JP3948775B2 - 波長変換装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムにおいて使用される波長変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光通信における回線容量の増加等を目的として、波長の異なる複数の光を多重化して伝送する波長多重（ＷＤＭ）通信が研究されている。このような波長多重通信においては、複数の入力信号（光信号）の多重化を行うために光の波長を変換する必要がある。
【０００３】
従来、光の波長を変換する波長変換素子としては、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。しかしながら、これらの波長変換素子では光通信システムにおいて求められる高効率、高速、広帯域、低ノイズ、偏波無依存等の条件を満足させることができなかった。
【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による差周波発生（ＤＦＧ）を使うことを考え、先の特許出願（特願平６−１７５２６５）及び以下の論文
［１］C.Q.Xu, et.a1. App1.Phys.Lett. 63, 1170(1993)
［２］徐長青、他 信学技報 OCS95-3, P‐17(1995)
において波長多重（Wavelength division multiplexing：ＷＤＭ）通信システムのキーデバイスとして波長変換素子を利用することを提案している。
【０００５】
ここで用いられている波長変換素子では、ＬｉＮｂＯ3 に周期的分極反転構造が形成され、この分極反転構造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。これらの文献では、このような構成の波長変換素子を用いてＤＦＧにより、１．５３μｍから１．５５μｍの光へと光交換を実現した例を報告している。このような構成の波長変換素子によれば、超高速、広帯域（１４０ｎｍ以上）、低ノイズ（量子雑音以下）、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）等の条件を満足させることが可能となっている。これにより、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ている。
【０００６】
また、この他にも同様の提案が以下の文献に示されている。
【０００７】
［３］S.J.B.Yoo, et.a1. App1.Phys.Lett. 63, 2609(1996)
この文献では、ＧａＡｓ基板を用い、この基盤に他のＧａＡｓ基板を結晶の直接接着法により面方位が反対の方向となるように接着し、接着したＧａＡｓ基板をフォトリソグラフィーにより周期的に除去して面方位が反対となったパターンを形成し、このパターン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波長変換素子としている。結晶の面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、接着した２枚のＧａＡｓ結晶基板を用いて分極反転構造を形成している。このように構成された波長変換素子では、超高速、広帯域、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、偏波無依存を実現している。
【０００８】
上述の文献［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を利用しようとするものである。このように波長変換技術を利用することにより、電子素子では実現できない超高速、広帯域、低ノイズ、多チャンネル間の交換が可能、高変換効率を実現することができる。
【０００９】
ところで、２次の非線形光学効果を利用した波長変換技術には２次高調波発生（ＳＨＧ）、和周波発生（ＳＦＧ）、差周波発生（ＤＦＧ）がある。このような技術のうちで光導波路を用いた素子が使われた代表的な例として、以下の文献に示されたものがある。
【００１０】
［４］K.Yamamoto, et.a1. App1.Phys.Lett. 58, 1227(1991)
［５］F.Lauren, et.a1. App1.Phys.Lett. 62, 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。この文献に示されている方法では、半導体レーザの波長の不安定性をチェレンコフ放射角の変化で吸収できるので位相整合が常に実現できるが、変換された光の放射方向はレーザ波長のゆらぎに従って常に変化することになる。また、半導体レーザの発振スペクトルの広がり、多モード性はそのまま変換光のスペクトルの広がりとして反映される。
【００１１】
光通信システムでは基本波光と共に変換光のスペクトルも十分に狭い必要があるので、この文献に示されている方法を光通信システムに用いることはできない。また、基本波光の波長のゆらぎが変換光の放射方向の変換となって現れるという特性も応用上極めて不都合である。
【００１２】
文献［５］では、文献［４］と同様に光導波路を用いて波長変換を実現しているが、文献［４］と異なり疑似位相整合と呼ばれる方法で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、基本波光の波長ゆらぎにより変換効率そのものが変動するという問題がある。また、文献［４］と同様に基本波のスペクトルの広さがそのまま変換光のスペクトルの広がりに反映される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
波長多重を行う光交換装置に波長変換技術を適用するためには、光のスペクトル幅が、例えば５ＭＨｚ以下程度に十分に狭いことが必要である。しかしながら、上述のいずれの光変換素子も、変換光のスペクトルが十分狭くないため、そのままでは光通信システムに用いることはできない。
【００１４】
例えば、上述の文献［３］に示されている波長変換素子は、一般に、ファブリ・ペロ型のレーザダイオード（ＬＤ）の光共振器内で用いられ、このファブリ・ペロ型のＬＤの発振光のスペクトルが一般に多モードであるため、この点が解決できない。また、文献［４］に示されている波長変換素子でも各モードの半値幅は比較的狭いがＴｉ：サファイヤレーザが多モードであることから、スペクトル幅が十分に小さくはなく、光交換システムにそのまま適用することができない。また、Ｔｉ：サファイヤレーザ装置そのものが大きく光交換システムに適用することが困難である。
【００１５】
本発明は、変換光のスペクトルの幅を小さくすることができ、また、装置そのものを小型化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。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る波長変換装置は、基本波光を発生する半導体レーザと、上記半導体レーザからの基本波光と外部からの信号光に基づいて変換光を発生し、出力する波長変換手段と、上記外部からの信号光を上記波長変換手段に入射させるバンドパスフィルタと、上記半導体レーザに帰還させる光の波長を制限し、所定の波長の光のみを選択的に帰還させる波長選択手段とを備え、
上記波長選択手段は、上記半導体レーザと上記波長変換手段の間に配置されており、
上記半導体レーザは、上記波長選択素子に面していない側の端部に第１反射面を有し、上記波長選択手段は、上記波長変換手段側の端部に第２反射面を有し、上記第１反射面と上記第２反射面とによって光共振器が構成され、
上記波長選択手段によって上記半導体レーザに帰還した光により発振した光は、上記基本波光となることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明に係る他の波長変換装置は、光路の一端に高反射コーティングを有し、該高反射コーティングの反対側の出力端面から発生した基本波光を出力する半導体レーザと、
疑似位相整合手段（以下、ＱＰＭ手段という。）と、上記半導体レーザに帰還させる光の波長を制限する分布帰還手段（以下、ＤＢＲ手段という。）とを有し、上記半導体レーザからの基本波光と外部からの信号光が入力され、上記基本波光と上記信号光とから変換光を発生する波長変換手段と、上記外部からの信号光を上記波長変換手段に入射させる信号光入射手段とを備え、
上記半導体レーザの上記高反射コーティングと上記出力端面並びに上記半導体レーザの上記高反射コーティングと上記波長変換手段の上記ＤＢＲ手段のそれぞれが、光共振器を構成し、
上記ＤＢＲ手段は、上記信号光の入力側に配置されており、
上記信号光入射手段は、上記ＤＢＲ手段に上記信号光を入射させる光ファイバ又は上記ＤＢＲ手段に上記信号光を入射させるバンドパスフィルタを含み、
上記ＱＰＭ手段は、上記波長変換手段の上記変換光の出力側に配置されており、
上記半導体レーザの出力端面の反射率をｒ、
上記波長変換手段の両端面の反射率をｒ’、ｒ”、
上記ＤＢＲ手段からの帰還率をｒＤとし、
ｒ’，ｒ”＜＜ｒＤ，
ｒ＜＜ｒＤ，
ｒ’，ｒ”＜＜ｒ
なる関係を満たすように各端面の反射率が設定されている。
さらに、本発明に係る他の波長変換装置は、光路の一端に高反射コーティングを有し、該高反射コーティングの反対側の出力端面から発生した基本波光を出力する半導体レーザと、疑似位相整合手段（以下、ＱＰＭ手段という。）を有し、上記半導体レーザからの基本波光と外部からの信号光が入力され、上記基本波光と上記信号光とから変換光を発生する波長変換手段と、上記半導体レーザに帰還させる光の波長を制限する分布帰還手段（以下、ＤＢＲ手段という。）を、その光出射端側に有し、上記外部からの信号光を伝播させて上記波長変換手段に入射させる光ファイバと、上記波長変換手段からの変換光を、上記半導体レーザからの基本波光と異なる方向に出力させるバンドパスフィルタとを備え、
上記波長変換手段の上記ＱＰＭ手段は、上記半導体レーザと上記光ファイバの間に配置されており、
上記バンドパスフィルタは、上記半導体レーザと上記ＱＰＭ手段の間に配置されており、
上記半導体レーザの上記高反射コーティングと上記出力端面並びに上記半導体レーザの上記高反射コーティングと上記光ファイバの上記ＤＢＲ手段のそれぞれが、光共振器を構成し、
上記半導体レーザの出力端面の反射率をｒ、
上記波長変換手段の両端面の反射率をｒ’、ｒ”、
上記ＤＢＲ手段からの帰還率をｒＤとし、
ｒ’，ｒ”＜＜ｒＤ，
ｒ＜＜ｒＤ，
ｒ’，ｒ”＜＜ｒ
なる関係を満たすように各端面の反射率が設定されている。
【００１８】
【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。この波長変換装置は、同図中に示すように、入射された複数の光の波長に基づいて波長変換を行う波長変換素子１と、この波長変換素子１のポンプ光（基本波光）となる光を発生する半導体レーザ２と、波長変換素子１と半導体レーザ２の間に配置された波長選択素子４とを備えている。
【００１９】
半導体レーザ２は、例えばファブリ・ペロ型の半導体レーザからなり、その光導波路の一端（波長選択素子４に面していない方）に反射面２ａを備えている。また、波長選択素子４は光路の波長変換素子１側に反射面を有しており、この反射面と半導体レーザ２の反射面２ａとにより光共振器が構成されている。
【００２０】
この波長選択素子４は、半導体レーザ２に波長選択素子４からの特定の波長の光のみが選択的にフィードバックされるように構成されている。このフィードバックされる光のスペクトルの半値幅は波長選択素子４の選択特性を適当に選択することによりＷＤＭシステム等の光通信において求められている所定の幅、例えば５ＭＨｚ程度以下とされている。このように帯域制限され、半導体レーザ２にフィードバックされた光により発振したレーザ光は、ポンプ光として波長変換素子１に供給される。
【００２１】
また、この波長変換装置では、光ファイバを介して入射された信号光は、以下のいずれかの方法により波長変換素子１に入射される。第１の方法では、半導体レーザ２と波長選択素子４との間にバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３ａを挿入して図１の下方向（光ファイバ６ａ）から信号光を入射させる。第２の方法では、波長選択素子４と波長変換素子１との間にバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３ｂを挿入して図１の下方向（光ファイバ６ｂ）から信号光を入射させる。いずれの方法により信号光を入射させるかは、波長変換素子１、波長選択素子４あるいはＢＰＦ等の構成に応じて選択する。
【００２２】
また、波長変換素子１は、半導体レーザ２からのポンプ光と信号光の波長に基づく変換光を発生し、この変換光を出力する。この波長変換素子は、例えばＤＦＧ（差周波発生）、ＳＦＧ（和周波発生）等を行う素子から構成されている。
【００２３】
このように構成された波長変換装置では、上述のように半導体レーザ２の端面２ａと波長選択素子４で光共振器が形成される。半導体レーザ２の光導波路中で発生した光は端面２ａ又は波長選択素子４で反射され、レーザ発振が起こる。このレーザ発振の発振波長は波長選択素子４で選択される波長となる。
【００２４】
この発振は、例えば波長選択素子４がブラッグ反射器であるとすると原理的にブラッグ帰還型半導体レーザと同じであり、その発振波長は単色性に優れ（発振波長のスペクトルが単一モードであり、半値幅が狭い）、かつ安定した発振状態が得られる。
【００２５】
ここで、波長選択素子４によって半導体レーザ２に帰還される帰還光のスペクトルについて検討する。ブラッグ反射器を構成するブラッグ回折格子の反射率Ｒは次式で与えられる。
【００２６】
【数１】
ここで、
【数２】
である。また、κ：結合係数、α：吸収係数、Ｌ：ブラッグ反射器の全長、Ｎ（λ）：ブラッグ領域の屈折率、ΛB ：ブラッグ反射器の周期、ｑ：ブラッグ回折次数である。
【００２７】
ここで、ＬｉＮｂＯ3 の代表的な値として、κ＝５．０×１０-4μｍ-1、α＝０．５ｄＢ／ｃｍ、Ｌ＝４ｍｍ、ｑ＝１７と仮定するとブラッグ反射スペクトルの半値幅は、ほぼ０．１ｎｍとなる。
【００２８】
一方、半導体レーザ２の縦モード間隔は、半導体レーザ２の共振器長が３５０μｍで波長０．７８μｍである場合、ほぼ０．３ｎｍであるから、ブラッグ反射領域の長さＬを上述の値（＝４ｍｍ）より長めに設定すれば、この波長変換装置を光通信システムに用いることができることになる。
【００２９】
以上、概略の計算を行ったが、実際の設計では、（１）式を用いてブラッグ反射スペクトルの半値幅を計算し、ポンプ光として用いる半導体レーザの縦モード間隔以下となるようにＤＢＲ領域（ブラッグ反射器）を設計すればよい。
【００３０】
上述のように波長が制限された帰還光により発振した半導体レーザ２からのポンプ光と光ファイバ３からの信号光が共に波長変換素子１に入射すると、これらの光の波長に基づいて変換光が発生する。この波長変換素子１は、例えば周期的分極反転構造による疑似位相整合（ＱＰＭ）素子を使うのが便利である。この周期的分極反転構造の周期Λは、以下の疑似位相整合条件を満たすように設定されている。 ｋ３−ｋ２−ｋ１＝２π／Λ （２）
ここで、ｋ３、ｋ２、ｋ１は、それぞれポンプ光、信号光、変換光の波数である。
【００３１】
この波長変換素子１として、例えば上述のＤＦＧ素子を用いた場合には変換光として入射するポンプ光と信号光の差の周波数の光が発生し、ＳＦＧ素子を用いた場合には、ポンプ光と信号光の和の周波数の光が発生する。
【００３２】
ＤＦＧ素子を用いた場合、ポンプ光、信号光、変換光の波長をそれぞれλ３、λ２、λ１とするとこれらの波長の間の関係はエネルギー保存則から以下のようになる。
１／λ１＝１／λ３−１／λ２ （３）
同様に、ＳＦＧ素子を用いた場合には、
１／λ１＝１／λ３＋１／λ２ （４）
となる。
【００３３】
上述のような波長変換装置を光通信システム中で用い、信号光として送信データ等に応じて変調された信号光を供給することにより、信号光の波長の変換を行って波長交換を実現することができる。
【００３４】
ところで、強度、波長が共に安定した変換光を得るためには、ポンプ光の波長が安定していることが必要である。上述の波長変換装置では、半導体レーザ２にフィードバックされる光の波長を波長選択素子４により制限（選択）しているために、半導体レーザ２の発振波長は波長選択素子４により選択される波長となり、ファブリ・ペロ型の半導体レーザが有する発振波長の不安定さを低減させることができ、半導体レーザ２において発生するポンプ光の波長を安定させることができる。
【００３５】
また、波長変換素子１の位相整合条件は、ポンプ光と信号光の波長によって決まるため、この位相整合条件が安定的に満たされるためには、ポンプ光、信号光の波長が安定していることが要求される。
【００３６】
光通信においては、信号光は一般的に、分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ）あるいはブラッグ帰還型レーザ（ＤＢＲレーザ）によって発生されているので本来的に波長が安定化されている。
【００３７】
しかしながら、一般にポンプ光の発生にはファブリ・ペロ型の半導体レーザが使われることが多く、波長の安定度が低い。ポンプ光もファブリ・ペロ型の半導体レーザを使わず、波長の安定した上述のＤＢＲレーザ、ＤＢＲレーザを用いればよいことになるが、信号光、ポンプ光の波長を共に確定してしまうと波長変換素子の位相整合条件も確定してしまい、波長変換装置を構成する際の自由度が全く無くなってしまうため技術的に困難になる。このため、波長変換装置を構成する段階では、ポンプ光の波長に調整のためのマージンを確保しておくことが好ましく、ポンプ光の発生にはファブリ・ペロ型の半導体レーザが使われることが多い。
【００３８】
動作時には、上述のようにポンプ光の波長も安定していることが要求される。上述の波長変換装置では、上述のように、波長選択素子４により半導体レーザ２にフィードバックされる光を制限しているため、半導体レーザ２としてファブリ・ペロ型の半導体レーザを用いてもポンプ光の波長を安定させることができる。このため、信号光とポンプ光の波長で決まる波長変換素子１の位相整合条件が安定的に満たされるので、変換光の強度、波長を共に安定させることができる。
【００３９】
第２の実施形態
上述の第１の実施形態では、波長選択素子４が波長変換素子１と半導体レーザ２の間に配置されていたが、波長選択素子４として用いる素子によっては、図２に示す第２の実施形態に係る波長変換装置のように、波長変換素子１を半導体レーザ２と波長選択素子４の間に配置することができる。
【００４０】
この波長変換装置では、波長選択素子４の波長変換素子１から遠い方の面に反射面が形成されている。この反射面と半導体レーザ２の反射面２ａとで光共振器が構成されている。
【００４１】
また、この波長変換装置では、光ファイバを介して入射された信号光は、以下のいずれかの方法により波長変換素子１に入射される。
【００４２】
第１の方法では、半導体レーザ２と波長変換素子１との間にバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１３ａを挿入して図２の下方向（光ファイバ１６ａ）から信号光を入射させる。第２の方法では、波長変換素子１と波長選択素子４との間にバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１３ｂを挿入して図２の下方向（光ファイバ１６ｂ）から信号光を入射させる。第３の方法では、波長選択素子４に対して図２の右（光ファイバ１６ｃ）から信号光を入射させる。いずれの方法により信号光を入射させるかは、波長変換素子１、波長選択素子４あるいはＢＰＦ等の構成に応じて選択する。
【００４３】
このように構成された波長変換装置は、上述の第１の実施形態に係る波長変換装置と同様に動作し、第１の実施形態と同様に、波長選択素子４により半導体レーザ２にフィードバックされる光の波長を制限しているために、ポンプ光の波長を安定化させ、変換光の強度、波長を共に安定させることができる。
【００４４】
なお、第１及び第２の実施形態における波長変換装置に対する信号光の入射方法は、実際の光通信システムの設計に応じていずれかを選択する。
【００４５】
第３の実施形態
図３は本発明の第３の実施形態に係る波長変換装置の構成を示している。この波長変換装置は、同図中に示すように、ポンプ光を発生する半導体レーザ２２と、半導体レーザ２２からのポンプ光を透過させるバンドパスフィルタ２３と、疑似位相整合部分（ＱＰＭ部分）２４ｃとブラッグ反射部分（ＤＢＲ部分）２４ｄとが一体に形成された波長変換素子２４と、光ファイバ２６からの信号光を波長変換素子２４に伝播させると共に、波長変換素子２４からの光を光ファイバ２６に伝播させない光アイソレータ２５とを備えている。
【００４６】
半導体レーザ２２の一方の端面（波長変換素子２４に臨む端面の反対側の端面）には高反射コーティング部（１００％反射が望ましい）２２ａが形成されている。
【００４７】
また、この反射面２２ａと反対側の半導体レーザ２２の出力端面２２ｂの反射率をｒ、波長変換素子の端面２４ａ及び２４ｂの反射率をｒ’、ｒ”、ＤＢＲ部分２４ｃからの帰還率をｒD とすると、
ｒ’、ｒ” ＜＜ ｒD
ｒ ＜＜ ｒD （５）
ｒ’、ｒ” ＜ ｒ
なる関係を満たすように、コーティング等の表面処理を選択することによって各端面２２ｂ、２４ａ、２４ｂの反射率が設定されており、半導体レーザ２２の低反射側２２ｂから発振光（ポンプ光）を出力する構成となっている。
【００４８】
半導体レーザ２２の低反射側２２ｂから出力されたポンプ光は、バンドパスフィルタ２３を介して波長変換素子２４に入射する。この波長変換素子２４のポンプ光の入力側には周期的分極反転構造からなるＱＰＭ部分２４ｃが形成されており、反対側には、周期的屈折率分布からなる分布帰還構造部分（ＤＢＲ）が形成されている。このような構成では、図３中に示すように、共に左向き方向に伝播するポンプ光（波数ベクトルｋｐ）と信号光（波数ベクトルｋｓ）の間で位相整合が取られる。従って、ポンプ光を反射するＤＢＲ部分の反射率を十分に大きくしてポンプ光の強度を保つ必要がある。
【００４９】
この波長変換装置では、光ファイバ２６からの信号光（例えば波長１．５５μｍ）は、光アイソレータ２５を介して半導体レーザ２２からのポンプ光（例えば波長０．７８μｍ）とは反対側から波長変換素子２４に入射する構成とされている。これは、上述の図２に示す第２の実施形態における第３の方法に相当する。
【００５０】
このように構成された波長変換装置では、波長変換素子２４のＤＢＲ部分２４ｄと半導体レーザ２２の高反射コーティング部２２ａより光共振器が構成される。従って、ＤＢＲ部分２４ｄにより反射される光の波長が制限され、レーザの発振波長が制限されて単一波長モードで発振する。すなわち、波長変換素子２４のＤＢＲ部分２４ｄにより反射される光の波長はＤＢＲ部分２４ｄの屈折率の周期構造の周期によって決まるため、半導体レーザ２２はこの屈折率の周期構造の周期（ブラッグ条件という。）によって決まる波長で発振する。
【００５１】
半導体レーザ２２からのポンプ光（具体的には、さらにＤＢＲ部分２４ｄで反射されたポンプ光）と光ファイバ２６からの信号光が波長変換素子２４に入射されると、ＱＰＭ部分２４ｃでこれらの光の波長に基づく波長の光（例えばこれらの光の波長の差の周波数の光）が発生する。このように発生した変換光は、バンドパスフィルタ２３において、波長に対して選択的に反射され、外部に取り出される。これにより、信号光（波長１．５５μｍ）及び変換光（波長１．５７μｍ）が図３中の下方向に出力される。
【００５２】
ここで、半導体レーザ２２の発振動作をさらに詳しく説明する。
図３に示す波長変換装置全体をレーザ発振器と考えると、半導体レーザ２２の活性領域を挟んで複数の共振器構造が構成されていると考えることができる。
【００５３】
すなわち、半導体レーザ２２の高反射コーティング部２２ａと端面２２ｂにより構成される共振器（第１の共振器、この共振器が半導体レーザ２２のみをファブリ・ペロ型レーザと見た場合の共振器に相当する）、半導体レーザ２２の高反射コーティング部２２ａと波長変換素子２４の端面２４ａにより構成される共振器（第２の共振器）、半導体レーザの高反射コーティング部２２ａとＤＢＲ部分２４ｄで構成される共振器（第３の共振器）、半導体レーザの高反射コーティング部２２ａと端面２４ｂにより構成される共振器（第４の共振器）が考えられる。この他にも共振構造と見なせる部分はあるが、これらは上述の第１〜第４の共振器に比較してレーザ発振に対する寄与が少なく、無視することができる。
【００５４】
この実施形態においては、半導体レーザ２２を通常のキャビティ長３５０μｍの半導体レーザとしているので、第１の共振器の発振モード間隔は当然に通常のキャビティ長３５０μｍの半導体レーザ２２のモード間隔に等しく０．３ｎｍ程度、第２及び第４の共振器の発振モード間隔はこれより約数百分の１程度以下の極めて狭い間隔である。一方、第３の共振器の発振モードはＤＢＲ部分２４ｄの屈折率周期で決まる高反射条件に相当する波長に対応し、これは１００ｎｍ程度の間隔で存在する。
【００５５】
そこで、半導体レーザ２２の高反射コーティング部２２ａの反射率をほぼ１００％として、半導体レーザの出力端面２２ｂの反射率をｒ、波長変換素子２４の端面２４ａ及び２４ｂの反射率をｒ’、ｒ”、ＤＢＲ部分２４ｄからの帰還率をｒD とした場合、
ｒ’、ｒ” ＜＜ ｒD
ｒ ＜＜ ｒD （５）
ｒ’、ｒ” ＜ ｒ
なる関係を満たすようにコーティングがされていれば、第２の共振器による発振モードが選択されることはまずなく、第１及び第３の共振器によって決まるモードが選択される。具体的には、第１共振器の０．３ｎｍ間隔のモードのうち第３の共振器のＤＢＲ部分２４ｄからの帰還光の波長に最も近いモードが選択されることになる。
【００５６】
ＤＢＲ部分２４ｄからの帰還光のうち発振光の波長となり得るのは、モード間隔が１００ｎｍ程度あり、（レーザダイオード２２の）活性領域の利得の幅が１００ｎｍ程度であることからただ１つの波長に限られる。またＤＢＲ部分２４ｄからの帰還光のスペクトル半値幅が上述のように０．１ｎｍ程度であるので、これより広いモード間隔をもつ第１共振器のモードは問題なく１つに選択できる。この選択されたモードのスペクトル半値幅は通常のキャビティ長３５０μｍの半導体レーザの半値幅に等しく、これは一般的に数ＭＨｚ程度である。この半値幅は上述のような外部からの帰還がなくとも通常のファブリ・ペロモードで発振している半導体レーザにおいても変わらず、各モード一つ一つの半値幅はやはり数ＭＨｚである。この値は半導体レーザの活性領域に特別な利得のゆらぎ等を加えるといった特別な操作を加えない限りファブリ・ペロ型のレーザ固有の値となっている。
【００５７】
一方、第２、第４の共振器のモード間隔は、第１の共振器のモード間隔に比べ数百分の１程であるので、ＤＢＲ部分２４ｄからの帰還光のスペクトル半値幅よりはるかに狭くなってＤＢＲ部分２４ｄからの帰還光の半値幅の中に複数の発振可能モードが含まれることになり、ＤＢＲ部分２４ｄからの帰還光による発振モードの選択は安定的にはできないことになる。このため、この波長変換装置では、これら第２及び第４の共振器によるモードが支配的にならないように、波長変換素子の端面２４ａ及び２４ｂの反射率ｒ’、ｒ”を半導体レーザの出力端面２２ｂの反射率ｒ及びＤＢＲ部分２４ｄからの帰還率ｒD に比べて十分に小さく構成している。
【００５８】
ところで、この波長変換装置では、波長変換素子２４がＱＰＭ部分２４ｃ及びＤＢＲ部分２４ｄを一体化して形成されているので、十分な精度を持って疑似位相整合条件を満たすことができ、発振波長を確定させることができる。このため、システムを構成する際の作業を簡単化することができ、また、構成したシステムの経年変化を低減させることができる。
【００５９】
また、この図３に示す波長変換装置では、変換光を取り出す方向（図３中のバンドパスフィルタ２３の下方向）にポンプ光が全く混入しないことである。システムの設計上、ポンプ光が混入することが不都合である場合には、図３に示すような構成を取ることで解決する。
【００６０】
ポンプ光の帰還効率を十分に大きく取るためには、ＤＢＲ部分２４ｄの反射率を十分に大きくする必要があり、さらに、この波長変換装置では、ＤＢＲ部分２４ｄからの帰還光が往復する途中に波長変換部分（ＱＰＭ部分２４ｃ）があるのでこのＱＰＭ部分２４ｃでのポンプ光の減衰をできるだけ小さくしなければならない。しかしながら、変換光の変換効率を高くすると、ＱＰＭ部分２４ｃにおけるポンプ光の減衰が大きくなるため、特に高効率の波長変換装置を構成する場合には、全体的な効率を考慮してポンプ光の帰還効率を設定する必要がある。
【００６１】
上述のように、この第３の実施形態に係る波長変換装置では、ポンプ光を発生する半導体レーザ２２に帰還される光をＤＢＲ部分２４ｄによって帯域制限しているため、上述の第１及び第２の実施形態と同様に、半導体レーザ２２の発振波長が極めて安定しており、また、ポンプ光のスペクトルの半値幅が極めて狭い。このため、波長変換素子２４において発生される変換光の波長を安定させることができ、さらに変換光のスペクトルの半値幅を極めて狭いものとすることができる。このような波長変換装置をＷＤＭシステム用いることにより、システムの性能の向上に寄与することができる。
【００６２】
第４の実施形態
図４は、本発明の第４の実施形態に係る波長変換装置の構成を示している。この波長変換装置は、上述の図３に示す第３の実施形態と同様に、半導体レーザ３２と、バンドパスフィルタ３３と、ＱＰＭ部分３４ｃとＤＢＲ部分３４ｄとが一体に形成された波長変換素子３４と、バンドパスフィルタ３３からの光を光ファイバ３６に伝播させない光アイソレータ３５とを備えている。
【００６３】
半導体レーザ３２の一方の端面（波長変換素子３４に臨む端面の反対側の端面）には高反射コーティング部（１００％反射が望ましい）３２ａが形成されている。
【００６４】
また、半導体レーザ３２、波長変換素子３４の各々の端面は、半導体レーザ３２の出力端面３２ｂの反射率をｒ、波長変換素子の端面３４ａ及び３４ｂの反射率をｒ’、ｒ”、ＤＢＲ部分３４ｄからの帰還率をｒD とすると、
ｒ’、ｒ” ＜＜ ｒD
ｒ ＜＜ ｒD （５）
ｒ’、ｒ” ＜ ｒ
なる関係を満たすようにコーティング等によって反射率が調整されており、半導体レーザ３２の低反射側３２ｂから発振光（ポンプ光）を出力する構成となっている。
【００６５】
半導体レーザ３２からのポンプ光は、バンドパスフィルタ３３を通して波長変換素子３４に入射する。この波長変換素子３４には、上述の第３の実施形態とは逆に、ポンプ光の入射側に周期的屈折率分布からなる分布帰還構造（ＤＢＲ）部分３４ｄが形成されており、これと反対側に周期的分極反転構造からなる疑似位相整合（ＱＰＭ）部分３４ｃが形成されている。
【００６６】
また、この波長変換装置では、第３の実施形態とは異なり、図４中の右方向に伝播するポンプ光（波数ベクトルｋｐ）、信号光（波数ベクトルｋｓ）に対して位相整合が取られる。
【００６７】
一方、信号光（ここでは波長１．５５μｍ）は、光ファイバ３６、光アイソレータ３５を介してポンプ光（ここでは波長０．７８μｍ）とは直角方向にバンドパスフィルタ３３に入射し、このバンドパスフィルタ３３により選択的に反射されて波長変換素子３４に入射する構成とされている。これは第１の実施形態の第１の方法に相当する。
【００６８】
このように構成された波長変換装置では、半導体レーザ３２の高反射コーティング部３２ａと波長変換装置３４のＤＢＲ部分３４ｄにより光共振器が構成される。このＤＢＲ部分３４ｄにより半導体レーザ３２に帰還される光の波長は、上述のＤＢＲ部分３４ｄの屈折率の周期的分布の周期（ブラッグ条件）によって決まる波長に制限される。これにより、半導体レーザ３２は制限された波長（単一波長モード）で発振する。
【００６９】
また、ＤＢＲ部分３４ｄを通過したポンプ光とバンドパスフィルタ３３を介して波長変換素子３４に入射した信号光がＱＰＭ部分３４ｃに入射すると、このＱＰＭ部分３４ｄにおいてポンプ光と信号光の差の周波の光（変換光）が発生する。この変換光は、図４中の波長変換素子３４の右端から出力される。
【００７０】
この波長変換装置は、上述の第３の実施形態と同様に半導体レーザ３２に帰還される光の波長を制限しているため、半導体レーザ３２により発生されるポンプ光の発振波長を安定させることができ、またポンプ光のスペクトルの半値幅を極めて狭くすることができる。従って、波長変換素子において発生する変換光の波長を安定させ、変換光のスペクトルの半値幅を極めて狭くすることができる。
【００７１】
また、この波長変換装置では、上述の第３の実施形態と同様に、波長変換素子がＱＰＭ部分２４ｄ及びＤＢＲ部分２４ｃとを一体化して形成されているので、十分な精度を持って疑似位相整合条件を満たすことができ、発振波長を確定させることができる。このため、システムを構成する際の作業を簡単化することができ、また、構成したシステムの経年変化を低減させることができる。
【００７２】
また、この波長変換装置では、変換光の出力中にポンプ光が混入するため、この点を考慮して設計を行う必要があるが、半導体レーザ３２の発振のための帰還光が往復する光路中に波長変換部分（ＱＰＭ部分３４ｃ）がないため、このＱＰＭ部分３４ｃにおけるポンプ光の減衰を考慮する必要がなく、ポンプ光の強度を高くする等の設計を容易にすることができる。
【００７３】
第５の実施形態
図５に示すように、本発明の第５の実施形態に係る波長変換装置の構成を示している。この波長変換装置は、上述の図３に示す第３の実施形態に係る波長変換素子２４のＤＢＲ部分２４ｄ、アイソレータ２５の代わりに光ファイバ４６の出力端近傍にＤＢＲ部分４６ａを備えたものである。
【００７４】
この波長変換装置は、第３の実施形態と同様に、半導体レーザ４２と、バンドパスフィルタ４３と、ＱＰＭ部分４４ｃが形成された波長変換素子４４とを備えている。
【００７５】
半導体レーザ４２の一方の端面（波長変換素子３４に臨む端面の反対側の端面）には高反射コーティング部（１００％反射が望ましい）３２ａが形成されている。
【００７６】
また、半導体レーザ４２、波長変換素子４４の各々の端面は、半導体レーザ４２の出力端面４２ｂの反射率をｒ、波長変換素子の端面４４ａ及び４４ｂの反射率をｒ’、ｒ”、光ファイバ４６のＤＢＲ部分４６ａからの帰還率をｒD とすると、
ｒ’、ｒ” ＜＜ ｒD
ｒ ＜＜ ｒD （５）
ｒ’、ｒ” ＜ ｒ
なる関係を満たすようにコーティング等によって反射率が調整されており、半導体レーザ４２の低反射側４２ｂから発振光（ポンプ光）を出力する構成とされている。
【００７７】
半導体レーザ４２からのポンプ光は、バンドパスフィルタ４３を通して波長変換素子４４に入射する。上述のように、この波長変換素子４４にはＱＰＭ部分４４ｃだけが形成されており、光ファイバ４６の出力端近傍にＤＢＲ部分４６が形成されている。
【００７８】
この波長変換装置では、上述の第３の実施形態と同様に、共に図５中の左方向に伝播するポンプ光（波数ベクトルｋｐ）、信号光（波数ベクトルｋｓ）に対して位相整合が取られる。従って、ポンプ光を反射するＤＢＲ部分の反射率を十分に大きくする必要がある点では、上述の第３の実施形態と同様である。
【００７９】
一方、信号光（ここでは波長１．５５μｍ）は、光ファイバ４６に導かれ、この光ファイバ４６の出射端近傍のＤＢＲ部分４６ａを通って半導体レーザ４２からのポンプ光（ここでは波長０．７８μｍ）とは反対側から波長変換素子４４に入射する構成とされている。これは第２の実施形態の第３の方法に相当する。
【００８０】
このように構成された波長変換装置では、半導体レーザ４２の高反射コーティング部４２ａと光ファイバ４６の出射端近傍のＤＢＲ部分４６ａにより光共振器が構成される。このＤＢＲ部分４６ａにより半導体レーザ４２に帰還される光の波長は、上述のＤＢＲ部分４６ａの構造によって決まる波長に制限される。これにより、半導体レーザ４２は制限された波長（単一波長モード）で発振する。
【００８１】
ＤＢＲ部分４６ａにより反射されたポンプ光と、ＤＢＲ部分４６ａを介して波長変換素子４４に入射した信号光がＱＰＭ部分４４ｃに入射すると、このＱＰＭ部分４４ｃにおいてポンプ光と信号光の差の周波の光（変換光）が発生する。この変換光は、図５中の波長変換素子４４の左端から出力され、バンドパスフィルタ４３で反射され、信号光（波長１．５５μｍ）及び変換光（波長１．５７μｍ）図５中の下方向に出力される。
【００８２】
この波長変換装置では、上述の各実施形態と同様に、半導体レーザ４２に帰還される光がＤＢＲ部分４６ａによって波長制限されているため、ポンプ光の発振波長が極めて安定しており、またポンプ光のスペクトルの半値幅が極めて狭い。このため、波長変換素子４４において発生する変換光の波長を安定させることができ、また変換光のスペクトルの半値幅を極めて狭くすることができる。このような波長変換装置をＷＤＭシステムに用いることより、システムの性能の向上に寄与することができる。
【００８３】
また、この波長変換装置では、バンドパスフィルタ４３を用いて信号光、変換光を選択的に反射させて出力しているため、原理的に変換光を出力する方向にポンプ光が全く混入しない。従って、システムの設計上、ポンプ光が混入することが不都合である場合には、この図５に示した構成を取ることで解決する。ただし、ポンプ光の帰還効率を十分に大きく取るためには、ＤＢＲ部分４６ａの反射率を十分に大きくする必要がある点については上述の第３の実施形態と同様である。
【００８４】
また、この波長変換装置では、上述の第３の実施形態と同様に、ＤＢＲ部分４６ａからの帰還光が往復する途中にＱＰＭ部分４４ｃが挟まれているため、ポンプ光の帰還効率を十分に大きく取るためには、第３の実施形態と同様に、ＤＢＲ部分４６ａの反射率を十分に大きくこのＱＰＭ部分４４ｃでのポンプ光の減衰をできるだけ小さくしなければならない。しかしながら、第３の実施形態と同様に、変換光の変換効率を高くすると、ＱＰＭ部分４４ｃにおけるポンプ光の減衰が大きくなるため、特に高効率の波長変換装置を構成する場合には、全体的な効率を考慮してポンプ光の帰還効率を設定する必要がある。
【００８５】
また、この波長変換装置では、ＱＰＭ部分４４ｃとＤＢＲ部分４６ａが一体化されていないので、疑似位相整合条件と発振波長の確定を十分な精度を保持したまま同時に満たすことができない。ところで、ＱＰＭ部分とＤＢＲ部分とでは製造プロセスが異なるので、これらを一体化した場合では両方の部分を同時に最適条件で作成することが難しい。この波長変換装置では、ＱＰＭ部分４６ａとＤＢＲ部分４４ｃを一体化していないので、これらを別個に作成することができ、これらを最適条件で作成することが容易となる。
【００８６】
なお、上述の第３〜第５の実施形態の波長変換装置には、実際の機器の設計時に若干の注意を要するが、実際の機器に最適な構成を選択すればよい。
【００８７】
以上説明したように、上述の各実施形態の波長変換装置では、変換光のスペクトルの半値幅がＷＤＭシステム等の光通信システムにおいて求められる光のスペクトル幅（例えば５ＭＨｚ）程度かそれ以下、具体的には５ＭＨｚ程度あるいはそれ以下にできる。また、半導体レーザを用いることができるため、これらの波長変換装置用いた機器を小型化することができる。
【００８８】
上述のような波長変換装置は、例えばＷＤＭ（波長多重）交換システムにおいて異なる波長間のスイッチングを行う波長スイッチング素子として用いられる。図６はこのようなＷＤＭ交換システムの構成例を示している。
【００８９】
このＷＤＭ交換システムは、入力された光を分岐する光分岐素子５０と、分岐された光から特定の波長の光を選択する波長選択素子５１と、選択された光の波長を変換する波長変換素子（上述の波長変換装置が用いられる）５２と、波長変換素子の出力光の波長を特定の波長に制限する波長選択素子５３と、波長選択素子５３からの出力光を合成する合波器５４とを備えている。また、このシステムは、各波長の光の使用状況等に応じて各波長選択素子５１、波長変換素子５２、波長選択素子５３等の制御を行う制御部（図示せず）等を備えている。
【００９０】
この制御部は、例えば出力伝送路中の波長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等にこれを検出し、波長λ１として入力された光が空いているチャンネルの波長（例えば波長λ２）に変換されるように各波長選択素子５１、波長変換素子５２、波長選択素子５３等の制御を行う。
【００９１】
このような制御に基づいて、まず、光分岐素子５０と波長選択素子５１によって波長λ１の光を分離選択して波長変換素子５２に導く。次に、波長変換素子５２によって、波長λ１の光を波長λ２の光に変換し、更に波長選択素子５３によって波長λ２の光だけを合波器５４に出力し、合波器５４において他の波長の光と合成し出力伝送路に送出する。
【００９２】
このような波長交換を行うことにより、出力伝送路の特定の波長のチャンネルが使用中であっても、他の波長チャンネルが空いていれば波長変換を行って通信を継続することができる。これにより、一時待機等の手段を講ずることなくスムーズな通信が可能となり、通信効率を高めることができる。
【００９３】
ところで、被変換光（上述の各実施形態では、半導体レーザからのポンプ光に相当する）の波長を安定化する方法として、例えば特開平６−２８３７９１号、特開平５−１１２９７号、特開平５−６６４４０号等に示された方法がある。これらの方法では、半導体レーザの発振光（被変換光）の第２高調波を発生する装置において、このブラッグ反射により半導体レーザに帰還する光の波長を制限する波長固定法（ブラッグロッキング）が用いられている。
【００９４】
しかしながら、上述の各実施形態において差周波発生等を行う場合のように２種類以上の基本波光（この場合はポンプ光と信号光に相当）を必要とする波長変換装置にこのブラッグロッキングが採用された例は従来にはない。
【００９５】
また、上述の各公開公報に記載されている発明中で用いられているブラッグロッキング法はあくまで半導体レーザの発振波長の安定化を目的としているものであり、上述の各実施形態のように発振光のスペクトルの半値幅を狭くして波長の純粋性を確保する目的ではない。
【００９６】
従って、上述の各公開公報に記載された発明では、発振光のスペクトルの半値幅を狭くするためのブラッグ構造の長さの最適化等の課題の検討はなされておらず、これらの発明の単なる延長として上記各実施形態を完成させることは不可能である。変換光のスペクトル狭線化に注目して差周波発生を光交換技術に取り入れることが可能であることに着目して一連の技術を完成することは、大きな発想の転換が必要であり容易に完成することはできない。
【００９７】
なお、上述の各実施形態の説明では、波長変換素子として主にＤＦＧを中心に説明したが、変換光を得るためには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例えば１．５５μｍ近傍に設定し、これに対応させてバンドパスフィルタの透過特性等をＳＦＧ用に変更する等の変更を必要とする。
【００９８】
また、ＤＦＧ、ＳＦＧ以外にも２次の非線形光学効果である光パラメトリック発振・増幅等をも変換光を得るために波長変換素子として用いることができる。さらに、３次以上の高次の非線形光学効果を利用することも可能であり、特に四光波混合による波長変換を用いることができる。これらの異なる光学効果を用いる場合には、バンドパスフィルタの特性、半導体レーザの発振可能波長帯域等の変更が必要であることは言うまでもない。
【００９９】
【発明の効果】
本発明に係る波長変換装置は、波長選択手段によって半導体レーザに帰還させる光の波長を制限することにより、半導体レーザの発振波長のスペクトル幅を狭くすることができ、波長変換手段において発生する変換光のスペクトル幅を狭くすることができる。
【０１００】
また、本発明に係る他の波長変換手段は、分布帰還（ＤＢＲ）手段により半導体レーザに帰還される光の波長を制限することにより、半導体レーザの発振波長のスペクトル幅を狭くして波長変換手段において発生する変換光のスペクトル幅を狭くすることができる。
【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構成を示す図である。
【図３】 本発明の第３の実施形態に係る波長変換装置の構成を示す図である。
【図４】 本発明の第４の実施形態に係る波長変換装置の構成を示す図である。
【図５】 本発明の第５の実施形態に係る波長変換装置の構成を示す図である。
【図６】 ＷＤＭ交換システムの要部の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１、２４、２４、３４、４４ 波長変換素子、２、２２、３２、４２ 半導体レーザ、３ａ、３ｂ、１３ａ〜１３ｃ、２３、３３、４３ バンドパスフィルタ、２４ｃ、３４ｃ、４４ｃ ＱＰＭ部分、２４ｄ、３４ｄ、４６ａ ＤＢＲ部分
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムにおいて使用される波長変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光通信における回線容量の増加等を目的として、波長の異なる複数の光を多重化して伝送する波長多重（ＷＤＭ）通信が研究されている。このような波長多重通信においては、複数の入力信号（光信号）の多重化を行うために光の波長を変換する必要がある。
【０００３】
従来、光の波長を変換する波長変換素子としては、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。しかしながら、これらの波長変換素子では光通信システムにおいて求められる高効率、高速、広帯域、低ノイズ、偏波無依存等の条件を満足させることができなかった。
【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による差周波発生（ＤＦＧ）を使うことを考え、先の特許出願（特願平６−１７５２６５）及び以下の論文
［１］C.Q.Xu, et.a1. App1.Phys.Lett. 63, 1170(1993)
［２］徐長青、他 信学技報 OCS95-3, P‐17(1995)
において波長多重（Wavelength division multiplexing：ＷＤＭ）通信システムのキーデバイスとして波長変換素子を利用することを提案している。
【０００５】
ここで用いられている波長変換素子では、ＬｉＮｂＯ3 に周期的分極反転構造が形成され、この分極反転構造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。これらの文献では、このような構成の波長変換素子を用いてＤＦＧにより、１．５３μｍから１．５５μｍの光へと光交換を実現した例を報告している。このような構成の波長変換素子によれば、超高速、広帯域（１４０ｎｍ以上）、低ノイズ（量子雑音以下）、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）等の条件を満足させることが可能となっている。これにより、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ている。
【０００６】
また、この他にも同様の提案が以下の文献に示されている。
【０００７】
［３］S.J.B.Yoo, et.a1. App1.Phys.Lett. 63, 2609(1996)
この文献では、ＧａＡｓ基板を用い、この基盤に他のＧａＡｓ基板を結晶の直接接着法により面方位が反対の方向となるように接着し、接着したＧａＡｓ基板をフォトリソグラフィーにより周期的に除去して面方位が反対となったパターンを形成し、このパターン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波長変換素子としている。結晶の面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、接着した２枚のＧａＡｓ結晶基板を用いて分極反転構造を形成している。このように構成された波長変換素子では、超高速、広帯域、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、偏波無依存を実現している。
【０００８】
上述の文献［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を利用しようとするものである。このように波長変換技術を利用することにより、電子素子では実現できない超高速、広帯域、低ノイズ、多チャンネル間の交換が可能、高変換効率を実現することができる。
【０００９】
ところで、２次の非線形光学効果を利用した波長変換技術には２次高調波発生（ＳＨＧ）、和周波発生（ＳＦＧ）、差周波発生（ＤＦＧ）がある。このような技術のうちで光導波路を用いた素子が使われた代表的な例として、以下の文献に示されたものがある。
【００１０】
［４］K.Yamamoto, et.a1. App1.Phys.Lett. 58, 1227(1991)
［５］F.Lauren, et.a1. App1.Phys.Lett. 62, 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。この文献に示されている方法では、半導体レーザの波長の不安定性をチェレンコフ放射角の変化で吸収できるので位相整合が常に実現できるが、変換された光の放射方向はレーザ波長のゆらぎに従って常に変化することになる。また、半導体レーザの発振スペクトルの広がり、多モード性はそのまま変換光のスペクトルの広がりとして反映される。
【００１１】
光通信システムでは基本波光と共に変換光のスペクトルも十分に狭い必要があるので、この文献に示されている方法を光通信システムに用いることはできない。また、基本波光の波長のゆらぎが変換光の放射方向の変換となって現れるという特性も応用上極めて不都合である。
【００１２】
文献［５］では、文献［４］と同様に光導波路を用いて波長変換を実現しているが、文献［４］と異なり疑似位相整合と呼ばれる方法で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、基本波光の波長ゆらぎにより変換効率そのものが変動するという問題がある。また、文献［４］と同様に基本波のスペクトルの広さがそのまま変換光のスペクトルの広がりに反映される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
波長多重を行う光交換装置に波長変換技術を適用するためには、光のスペクトル幅が、例えば５ＭＨｚ以下程度に十分に狭いことが必要である。しかしながら、上述のいずれの光変換素子も、変換光のスペクトルが十分狭くないため、そのままでは光通信システムに用いることはできない。
【００１４】
例えば、上述の文献［３］に示されている波長変換素子は、一般に、ファブリ・ペロ型のレーザダイオード（ＬＤ）の光共振器内で用いられ、このファブリ・ペロ型のＬＤの発振光のスペクトルが一般に多モードであるため、この点が解決できない。また、文献［４］に示されている波長変換素子でも各モードの半値幅は比較的狭いがＴｉ：サファイヤレーザが多モードであることから、スペクトル幅が十分に小さくはなく、光交換システムにそのまま適用することができない。また、Ｔｉ：サファイヤレーザ装置そのものが大きく光交換システムに適用することが困難である。
【００１５】
本発明は、変換光のスペクトルの幅を小さくすることができ、また、装置そのものを小型化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。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る波長変換装置は、基本波光を発生する半導体レーザと、上記半導体レーザからの基本波光と外部からの信号光に基づいて変換光を発生し、出力する波長変換手段と、上記外部からの信号光を上記波長変換手段に入射させるバンドパスフィルタと、上記半導体レーザに帰還させる光の波長を制限し、所定の波長の光のみを選択的に帰還させる波長選択手段とを備え、
上記波長選択手段は、上記半導体レーザと上記波長変換手段の間に配置されており、
上記半導体レーザは、上記波長選択素子に面していない側の端部に第１反射面を有し、上記波長選択手段は、上記波長変換手段側の端部に第２反射面を有し、上記第１反射面と上記第２反射面とによって光共振器が構成され、
上記波長選択手段によって上記半導体レーザに帰還した光により発振した光は、上記基本波光となることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明に係る他の波長変換装置は、光路の一端に高反射コーティングを有し、該高反射コーティングの反対側の出力端面から発生した基本波光を出力する半導体レーザと、
疑似位相整合手段（以下、ＱＰＭ手段という。）と、上記半導体レーザに帰還させる光の波長を制限する分布帰還手段（以下、ＤＢＲ手段という。）とを有し、上記半導体レーザからの基本波光と外部からの信号光が入力され、上記基本波光と上記信号光とから変換光を発生する波長変換手段と、上記外部からの信号光を上記波長変換手段に入射させる信号光入射手段とを備え、
上記半導体レーザの上記高反射コーティングと上記出力端面並びに上記半導体レーザの上記高反射コーティングと上記波長変換手段の上記ＤＢＲ手段のそれぞれが、光共振器を構成し、
上記ＤＢＲ手段は、上記信号光の入力側に配置されており、
上記信号光入射手段は、上記ＤＢＲ手段に上記信号光を入射させる光ファイバ又は上記ＤＢＲ手段に上記信号光を入射させるバンドパスフィルタを含み、
上記ＱＰＭ手段は、上記波長変換手段の上記変換光の出力側に配置されており、
上記半導体レーザの出力端面の反射率をｒ、
上記波長変換手段の両端面の反射率をｒ’、ｒ”、
上記ＤＢＲ手段からの帰還率をｒＤとし、
ｒ’，ｒ”＜＜ｒＤ，
ｒ＜＜ｒＤ，
ｒ’，ｒ”＜＜ｒ
なる関係を満たすように各端面の反射率が設定されている。
さらに、本発明に係る他の波長変換装置は、光路の一端に高反射コーティングを有し、該高反射コーティングの反対側の出力端面から発生した基本波光を出力する半導体レーザと、疑似位相整合手段（以下、ＱＰＭ手段という。）を有し、上記半導体レーザからの基本波光と外部からの信号光が入力され、上記基本波光と上記信号光とから変換光を発生する波長変換手段と、上記半導体レーザに帰還させる光の波長を制限する分布帰還手段（以下、ＤＢＲ手段という。）を、その光出射端側に有し、上記外部からの信号光を伝播させて上記波長変換手段に入射させる光ファイバと、上記波長変換手段からの変換光を、上記半導体レーザからの基本波光と異なる方向に出力させるバンドパスフィルタとを備え、
上記波長変換手段の上記ＱＰＭ手段は、上記半導体レーザと上記光ファイバの間に配置されており、
上記バンドパスフィルタは、上記半導体レーザと上記ＱＰＭ手段の間に配置されており、
上記半導体レーザの上記高反射コーティングと上記出力端面並びに上記半導体レーザの上記高反射コーティングと上記光ファイバの上記ＤＢＲ手段のそれぞれが、光共振器を構成し、
上記半導体レーザの出力端面の反射率をｒ、
上記波長変換手段の両端面の反射率をｒ’、ｒ”、
上記ＤＢＲ手段からの帰還率をｒＤとし、
ｒ’，ｒ”＜＜ｒＤ，
ｒ＜＜ｒＤ，
ｒ’，ｒ”＜＜ｒ
なる関係を満たすように各端面の反射率が設定されている。
【００１８】
【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。この波長変換装置は、同図中に示すように、入射された複数の光の波長に基づいて波長変換を行う波長変換素子１と、この波長変換素子１のポンプ光（基本波光）となる光を発生する半導体レーザ２と、波長変換素子１と半導体レーザ２の間に配置された波長選択素子４とを備えている。
【００１９】
半導体レーザ２は、例えばファブリ・ペロ型の半導体レーザからなり、その光導波路の一端（波長選択素子４に面していない方）に反射面２ａを備えている。また、波長選択素子４は光路の波長変換素子１側に反射面を有しており、この反射面と半導体レーザ２の反射面２ａとにより光共振器が構成されている。
【００２０】
この波長選択素子４は、半導体レーザ２に波長選択素子４からの特定の波長の光のみが選択的にフィードバックされるように構成されている。このフィードバックされる光のスペクトルの半値幅は波長選択素子４の選択特性を適当に選択することによりＷＤＭシステム等の光通信において求められている所定の幅、例えば５ＭＨｚ程度以下とされている。このように帯域制限され、半導体レーザ２にフィードバックされた光により発振したレーザ光は、ポンプ光として波長変換素子１に供給される。
【００２１】
また、この波長変換装置では、光ファイバを介して入射された信号光は、以下のいずれかの方法により波長変換素子１に入射される。第１の方法では、半導体レーザ２と波長選択素子４との間にバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３ａを挿入して図１の下方向（光ファイバ６ａ）から信号光を入射させる。第２の方法では、波長選択素子４と波長変換素子１との間にバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３ｂを挿入して図１の下方向（光ファイバ６ｂ）から信号光を入射させる。いずれの方法により信号光を入射させるかは、波長変換素子１、波長選択素子４あるいはＢＰＦ等の構成に応じて選択する。
【００２２】
また、波長変換素子１は、半導体レーザ２からのポンプ光と信号光の波長に基づく変換光を発生し、この変換光を出力する。この波長変換素子は、例えばＤＦＧ（差周波発生）、ＳＦＧ（和周波発生）等を行う素子から構成されている。
【００２３】
このように構成された波長変換装置では、上述のように半導体レーザ２の端面２ａと波長選択素子４で光共振器が形成される。半導体レーザ２の光導波路中で発生した光は端面２ａ又は波長選択素子４で反射され、レーザ発振が起こる。このレーザ発振の発振波長は波長選択素子４で選択される波長となる。
【００２４】
この発振は、例えば波長選択素子４がブラッグ反射器であるとすると原理的にブラッグ帰還型半導体レーザと同じであり、その発振波長は単色性に優れ（発振波長のスペクトルが単一モードであり、半値幅が狭い）、かつ安定した発振状態が得られる。
【００２５】
ここで、波長選択素子４によって半導体レーザ２に帰還される帰還光のスペクトルについて検討する。ブラッグ反射器を構成するブラッグ回折格子の反射率Ｒは次式で与えられる。
【００２６】
【数１】
【数２】
【００２７】
ここで、ＬｉＮｂＯ3 の代表的な値として、κ＝５．０×１０-4μｍ-1、α＝０．５ｄＢ／ｃｍ、Ｌ＝４ｍｍ、ｑ＝１７と仮定するとブラッグ反射スペクトルの半値幅は、ほぼ０．１ｎｍとなる。
【００２８】
一方、半導体レーザ２の縦モード間隔は、半導体レーザ２の共振器長が３５０μｍで波長０．７８μｍである場合、ほぼ０．３ｎｍであるから、ブラッグ反射領域の長さＬを上述の値（＝４ｍｍ）より長めに設定すれば、この波長変換装置を光通信システムに用いることができることになる。
【００２９】
以上、概略の計算を行ったが、実際の設計では、（１）式を用いてブラッグ反射スペクトルの半値幅を計算し、ポンプ光として用いる半導体レーザの縦モード間隔以下となるようにＤＢＲ領域（ブラッグ反射器）を設計すればよい。
【００３０】
上述のように波長が制限された帰還光により発振した半導体レーザ２からのポンプ光と光ファイバ３からの信号光が共に波長変換素子１に入射すると、これらの光の波長に基づいて変換光が発生する。この波長変換素子１は、例えば周期的分極反転構造による疑似位相整合（ＱＰＭ）素子を使うのが便利である。この周期的分極反転構造の周期Λは、以下の疑似位相整合条件を満たすように設定されている。 ｋ３−ｋ２−ｋ１＝２π／Λ （２）
ここで、ｋ３、ｋ２、ｋ１は、それぞれポンプ光、信号光、変換光の波数である。
【００３１】
この波長変換素子１として、例えば上述のＤＦＧ素子を用いた場合には変換光として入射するポンプ光と信号光の差の周波数の光が発生し、ＳＦＧ素子を用いた場合には、ポンプ光と信号光の和の周波数の光が発生する。
【００３２】
ＤＦＧ素子を用いた場合、ポンプ光、信号光、変換光の波長をそれぞれλ３、λ２、λ１とするとこれらの波長の間の関係はエネルギー保存則から以下のようになる。
１／λ１＝１／λ３−１／λ２ （３）
同様に、ＳＦＧ素子を用いた場合には、
１／λ１＝１／λ３＋１／λ２ （４）
となる。
【００３３】
上述のような波長変換装置を光通信システム中で用い、信号光として送信データ等に応じて変調された信号光を供給することにより、信号光の波長の変換を行って波長交換を実現することができる。
【００３４】
ところで、強度、波長が共に安定した変換光を得るためには、ポンプ光の波長が安定していることが必要である。上述の波長変換装置では、半導体レーザ２にフィードバックされる光の波長を波長選択素子４により制限（選択）しているために、半導体レーザ２の発振波長は波長選択素子４により選択される波長となり、ファブリ・ペロ型の半導体レーザが有する発振波長の不安定さを低減させることができ、半導体レーザ２において発生するポンプ光の波長を安定させることができる。
【００３５】
また、波長変換素子１の位相整合条件は、ポンプ光と信号光の波長によって決まるため、この位相整合条件が安定的に満たされるためには、ポンプ光、信号光の波長が安定していることが要求される。
【００３６】
光通信においては、信号光は一般的に、分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ）あるいはブラッグ帰還型レーザ（ＤＢＲレーザ）によって発生されているので本来的に波長が安定化されている。
【００３７】
しかしながら、一般にポンプ光の発生にはファブリ・ペロ型の半導体レーザが使われることが多く、波長の安定度が低い。ポンプ光もファブリ・ペロ型の半導体レーザを使わず、波長の安定した上述のＤＢＲレーザ、ＤＢＲレーザを用いればよいことになるが、信号光、ポンプ光の波長を共に確定してしまうと波長変換素子の位相整合条件も確定してしまい、波長変換装置を構成する際の自由度が全く無くなってしまうため技術的に困難になる。このため、波長変換装置を構成する段階では、ポンプ光の波長に調整のためのマージンを確保しておくことが好ましく、ポンプ光の発生にはファブリ・ペロ型の半導体レーザが使われることが多い。
【００３８】
動作時には、上述のようにポンプ光の波長も安定していることが要求される。上述の波長変換装置では、上述のように、波長選択素子４により半導体レーザ２にフィードバックされる光を制限しているため、半導体レーザ２としてファブリ・ペロ型の半導体レーザを用いてもポンプ光の波長を安定させることができる。このため、信号光とポンプ光の波長で決まる波長変換素子１の位相整合条件が安定的に満たされるので、変換光の強度、波長を共に安定させることができる。
【００３９】
第２の実施形態
上述の第１の実施形態では、波長選択素子４が波長変換素子１と半導体レーザ２の間に配置されていたが、波長選択素子４として用いる素子によっては、図２に示す第２の実施形態に係る波長変換装置のように、波長変換素子１を半導体レーザ２と波長選択素子４の間に配置することができる。
【００４０】
この波長変換装置では、波長選択素子４の波長変換素子１から遠い方の面に反射面が形成されている。この反射面と半導体レーザ２の反射面２ａとで光共振器が構成されている。
【００４１】
また、この波長変換装置では、光ファイバを介して入射された信号光は、以下のいずれかの方法により波長変換素子１に入射される。
【００４２】
第１の方法では、半導体レーザ２と波長変換素子１との間にバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１３ａを挿入して図２の下方向（光ファイバ１６ａ）から信号光を入射させる。第２の方法では、波長変換素子１と波長選択素子４との間にバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１３ｂを挿入して図２の下方向（光ファイバ１６ｂ）から信号光を入射させる。第３の方法では、波長選択素子４に対して図２の右（光ファイバ１６ｃ）から信号光を入射させる。いずれの方法により信号光を入射させるかは、波長変換素子１、波長選択素子４あるいはＢＰＦ等の構成に応じて選択する。
【００４３】
このように構成された波長変換装置は、上述の第１の実施形態に係る波長変換装置と同様に動作し、第１の実施形態と同様に、波長選択素子４により半導体レーザ２にフィードバックされる光の波長を制限しているために、ポンプ光の波長を安定化させ、変換光の強度、波長を共に安定させることができる。
【００４４】
なお、第１及び第２の実施形態における波長変換装置に対する信号光の入射方法は、実際の光通信システムの設計に応じていずれかを選択する。
【００４５】
第３の実施形態
図３は本発明の第３の実施形態に係る波長変換装置の構成を示している。この波長変換装置は、同図中に示すように、ポンプ光を発生する半導体レーザ２２と、半導体レーザ２２からのポンプ光を透過させるバンドパスフィルタ２３と、疑似位相整合部分（ＱＰＭ部分）２４ｃとブラッグ反射部分（ＤＢＲ部分）２４ｄとが一体に形成された波長変換素子２４と、光ファイバ２６からの信号光を波長変換素子２４に伝播させると共に、波長変換素子２４からの光を光ファイバ２６に伝播させない光アイソレータ２５とを備えている。
【００４６】
半導体レーザ２２の一方の端面（波長変換素子２４に臨む端面の反対側の端面）には高反射コーティング部（１００％反射が望ましい）２２ａが形成されている。
【００４７】
また、この反射面２２ａと反対側の半導体レーザ２２の出力端面２２ｂの反射率をｒ、波長変換素子の端面２４ａ及び２４ｂの反射率をｒ’、ｒ”、ＤＢＲ部分２４ｃからの帰還率をｒD とすると、
ｒ’、ｒ” ＜＜ ｒD
ｒ ＜＜ ｒD （５）
ｒ’、ｒ” ＜ ｒ
なる関係を満たすように、コーティング等の表面処理を選択することによって各端面２２ｂ、２４ａ、２４ｂの反射率が設定されており、半導体レーザ２２の低反射側２２ｂから発振光（ポンプ光）を出力する構成となっている。
【００４８】
半導体レーザ２２の低反射側２２ｂから出力されたポンプ光は、バンドパスフィルタ２３を介して波長変換素子２４に入射する。この波長変換素子２４のポンプ光の入力側には周期的分極反転構造からなるＱＰＭ部分２４ｃが形成されており、反対側には、周期的屈折率分布からなる分布帰還構造部分（ＤＢＲ）が形成されている。このような構成では、図３中に示すように、共に左向き方向に伝播するポンプ光（波数ベクトルｋｐ）と信号光（波数ベクトルｋｓ）の間で位相整合が取られる。従って、ポンプ光を反射するＤＢＲ部分の反射率を十分に大きくしてポンプ光の強度を保つ必要がある。
【００４９】
この波長変換装置では、光ファイバ２６からの信号光（例えば波長１．５５μｍ）は、光アイソレータ２５を介して半導体レーザ２２からのポンプ光（例えば波長０．７８μｍ）とは反対側から波長変換素子２４に入射する構成とされている。これは、上述の図２に示す第２の実施形態における第３の方法に相当する。
【００５０】
このように構成された波長変換装置では、波長変換素子２４のＤＢＲ部分２４ｄと半導体レーザ２２の高反射コーティング部２２ａより光共振器が構成される。従って、ＤＢＲ部分２４ｄにより反射される光の波長が制限され、レーザの発振波長が制限されて単一波長モードで発振する。すなわち、波長変換素子２４のＤＢＲ部分２４ｄにより反射される光の波長はＤＢＲ部分２４ｄの屈折率の周期構造の周期によって決まるため、半導体レーザ２２はこの屈折率の周期構造の周期（ブラッグ条件という。）によって決まる波長で発振する。
【００５１】
半導体レーザ２２からのポンプ光（具体的には、さらにＤＢＲ部分２４ｄで反射されたポンプ光）と光ファイバ２６からの信号光が波長変換素子２４に入射されると、ＱＰＭ部分２４ｃでこれらの光の波長に基づく波長の光（例えばこれらの光の波長の差の周波数の光）が発生する。このように発生した変換光は、バンドパスフィルタ２３において、波長に対して選択的に反射され、外部に取り出される。これにより、信号光（波長１．５５μｍ）及び変換光（波長１．５７μｍ）が図３中の下方向に出力される。
【００５２】
ここで、半導体レーザ２２の発振動作をさらに詳しく説明する。
図３に示す波長変換装置全体をレーザ発振器と考えると、半導体レーザ２２の活性領域を挟んで複数の共振器構造が構成されていると考えることができる。
【００５３】
すなわち、半導体レーザ２２の高反射コーティング部２２ａと端面２２ｂにより構成される共振器（第１の共振器、この共振器が半導体レーザ２２のみをファブリ・ペロ型レーザと見た場合の共振器に相当する）、半導体レーザ２２の高反射コーティング部２２ａと波長変換素子２４の端面２４ａにより構成される共振器（第２の共振器）、半導体レーザの高反射コーティング部２２ａとＤＢＲ部分２４ｄで構成される共振器（第３の共振器）、半導体レーザの高反射コーティング部２２ａと端面２４ｂにより構成される共振器（第４の共振器）が考えられる。この他にも共振構造と見なせる部分はあるが、これらは上述の第１〜第４の共振器に比較してレーザ発振に対する寄与が少なく、無視することができる。
【００５４】
この実施形態においては、半導体レーザ２２を通常のキャビティ長３５０μｍの半導体レーザとしているので、第１の共振器の発振モード間隔は当然に通常のキャビティ長３５０μｍの半導体レーザ２２のモード間隔に等しく０．３ｎｍ程度、第２及び第４の共振器の発振モード間隔はこれより約数百分の１程度以下の極めて狭い間隔である。一方、第３の共振器の発振モードはＤＢＲ部分２４ｄの屈折率周期で決まる高反射条件に相当する波長に対応し、これは１００ｎｍ程度の間隔で存在する。
【００５５】
そこで、半導体レーザ２２の高反射コーティング部２２ａの反射率をほぼ１００％として、半導体レーザの出力端面２２ｂの反射率をｒ、波長変換素子２４の端面２４ａ及び２４ｂの反射率をｒ’、ｒ”、ＤＢＲ部分２４ｄからの帰還率をｒD とした場合、
ｒ’、ｒ” ＜＜ ｒD
ｒ ＜＜ ｒD （５）
ｒ’、ｒ” ＜ ｒ
なる関係を満たすようにコーティングがされていれば、第２の共振器による発振モードが選択されることはまずなく、第１及び第３の共振器によって決まるモードが選択される。具体的には、第１共振器の０．３ｎｍ間隔のモードのうち第３の共振器のＤＢＲ部分２４ｄからの帰還光の波長に最も近いモードが選択されることになる。
【００５６】
ＤＢＲ部分２４ｄからの帰還光のうち発振光の波長となり得るのは、モード間隔が１００ｎｍ程度あり、（レーザダイオード２２の）活性領域の利得の幅が１００ｎｍ程度であることからただ１つの波長に限られる。またＤＢＲ部分２４ｄからの帰還光のスペクトル半値幅が上述のように０．１ｎｍ程度であるので、これより広いモード間隔をもつ第１共振器のモードは問題なく１つに選択できる。この選択されたモードのスペクトル半値幅は通常のキャビティ長３５０μｍの半導体レーザの半値幅に等しく、これは一般的に数ＭＨｚ程度である。この半値幅は上述のような外部からの帰還がなくとも通常のファブリ・ペロモードで発振している半導体レーザにおいても変わらず、各モード一つ一つの半値幅はやはり数ＭＨｚである。この値は半導体レーザの活性領域に特別な利得のゆらぎ等を加えるといった特別な操作を加えない限りファブリ・ペロ型のレーザ固有の値となっている。
【００５７】
一方、第２、第４の共振器のモード間隔は、第１の共振器のモード間隔に比べ数百分の１程であるので、ＤＢＲ部分２４ｄからの帰還光のスペクトル半値幅よりはるかに狭くなってＤＢＲ部分２４ｄからの帰還光の半値幅の中に複数の発振可能モードが含まれることになり、ＤＢＲ部分２４ｄからの帰還光による発振モードの選択は安定的にはできないことになる。このため、この波長変換装置では、これら第２及び第４の共振器によるモードが支配的にならないように、波長変換素子の端面２４ａ及び２４ｂの反射率ｒ’、ｒ”を半導体レーザの出力端面２２ｂの反射率ｒ及びＤＢＲ部分２４ｄからの帰還率ｒD に比べて十分に小さく構成している。
【００５８】
ところで、この波長変換装置では、波長変換素子２４がＱＰＭ部分２４ｃ及びＤＢＲ部分２４ｄを一体化して形成されているので、十分な精度を持って疑似位相整合条件を満たすことができ、発振波長を確定させることができる。このため、システムを構成する際の作業を簡単化することができ、また、構成したシステムの経年変化を低減させることができる。
【００５９】
また、この図３に示す波長変換装置では、変換光を取り出す方向（図３中のバンドパスフィルタ２３の下方向）にポンプ光が全く混入しないことである。システムの設計上、ポンプ光が混入することが不都合である場合には、図３に示すような構成を取ることで解決する。
【００６０】
ポンプ光の帰還効率を十分に大きく取るためには、ＤＢＲ部分２４ｄの反射率を十分に大きくする必要があり、さらに、この波長変換装置では、ＤＢＲ部分２４ｄからの帰還光が往復する途中に波長変換部分（ＱＰＭ部分２４ｃ）があるのでこのＱＰＭ部分２４ｃでのポンプ光の減衰をできるだけ小さくしなければならない。しかしながら、変換光の変換効率を高くすると、ＱＰＭ部分２４ｃにおけるポンプ光の減衰が大きくなるため、特に高効率の波長変換装置を構成する場合には、全体的な効率を考慮してポンプ光の帰還効率を設定する必要がある。
【００６１】
上述のように、この第３の実施形態に係る波長変換装置では、ポンプ光を発生する半導体レーザ２２に帰還される光をＤＢＲ部分２４ｄによって帯域制限しているため、上述の第１及び第２の実施形態と同様に、半導体レーザ２２の発振波長が極めて安定しており、また、ポンプ光のスペクトルの半値幅が極めて狭い。このため、波長変換素子２４において発生される変換光の波長を安定させることができ、さらに変換光のスペクトルの半値幅を極めて狭いものとすることができる。このような波長変換装置をＷＤＭシステム用いることにより、システムの性能の向上に寄与することができる。
【００６２】
第４の実施形態
図４は、本発明の第４の実施形態に係る波長変換装置の構成を示している。この波長変換装置は、上述の図３に示す第３の実施形態と同様に、半導体レーザ３２と、バンドパスフィルタ３３と、ＱＰＭ部分３４ｃとＤＢＲ部分３４ｄとが一体に形成された波長変換素子３４と、バンドパスフィルタ３３からの光を光ファイバ３６に伝播させない光アイソレータ３５とを備えている。
【００６３】
半導体レーザ３２の一方の端面（波長変換素子３４に臨む端面の反対側の端面）には高反射コーティング部（１００％反射が望ましい）３２ａが形成されている。
【００６４】
また、半導体レーザ３２、波長変換素子３４の各々の端面は、半導体レーザ３２の出力端面３２ｂの反射率をｒ、波長変換素子の端面３４ａ及び３４ｂの反射率をｒ’、ｒ”、ＤＢＲ部分３４ｄからの帰還率をｒD とすると、
ｒ’、ｒ” ＜＜ ｒD
ｒ ＜＜ ｒD （５）
ｒ’、ｒ” ＜ ｒ
なる関係を満たすようにコーティング等によって反射率が調整されており、半導体レーザ３２の低反射側３２ｂから発振光（ポンプ光）を出力する構成となっている。
【００６５】
半導体レーザ３２からのポンプ光は、バンドパスフィルタ３３を通して波長変換素子３４に入射する。この波長変換素子３４には、上述の第３の実施形態とは逆に、ポンプ光の入射側に周期的屈折率分布からなる分布帰還構造（ＤＢＲ）部分３４ｄが形成されており、これと反対側に周期的分極反転構造からなる疑似位相整合（ＱＰＭ）部分３４ｃが形成されている。
【００６６】
また、この波長変換装置では、第３の実施形態とは異なり、図４中の右方向に伝播するポンプ光（波数ベクトルｋｐ）、信号光（波数ベクトルｋｓ）に対して位相整合が取られる。
【００６７】
一方、信号光（ここでは波長１．５５μｍ）は、光ファイバ３６、光アイソレータ３５を介してポンプ光（ここでは波長０．７８μｍ）とは直角方向にバンドパスフィルタ３３に入射し、このバンドパスフィルタ３３により選択的に反射されて波長変換素子３４に入射する構成とされている。これは第１の実施形態の第１の方法に相当する。
【００６８】
このように構成された波長変換装置では、半導体レーザ３２の高反射コーティング部３２ａと波長変換装置３４のＤＢＲ部分３４ｄにより光共振器が構成される。このＤＢＲ部分３４ｄにより半導体レーザ３２に帰還される光の波長は、上述のＤＢＲ部分３４ｄの屈折率の周期的分布の周期（ブラッグ条件）によって決まる波長に制限される。これにより、半導体レーザ３２は制限された波長（単一波長モード）で発振する。
【００６９】
また、ＤＢＲ部分３４ｄを通過したポンプ光とバンドパスフィルタ３３を介して波長変換素子３４に入射した信号光がＱＰＭ部分３４ｃに入射すると、このＱＰＭ部分３４ｄにおいてポンプ光と信号光の差の周波の光（変換光）が発生する。この変換光は、図４中の波長変換素子３４の右端から出力される。
【００７０】
この波長変換装置は、上述の第３の実施形態と同様に半導体レーザ３２に帰還される光の波長を制限しているため、半導体レーザ３２により発生されるポンプ光の発振波長を安定させることができ、またポンプ光のスペクトルの半値幅を極めて狭くすることができる。従って、波長変換素子において発生する変換光の波長を安定させ、変換光のスペクトルの半値幅を極めて狭くすることができる。
【００７１】
また、この波長変換装置では、上述の第３の実施形態と同様に、波長変換素子がＱＰＭ部分２４ｄ及びＤＢＲ部分２４ｃとを一体化して形成されているので、十分な精度を持って疑似位相整合条件を満たすことができ、発振波長を確定させることができる。このため、システムを構成する際の作業を簡単化することができ、また、構成したシステムの経年変化を低減させることができる。
【００７２】
また、この波長変換装置では、変換光の出力中にポンプ光が混入するため、この点を考慮して設計を行う必要があるが、半導体レーザ３２の発振のための帰還光が往復する光路中に波長変換部分（ＱＰＭ部分３４ｃ）がないため、このＱＰＭ部分３４ｃにおけるポンプ光の減衰を考慮する必要がなく、ポンプ光の強度を高くする等の設計を容易にすることができる。
【００７３】
第５の実施形態
図５に示すように、本発明の第５の実施形態に係る波長変換装置の構成を示している。この波長変換装置は、上述の図３に示す第３の実施形態に係る波長変換素子２４のＤＢＲ部分２４ｄ、アイソレータ２５の代わりに光ファイバ４６の出力端近傍にＤＢＲ部分４６ａを備えたものである。
【００７４】
この波長変換装置は、第３の実施形態と同様に、半導体レーザ４２と、バンドパスフィルタ４３と、ＱＰＭ部分４４ｃが形成された波長変換素子４４とを備えている。
【００７５】
半導体レーザ４２の一方の端面（波長変換素子３４に臨む端面の反対側の端面）には高反射コーティング部（１００％反射が望ましい）３２ａが形成されている。
【００７６】
また、半導体レーザ４２、波長変換素子４４の各々の端面は、半導体レーザ４２の出力端面４２ｂの反射率をｒ、波長変換素子の端面４４ａ及び４４ｂの反射率をｒ’、ｒ”、光ファイバ４６のＤＢＲ部分４６ａからの帰還率をｒD とすると、
ｒ’、ｒ” ＜＜ ｒD
ｒ ＜＜ ｒD （５）
ｒ’、ｒ” ＜ ｒ
なる関係を満たすようにコーティング等によって反射率が調整されており、半導体レーザ４２の低反射側４２ｂから発振光（ポンプ光）を出力する構成とされている。
【００７７】
半導体レーザ４２からのポンプ光は、バンドパスフィルタ４３を通して波長変換素子４４に入射する。上述のように、この波長変換素子４４にはＱＰＭ部分４４ｃだけが形成されており、光ファイバ４６の出力端近傍にＤＢＲ部分４６が形成されている。
【００７８】
この波長変換装置では、上述の第３の実施形態と同様に、共に図５中の左方向に伝播するポンプ光（波数ベクトルｋｐ）、信号光（波数ベクトルｋｓ）に対して位相整合が取られる。従って、ポンプ光を反射するＤＢＲ部分の反射率を十分に大きくする必要がある点では、上述の第３の実施形態と同様である。
【００７９】
一方、信号光（ここでは波長１．５５μｍ）は、光ファイバ４６に導かれ、この光ファイバ４６の出射端近傍のＤＢＲ部分４６ａを通って半導体レーザ４２からのポンプ光（ここでは波長０．７８μｍ）とは反対側から波長変換素子４４に入射する構成とされている。これは第２の実施形態の第３の方法に相当する。
【００８０】
このように構成された波長変換装置では、半導体レーザ４２の高反射コーティング部４２ａと光ファイバ４６の出射端近傍のＤＢＲ部分４６ａにより光共振器が構成される。このＤＢＲ部分４６ａにより半導体レーザ４２に帰還される光の波長は、上述のＤＢＲ部分４６ａの構造によって決まる波長に制限される。これにより、半導体レーザ４２は制限された波長（単一波長モード）で発振する。
【００８１】
ＤＢＲ部分４６ａにより反射されたポンプ光と、ＤＢＲ部分４６ａを介して波長変換素子４４に入射した信号光がＱＰＭ部分４４ｃに入射すると、このＱＰＭ部分４４ｃにおいてポンプ光と信号光の差の周波の光（変換光）が発生する。この変換光は、図５中の波長変換素子４４の左端から出力され、バンドパスフィルタ４３で反射され、信号光（波長１．５５μｍ）及び変換光（波長１．５７μｍ）図５中の下方向に出力される。
【００８２】
この波長変換装置では、上述の各実施形態と同様に、半導体レーザ４２に帰還される光がＤＢＲ部分４６ａによって波長制限されているため、ポンプ光の発振波長が極めて安定しており、またポンプ光のスペクトルの半値幅が極めて狭い。このため、波長変換素子４４において発生する変換光の波長を安定させることができ、また変換光のスペクトルの半値幅を極めて狭くすることができる。このような波長変換装置をＷＤＭシステムに用いることより、システムの性能の向上に寄与することができる。
【００８３】
また、この波長変換装置では、バンドパスフィルタ４３を用いて信号光、変換光を選択的に反射させて出力しているため、原理的に変換光を出力する方向にポンプ光が全く混入しない。従って、システムの設計上、ポンプ光が混入することが不都合である場合には、この図５に示した構成を取ることで解決する。ただし、ポンプ光の帰還効率を十分に大きく取るためには、ＤＢＲ部分４６ａの反射率を十分に大きくする必要がある点については上述の第３の実施形態と同様である。
【００８４】
また、この波長変換装置では、上述の第３の実施形態と同様に、ＤＢＲ部分４６ａからの帰還光が往復する途中にＱＰＭ部分４４ｃが挟まれているため、ポンプ光の帰還効率を十分に大きく取るためには、第３の実施形態と同様に、ＤＢＲ部分４６ａの反射率を十分に大きくこのＱＰＭ部分４４ｃでのポンプ光の減衰をできるだけ小さくしなければならない。しかしながら、第３の実施形態と同様に、変換光の変換効率を高くすると、ＱＰＭ部分４４ｃにおけるポンプ光の減衰が大きくなるため、特に高効率の波長変換装置を構成する場合には、全体的な効率を考慮してポンプ光の帰還効率を設定する必要がある。
【００８５】
また、この波長変換装置では、ＱＰＭ部分４４ｃとＤＢＲ部分４６ａが一体化されていないので、疑似位相整合条件と発振波長の確定を十分な精度を保持したまま同時に満たすことができない。ところで、ＱＰＭ部分とＤＢＲ部分とでは製造プロセスが異なるので、これらを一体化した場合では両方の部分を同時に最適条件で作成することが難しい。この波長変換装置では、ＱＰＭ部分４６ａとＤＢＲ部分４４ｃを一体化していないので、これらを別個に作成することができ、これらを最適条件で作成することが容易となる。
【００８６】
なお、上述の第３〜第５の実施形態の波長変換装置には、実際の機器の設計時に若干の注意を要するが、実際の機器に最適な構成を選択すればよい。
【００８７】
以上説明したように、上述の各実施形態の波長変換装置では、変換光のスペクトルの半値幅がＷＤＭシステム等の光通信システムにおいて求められる光のスペクトル幅（例えば５ＭＨｚ）程度かそれ以下、具体的には５ＭＨｚ程度あるいはそれ以下にできる。また、半導体レーザを用いることができるため、これらの波長変換装置用いた機器を小型化することができる。
【００８８】
上述のような波長変換装置は、例えばＷＤＭ（波長多重）交換システムにおいて異なる波長間のスイッチングを行う波長スイッチング素子として用いられる。図６はこのようなＷＤＭ交換システムの構成例を示している。
【００８９】
このＷＤＭ交換システムは、入力された光を分岐する光分岐素子５０と、分岐された光から特定の波長の光を選択する波長選択素子５１と、選択された光の波長を変換する波長変換素子（上述の波長変換装置が用いられる）５２と、波長変換素子の出力光の波長を特定の波長に制限する波長選択素子５３と、波長選択素子５３からの出力光を合成する合波器５４とを備えている。また、このシステムは、各波長の光の使用状況等に応じて各波長選択素子５１、波長変換素子５２、波長選択素子５３等の制御を行う制御部（図示せず）等を備えている。
【００９０】
この制御部は、例えば出力伝送路中の波長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等にこれを検出し、波長λ１として入力された光が空いているチャンネルの波長（例えば波長λ２）に変換されるように各波長選択素子５１、波長変換素子５２、波長選択素子５３等の制御を行う。
【００９１】
このような制御に基づいて、まず、光分岐素子５０と波長選択素子５１によって波長λ１の光を分離選択して波長変換素子５２に導く。次に、波長変換素子５２によって、波長λ１の光を波長λ２の光に変換し、更に波長選択素子５３によって波長λ２の光だけを合波器５４に出力し、合波器５４において他の波長の光と合成し出力伝送路に送出する。
【００９２】
このような波長交換を行うことにより、出力伝送路の特定の波長のチャンネルが使用中であっても、他の波長チャンネルが空いていれば波長変換を行って通信を継続することができる。これにより、一時待機等の手段を講ずることなくスムーズな通信が可能となり、通信効率を高めることができる。
【００９３】
ところで、被変換光（上述の各実施形態では、半導体レーザからのポンプ光に相当する）の波長を安定化する方法として、例えば特開平６−２８３７９１号、特開平５−１１２９７号、特開平５−６６４４０号等に示された方法がある。これらの方法では、半導体レーザの発振光（被変換光）の第２高調波を発生する装置において、このブラッグ反射により半導体レーザに帰還する光の波長を制限する波長固定法（ブラッグロッキング）が用いられている。
【００９４】
しかしながら、上述の各実施形態において差周波発生等を行う場合のように２種類以上の基本波光（この場合はポンプ光と信号光に相当）を必要とする波長変換装置にこのブラッグロッキングが採用された例は従来にはない。
【００９５】
また、上述の各公開公報に記載されている発明中で用いられているブラッグロッキング法はあくまで半導体レーザの発振波長の安定化を目的としているものであり、上述の各実施形態のように発振光のスペクトルの半値幅を狭くして波長の純粋性を確保する目的ではない。
【００９６】
従って、上述の各公開公報に記載された発明では、発振光のスペクトルの半値幅を狭くするためのブラッグ構造の長さの最適化等の課題の検討はなされておらず、これらの発明の単なる延長として上記各実施形態を完成させることは不可能である。変換光のスペクトル狭線化に注目して差周波発生を光交換技術に取り入れることが可能であることに着目して一連の技術を完成することは、大きな発想の転換が必要であり容易に完成することはできない。
【００９７】
なお、上述の各実施形態の説明では、波長変換素子として主にＤＦＧを中心に説明したが、変換光を得るためには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例えば１．５５μｍ近傍に設定し、これに対応させてバンドパスフィルタの透過特性等をＳＦＧ用に変更する等の変更を必要とする。
【００９８】
また、ＤＦＧ、ＳＦＧ以外にも２次の非線形光学効果である光パラメトリック発振・増幅等をも変換光を得るために波長変換素子として用いることができる。さらに、３次以上の高次の非線形光学効果を利用することも可能であり、特に四光波混合による波長変換を用いることができる。これらの異なる光学効果を用いる場合には、バンドパスフィルタの特性、半導体レーザの発振可能波長帯域等の変更が必要であることは言うまでもない。
【００９９】
【発明の効果】
本発明に係る波長変換装置は、波長選択手段によって半導体レーザに帰還させる光の波長を制限することにより、半導体レーザの発振波長のスペクトル幅を狭くすることができ、波長変換手段において発生する変換光のスペクトル幅を狭くすることができる。
【０１００】
また、本発明に係る他の波長変換手段は、分布帰還（ＤＢＲ）手段により半導体レーザに帰還される光の波長を制限することにより、半導体レーザの発振波長のスペクトル幅を狭くして波長変換手段において発生する変換光のスペクトル幅を狭くすることができる。
【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構成を示す図である。
【図３】 本発明の第３の実施形態に係る波長変換装置の構成を示す図である。
【図４】 本発明の第４の実施形態に係る波長変換装置の構成を示す図である。
【図５】 本発明の第５の実施形態に係る波長変換装置の構成を示す図である。
【図６】 ＷＤＭ交換システムの要部の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１、２４、２４、３４、４４ 波長変換素子、２、２２、３２、４２ 半導体レーザ、３ａ、３ｂ、１３ａ〜１３ｃ、２３、３３、４３ バンドパスフィルタ、２４ｃ、３４ｃ、４４ｃ ＱＰＭ部分、２４ｄ、３４ｄ、４６ａ ＤＢＲ部分
Claims (6)
- 基本波光を発生する半導体レーザと、
上記半導体レーザからの基本波光と外部からの信号光に基づいて変換光を発生し、出力する波長変換手段と、
上記外部からの信号光を上記波長変換手段に入射させるバンドパスフィルタと、
上記半導体レーザに帰還させる光の波長を制限し、所定の波長の光のみを選択的に帰還させる波長選択手段と
を備え、
上記波長選択手段は、上記半導体レーザと上記波長変換手段の間に配置されており、
上記半導体レーザは、上記波長選択素子に面していない側の端部に第１反射面を有し、上記波長選択手段は、上記波長変換手段側の端部に第２反射面を有し、上記第１反射面と上記第２反射面とによって光共振器が構成され、
上記波長選択手段によって上記半導体レーザに帰還した光により発振した光は、上記基本波光となる
ことを特徴とする波長変換装置。 - 上記バンドパスフィルタは、上記半導体レーザからの基本波光と異なる方向から供給された上記信号光を上記波長変換手段に入射させることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
- 光路の一端に高反射コーティングを有し、該高反射コーティングの反対側の出力端面から発生した基本波光を出力する半導体レーザと、
疑似位相整合手段（以下、ＱＰＭ手段という。）と、上記半導体レーザに帰還させる光の波長を制限する分布帰還手段（以下、ＤＢＲ手段という。）とを有し、上記半導体レーザからの基本波光と外部からの信号光が入力され、上記基本波光と上記信号光とから変換光を発生する波長変換手段と、
上記外部からの信号光を上記波長変換手段に入射させる信号光入射手段と
を備え、
上記半導体レーザの上記高反射コーティングと上記出力端面並びに上記半導体レーザの上記高反射コーティングと上記波長変換手段の上記ＤＢＲ手段のそれぞれが、光共振器を構成し、
上記ＤＢＲ手段は、上記信号光の入力側に配置されており、
上記信号光入射手段は、上記ＤＢＲ手段に上記信号光を入射させる光ファイバ又は上記ＤＢＲ手段に上記信号光を入射させるバンドパスフィルタを含み、
上記ＱＰＭ手段は、上記波長変換手段の上記変換光の出力側に配置されており、
上記半導体レーザの出力端面の反射率をｒ、
上記波長変換手段の両端面の反射率をｒ’、ｒ”、
上記ＤＢＲ手段からの帰還率をｒＤとし、
ｒ’，ｒ”＜＜ｒＤ，
ｒ＜＜ｒＤ，
ｒ’，ｒ”＜＜ｒ
なる関係を満たすように各端面の反射率が設定されている
ことを特徴とする波長変換装置。 - 光路の一端に高反射コーティングを有し、該高反射コーティングの反対側の出力端面から発生した基本波光を出力する半導体レーザと、
疑似位相整合手段（以下、ＱＰＭ手段という。）を有し、上記半導体レーザからの基本波光と外部からの信号光が入力され、上記基本波光と上記信号光とから変換光を発生する波長変換手段と、
上記半導体レーザに帰還させる光の波長を制限する分布帰還手段（以下、ＤＢＲ手段という。）を、その光出射端側に有し、上記外部からの信号光を伝播させて上記波長変換手段に入射させる光ファイバと、
上記波長変換手段からの変換光を、上記半導体レーザからの基本波光と異なる方向に出 力させるバンドパスフィルタと
を備え、
上記波長変換手段の上記ＱＰＭ手段は、上記半導体レーザと上記光ファイバの間に配置されており、
上記バンドパスフィルタは、上記半導体レーザと上記ＱＰＭ手段の間に配置されており、
上記半導体レーザの上記高反射コーティングと上記出力端面並びに上記半導体レーザの上記高反射コーティングと上記光ファイバの上記ＤＢＲ手段のそれぞれが、光共振器を構成し、
上記半導体レーザの出力端面の反射率をｒ、
上記波長変換手段の両端面の反射率をｒ’、ｒ”、
上記ＤＢＲ手段からの帰還率をｒＤとし、
ｒ’，ｒ”＜＜ｒＤ，
ｒ＜＜ｒＤ，
ｒ’，ｒ”＜＜ｒ
なる関係を満たすように各端面の反射率が設定されている
ことを特徴とする波長変換装置。 - 上記波長変換手段において、上記ＱＰＭ手段とＤＢＲ手段が一体に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の波長変換装置。
- 上記信号光入射手段は、上記波長変換手段から出力される戻り光を防止する光アイソレータを備えることを特徴とする請求項３に記載の波長変換装置。
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