JP3623749B2

JP3623749B2 - Wavelength conversion device

Info

Publication number: JP3623749B2
Application number: JP2001103552A
Authority: JP
Inventors: 和夫藤浦; 生剛八木; 欽之今井; 晃次圓佛; 正弘笹浦; 栗原　　隆; 淳阿部; 誠治豊田; 英志久保田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-04-02
Filing date: 2001-04-02
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2021-04-02
Also published as: JP2002296632A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光計測に用いられる波長変換デバイスに関し、より詳細には、高効率かつ低ノイズな波長変換が必要な光信号処理に利用可能である波長変換デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、波長可変レーザとして、高出力なレーザ光を種々の結晶や液体、気体媒質に照射することによって、レーザ光の発振していない波長域に変換したり、広い領域で波長可変の光源にすることができる。この技術は一般に非線形光学技術を言われている。この非線形光学技術として、２次の非線形光学効果を利用した波長変換素子の材料としては、無機結晶が多くの波長変換素子に使用されているのが現状である。
【０００３】
この種の波長変換素子を実現するには、材料の非線形光学定数を有効に利用するため、導波路型とする場合が多い。波長変換デバイスとしてこれまで提案されているものには、光半導体の相互利得変調や相互位相変調、四光波混合（３次の非線形分極を利用した光混合）がある。
【０００４】
また位相整合法は、無機材料ＫＴＰ、ＬｉＮｂＯ_３で有効な方法とされており、基本波による非線形分極波と発生した伝搬高周波との打ち消しが生じない疑似位相整合を用いることも提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
現在、主に開発が進められている光半導体を用いる波長変換では、光半導体の自然放出光による雑音が大きく、キャリアの移動による速度制限があり、高速で低ノイズが必要とされる光通信や光計測分野では利用できない。また、高速・低ノイズ波長変換デバイスとしてＬｉＮｂＯ_３の疑似位相整合デバイスが提案されているが、変換効率が十分ではなく、必要とする変換効率を得るためには５ｃｍ以上の相互作用長を必要とするという欠点があり、結晶の方位によって変換効率が大きく異なるという偏波依存性があるという問題点があった。
【０００６】
さらに、疑似位相整合のための分極反転には、高電圧をかけたポーリングを必要とされ、歩留まりが低いという問題もあった。さらに、ポーリングによって形成する分極反転は特定の波長に位相整合するよう形成されるため、ポンプ光の波長は固定する必要があった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高効率・低ノイズ波長変換を結晶のポーリングを行うことなく実現でき、変換光の電界によるスイッチングおよび変調を可能とする波長変換デバイスを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、結晶材料に入射する信号光と、該信号光と異なる波長のポンプ光を同時に入射することにより、前記信号光とポンプ光のエネルギー差に対応する波長の変換光を得る波長変換デバイスにおいて、前記結晶材料が、ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３及び／又はＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３なる組成を有し、中心対称性を有する立方晶の結晶であり、前記結晶材料に電界を印加する電極を具備し、前記電極により前記結晶材料に電界を印加することにより２次の非線形光学効果を発現させることを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記結晶材料に印加する電界を変調することにより変換光を変調することを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記結晶材料に前記信号光とポンプ光の間に疑似位相整合条件が成立する電極幅を有する櫛形電極を具備することを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかに記載の発明において、前記電極において少なくとも２つ以上の異なる周期を有する電極を具備することを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかに記載の発明において、前記結晶材料に印加する電界が、少なくとも２つの異なる方向に印加される電極構造を有することを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかに記載の発明において、前記組成の異なるＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３及び／又はＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３で作製された屈折率の高いコアと屈折率の低いクラッドを具備することを特徴とするものである。
【００１５】
つまり、本発明では、波長変換を実現する媒体としてＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３および／あるいはＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３なる組成を有する結晶を用いる。これらＫＴＮならびにＫＬＴＮ結晶は、使用温度域で立方晶であり、波長変換に不可欠な非線形光学効果を有していないが、電界を印加することで、２次の非線形効果を発現するという特徴を有している。
【００１６】
この非線形光学効果の効率は、印加する電界に比例して増加し、かつ実用的な印加電界の範囲で既存の非線形光学結晶であるＬｉＮｂＯ_３の２倍以上の効率が実現できる。従って、既存のＬＮの波長変換デバイスと同じ相互作用長で有れば４倍以上の効率、同じ効率ならば１／２以下の相互作用長で波長変換を実現できる。さらに、電界を印加しない場合はＫＴＮおよびＫＬＴＮ結晶は、単なる透明媒質であり、信号光に何ら変化を与えない。すなわち、電界のＯＮ−ＯＦＦによって変換光をＯＮ−ＯＦＦできるという機能を持たせることが可能であり、さらに印加電界を変調すれば、変換光を変調できる。
【００１７】
また、ＬＮ結晶は三方晶であり、最も高い非線形効果を得るには、ｃ軸と入射光の偏光を合致させる必要があり、疑似位相整合もｃ軸方向の自発分極を反転させることで実現されている。したがって、ＬＮの波長変換デバイスでは、作製された疑似位相整合の方向で変換可能な光の偏波方向が規定され、その他の偏光では変換されない。一方、ＫＴＮおよびＫＬＴＮは等方的な結晶であり、電界の印加方向に非線形性が発現するため、例えば電極を直交する２方向に電界がかかるような構成とすれば容易に偏波無依存の波長変換デバイスが実現できるという利点がある。
【００１８】
また、ＬＮで必要とする結晶のポーリングも不必要で、電極を形成で容易に疑似位相整合を実現できるという利点もある。これは、異なる周期の電極を数種類、結晶表面上に形成しておけば、その周期に応じたポンプ光の波長を選択することが可能であり、波長変換デバイスに機能を付与することが可能である。さらに、本発明で用いる波長変換の原理は、２次の非線形効果である差周波発生によるものであり、ＴＨｚ以上の高速性と原理的にノイズフリーという利点もあり、光半導体を用いる波長変換では実現できない性能を実現できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【００２０】
［実施例１］
本実施例では、ＫＬＴＮ結晶材料を用いて第２次高調波を発生させることにより、ＫＬＴＮ結晶材料の波長変換能力を確認する。
【００２１】
図１は、ＫＬＴＮ結晶を用いた第２次高調波発生の構成例を示す図で、ＫＬＴＮ結晶は、両面を光学研磨した０．５ｍｍ厚の板であり、入射面内に金を蒸着した電極を有しており、電極から銅線を用いて直流電源に接続している。また、この結晶材料は、ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３及び／又はＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３なる組成を有する結晶である。
【００２２】
基本波発生装置１により発生された基本波は、Ｎｄ：ＹＡＧのＱスイッチレーザとエキシマレーザの差周波による１．５５μｍ光を用い、偏光子２により電界と平行な方向に偏波を制御し、レンズ３を介して回転ステージ５に搭載されたＫＬＴＮ結晶４の電極間に入射している。ＫＬＴＮ結晶４は、電界の方向を軸に回転し、発生したＳＨＧ（ＳｅｃｏｎｄＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ）光を、レンズ６を介して偏光子７を通し、さらにフィルタ８を介して入射光と同じ偏光方向の光のみを光電子増倍管８に入射している。
【００２３】
この方法により、発生するＳＨＧ光の入射角依存性を測定した。同様のセットアップで、Ｘ−ｃｕｔのＬＮのＺ軸方向に基本波を入射し、ＳＨＧ光を測定し、ＫＬＴＮのＳＨＧ光強度と比較した。その結果は図２に示されている。図中ａは、実施例１のＫＬＴＮ結晶からの第２次高調波、ｂは標準試料として用いたＬＮからの第２次高調波を各々示している。この図２に示すように、電界を印加したＫＬＴＮ結晶から明らかにＳＨＧ光ａが発生し、この結晶が電界の印加により波長変換機能を有していることが明らかとなった。
【００２４】
この図２に示されているＳＨＧ光強度の角度依存性は、結晶の非線形性のコヒーレント長と基本波の相互作用長の関係によるものであり、そのピーク間隔から、ＫＬＴＮ内部に形成されている有効な電界の深さが推定できる。この場合は、約０．２ｍｍと推定できる。１ＫＶ／ｃｍの電界の印加により得られたＳＨＧ強度はＬＮの約１０倍であり、非線形定数に換算して約７９ｐｍ／Ｖに対応する。これは従来報告されている非線形光学結晶のうち、最も高い非線形定数である。
【００２５】
また、上述した測定で電極作製していない面に、上述した電極と直交するように電極を配置し、両面の電極に１ＫＶ／ｃｍの電界を印加し、基本波を垂直入射した。この場合、直交する２つの偏波に対して、同じ強度のＳＨＧ光が観測でき、ＫＬＴＮ結晶が、電界の印加方向により、任意の偏波を有する信号光の波長変換が可能であることを明らかにした。
【００２６】
さらに、図３に、電界のＯＮ−ＯＦＦして測定したＳＨＧ光強度の時間変化を示す。図３から明らかなように、電界の印加によりＳＨＧ光が発生し、ＯＦＦすることにより消失していることがわかる。従って、電界を印加しない場合、ＫＬＴＮ結晶は単なる透明な媒体として働き、電界のＯＮ−ＯＦＦで変換光をＯＮ−ＯＦＦできるスイッチとしての機能を有することがわかる。さらに非線形定数が印加電圧に比例して変化することから、単なるスイッチとしてではなく、電界で変換光強度を変調できることも明らかである。
【００２７】
［実施例２］
フォトリソグラフィーと液相エピタキシー技術を用いて、矩形の導波構造を作製した。作製したＫＬＴＮ導波路１３の屈折率差は２．５％であり、高次モードのカットオフ波長は０．６μｍである。これにより長波長は単一モード導波路として機能する。作製した導波路長は３ｃｍであり、導波路の損失は０．１５ｄＢ／ｃｍであった。
【００２８】
このようにして作製された波長変換デバイスを図４に示す。基板１５は導電性のあるＬａ添加のＳｒＴｉＯ_３を用い、上部電極１４には金蒸着されている。電極のピッチは、０．７７５μｍをポンプ光として１．５５μｍ帯の波長変換するために必要な疑似位相整合を実現するグレーティングピッチに対応している。この場合、電極ピッチは１２μｍとなる。電極に１ＫＶ／ｃｍに対応する電圧を印加し、入射端から偏波保持ファイバを用いて、１．５４μｍの信号光と０．７７５μｍのポンプ光を同時に入射し、出射光を、光スペクトラムアナライザを用いて測定した。
【００２９】
図５は、波長変換後のスペクトルを示す図で、図中符号ｃは入力信号光、ｄはポンプ光の２次回折光、ｅは変換光を示している。この図５から明らかなように、差周波発生による波長変換が実現されていることが明らかである。さらに、信号光および変換光はパラメトリック増幅されており、入力信号光に対する変換光の利得は約１５ｄＢに達している。これは、従来のＬＮの波長変換デバイスでは実現できない、高い利得を示している。また、この場合の変換効率も印加電界の強度で変化させることが可能であり、電界をＯＦＦにすると信号光のみが出力される。さらに、ポンプ光強度を一定にし、入力信号光強度を変化させ、出力信号光強度をモニターしながら出力変換光強度が一定になるよう、電界を制御することも可能であった。
【００３０】
本実施例では、ＫＬＴＮを導波路に用いたが、ＫＴＮを導波路に用いても同様の波長変換が実現できた。ＫＴＮ導波路はＫＬＴＮ導波路に比べ、温度に対して敏感に効率が変化するという傾向があった。
【００３１】
［実施例３］
上述した実施例２で用いた波長変換デバイスに、図６に示すような電極を付加したデバイスを作製し、実施例２と同様の波長変換の実験を行った。図中符号１９はＫＬＴＮ導波路、２０はＴＭ偏波を変換するためのＴＭ偏波用上部電極、２１はＴＥ偏波を変換するためのＴＥ偏波用電極、２２は、ＴＭ偏波用下部電極および基板として用いたＬａ添加ＳｒＴｉＯ_３である。今回は、ＴＥ−ＴＭ両偏波について、波長変換特性を測定した。
【００３２】
図９（ａ），（ｂ）は、各電極の導波路と垂直な断面図を示した図で、図（ａ）はＴＭ偏波用の電極配置、図（ｂ）はＴＥ偏波用の電極配置を各々示している。図中符号３１は基板、３２は導波路を示している。電界分布が電極構成により異なるため、ＴＥ−ＴＭで同じ変換効率を得るには、ＴＥ偏光はＴＭ偏光の約１．５倍の電界を必要とした。しかし、印加電界を調整することにより、容易に偏波無依存の波長変換が実現できた。また、電界のＯＮ−ＯＦＦにより、一方の偏波のみの波長変換を実現することも可能であった。
【００３３】
［実施例４］
上述した実施例３で使用したデバイスとほぼ同様の構成で、周期の異なる電極を４種類、導波路の長手方向に作製したデバイスを用いて波長変換の実験を行った。図７は、このようにして作製された波長変換デバイスの構成を示す図で、図中符号２３はＫＬＴＮ導波路、２４は上部電極、２５は下部電極および基板として用いたＬａ添加ＳｒＴｉＯ_３である。
【００３４】
それぞれの周期で位相整合するポンプ波長は、０．７７０、０．７７２、０．７７４、０７７６μｍである。信号光として１．５３μｍの波長を選択した。この４波長のポンプ光および１波長の信号光を導波路に入射した。上述した４種類の電極に１ＫＶ／ｃｍに対応する電圧を順番に印加し、変換光をスペクトラムアナライザで測定した。その結果の波長変換スペクトルは図８に示されている。これによれば変換光は電圧を印加する電極を変えることにより、変換する波長が順次変化することがわかる。また、電気的に変換する波長を制御した波長変換でバイアスとして機能することがわかる。また、電圧を数種類の電極に印加することで、数種類の波長に同時に変換することが可能である。これはマルチキャスト等に使用する波長変換デバイスとして、利用が可能であることが明らかである。
【００３５】
なお、Ｅ１〜Ｅ４を全てＯＮにした場合、Ｅ１による変換で発生した１５５２ｎｍの光がさらにＥ２やＥ３で変換を受けて波長の異なる光が発生するが、図８に示した波長変換スペクトルでは、それら多重変換によって発生する光はフィルタによってカットした結果を示している。
【００３６】
［実施例５］
上述した実施例３で用いた波長変換デバイスを用い、１６０Ｇｂｉｔ／ｓに変調された信号光（１．５４３μｍ）と０．７７５μｍのポンプ光（ＣＷ光）を用いて波長変換を行い、雑音指数の測定を行った。光学的ならびに電気的に測定した雑音指数は０．５ｄＢ以下であり、波長変換による雑音の増加は認められなかった。このように、光半導体を用いる波長変換デバイスでは応答不可能は高速な信号に対しても応答可能で、かつノイズフリーな波長変換が実現出来ることが明らかになった。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、結晶材料に入射する信号光と、信号光と異なる波長のポンプ光を同時に入射することにより、信号光とポンプ光のエネルギー差に対応する波長の変換光を得る波長変換デバイスにおいて、結晶材料が、ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３及び／又はＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３なる組成を有し、中心対称性を有する立方晶の結晶であり、結晶材料に電界を印加する電極を具備し、電極により結晶材料に電界を印加することにより２次の非線形光学効果を発現させるようにしたので、従来では実現できなかった高効率・低ノイズ波長変換を結晶のポーリングを行うことなく実現でき、さらに変換光の電界によるスイッチングおよび変調を可能とした。
【００３８】
さらに、従来では実現できなかった偏波無依存の波長変換も可能とした。これにより、光通信分野に利用される光ルーティングに不可欠な光信号処理が可能となり、簡易で安価な構成でルーターを実現できる。この波長変換は雑音が無く、多段に波長変換を繰り返しても信号の劣化が生じないと言う特徴があり、信号処理を繰り返し行うルーターなどに利用できる。さらに、光計測の分野では、超高速の光信号を高効率でＤＥＭＵＸすることが可能になり、超高速光信号計測器が簡便な構成で作製できるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における第２次高調波発生に用いた装置の構成図である。
【図２】実施例１における第２次高調波の発生例を示す図である。
【図３】実施例１において、印加電界をＯＮ−ＯＦＦして得られた第２次高調波を示す図である。
【図４】実施例２で作製した波長変換デバイスの構成例を示す図である。
【図５】実施例２における波長変換後のスペクトルを示す図である。
【図６】実施例３で作製した波長変換デバイスの構成例を示す図である。
【図７】実施例４で作製した波長変換デバイスの構成例を示す図である。
【図８】実施例４における波長変換スペクトルを示す図である。
【図９】（ａ），（ｂ）は、各電極の導波路と垂直な断面図を示した図で、（ａ）はＴＭ偏波用の電極、（ｂ）はＴＥ偏波用の電極を各々示す図である。
【符号の説明】
１基本波発生装置
２，７偏光子
３，６レンズ
４試料
５回転ステージ
８フィルタ
９光電子増倍管
１３ＫＬＴＮ導波路
１４上部電極
１５下部電極ならびに基板として用いたＬａ添加ＳｒＴｉＯ_３
１９ＫＬＴＮ導波路
２０ＴＭ偏波用上部電極
２１ＴＥ偏波用電極
２２ＴＭ偏波用下部電極および基板として用いたＬａ添加ＳｒＴｉＯ_３
２３ＫＬＴＮ導波路
２４上部電極
２５下部電極および基板として用いたＬａ添加ＳｒＴｉＯ_３
３１基板
３２導波路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavelength conversion device used for optical communication and optical measurement, and more particularly to a wavelength conversion device that can be used for optical signal processing that requires high-efficiency and low-noise wavelength conversion.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a wavelength tunable laser, by irradiating various crystals, liquids, and gas media with high-power laser light, the laser light is converted to a non-oscillating wavelength range, or a wavelength tunable light source is formed over a wide area. be able to. This technique is generally referred to as a nonlinear optical technique. As this nonlinear optical technique, as a material of a wavelength conversion element utilizing a second-order nonlinear optical effect, an inorganic crystal is currently used in many wavelength conversion elements.
[0003]
In order to realize this type of wavelength conversion element, in order to effectively use the nonlinear optical constant of the material, a waveguide type is often used. Examples of wavelength conversion devices that have been proposed so far include mutual gain modulation and mutual phase modulation of optical semiconductors, and four-wave mixing (light mixing using third-order nonlinear polarization).
[0004]
The phase matching method is an effective method for the inorganic materials KTP and LiNbO ₃ , and it has also been proposed to use a quasi phase matching that does not cancel out the nonlinear polarization wave caused by the fundamental wave and the generated propagation high frequency wave.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In wavelength conversion using optical semiconductors, which are currently under development, there are large noises due to spontaneous emission of optical semiconductors, there are speed limitations due to carrier movement, and optical communications that require high speed and low noise. It cannot be used in the optical measurement field. In addition, a LiNbO ₃ pseudo-phase matching device has been proposed as a high-speed, low-noise wavelength conversion device, but the conversion efficiency is not sufficient, and an interaction length of 5 cm or more is required to obtain the required conversion efficiency. There is a problem that there is a polarization dependency that the conversion efficiency varies greatly depending on the crystal orientation.
[0006]
Furthermore, polarization inversion for quasi-phase matching requires poling with a high voltage, and there is a problem that the yield is low. Further, since the polarization inversion formed by poling is formed so as to be phase-matched to a specific wavelength, it is necessary to fix the wavelength of the pump light.
[0007]
The present invention has been made in view of such problems, and its object is to realize high-efficiency and low-noise wavelength conversion without performing crystal polling, and to perform switching and modulation by the electric field of converted light. An object of the present invention is to provide a wavelength conversion device that enables this.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the invention according to claim 1 is characterized in that the signal light incident on the crystal material and the pump light having a wavelength different from that of the signal light are incident simultaneously, In a wavelength conversion device that obtains converted light having a wavelength corresponding to an energy difference between light and pump light, the crystal material is KTa _1-x Nb _x O ₃ and / or K _1-y Li _y Ta _1-x Nb _x O ₃ becomes to have a composition, crystal der cubic with central symmetry is, the comprises an electrode for applying an electric field to the crystal material, second-order nonlinear by applying an electric field to the crystal material by the electrode and it is characterized in Rukoto to express optical effects.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, in the invention of the first aspect, the converted light is modulated by modulating an electric field applied to the crystal material.
[0011]
The invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2 , wherein the crystal material includes a comb-shaped electrode having an electrode width that satisfies a quasi phase matching condition between the signal light and the pump light. It is characterized by doing.
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to third aspects, the electrode includes at least two electrodes having different periods.
[0013]
The invention according to claim 5 is characterized in that in the invention according to any one of claims 1 to 3, it has an electrode structure in which an electric field applied to the crystal material is applied in at least two different directions. To do.
[0014]
The invention according to claim 6 is the invention according to any one of claims 1 to 5, wherein KTa _1-x Nb _x O ₃ and / or K _1-y Li _y Ta _1-x Nb having different compositions is used. it is characterized in that it comprises a lower cladding refractive index and high fabricated index core at _x O _3.
[0015]
That is, in the present _{_{_{invention, KTa 1-x Nb x O}}} 3 and / or _{_{_{K 1-y Li y Ta 1}}} -x Nb x O 3 comprising using a crystal having a composition as a medium to achieve wavelength conversion. These KTN and KLTN crystals are cubic in the operating temperature range and do not have a nonlinear optical effect that is indispensable for wavelength conversion, but have a characteristic that a second-order nonlinear effect is manifested by applying an electric field. doing.
[0016]
The efficiency of this nonlinear optical effect increases in proportion to the applied electric field, and can achieve an efficiency that is at least twice that of LiNbO ₃ , which is an existing nonlinear optical crystal, within a practical applied electric field range. Therefore, if the interaction length is the same as that of an existing LN wavelength conversion device, it is possible to realize wavelength conversion with an efficiency of 4 times or more, and with the same efficiency, wavelength conversion with an interaction length of 1/2 or less. Furthermore, when no electric field is applied, the KTN and KLTN crystals are simply transparent media and do not change the signal light. That is, it is possible to provide a function of turning on and off the converted light by turning on and off the electric field, and further modulating the applied light by modulating the applied electric field.
[0017]
The LN crystal is a trigonal crystal, and in order to obtain the highest nonlinear effect, it is necessary to match the polarization of the c-axis and the incident light. Pseudo phase matching is also realized by reversing the spontaneous polarization in the c-axis direction. ing. Therefore, in the wavelength conversion device of LN, the polarization direction of light that can be converted in the direction of the manufactured pseudo phase matching is defined, and is not converted by other polarized light. On the other hand, KTN and KLTN are isotropic crystals, and non-linearity appears in the direction in which the electric field is applied. For example, if the electrode is configured so that the electric field is applied in two directions orthogonal to each other, it is easily polarization independent. There is an advantage that a wavelength conversion device can be realized.
[0018]
In addition, there is no need for the crystal poling required for LN, and there is an advantage that pseudo phase matching can be easily realized by forming electrodes. If several types of electrodes with different periods are formed on the crystal surface, the wavelength of the pump light can be selected according to the period and functions can be added to the wavelength conversion device. is there. Furthermore, the principle of wavelength conversion used in the present invention is based on the generation of difference frequency, which is a second-order nonlinear effect, and has the advantage of being faster than THz and in principle noise-free. In wavelength conversion using an optical semiconductor, Unrealizable performance can be achieved.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0020]
[Example 1]
In the present embodiment, the wavelength conversion ability of the KLTN crystal material is confirmed by generating the second harmonic using the KLTN crystal material.
[0021]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of second harmonic generation using a KLTN crystal. The KLTN crystal is a 0.5 mm thick plate optically polished on both sides, and an electrode having gold deposited on the incident surface. And connected to a DC power source from the electrode using a copper wire. Further, the crystalline material _{is KTa} 1-x _Nb x _{O 3} and / or _{_{_{K 1-y Li y Ta 1}}} -x Nb x O 3 comprising crystals having a composition.
[0022]
The fundamental wave generated by the fundamental wave generator 1 uses 1.55 μm light due to the difference frequency between the Nd: YAG Q-switched laser and the excimer laser, and the polarizer 2 controls the polarization in the direction parallel to the electric field. The light is incident between the electrodes of the KLTN crystal 4 mounted on the rotary stage 5 via the lens 3. The KLTN crystal 4 rotates about the direction of the electric field, and the generated SHG (Second Harmonic Generation) light passes through the polarizer 7 through the lens 6 and further passes through the filter 8 and has the same polarization direction as the incident light. Is incident on the photomultiplier tube 8 only.
[0023]
By this method, the incident angle dependence of the generated SHG light was measured. With the same setup, a fundamental wave was incident in the Z-axis direction of the X-cut LN, SHG light was measured, and compared with the SHG light intensity of KLTN. The result is shown in FIG. In the figure, a represents the second harmonic from the KLTN crystal of Example 1, and b represents the second harmonic from the LN used as the standard sample. As shown in FIG. 2, SHG light a was clearly generated from the KLTN crystal to which an electric field was applied, and it became clear that this crystal had a wavelength conversion function by applying the electric field.
[0024]
The angle dependency of the SHG light intensity shown in FIG. 2 is due to the relationship between the coherent length of the nonlinearity of the crystal and the interaction length of the fundamental wave, and is formed inside the KLTN from the peak interval. The effective electric field depth can be estimated. In this case, it can be estimated to be about 0.2 mm. The SHG intensity obtained by applying an electric field of 1 KV / cm is about 10 times that of LN, and corresponds to about 79 pm / V in terms of a nonlinear constant. This is the highest nonlinear constant among conventionally reported nonlinear optical crystals.
[0025]
In addition, an electrode was arranged on a surface where no electrode was manufactured in the above-described measurement so as to be orthogonal to the above-described electrode, an electric field of 1 KV / cm was applied to the electrodes on both surfaces, and a fundamental wave was vertically incident. In this case, SHG light of the same intensity can be observed for two orthogonal polarizations, and it is clear that the KLTN crystal can convert the wavelength of signal light having an arbitrary polarization depending on the direction of electric field application. I made it.
[0026]
Furthermore, FIG. 3 shows the time change of the SHG light intensity measured by turning the electric field on and off. As is apparent from FIG. 3, it can be seen that SHG light is generated by the application of an electric field and disappears by turning OFF. Therefore, it can be seen that when an electric field is not applied, the KLTN crystal functions as a simple transparent medium, and has a function as a switch that can turn on and off the converted light by turning the electric field on and off. Furthermore, since the non-linear constant changes in proportion to the applied voltage, it is clear that the converted light intensity can be modulated by an electric field, not just as a switch.
[0027]
[Example 2]
A rectangular waveguide structure was fabricated using photolithography and liquid phase epitaxy technology. The manufactured KLTN waveguide 13 has a refractive index difference of 2.5%, and the cutoff wavelength of the higher-order mode is 0.6 μm. Thus, the long wavelength functions as a single mode waveguide. The produced waveguide length was 3 cm, and the loss of the waveguide was 0.15 dB / cm.
[0028]
The wavelength conversion device thus manufactured is shown in FIG. The substrate 15 is made of conductive La-added SrTiO _3, and gold is deposited on the upper electrode 14. The pitch of the electrodes corresponds to a grating pitch that realizes quasi phase matching necessary for wavelength conversion in the 1.55 μm band using 0.775 μm as pump light. In this case, the electrode pitch is 12 μm. A voltage corresponding to 1 KV / cm is applied to the electrode, a 1.54 μm signal light and a 0.775 μm pump light are simultaneously incident from the incident end using a polarization maintaining fiber, and the emitted light is converted into an optical spectrum analyzer. And measured.
[0029]
FIG. 5 is a diagram showing a spectrum after wavelength conversion. In the figure, symbol c indicates input signal light, symbol d indicates second-order diffracted light of pump light, and symbol e indicates converted light. As is apparent from FIG. 5, it is clear that wavelength conversion by difference frequency generation is realized. Further, the signal light and the converted light are parametrically amplified, and the gain of the converted light with respect to the input signal light reaches about 15 dB. This indicates a high gain that cannot be realized by a conventional LN wavelength conversion device. Also, the conversion efficiency in this case can be changed by the intensity of the applied electric field, and only the signal light is output when the electric field is turned off. Furthermore, it was possible to control the electric field so that the output converted light intensity is constant while monitoring the output signal light intensity while keeping the pump light intensity constant, changing the input signal light intensity.
[0030]
In this example, KLTN was used for the waveguide, but similar wavelength conversion could be realized even if KTN was used for the waveguide. As compared with the KLTN waveguide, the KTN waveguide has a tendency that the efficiency is sensitive to temperature.
[0031]
[Example 3]
A device in which an electrode as shown in FIG. 6 was added to the wavelength conversion device used in Example 2 described above was fabricated, and the same wavelength conversion experiment as in Example 2 was performed. In the figure, reference numeral 19 is a KLTN waveguide, 20 is a TM polarization upper electrode for converting TM polarization, 21 is a TE polarization electrode for converting TE polarization, and 22 is a TM polarization lower electrode. La-added SrTiO ₃ used as an electrode and a substrate. This time, wavelength conversion characteristics were measured for both TE-TM polarized waves.
[0032]
FIGS. 9A and 9B are cross-sectional views perpendicular to the waveguides of the electrodes. FIG. 9A is an electrode arrangement for TM polarization, and FIG. Each electrode arrangement is shown. In the figure, reference numeral 31 denotes a substrate, and 32 denotes a waveguide. Since the electric field distribution varies depending on the electrode configuration, TE polarization requires an electric field approximately 1.5 times that of TM polarization in order to obtain the same conversion efficiency in TE-TM. However, the polarization-independent wavelength conversion could be easily realized by adjusting the applied electric field. It was also possible to realize wavelength conversion of only one polarization by turning the electric field on and off.
[0033]
[Example 4]
A wavelength conversion experiment was performed using a device having substantially the same configuration as that of the device used in Example 3 described above and having four types of electrodes with different periods formed in the longitudinal direction of the waveguide. FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the wavelength conversion device thus manufactured. In the figure, reference numeral 23 denotes a KLTN waveguide, 24 denotes an upper electrode, and 25 denotes a La-added SrTiO ₃ used as a lower electrode and a substrate. .
[0034]
The pump wavelengths that are phase-matched in each period are 0.770, 0.772, 0.774, and 07776 μm. A wavelength of 1.53 μm was selected as the signal light. This four-wavelength pump light and one-wavelength signal light were incident on the waveguide. A voltage corresponding to 1 KV / cm was sequentially applied to the four types of electrodes described above, and the converted light was measured with a spectrum analyzer. The resulting wavelength conversion spectrum is shown in FIG. According to this, it can be seen that the wavelength of the converted light changes sequentially by changing the electrode to which the voltage is applied. It can also be seen that the wavelength conversion in which the wavelength for electrical conversion is controlled functions as a bias. Further, by applying voltage to several kinds of electrodes, it is possible to simultaneously convert to several kinds of wavelengths. It is apparent that this can be used as a wavelength conversion device used for multicast or the like.
[0035]
When all of E1 to E4 are turned ON, the light of 1552 nm generated by the conversion by E1 is further converted by E2 and E3 to generate light having different wavelengths. In the wavelength conversion spectrum shown in FIG. The light generated by these multiple conversions shows the result of being cut by a filter.
[0036]
[Example 5]
Using the wavelength conversion device used in Example 3 described above, wavelength conversion was performed using signal light (1.543 μm) modulated to 160 Gbit / s and pump light (CW light) of 0.775 μm, and the noise figure Measurements were made. The noise figure measured optically and electrically was 0.5 dB or less, and no increase in noise due to wavelength conversion was observed. Thus, it became clear that wavelength conversion devices using optical semiconductors are capable of responding to high-speed signals, and that noise-free wavelength conversion can be realized.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the signal light incident on the crystal material and the pump light having a wavelength different from that of the signal light are simultaneously incident, so that the converted light having a wavelength corresponding to the energy difference between the signal light and the pump light. in the wavelength conversion device to obtain a crystalline _material have a _KTa 1-x _Nb x _{O 3} and / or _{_{_{K 1-y Li y Ta 1}}} -x Nb x O 3 having a composition, cubic with central symmetry with crystals der is, comprising an electrode for applying an electric field to the crystal material, high efficiency since by applying an electric field to the crystal material by the electrode so as to express the second-order nonlinear optical effect, which could not be achieved by the conventional・ Low noise wavelength conversion can be realized without polling the crystal, and switching and modulation by converted electric field is possible.
[0038]
Furthermore, polarization-independent wavelength conversion that could not be realized in the past was made possible. As a result, optical signal processing indispensable for optical routing used in the optical communication field can be performed, and a router can be realized with a simple and inexpensive configuration. This wavelength conversion is characterized by no noise and no signal deterioration even when wavelength conversion is repeated in multiple stages, and can be used for routers that repeatedly perform signal processing. Furthermore, in the field of optical measurement, it is possible to DEMUX ultrahigh-speed optical signals with high efficiency, and there is an advantage that an ultrahigh-speed optical signal measuring instrument can be manufactured with a simple configuration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an apparatus used for second harmonic generation in Example 1. FIG.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of generation of second harmonics in the first embodiment.
3 is a diagram showing second harmonics obtained by turning on and off an applied electric field in Example 1. FIG.
4 is a diagram illustrating a configuration example of a wavelength conversion device manufactured in Example 2. FIG.
5 is a diagram showing a spectrum after wavelength conversion in Example 2. FIG.
6 is a diagram illustrating a configuration example of a wavelength conversion device manufactured in Example 3. FIG.
7 is a diagram illustrating a configuration example of a wavelength conversion device manufactured in Example 4. FIG.
8 is a diagram showing a wavelength conversion spectrum in Example 4. FIG.
FIGS. 9A and 9B are cross-sectional views perpendicular to the waveguide of each electrode, where FIG. 9A is a TM polarized electrode, and FIG. 9B is a TE polarized electrode; FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fundamental wave generator 2, 7 Polarizer 3, 6 Lens 4 Sample 5 Rotation stage 8 Filter 9 Photomultiplier tube 13 KLTN waveguide 14 Upper electrode 15 Lower electrode and La addition SrTiO ₃ used as a substrate
19 KLTN waveguide 20 TM polarization upper electrode 21 TE polarization electrode 22 TM polarization lower electrode and La-added SrTiO ₃ used as a substrate
23 KLTN waveguide 24 Upper electrode 25 La-added SrTiO ₃ used as lower electrode and substrate
31 Substrate 32 Waveguide

Claims

In the wavelength conversion device for obtaining the converted light having the wavelength corresponding to the energy difference between the signal light and the pump light by simultaneously entering the signal light incident on the crystal material and the pump light having a wavelength different from the signal light, the crystal _material, have a _KTa 1-x _Nb x _{O 3} and / or _{_{_{K 1-y Li y Ta 1}}} -x Nb x O 3 having a composition, Ri crystals der cubic with central symmetry, the crystalline material wavelength conversion device comprising an electrode for applying an electric field, characterized by Rukoto to express second-order nonlinear optical effect by applying an electric field to the crystal material by the electrodes.

The wavelength conversion device according to claim 1, wherein the converted light is modulated by modulating an electric field applied to the crystal material.

Wavelength conversion device according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises a comb-shaped electrodes having an electrode width quasi-phase matching condition is satisfied between the signal light and the pump light to the crystalline material.

The wavelength conversion device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the electrode includes at least two electrodes having different periods.

The wavelength conversion device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the wavelength conversion device has an electrode structure in which an electric field applied to the crystal material is applied in at least two different directions.

A high refractive index core and a low refractive index clad made of KTa _1-x Nb _x O ₃ and / or K _1-y Li _y Ta _1-x Nb _x O ₃ having different compositions are provided. The wavelength conversion device according to any one of claims 1 to 5.