JP4487758B2 - 波長変換装置及び波長変換方法 - Google Patents

Description

この発明は、波長多重光通信等に利用される波長変換装置及び波長変換方法に関するものである。

近年、インターネットの普及等により通信需要が急速に増大している。それに対応して光ファイバ等を用いた高速でかつ大容量の光ネットワークが整備されつつある。このような光ネットワークでは、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方法が注目されている。ＷＤＭ光通信ネットワークを実現するためには、波長変換装置が必要とされる。例えば、光クロスコネクトノードに波長変換装置を採用すると、チャンネル間の衝突の回避や、波長の再利用が可能となる等の利点があるからである。

波長変換には様々な方法があるが、非線形光学結晶を用いて、信号光とポンプ光との差周波発生を発現させ、この結果得られる差周波光を変換光として出力する方法が通例となっている。一般的に、異なる波長間では非線形光学結晶の屈折率が異なっているため、ポンプ光と、信号光との間に伝播定数の差が生じる。この伝播定数の差に起因する位相差が、ポンプ光、及び信号光の伝播距離と共に変化するので、差周波発生の変換効率を高めることは困難である。

差周波発生の変換効率を高めるために、波長変換装置を構成する波長変換素子として、周期的ドメイン反転構造が形成された光導波路によって、擬似位相整合（ＱＰＭ：Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ）を実現して波長変換を行う、擬似位相整合型波長変換素子（以下、ＱＰＭ型波長変換素子と称することもある。）が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。
栖原敏明著「擬似位相整合導波路を用いた非線形光学波長変換・信号処理デバイス」応用物理第７２巻第１１号、ｐｐ．１３８１―１３８６、２００３年

上述の従来例の波長変換装置では、信号光に比べて短波長の光をポンプ光として用いて周波数ω_ｓの信号光と、周波数ω_ｐのポンプ光との非線形光学効果により、周波数ω_ｃの変換光を発生する。例えば、周波数ω_ｓに対応する、信号光の波長λ_ｓを１．５５μｍとし、周波数ω_ｐに対応する、ポンプ光の波長λ_ｐを０．７７μｍとすると、変換光は、ω_ｃ＋ω_ｓ＝ω_ｐを満たす、周波数ω_ｃの差周波光となり、１／λ_ｃ＋１／λ_ｓ＝１／λ_ｐの式から、変換光の波長λ_ｃは、１．５３μｍとなる。

しかしながら、非線形光学係数が大きいことなどから波長変換素子としてよく用いられる、強誘電体結晶であるＬｉＮｂＯ_３は、ポンプ光として短波長の光、特に０．８μｍよりも短い光を用いると、光損傷の影響を受けやすいという欠点を有している。

また、ポンプ光、信号光、及び変換光のそれぞれの波数ｋ_ｐ、ｋ_ｓ、及びｋ_ｃ間の波数差をΔｋ（＝ｋｐ−ｋｓ−ｋｃ）とすると、波長変換素子を伝播した各光の位相差は、ΔｋＬとなる。ここで、Ｌは波長変換素子の素子長である。従って、伝播中に位相差が生じないためにはΔｋ＝０とする必要がある。

ｎを周波数ωでの屈折率、ｃを光速度としたときに、波数ｋは、ｋ＝ｎω／ｃで表される。この関係を用いると、Δｋ＝（ｎ_ｐω_ｐ−ｎ_ｓω_ｓ−ｎ_ｃω_ｃ）／ｃが得られる。屈折率が光の周波数に依存して変化しないならば、ω_ｃ＋ω_ｓ＝ω_ｐであるので、常に、Δｋ＝０となる。しかし、実際には、屈折率は周波数依存性を有しており、Δｋは０とはならない。これを補償するために、周期的ドメイン反転構造が形成された波長変換素子であるＱＰＭ型波長変換素子が使用される。この周期的ドメイン反転構造の周期をΛとすると、波数間の関係は、Δｋ＝ｋ_ｐ−ｋ_ｓ−ｋ_ｃ−２π／Λとなる。ここで、ポンプ光の特定の波長λ_ｐ０に対して、ｋ_ｐ０−ｋ_ｓ０−ｋ_ｃ０＝２π／ΛとなるようにΛを設定すると、この特定のポンプ光の波長λ_ｐ０では、Δｋ＝０となり、大きな変換効率が得られる。

ここで、ポンプ光の波長λ_ｐが特定の波長λ_ｐ０からずれると、Δｋ＝０とはならず、Δｋ＝ｋ_ｐ０−ｋ_ｓ０−ｋ_ｃ０−２π／Λ＋（ｄｋ_ｐ／ｄω_ｐ）Δω_ｐ−（ｄｋ_ｓ／ｄω_ｓ）Δω_ｓ−（ｄｋ_ｃ／ｄω_ｃ）Δω_ｃとなる。なお、Δω_ｐ、Δω_ｓ、及びΔω_ｃは、それぞれポンプ光、信号光、及び変換光のＱＰＭ条件からの周波数ずれを示している。ＱＰＭ条件では、ｋ_ｐ０−ｋ_ｓ０−ｋ_ｃ０＝２π／Λとなるので、Δｋ＝（ｄｋ_ｐ／ｄω_ｐ）Δω_ｐ−（ｄｋ_ｓ／ｄω_ｓ）Δω_ｓ−（ｄｋ_ｃ／ｄω_ｃ）Δω_ｃである。光の群速度をＶ_ｇとすると、ｄｋ／ｄω＝１／Ｖ_ｇであるので、位相差は光周波数間の群速度差に対応付けられていることがわかる。波長変換では、ω_ｐ＝ω_ｃ＋ω_ｓの関係があるため、Δω_ｐ＝Δω_ｓ＋Δω_ｃとなる。従って、Δｋ＝（１／Ｖ_ｇｐ−１／Ｖ_ｇｃ）Δω_ｐ＋（１／Ｖ_ｇｃ−１／Ｖ_ｇｓ）Δω_ｓとなる。ここで、Ｖ_ｇｐ、Ｖ_ｇｓ、及びＶ_ｇｃはそれぞれ、ポンプ光、信号光、及び変換光の群速度を示す。従って、ポンプ光と変換光の群速度差、及び、変換光と信号光の群速度差を小さくすれば、それだけ広い周波数範囲、すなわち、広い波長範囲で位相差を小さく抑えることが可能となり、広帯域での変換効率が高くなる。

群速度の逆数１／Ｖ_ｇは、１／Ｖ_ｇ＝ｄｋ／ｄω＝ｄ（ｎω／ｃ）／ｄω＝（ｎ＋ωｄｎ／ｄω）／ｃで表されるので、屈折率の周波数に依存することになる。ここで、屈折率は短波長側で大きくなり、従って、短波長側では群速度の逆数が大きくなる。このことから、波長λ_ｃが１．５５μｍ付近の変換光に対して、ポンプ光の波長λ_ｐが０．７７μｍ程度の場合、ポンプ光と変換光の間の群速度差が大きくなり、その結果、変換効率を低下させてしまう。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、特にポンプ光による光損傷を低減する波長変換装置及び波長変換方法を提供することにある。また、この発明の他の目的として、ポンプ光の波長と、変換光の波長との群速度差を小さくすることで、広帯域での変換効率を高くすることができる波長変換装置及び波長変換方法を提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の波長変換装置は、ＬｉＮｂＯ _３ 基板に周期的ドメイン反転構造を作りつけた波長変換装置であって、第１の波長変換部、及び第２の波長変換部を備えている。第１の波長変換部は、波長がλ_１の第１のポンプ光と波長がλ_ｓの信号光との非線形光学効果として差周波発生を発現させることにより、波長がλ_ｍの中間光を生成する。第２の波長変換部は、波長がλ_２の第２のポンプ光と中間光との非線形光学効果として和周波発生を発現させることにより、波長がλ_ｃの変換光を生成する。ここで、信号光及び変換光の波長が、１．５５μｍ帯の波長であるとき、第１のポンプ光の波長λ _１ が、２．２５μｍ以上５μｍ以下である。

また、この発明の波長変換方法は、ＬｉＮｂＯ _３ 基板に周期的ドメイン反転構造を作りつけた波長変換装置で行われる波長変換方法であって、以下の過程を備えている。先ず、波長がλ_１の第１のポンプ光、及び波長がλ_ｓの信号光から、非線形光学効果として差周波発生を発現させることにより波長がλ_ｍの中間光を生成する。次に、波長がλ_２の第２のポンプ光、及び中間光から、非線形光学効果として和周波発生を発現させることにより波長がλ_ｃの変換光を生成する。ここで、波長がλ _ｃ の変換光を生成するにあたり、第１のポンプ光の波長λ _１ を、２．２５μｍ以上５．０μｍ以下とするのが良い。

この発明の波長変換装置及び波長変換方法によれば、第１のポンプ光と信号光との非線形光学効果により、中間光を出力した後、第２のポンプ光と中間光との非線形光学効果により、波長がλ_ｃの変換光を出力する。

第１及び第２のポンプ光として使用する波長域を長波、例えば１μｍ程度又はそれ以上に設定することが可能となり、ＬｉＮｂＯ_３において光損傷の影響を低減することが可能となる。

さらに、第１及び第２のポンプ光の波長を長波長にすることにより、第１及び第２のポンプ光の波長と変換光の波長との群速度差を小さくできるので、広帯域での変換効率を高めることができる。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の構成および配置関係についてはこの発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成の組成（材質）および数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されない。

図１を参照して、この発明の波長変換装置につき説明する。図１は、波長変換装置を説明するための概略的な模式図である。波長変換装置１０は、第１の波長変換部３０及び第２の波長変換部５０を備えている。第１の波長変換部３０は、第１の合波器３２、第１の波長変換素子４０、及び第１の波長フィルタ３４を備えている。また、第２の波長変換部５０は、第２の合波器５２、第２の波長変換素子６０、及び第２の波長フィルタ５４を備えている。

波長変換装置１０には、波長がλ_ｓの信号光（図中、矢印１０１で示す。）、波長がλ_１の第１のポンプ光（図中、矢印１２１で示す。）、及び、波長がλ_２の第２のポンプ光（図中、矢印１２３で示す。）が入力される。

信号光１０１及び第１のポンプ光１２１は、第１の波長変換部３０の第１の合波器３２で合波され、第１の入力光（図中、矢印１０３で示す。）として、第１の波長変換素子４０に送られる。第１の合波器３２として、例えば、任意好適な周知の光カプラを用いることができる。

第１の入力光１０３に含まれる、信号光１０１と第１のポンプ光１２１とは、第１の波長変換素子４０で、非線形光学効果により中間光を発生する。

信号光、第１のポンプ光、及び中間光が合波された第１の出力光（図中、矢印１０５で示す。）は、第２の波長変換部５０へ送られる。なお、第１の波長変換部３０の出力部分に、波長フィルタ３４を備えて、第１の出力光１０５に含まれる信号光１０１及び第１のポンプ光１２１を遮断し、中間光（図中、矢印１０７で示す。）のみを通過させると、不要な光信号が後段の第２の波長変換部５０に入力されないので好適である。

中間光１０７及び第２のポンプ光１２３は、第２の波長変換部５０に備えられる第２の合波器５２で合波され、第２の入力光（図中、矢印１１３で示す。）として、第２の波長変換素子６０に送られる。第２の合波器５２として、例えば、任意好適な周知の光カプラを用いることができる。

第２の入力光１１３に含まれる、中間光１０７と第２のポンプ光１２３とは、第２の波長変換素子６０で非線形光学効果により変換光を発生し、第２の入力光１１３、中間光１０７、及び第２のポンプ光１２３が合波された第２の出力光（図中、矢印１１５で示す。）を出力する。なお、第２の波長変換部５０の出力部分に、第２の波長フィルタ５４を備えて、第２の出力光１１５に含まれる中間光１０７及び第２のポンプ光１２３を遮断し、変換光１１７のみを通過させると、不要な光信号が出力されないので好適である。

第１の波長変換素子４０は、光導波路４２に周期的ドメイン反転構造４５を作りつけたＱＰＭ型波長変換素子である。周期的ドメイン反転構造４５は、第１ドメイン４６と第２ドメイン４８とから構成されている。第１ドメイン４６と第２ドメイン４８とは、この波長変換素子４０の素材である強誘電体結晶の自発分極の向きが互いに１８０度の関係となっている。波長変換素子４０を構成する素材には、例えばｚカットされたＬｉＮｂＯ_３基板が使われる。以後の説明において、特に断らない限り、強誘電体結晶基板としてｚカットされたＬｉＮｂＯ_３基板を対象として取り上げることとする。

ｚカットされたＬｉＮｂＯ_３基板は、その表面に直交する方向に自発分極の向きが揃えられているシングルドメイン結晶基板である。自発分極ベクトルの終端側の面を＋ｚ面、自発分極ベクトルの初端側の面を−ｚ面と呼ぶこともある。

このＬｉＮｂＯ_３基板の＋ｚ面に周期的にドメインを反転させて、ドメイン反転領域（第２ドメイン）４８を形成する。従って、周期的ドメイン反転構造４５は、シングルドメイン結晶基板としての自発分極が保たれているドメイン（第１ドメイン）４６と自発分極の方向が反転された第２ドメイン４８とで構成される。すなわち、第１ドメイン４６の自発分極の向きは、−ｚ面から＋ｚ面に向かう方向であるのに対して、第２ドメイン４８の自発分極の向きは、＋ｚ面から−ｚ面に向かう方向である。

第１ドメイン４６と第２ドメイン４８とで形成される周期的ドメイン反転構造４５の周期はΛである。第１ドメイン４６の長さｄ１と第２ドメイン４８の長さｄ２とを等しくとることによって、波長変換効率を最大にすることができる。すなわち、ｄ１＝ｄ２として、Λ＝ｄ１＋ｄ２とするのが好適である。

自発分極が反転している領域の形成は、ｚカットされたＬｉＮｂＯ_３基板の自発分極の方向を反転させる領域に、Ｔｉを高温熱拡散するか或いは高電圧を印加することで行えることが知られている。Ｔｉを高温熱拡散するには第２ドメイン４８が形成される部分に、真空蒸着法等でＴｉ薄膜を５０ｎｍの厚さに形成し、約１０００℃で１０時間程度熱拡散すれば良い。高電圧を印加して自発分極の方向を反転させるには、第２ドメイン４８が形成される部分に電極を形成して高電圧を瞬間的に印加すれば良い。

続いて、ｚカットされたＬｉＮｂＯ_３基板に形成された周期的ドメイン反転構造４５に交差するように光導波路４２を形成する。光導波路４２は、安息香酸を交換源としたＨ^＋−Ｌｉ^＋イオン交換法（プロトン交換法とも呼ばれる。）によって形成できることが知られている。例えば、光導波路４２を形成する領域のみを空けてその他の領域を金属マスクで覆った状態で、２００℃の安息香酸中に２時間浸して、金属マスク及び安息香酸を除去し、３５０℃のＡｒ雰囲気中で６時間アニール処理することで形成される。

なお、第２の波長変換素子の構造は、第１の波長変換素子の構造と同様なので、説明は省略する。

図２を参照して、波長λ_１の第１のポンプ光、波長λ_２の第２のポンプ光、及び波長λ_ｓの信号光から波長λ_ｃの変換光を発生する機構について、波長λ_ｓが１．５５μｍであり、波長λ_ｃが１．５３μｍである場合を例にとって説明する。図２は、波長変換方法を説明するための模式図である。

先ず、第１のポンプ光１２１ａと信号光１０１との非線形光学効果により、波長λ_ｍの中間光１０７が発生する。第１のポンプ光１２１ａ、信号光１０１、及び中間光１０７のそれぞれの光周波数をω_１、ω_ｓ及びω_ｍとすると、ω_１＝ｃ／λ_１、ω_ｓ＝ｃ／λ_ｓ、及びω_ｍ＝ｃ／λ_ｍの関係がある。

第１のポンプ光１２１ａの波長λ_１が、信号光１０１の波長λ_ｓよりも短い場合、すなわち、第１のポンプ光１２１ａの周波数ω_１が、信号光１０１の周波数ω_ｓよりも大きい場合は、非線形光学効果として差周波発生を発現させ、ω_１＝ω_ｍ＋ω_ｓを満たす周波数ω_ｍを有する差周波光が中間光１０７として生成される。

第１のポンプ光１２１ａの波長λ_１を０．９８μｍとすると、第１の波長変換部３０では、ω_１＝ω_ｍ＋ω_ｓ、すなわち、１／λ_１＝１／λ_ｍ＋１／λ_ｓとなるので、中間光１０７の波長λ_ｍは、２．６６μｍとなる。

次に、第２のポンプ光１２３ａと中間光１０７との非線形光学効果により、波長λ_ｃの変換光１１７が発生する。第２のポンプ光１２３ａの波長λ_２が、変換光１１７の波長λ_ｃよりも短い場合、すなわち、第２のポンプ光１２３ａの周波数ω_２が、変換光１１７の周波数ω_ｃよりも大きい場合は、非線形光学効果として差周波発生を発現させ、ω_２＝ω_ｍ＋ω_ｃを満たす周波数ω_ｃを有する差周波光が変換光として生成される。第２のポンプ光１２３ａの光周波数をω_２とすると、ω_２＝ｃ／λ_２の関係がある。差周波発生では、ω_２＝ω_ｍ＋ω_ｃ、すなわち、１／λ_２＝１／λ_ｍ＋１／λ_ｃとなるので、第２のポンプ光１２３ａの波長λ_２を０．９７μｍとすると、変換光１１７の波長λ_ｃは、１．５３μｍとなる（図２（Ａ））。

第１のポンプ光及び第２のポンプ光の波長は上述の例に限られず選択可能である。

第１のポンプ光１２１ｂの波長λ_１を１．１８μｍとすると、中間光１０７の波長λ_ｍは５．０μｍとなり、さらに、第２のポンプ光１２３ｂの波長λ_２を１．１７μｍとすると、変換光１１７の波長λ_ｃは１．５３μｍとなる（図２（Ｂ））。

第１のポンプ光の波長λ_１が、信号光の波長λ_ｓよりも長い場合、すなわち、第１のポンプ光の周波数ω_１が、信号光の周波数ω_ｓよりも小さい場合は、非線形光学効果として差周波発生を発現させ、ω_ｓ＝ω_ｍ＋ω_１を満たす周波数ω_ｍを有する差周波光が中間光として生成される。

第１のポンプ光１２１ｃの波長λ_１を２．２５μｍとすると、第１の波長変換部３０では、ω_ｓ＝ω_ｍ＋ω_１、すなわち、１／λ_ｓ＝１／λ_ｍ＋１／λ_１となるので、中間光１０７の波長λ_ｍは、５．０μｍとなる。

次に、第２のポンプ光１２３ｃと中間光１０７との非線形光学効果により、波長λ_ｃの変換光１１７が発生する。第２のポンプ光１２３ｃの波長λ_２が、変換光１１７の波長λ_ｃよりも長い場合、すなわち、第２のポンプ光１２３ｃの周波数ω_２が、変換光１１７の周波数ω_ｃよりも小さい場合は、非線形光学効果として和周波発生を発現させ、ω_ｃ＝ω_ｍ＋ω_２を満たす周波数ω_ｃを有する和周波光が変換光１１７として生成される。和周波発生では、ω_ｃ＝ω_ｍ＋ω_２、すなわち、１／λ_ｃ＝１／λ_ｍ＋１／λ_２となるので、第２のポンプ光１２３ｃの波長λ_２を２．２０μｍとすると、変換光の波長λ_ｃは、１．５３μｍとなる（図２（Ｃ））。

同様に、第１のポンプ光１２１ｄの波長λ_１を３．２μｍとすると、中間光１０７の波長λ_ｍは３．０μｍとなり、さらに、第２のポンプ光１２３ｄの波長λ_２を３．１２μｍとすると、変換光１１７の波長λ_ｃは１．５３μｍとなる（図２（Ｄ））。

第１のポンプ光の波長λ_１が、信号光の波長λ_ｓよりも短い場合、すなわち、第１のポンプ光の周波数ω_１が、信号光の周波数ω_ｓよりも大きい場合は、中間光の周波数ω_ｍは、ω_１＝ω_ｍ＋ω_ｓ、及びω_２＝ω_ｍ＋ω_ｃの関係を満たす。また、第１のポンプ光の波長λ_１が、信号光の波長λ_ｓよりも長い場合、すなわち、第１のポンプ光の周波数ω_１が、信号光の周波数ω_ｓよりも小さい場合は、中間光の周波数ω_ｍは、ω_ｓ＝ω_ｍ＋ω_１、及びω_ｃ＝ω_ｍ＋ω_２の関係を満たす。従って、いずれの場合もω_１−ω_２＝ω_ｓ−ω_ｃの関係が得られる。このことから、信号光から変換光への波長変換の大きさは、第１のポンプ光及び第２のポンプ光の周波数（又は波長）の差に依存して、第１のポンプ光及び第２のポンプ光の周波数（又は波長）の大きさには直接依存しないことが分かる。

通常、信号光の波長λｓに対する、信号光の波長λ_ｓと、変換光の波長λ_ｃの差Δλ（例えば、Δλ＝λ_ｓ−λ_ｃ）は小さく、例えば、λ_ｓ＝１．５５μｍのとき、Δλ＝２０〜３０ｎｍ程度である。以下、第１のポンプ光、信号光、及び中間光について説明するが、以下の説明は、第２のポンプ光、変換光、及び中間光にも適用することができる。

図３を参照して第１のポンプ光の波長と中間光の波長の関係について説明する。図３（Ａ）及び（Ｂ）は、第１のポンプ光の波長λ_１と中間光の波長λ_ｍの関係を示す図であって、横軸に、第１のポンプ光の波長λ_１をとり、及び、縦軸に、中間光の波長λ_ｍをとっている。第１の波長変換部３０での波長変換では、ω_ｐ＝ω_ｍ＋ω_ｓの関係があるため、Δω_ｐ＝Δω_ｍ＋Δω_ｃとなる。従って、Δｋ＝（１／Ｖ_ｇｐ−１／Ｖ_ｇｍ）Δω_ｐ＋（１／Ｖ_ｇｍ−１／Ｖ_ｇｓ）Δω_ｓとなる。なお、Δω_ｍは、中間光の周波数ずれを示しており、また、Ｖ_ｇｍは中間光の群速度を示す。

第１のポンプ光の波長λ_１が、信号光の波長λ_ｓ（ここでは、１．５５μｍ）より小さい場合、第１のポンプ光の波長λ_１を大きくしていくと、中間光の波長λ_ｍも大きくなる（図３（Ａ））。従来の、第１のポンプ光の波長λ１が約０．７７μｍの時の結果を図３（Ａ）中、×印で示す。なお、従来、第１のポンプ光の波長λ_１が約０．７７μｍの時は、中間光の波長λ_ｍが１．５５μｍ程度となり、この中間光を、変換光として出力する。

また、第１のポンプ光の波長λ_１が、信号光の波長λ_ｓ（ここでは、１．５５μｍ）より大きい場合、第１のポンプ光の波長λ_１を小さくしていくと、中間光の波長λ_ｍが大きくなる（図３（Ｂ））。

ＬｉＮｂＯ_３結晶では、長波長側で光吸収があり、波長が４〜５μｍではおよそ２〜３ｄＢの減衰が起こる。従って、中間光の波長λ_ｍが５μｍ以下、好適には４μｍ以下とするのが良い。なお、中間光の波長λ_ｍが５μｍ以下となるのは、第１のポンプ光の波長λ_１が１．１８μｍ以下、又は２．２５μｍ以上のときである。また、中間光の波長λ_ｍが４μｍ以下となるのは、第１のポンプ光の波長λ_１が１．１μｍ以下のとき、又は、２．６μｍ以上のときである。

図４を参照して第１のポンプ光の波長と、群速度差の関係について説明する。図４（Ａ）及び（Ｂ）は、第１のポンプ光の波長λ_１と群速度差ΔＶ_ｇの関係を示す図であって、横軸に、第１のポンプ光の波長λ_１をとり、及び、縦軸に、群速度差ΔＶ_ｇをとっている。ここで、曲線Ｉ及びＩＩＩは、第１のポンプ光と中間光の群速度差ΔＶ_ｇ＝１／Ｖ_ｇｐ−１／Ｖ_ｇｍを示し、曲線ＩＩ及びＩＶは、中間光と信号光の群速度差ΔＶ_ｇ＝１／Ｖ_ｇｍ−１／Ｖ_ｇｓを示している。

ここで、第１のポンプ光の波長λ_１が、信号光の波長λ_ｓ（ここでは、１．５５μｍ）より小さい場合、第１のポンプ光の波長λ_１を大きくすると、第１のポンプ光と中間光の群速度差ΔＶ_ｇ（＝１／Ｖ_ｇｐ−１／Ｖ_ｇｍ）が小さくなり、第１のポンプ光の波長λ_１が１．０８(μｍ）の時に最小となる（曲線Ｉ）。例えば、第１のポンプ光の波長λ_１が０．７７μｍの時に０．０９程度であった群速度差ΔＶ_ｇ（図中、×印で示す。）が、ポンプ光の波長が１μｍの時には０．０３となり３分の１程度になっている。これは、波長変換の帯域幅が３倍以上になっていることを意味する。一方、第１のポンプ光の波長λ_１を大きくすると、中間光と信号光の群速度差ΔＶ_ｇ（＝１／Ｖ_ｇｍ−１／Ｖ_ｇｓ）が大きくなる（曲線ＩＩ）。例えば、第１のポンプ光の波長が１μｍ以下の時には０．０１以下であった群速度差ΔＶ_ｇが、ポンプ光の波長が１．１μｍの時には０．０５となり第１のポンプ光の波長が０．７７μｍの時の半分程度になっている（図４（Ａ））。

また、第１のポンプ光の波長λ_１が、信号光の波長λ_ｓ（ここでは、１．５５μｍ）より大きい場合、第１のポンプ光の波長λ_１が長くなると、第１のポンプ光と中間光の群速度差ΔＶ_ｇ（＝１／Ｖ_ｇｐ−１／Ｖ_ｇｍ）（曲線ＩＩＩ）、及び、中間光と信号光の群速度差ΔＶ_ｇ（＝１／Ｖ_ｇｍ−１／Ｖ_ｇｃ）（曲線ＩＶ）は小さくなり、第１のポンプ光の波長が２．２５μｍ以上の場合は、群速度差ΔＶ_ｇは０．１５以下である（図４（Ｂ））。

図５を参照して第１のポンプ光の波長λ_１と、ＱＰＭ型波長変換素子の周期的ドメイン構造の周期Λの関係について説明する。図５は、ポンプ光の波長とＱＰＭの周期的ドメイン構造の周期Λの関係を示す図であって、横軸に、第１のポンプ光の波長λ_１をとり、及び、縦軸に、ＱＰＭ型波長変換素子の周期的ドメイン構造の周期Λをとっている。

第１のポンプ光の波長λ_１が信号光の波長λ_ｃよりも短い場合、周期Λは、１〜１．１μｍで最大となり、その周期Λは３０μｍ程度である。従来例の０．７７μｍのポンプ光を用いた場合は、周期Λが２０μｍ程度である（図中、×印で示す。）ので、第１のポンプ光の波長λ_１を１μｍ程度とすることにより、周期Λが長くなり、作成が容易になる。

また、第１のポンプ光の波長λ_１が信号光の波長λ_ｃよりも長い場合は、２８〜３５μｍであり、同様に、従来よりも周期Λが長くなり、作成が容易になる。

また、ＬｉＮｂＯ_３に対する光損傷の影響を考えると、第１のポンプ光の波長λ_１は、０．８μｍよりも大きい値とするのが良い。

上述の説明から、第１のポンプ光の波長λ_１は１μｍ程度とするのが良い。第１のポンプ光の波長λ_１を１μｍより短くしていくと、ＬｉＮｂＯ_３が光損傷の影響を受けるとともに、第１のポンプ光と変換光の群速度差ΔＶ_ｇが大きくなることにより帯域幅が狭くなり、一方、第１のポンプ光の波長λ_１を１μｍより長くしていくと、中間光の波長が長くなり、ＬｉＮｂＯ_３の吸収の影響を受けるためである。また、第１のポンプ光の波長が１．１μｍを超えると信号光と中間光の群速度差ΔＶ_ｇが大きくなり帯域幅が狭くなる。

特に、エルビウム添加光ファイバ増幅器の励起光源として半導体レーザを用いることで、０．９８μｍ付近の高出力の光源が得られるので、第１のポンプ光の波長を０．９８μｍとするのが好適である。

第１のポンプ光の波長を、信号光の波長よりも長くすると、図３（Ｂ）に示したように中間光の波長は短くなっていくので、第１のポンプ光の波長を、２．２５μｍ以上５μｍ以下、好ましくは、２．６μｍ以上４μｍ以下とすれば、ＬｉＮｂＯ_３結晶での、光吸収の影響を受けにくくなる。また、第１のポンプ光の波長が２．６μｍ以上４μｍ以下であれば、周期Λが長いので、ＱＰＭ型波長変換素子の周期的ドメイン構造の作成も容易であり、また、群速度差ΔＶ_ｇが大きくなっても、帯域幅が狭くなることがない。従って、第１のポンプ光の光源として、出力波長が２．６μｍ以上４μｍ以下の、例えばＩｎＡｌＧａＡｓＳｂ系半導体レーザ等の、高出力の光源が得られれば、この波長領域を第１のポンプ光として用いることが可能となる。

この発明の波長変換装置及び波長変換方法によれば、第１のポンプ光と信号光との非線形光学効果により、波長がλ_ｍの中間光を出力した後、第２のポンプ光と中間光との非線形光学効果により、波長がλ_ｃの変換光を出力する。信号光から変換光への波長変換の大きさは、第１のポンプ光及び第２のポンプ光の周波数（又は波長）の差に依存して、第１のポンプ光及び第２のポンプ光の周波数（又は波長）の大きさには直接依存しないので、第１及び第２のポンプ光として使用する波長域を長波、例えば１μｍ程度又はそれ以上に設定することが可能となり、ＬｉＮｂＯ_３において光損傷の影響を低減することが可能となる。

さらに、第１及び第２のポンプ光の波長を長波長にすることにより、第１及び第２のポンプ光の波長と変換光の波長との群速度差を小さくできるので、広帯域での変換効率を高めることができる。

波長変換装置を説明するための概略的な模式図である。 波長変換方法を説明するための模式図である。 第１のポンプ光の波長と中間光の波長の関係を示す図である。 第１のポンプ光の波長と群速度差の関係を示す図である。 第１のポンプ光の波長と周期的ドメイン反転構造の周期の関係を示す図である。

符号の説明

１０ 波長変換装置
３０ 第１の波長変換部
３２ 第１の合波器
３４ 第１の波長フィルタ
４０ 第１の波長変換素子
４２ 光導波路
４５ 周期的ドメイン構造
４６ 第１ドメイン
４８ 第２ドメイン
５０ 第２の波長変換部
５２ 第２の合波器
５４ 第２の波長フィルタ
６０ 第２の波長変換素子

Claims (4)

1. 波長がλ_１の第１のポンプ光と波長がλ_ｓの信号光との非線形光学効果として差周波発生を発現させることにより、波長がλ_ｍの中間光を生成する第１の波長変換部、及び
   波長がλ_２の第２のポンプ光と前記中間光との非線形光学効果として和周波発生を発現させることにより、波長がλ_ｃの変換光を生成する第２の波長変換部
   を備え、
   前記第１の波長変換部及び前記第２の波長変換部は、ＬｉＮｂＯ _３ 基板に周期的ドメイン反転構造を作りつけて構成され、
   前記信号光及び前記変換光の波長が、１．５５μｍ帯の波長であるとき、前記第１のポンプ光の波長λ _１ が、２．２５μｍ以上５μｍ以下である
   ことを特徴とする波長変換装置。
2. 前記第１の波長変換部の出力部分に前記第１のポンプ光及び前記信号光を遮断し、かつ、前記中間光を通過させる波長フィルタを備えることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
3. 前記第２の波長変換部の出力部分に前記第２のポンプ光及び前記中間光を遮断し、かつ、前記変換光を通過させる波長フィルタを備えることを特徴とする請求項２に記載の波長変換装置。
4. ＬｉＮｂＯ _３ 基板に周期的ドメイン反転構造を作りつけた第１の波長変換部及び第２の波長変換部を備える波長変換装置で行われる波長変換方法であって、
   波長がλ_１の第１のポンプ光と波長がλ_ｓの信号光とから、非線形光学効果として差周波発生を発現させることにより波長がλ_ｍの中間光を生成する過程と、
   波長がλ_２の第２のポンプ光と前記中間光とから、非線形光学効果として和周波発生を発現させることにより波長がλ_ｃの変換光を生成する過程と
   を備え、
   前記信号光及び前記変換光の波長が、１．５５μｍ帯の波長であるとき、前記第１のポンプ光の波長λ _１ が、２．２５μｍ以上５μｍ以下である
   ることを特徴とする波長変換方法。

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