのみを導波し、前記別の偏波の最低次モードの制御光を位相板を用いて前記一つの偏波の最低次モードの制御光に変換する構成を有し、前記非線形光導波路に伝搬する制御光を前記偏波の最低次モードのみとする。
【0019】
また、前記制御光入力導波路がコアが亜鉛(Zn)を添加したニオブ酸リチウム(LiNbO3)からなり、クラッドがマグネシウム(Mg)を添加したニオブ酸リチウム(LiNbO3)からなり、ニオブ酸リチウムのZ軸方向に垂直な偏波方向に対する前記コア部と前記クラッド部の屈折率の差が、Z軸方向に平行な偏波方向に対する屈折率の差よりも小さくなるように、亜鉛とマグネシウムの添加量を調整する。
【0020】
以下に、本発明について、本発明による実施形態(実施例)とともに図面を参照して詳細に説明する。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明による実施形態の光波長変換装置は、二次元非線形光学効果を利用した非線形光導波路の構成材料としては、通常、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)等の光学結晶を用いられるが、これらの光学結晶は光学的異方性を有しており、これらの光学結晶で構成された光導波路の伝搬モードの状態は、伝搬する光の偏光方向によって異なる。また、光導波路を構成する光学結晶に異種の材料を添加することにより、この偏光方向ごとの伝搬モード特性を制御することが可能である。
【0022】
ここで、光導波路のコアにZnを添加したニオブ酸リチウム(LiNbO3)を用い、クラッドにマグネシウム(Mg)を添加したニオブ酸リチウム(LiNbO3)を用いた場合を例にして、この伝搬モード特性の制御について述べる。
【0023】
図1は、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)にZnまたはMgを添加した場合の添加量に対する屈折率変化を図示したものであり、何も添加されていないニオブ酸リチウム(LiNbO3)の屈折率を基準にした変化分を%表示として示している。ここで、noとneはそれぞれZ基板上に導波路を形成した場合の水平方向偏光(TEモード)に対する屈折率変化分と垂直方向偏光(TMモード)に対する屈折率変化分を示す。
【0024】
図1からわかるように、ZnまたはMgの添加による屈折率変化はnoとneで大きく異なる。例えば、コアにZn、クラッドにMgを添加することを想定すると、特に、クラッドのMgの添加量が8モル(mol)%以下の場合TMモードの屈折率変化の方がTEモードのそれを上回る。
【0025】
一方、コアのZnの添加量が10モル(mol)%以下の場合は、TEモードの屈折率変化の方が、TMモードよりも大きくなるが、添加量が10モル(mol)%に近くなると、その差は小さくなって行く。このような性質を利用してZn添加によるneとnoの差よりもMg添加による差が大きくなるように、各添加量を調整すると、TMモードにおいては波長の長い信号光を閉じこめるのに十分なコア・クラッド間の屈折率差を確保しつつ、波長の短い励起光の入射のみに利用するTEモードにおけるコア・クラッド間の屈折率差をTMモードよりも小さくなるように、設定することができる。そのようにコアとクラッドの比屈折率差をTEモードとTMモードで大きく違え、TEモードにおいてシングルモード伝搬となるように適当なコアの寸法を特定することにより、波長変換に用いられるTMモードにおいては多モードでありながら、TEモードにおいては、シングルモード伝搬が可能な非線形光導波路を構成することができる。例えば、光導波路のコアのZn添加量を10モル(mol)%として、クラッドのMg添加量を5モル(mol)%程度とした場合には、コアとクラッドの比屈折率差はTEモードに対して0.5%、TMモードに対して0.8%となる。これに導波路の構造に応じてTEモードにおいてシングルモード伝搬が得られる適当なコアの寸法を設定することにより、制御光波長においては、TMモードは多モードでありながら、TEモードは最低次モードのみが伝搬する非線形光導波路を構成することができる。
【0026】
次に、制御光の2つの直交する偏波成分間に半波長分の位相差を生じさせる位相板を制御光入力導波路の途中に位相板の複屈折の軸が制御光の偏光方向に対して45度をなす角度で配置することにより、TEの最低次モ−ドとして入力した制御光は、位相板によってTMの最低次モードに変換される、これにより、非線形光導波路内を制御光はTMの最低次モードとして伝搬することができる。
【0027】
次に、上述した制御光のモード変換を用いた本発明による光波長変換装置の構成例を図2及び図3に基づいて説明する。
【0028】
図2は、本発明による実施形態の光導波路の構造を示す断面図である。図2に示すように、本実施形態の光導波路は、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)基板41上には、Mgが添加されたニオブ酸リチウム(LiNbO3)からなる下部クラッド層42、Znが添加されたニオブ酸リチウム(LiNbO3)からなるコア層43、Mgが添加されたニオブ酸リチウム(LiNbO3)からなる上部クラッド層44が順次積層されている。
【0029】
ここで、光導波路の作製方法について説明する、厚さ500μmのニオブ酸リチウム(LiNbO3)基板41上に、膜厚が30μmでMgが5モル(mol)%添加されたニオブ酸リチウム(LiNbO3)からなる下部クラッド層42、膜厚が2.4μmでZnが10モル(mol)%添加されたニオブ酸リチウム(LiNbO3)からなるコア層43をエピタキシャル成長により形成する。そして、イオンエッチングによリコア層の幅を2.4μmに加工した後、膜厚が10μmでMgが5モル(mol)%添加されたニオブ酸リチウム(LiNbO3)からなる上部クラッド層44を再度エピタキシャル成長することにより光導波路を作製する。
【0030】
これらの諸元で作製した光導波路では、制御光波長0.77μmにおいてTMモードとして2モードが、TEモードとして最低次モードのみが伝搬可能である。また、信号光波長である1.5μm帯では、TMモードとして最低次モードが伝搬可能であるが、TEモードはほとんど伝搬機能を有しない。
【0031】
図3は、本発明による実施形態の光波長変換装置の概略構を示す模式図であある。本実施形態の光波長変換装置は、図3に示すように、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)のZ面基板51上にエピタキシャル成長等によって作製された信号光を入力する信号光入力導波路52と、制御光を入力する制御光入力導波路53と、信号光入力導波路52と制御光入力導波路53に結合し信号光と制御光を合波する導波路光カプラ54と、周期的分極反転構造を有する長さ3cmの非線形光導波路55と、非線形光導波路55から出力される光の中から差周波光とそれ以外の光とを分離する分波器(ダイクロイックミラー)56と、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)で作製され制御光波長0.77μmにおいて、二つの直交する偏波成分間に実質的に半波長分の位相差を生じさせる複屈折を有し制御光入力導波路の途中に複屈折の軸が制御光の偏光方向に対して実質的に45度をなす角度で挿入された位相板57によって構成される。信号光入力導波路52から非線形光導波路55までの各光導波路はすべて図2の光導波路構造を有し、基板51上にモノリシックに作製されている。位相板57は制御光入力導波路53にダイシングソーを用いて掘られた溝に挿入されている。非線形光導波路55の周期的分極反転構造は周期的電圧印加法により作製されている。作製した周期的分極反転の周期は19μmで、波長0.77μmの制御光において、波長1.535μmの信号光を波長1.550μmの差周波光に変換することができる。
【0032】
次に、本実施形態の光波長変換装置の波長変換動作を図3を用いて説明する。
【0033】
図3において、波長1.535μmの信号光Aは、TM最低次モードとして信号光入力導波路52に入力し、導波路光カプラ54を経て、非線形導波路55内をTM最低次モードとして伝搬する。一方、波長0.77μmの制御光BはTE最低次モ−ドとして制御光入力導波路53に入力し、途中の位相板57で偏光方向が90度回転させられTM最低次モードに変換される。TM最低次モードに変換された制御光Bは、導波路光カプラ54を経て、非線形光導波路55内をTM最低次モードとして伝搬する。非線形光導波路55内を伝搬する信号光Aは、制御光Bとの非線形相互作用によって差周波光Cに変換される。変換された差周波光Cはダイクロイックミラー56を経て出力として取り出される。
【0034】
前記本実施形態では、信号光を1mW、制御光Bを35mW入射したところ、1mWの差周波光Cが得られ、100%という極めて高い波長変換効率が得られた。
【0035】
なお、本実施形態では、位相板の材料としてニオブ酸リチウム(LiNbO3)を用いたが、他のポリイミド等の複屈折を有する材料を用いても同様の効果を得ることができる。
【0036】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【0037】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0038】
本発明によれば、光導波路のモード制御と位相板を組み合わせた簡便な方法により、非線形光導波路内において制御光を基本モードで伝搬させることができ、信号光との強い非線形相互作用による高い波長変換効率を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ニオブ酸リチウム(LiNbO3)にZnまたはMgを添加した場合の添加量に対する屈折率変化を図示したものである。
【図2】本発明による実施形態の光導波路の構造を示す断面図である。
【図3】本発明による実施形態の光波長変換装置の概略構を示す模式図である。
【図4】従来の差周波発生効果を利用した光波長変換装置の構成を示す模式図である。
【図5】従来のテーパ状の周期的セグメント導波路を用いた光波長変換装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
11…信号光入力導波路、12…制御光入力導波路、13…導波路光カプラ、14…非線形光導波路、15…分波器、21…信号光入力導波路、22…テーパ状の周期的セグメント導波路、23…導波路光カプラ、24…非線形光導波路、25…分波器、41…基板、42…下部クラッド層、43…コア層、44…上部クラッド層、51…基板、52…信号光入力導波路、53…制御光入力導波路、54…導波路光カプラ、55…非線形光導波路、56…分波器(ダイクロイックミラー)、57…位相板、A…信号光、B…制御光、C…差周波光。
Claims (2)
- 二次元非線形光学効果を有し、非線形定数を周期的に変調した非線形光学媒質からなる非線形光導波路と、信号光を入力する信号光入力導波路と、制御光を入力する制御光入力導波路と、前記信号光入力導波路と前記制御光入力導波路に結合し信号光と制御光を合波して前記非線形光導波路に入力する導波路光カプラと、前記非線形光導波路から出力される波長変換光とそれ以外の光とを分離する光分離手段とを具備する光波長変換装置であって、前記非線形光導波路は、前記信号光の一つの偏波について最低次モードのみを導波し、前記制御光の前記信号光の一つの偏波については多モードを導波する構成を有し、制御光入力導波路は、前記制御光の一つの偏波、前記制御光の1つの偏波と直交する別の偏波については最低次モードのみを導波し、前記別の偏波の最低次モードの制御光を位相板を用いて前記一つの偏波の最低次モードの制御光に変換する構成を有し、前記非線形光導波路に伝搬する制御光を前記偏波の最低次モードのみとすることを特徴とする光波長変換装置。
- 前記制御光入力導波路がコアが亜鉛(Zn)を添加したニオブ酸リチウム(LiNbO3)からなり、クラッドがマグネシウム(Mg)を添加したニオブ酸リチウム(LiNbO3)からなり、ニオブ酸リチウムのZ軸方向に垂直な偏波方向に対する前記コア部と前記クラッド部の屈折率の差が、Z軸方向に平行な偏波方向に対する屈折率の差よりも小さくなるように、亜鉛とマグネシウムの添加量を調整することを特徴とする請求項1に記載の光波長変換装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32966399A JP3548472B2 (ja) | 1999-11-19 | 1999-11-19 | 光波長変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32966399A JP3548472B2 (ja) | 1999-11-19 | 1999-11-19 | 光波長変換装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001147455A JP2001147455A (ja) | 2001-05-29 |
JP3548472B2 true JP3548472B2 (ja) | 2004-07-28 |
Family
ID=18223882
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP32966399A Expired - Fee Related JP3548472B2 (ja) | 1999-11-19 | 1999-11-19 | 光波長変換装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3548472B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5363521B2 (ja) * | 2011-03-07 | 2013-12-11 | 日本電信電話株式会社 | 光子周波数変換装置 |
WO2024003979A1 (ja) * | 2022-06-27 | 2024-01-04 | 日本電信電話株式会社 | 光デバイス |
-
1999
- 1999-11-19 JP JP32966399A patent/JP3548472B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2001147455A (ja) | 2001-05-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Dai et al. | Silicon-based on-chip multiplexing technologies and devices for Peta-bit optical interconnects | |
EP1584975B1 (en) | Optical waveguide device, optical waveguide laser using same and optical apparatus having same | |
EP0640854B1 (en) | Polarisation diversity section for coherent optical receiver | |
US4784450A (en) | Apparatus for generating and amplifying new wavelengths of optical radiation | |
KR100224755B1 (ko) | 집적광학 편광 분할소자 및 결합소자 | |
US4690489A (en) | Integrated optical wavelength multiplexer and demultiplexer device for monomode transmission systems and its use | |
WO1998032048A1 (en) | Optical waveguide amplifier | |
Tian et al. | Polarization-independent integrated optical, acoustically tunable double-stage wavelength filter in LiNbO/sub 3 | |
Kulishov et al. | Free space diffraction on active gratings with balanced phase and gain/loss modulations | |
JP2008241770A (ja) | 非線形光学単結晶を含む光学素子 | |
Wong et al. | Design of optical strip-loaded waveguides with zero modal birefringence | |
JP3548472B2 (ja) | 光波長変換装置 | |
US5917974A (en) | Method and apparatus for implementing coupled guiding structures with apodized interaction | |
JP2011064895A (ja) | 波長変換デバイス及び波長変換装置 | |
JP2001125157A (ja) | 波長変換装置 | |
US6198569B1 (en) | Multiple window dense wavelength divison multiplexed communications link with optical amplification and dispersion compensation | |
JP2003207665A (ja) | 光導波路 | |
JP3527430B2 (ja) | 導波路および光変換装置 | |
Molchanov et al. | Quasi-collinear tunable acousto-optic paratellurite crystal filters for wavelength division multiplexing and optical channel selection | |
Xu et al. | Flat-top optical filter via the adiabatic evolution of light in an asymmetric coupler | |
Zhang et al. | A demultiplexing filter with box-like response and large FSR based on LNOI second-order micro-ring resonators | |
JP2004020588A (ja) | 波長変換装置 | |
JP3762654B2 (ja) | 光学装置 | |
JP2010256502A (ja) | 波長分離導波路及びそれを用いた波長変換素子 | |
Samanta et al. | Design of a polarization independent power splitter in SOI platform by effective index based matrix method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20040413 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20040416 |
|
R150 | Certificate of patent (=grant) or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090423 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090423 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100423 Year of fee payment: 6 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |