JP4526489B2 - Wavelength conversion module, wavelength conversion light source, and wavelength conversion device - Google Patents
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Description
本発明は、波長変換モジュール、波長変換光源および波長変換装置に関し、より詳細には、和周波発生、差周波発生を用いて、入力された光の波長を変換して出力する波長変換モジュール、波長変換光源および波長変換装置に関する。 The present invention relates to a wavelength conversion module, a wavelength conversion light source, and a wavelength conversion device, and more particularly, a wavelength conversion module that converts the wavelength of input light using sum frequency generation and difference frequency generation, and outputs the wavelength. The present invention relates to a conversion light source and a wavelength conversion device.
近年、光通信システムの通信容量の増大を図るために、波長の異なる複数の光を多重化して伝送する波長分割多重(WDM)通信システムが積極的に導入されている。このようなWDM通信システムにおいては、限られた波長数を有効に利用するために、信号波長を任意の信号波長に変換する波長変換素子の実用化が求められている。従来、光の波長を変換する波長変換素子として、半導体光増幅器を応用した素子、四光波混合を利用する素子、二次非線形光学効果の一種である第二高調波発生、和周波発生、差周波発生を利用した波長変換素子等が知られている(例えば、特許文献1参照)。二次非線形光学効果を用いた波長変換は、既存のレーザ光源の波長を、他の様々な波長に変換することができるので、上述した通信分野だけにとどまらず、様々な産業分野への応用を目指して研究が進められている。 In recent years, in order to increase the communication capacity of an optical communication system, a wavelength division multiplexing (WDM) communication system that multiplexes and transmits a plurality of lights having different wavelengths has been actively introduced. In such a WDM communication system, in order to effectively use a limited number of wavelengths, there is a demand for practical use of a wavelength conversion element that converts a signal wavelength into an arbitrary signal wavelength. Conventionally, as a wavelength conversion element for converting the wavelength of light, an element using a semiconductor optical amplifier, an element using four-wave mixing, second harmonic generation, a kind of second-order nonlinear optical effect, sum frequency generation, difference frequency A wavelength conversion element using generation is known (for example, see Patent Document 1). Wavelength conversion using the second-order nonlinear optical effect can convert the wavelength of an existing laser light source into various other wavelengths, so that it can be applied not only to the communication field described above but also to various industrial fields. Aiming at research.
二次非線形光学効果の中でも第二高調波発生は、二次非線形光学効果を有する非線形光学媒質に、1種類の励起光を入射することにより、励起光の半分の波長の光を得ることができる。第二高調波発生は、励起光に用いるレーザの波長によって波長が一意に決まってしまうため、得られる波長範囲が制限される。一方、和周波発生または差周波発生は、2種類の励起光(以下、区別するために信号光と励起光という)を合波して非線形光学媒質に入射すると、信号光の光周波数と励起光の光周波数の和または差の光周波数に相当する波長の光を発生する。従って、信号光と励起光の波長の組み合わせにより、様々な波長の光を発生することができる。 Among the second-order nonlinear optical effects, second-harmonic generation can obtain light having a wavelength half that of the excitation light by entering one type of excitation light into a nonlinear optical medium having the second-order nonlinear optical effect. . In the second harmonic generation, since the wavelength is uniquely determined by the wavelength of the laser used for the excitation light, the obtained wavelength range is limited. On the other hand, sum frequency generation or difference frequency generation is performed by combining two types of excitation light (hereinafter, signal light and excitation light for distinction) and entering the nonlinear optical medium, and the optical frequency of the signal light and the excitation light. The light having a wavelength corresponding to the sum or difference of the optical frequencies is generated. Therefore, light of various wavelengths can be generated by combining the wavelengths of the signal light and the excitation light.
和周波発生または差周波発生を利用する場合、2つの波長の異なるレーザ光源から出力された信号光と励起光とを合波して、非線形光学媒質に入射する。入射するパワーが比較的小さい場合でも高い変換効率を得るために、非線形光学媒質に導波路が形成されていることが望ましい。導波路が形成された非線形光学媒質を用いて波長変換を行う場合に、例えば、2つのレーザ光源から出力されたレーザ光の空間ビームを、ダイクロイックミラー等の光学部品で合波し、レンズ等で集光して導波路に結合させる。しかしながら、このような光学部品からなる光学系を用いると、装置の光学的な調整が複雑になり実用性に欠ける。そこで、光ファイバを介して、入射光を入射するような波長変換モジュールを構成することが行われている。波長変換モジュールは、波長変換に必要な位相整合を得るために、非線形光学媒質の温度を調整する機能を有している。 When sum frequency generation or difference frequency generation is used, signal light and excitation light output from two laser light sources having different wavelengths are combined and incident on a nonlinear optical medium. In order to obtain high conversion efficiency even when the incident power is relatively small, it is desirable that a waveguide be formed in the nonlinear optical medium. When wavelength conversion is performed using a nonlinear optical medium in which a waveguide is formed, for example, a spatial beam of laser light output from two laser light sources is combined by an optical component such as a dichroic mirror, and is converted by a lens or the like. Condensed and coupled to the waveguide. However, when an optical system comprising such optical components is used, the optical adjustment of the apparatus becomes complicated and lacks practicality. Therefore, a wavelength conversion module that makes incident light incident through an optical fiber is configured. The wavelength conversion module has a function of adjusting the temperature of the nonlinear optical medium in order to obtain phase matching necessary for wavelength conversion.
一方、励起光として半導体レーザを用いる場合には、光通信用に開発された0.85μm、1.3μm、1.55μm帯または0.94〜1.06μm帯の半導体レーザを利用して、様々な波長の光を発生することができる。これらのレーザ光源の多くは、ピッグテイルと呼ばれる光ファイバが取り付けられた光モジュールとして構成されているため、光源としての取り扱いが容易である。そこで、2つのレーザ光源からのピッグテイルを、光ファイバカプラ等のファイバ部品からなる光合波器に接続し、1本の光ファイバから非線形光学媒質の導波路に信号光と励起光とを入射して波長変換を行う方法が知られている。 On the other hand, when a semiconductor laser is used as the pumping light, various semiconductor lasers developed for optical communications in the 0.85 μm, 1.3 μm, 1.55 μm band, or 0.94 to 1.06 μm band can be used. Can generate light of various wavelengths. Many of these laser light sources are configured as an optical module to which an optical fiber called a pigtail is attached, so that they can be easily handled as a light source. Therefore, the pigtails from the two laser light sources are connected to an optical multiplexer composed of fiber components such as optical fiber couplers, and signal light and excitation light are incident on the waveguide of the nonlinear optical medium from one optical fiber. A method for performing wavelength conversion is known.
このとき、波長の異なる2つの信号光と励起光とを、1つの光ファイバから光導波路に入射することになる。しかしながら、光ファイバにおけるモード径が波長によって異なるために、信号光の波長と励起光の波長とにおいて高い結合効率を両立させることが難しいという問題があった。 At this time, two signal lights having different wavelengths and pumping light are incident on the optical waveguide from one optical fiber. However, since the mode diameter in the optical fiber differs depending on the wavelength, there is a problem that it is difficult to achieve both high coupling efficiency in the wavelength of the signal light and the wavelength of the excitation light.
光合波器と波長変換モジュールとを接続する光ファイバは、実装上の観点から光ファイバを曲げた場合にも導波モードが変化しないことが必要となる。すなわち、信号光の波長と励起光の波長とにおいて、シングルモード伝播を満たす必要がある。例えば、波長0.98μmと1.55μmの光を入射する場合、両者の波長でシングルモード伝播を実現するためには、高次モードのカットオフ波長が0.98μmよりも短い波長となるシングルモードファイバを用いる必要がある。例えば、0.98μm用のシングルモード光ファイバを用いた場合、相対的に長波長である1.55μmにおいてシングルモード伝播は保証される。しかしながら、長波長になるほど光ファイバのモード径は大きくなり、例えば、波長0.98μmのモード径6.6μmに対して、波長1.55μmのモード径12μmと、約2倍の大きさとなる。 The optical fiber connecting the optical multiplexer and the wavelength conversion module needs to have a waveguide mode that does not change even when the optical fiber is bent from the viewpoint of mounting. That is, it is necessary to satisfy single mode propagation at the wavelength of the signal light and the wavelength of the excitation light. For example, when light with wavelengths of 0.98 μm and 1.55 μm is incident, in order to realize single mode propagation at both wavelengths, a single mode in which the cutoff wavelength of the higher order mode is shorter than 0.98 μm. It is necessary to use fiber. For example, when a single mode optical fiber for 0.98 μm is used, single mode propagation is guaranteed at a relatively long wavelength of 1.55 μm. However, the longer the wavelength, the larger the mode diameter of the optical fiber. For example, the mode diameter of the wavelength 0.95 μm is 6.6 μm, and the mode diameter is 1.55 μm, which is about 12 μm.
例えば、2つのレンズを用いてモード径の大きさを変換したとしても、光ファイバのモード径の比率と導波路のモード径の比率とが等しくなければ、高い結合効率を得ることができない。このような、光ファイバと導波路の組み合わせを得ることは極めて難しいという問題もあった。また、光ファイバの端面と導波路の端面とを直接接続して、結合を得る場合であっても、2つの異なる波長において高い結合効率を両立することは困難である。 For example, even if the mode diameter is converted using two lenses, high coupling efficiency cannot be obtained unless the ratio of the mode diameter of the optical fiber is equal to the ratio of the mode diameter of the waveguide. There is also a problem that it is extremely difficult to obtain such a combination of an optical fiber and a waveguide. Even when the end face of the optical fiber and the end face of the waveguide are directly connected to obtain a coupling, it is difficult to achieve both high coupling efficiencies at two different wavelengths.
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、2つの異なる波長を有する信号光と励起光とを、効率よく非線形光学媒質の導波路に結合するための波長変換モジュール、波長変換光源および波長変換装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to efficiently couple signal light having two different wavelengths and excitation light into a waveguide of a nonlinear optical medium. The object is to provide a wavelength conversion module, a wavelength conversion light source, and a wavelength conversion device.
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、互いに波長の異なる波長λ1の励起光と波長λ2の信号光とを入力し、波長λ3の変換光を発生させる波長変換モジュールにおいて、屈折率n1の下部クラッドと、屈折率n2のコアと、屈折率n3の上部クラッドとからなる導波路構造が形成された非線形光学結晶であって、前記信号光、前記励起光および前記変換光のいずれの波長λにおいても、
In order to achieve the above object, according to the present invention, the invention described in
の少なくとも一方を満たし、ここでdはコアの厚さであり、wはコアの幅であり、ncはn1またはn3のうち大きい方の値である非線形光学結晶と、前記導波路と光学的に結合され、前記信号光および前記励起光を前記導波路の入力端において同一のモード径で入射する入力用フォトニック結晶ファイバとを備えたことを特徴とする。 Where d is the thickness of the core, w is the width of the core, and nc is the larger value of n1 or n3, and the waveguide is optically coupled And an input photonic crystal fiber that couples the signal light and the excitation light at the input end of the waveguide with the same mode diameter .
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の波長変換モジュールにおいて、前記導波路と光学的に結合され、前記変換光を前記導波路から出射する出力用フォトニック結晶ファイバをさらに備えたことを特徴とする。
The invention according to
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の前記入力用フォトニック結晶ファイバは、レンズを介して前記導波路と光学的に結合され、前記入力用フォトニック結晶ファイバのモード径をレンズにより変換したビーム径と、前記導波路のモード径とを等しくすることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, the input photonic crystal fiber according to the first or second aspect is optically coupled to the waveguide through a lens, and a mode diameter of the input photonic crystal fiber is determined. The beam diameter converted by the lens is made equal to the mode diameter of the waveguide.
請求項4に記載の発明は、請求項1または2に記載の前記入力用フォトニック結晶ファイバは、前記導波路と直接対向させることにより、光学的に結合され、前記入力用フォトニック結晶ファイバのモード径と、前記導波路のモード径とを等しくすることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the input photonic crystal fiber according to the first or second aspect is optically coupled by directly facing the waveguide, and the input photonic crystal fiber is The mode diameter is equal to the mode diameter of the waveguide.
請求項5に記載の発明は、請求項1ないし4のいずれかに記載の前記フォトニック結晶ファイバは、偏波保持型であることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, the photonic crystal fiber according to any one of the first to fourth aspects is a polarization maintaining type.
請求項6に記載の発明は、請求項1ないし5のいずれかに記載の波長変換モジュールにおいて、前記下部クラッドはLiTaO3からなり、前記コアは周期的に分極が反転されたZnが添加されたLiNbO3からなり、前記上部クラッドは空気からなるリッジ型の導波路構造であることを特徴とする。
The invention according to
請求項7に記載の発明は、請求項1ないし6のいずれかに記載された波長変換モジュールと、前記入力用フォトニック結晶ファイバに接続された合波器と、前記合波器の一方の入力に接続され、前記信号光を出力する光源と、前記合波器の他方の入力に接続され、前記励起光を出力する光源とを備えたことを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the wavelength conversion module according to any one of the first to sixth aspects, a multiplexer connected to the input photonic crystal fiber, and one input of the multiplexer. And a light source that outputs the signal light and a light source that is connected to the other input of the multiplexer and outputs the excitation light.
請求項8に記載の発明は、請求項1ないし6のいずれかに記載された波長変換モジュールと、前記入力用フォトニック結晶ファイバに接続された合波器と、前記合波器の一方の入力端に接続され、前記励起光を出力する光源とを備え、前記波長変換モジュールは、前記合波器の他方の入力端に入力された前記信号光を、和周波発生により波長400nm〜1000nmの変換光を出力することを特徴とする。
The invention according to
以上説明したように、本発明によれば、波長変換に関わる信号光、励起光および変換光の波長において、規格化周波数V>4と設定することにより、信号光の波長と励起光の波長における導波路のモード径をほぼ等しくすることができ、効率よく非線形光学媒質の導波路に結合するが可能となる。 As described above, according to the present invention, the wavelength of the signal light and the wavelength of the excitation light are set by setting the normalized frequency V> 4 in the wavelengths of the signal light, the excitation light, and the converted light involved in the wavelength conversion. The mode diameter of the waveguide can be made substantially equal, and it becomes possible to efficiently couple to the waveguide of the nonlinear optical medium.
また、本発明によれば、励起光、変換光の波長においてモード径をほぼ等しくできるフォトニック結晶ファイバを介して、信号光、励起光を入射することにより、より効率よく非線形光学媒質の導波路に結合することが可能となる。 In addition, according to the present invention, the waveguide of the nonlinear optical medium is more efficiently introduced by inputting the signal light and the excitation light through the photonic crystal fiber capable of almost equal mode diameters at the wavelengths of the excitation light and the converted light. Can be combined.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。上述したように、波長変換素子と結合する光ファイバと非線形光学媒質の導波路とにおけるモード径の違いを小さく抑えることが必要である。近年、フォトニック結晶ファイバ、またはホーリーファイバと呼ばれる光ファイバが開発されている(例えば、非特許文献1,2参照)。フォトニック結晶ファイバは、断面内に多数の空孔を設けることにより導波構造が形成されており、空孔の配置を変えることにより、様々な特性を制御することができる。例えば、通常の光ファイバでは実現できない1.3μmよりも短波長において零分散を実現したり、非線形効果を大きくするために極めて小さなモード径のシングルモードファイバを実現したり、または非線形効果を小さくし、大きなパワーを伝送するためにコア径の大きなシングルモードファイバを実現することができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. As described above, it is necessary to suppress a difference in mode diameter between the optical fiber coupled to the wavelength conversion element and the waveguide of the nonlinear optical medium. In recent years, optical fibers called photonic crystal fibers or holey fibers have been developed (see, for example, Non-Patent
非特許文献1に記載されたフォトニック結晶ファイバは、波長が大きく変わってもシングルモード伝播を得ることができる。また、非特許文献2に記載されたフォトニック結晶ファイバは、モード径の波長依存性が通常の光ファイバに比べて小さい。このようなフォトニック結晶ファイバを用いて、上述の波長0.98μmと1.55μmの光を、シングルモードで伝播させ、両者の波長におけるモード径をほぼ同等にすることができる。
The photonic crystal fiber described in
本実施形態では、一例として、代表的な2次非線形光学結晶であるLiNbO3を用いた波長変換素子を考える。LiNbO3からなる非線形光学媒質に導波路を形成する方法は、プロトン交換法、Ti拡散を用いた方法が知られている。しかしながら、これらの方法は元素の拡散による屈折率変化を利用しているため、作製された導波路のコア部分の屈折率は、クラッドの屈折率との境界が緩やかに変化するグレーデッドインデックス型となる。グレーデッドインデックス型の導波路に波長の異なる2つの光を入射すると、光の閉じ込め効果が弱いために、長波長の光は、クラッドの屈折率の影響を受け、短波長の光に比べてモード径が大きくなる。 In the present embodiment, as an example, a wavelength conversion element using LiNbO 3 which is a typical second-order nonlinear optical crystal is considered. Known methods for forming a waveguide in a nonlinear optical medium made of LiNbO 3 include a proton exchange method and a method using Ti diffusion. However, since these methods use a change in refractive index due to element diffusion, the refractive index of the core portion of the fabricated waveguide is a graded index type in which the boundary with the refractive index of the cladding changes slowly. Become. When two light beams with different wavelengths are incident on a graded index waveguide, the light confinement effect is weak. Therefore, long-wavelength light is affected by the refractive index of the cladding, and the mode is shorter than that of short-wavelength light. The diameter increases.
一方、非特許文献3に記載された直接接合方法によれば、コアとクラッドの境界の屈折率が急峻に変化するいわゆるステップインデックス型の導波路を形成することができる。例えば、LiNbO3よりも屈折率の低いLiTaO3をクラッド基板として用い、この基板上にLiNbO3基板を直接接合する。導波路の形成に必要な厚さまで、LiNbO3基板を研磨等して導波層を形成し、ドライエッチングまたはダイシング等によりリッジ状に加工することによりコアを形成する。本実施形態では、このようなステップインデックス型導波路におけるモード径の波長依存性を小さくしたことを特徴とする。
On the other hand, according to the direct bonding method described in
図1に、本発明の第1の実施形態にかかるリッジ型導波路を示す。議論を簡単にするために、導波路のコア12の幅と厚みが同じTとし、下部クラッド11の屈折率をn1、コア12の屈折率をn2とする。コア12の周りの上部クラッド13は、屈折率1の空気で覆われている。波長λにおける依存性を一般化して議論するために、導波路の規格化周波数Vを以下のように定義する。
FIG. 1 shows a ridge-type waveguide according to the first embodiment of the present invention. In order to simplify the discussion, it is assumed that the width and thickness of the
非線形光学媒質に入射する波長λが長波長化することは、規格化周波数Vが小さくなることに対応する。さらに、導波モードの等価屈折率をneqとしたときの規格化屈折率Bを以下のように定義する。 Increasing the wavelength λ incident on the nonlinear optical medium corresponds to decreasing the normalized frequency V. Further, the normalized refractive index B when the equivalent refractive index of the waveguide mode is set to neq is defined as follows.
ここで、等価屈折率neqがクラッドの屈折率n1と等しくなると、規格化屈折率Bは0となる。このことは、コアを伝搬する光がクラッドへ漏れ出してゆくことを示し、光が導波路を導波するモードが存在しないことを表す。 Here, when the equivalent refractive index neq becomes equal to the cladding refractive index n1, the normalized refractive index B becomes zero. This indicates that light propagating through the core leaks out to the clad, and indicates that there is no mode in which light is guided through the waveguide.
図2に、規格化周波数Vを変化させたときの基底モード(0次モード)と1次モードの規格化屈折率Bの変化を示す。図2によれば、高次モードのないシングルモード導波路とするためにはV値をおよそ6以下、基底モードの導波路とするためにはV値をおよそ4以上とする必要がある。図3は、導波路の縦方向の電界が最大値の1/e(eは自然対数)となるコアの全幅をコアの厚みTで規格化した値が、規格化周波数Vに対してどのように変化するかを示している。 FIG. 2 shows changes in the normalized refractive index B of the fundamental mode (0th order mode) and the primary mode when the normalized frequency V is changed. According to FIG. 2, the V value needs to be about 6 or less in order to obtain a single mode waveguide having no higher-order mode, and the V value needs to be about 4 or more in order to obtain a fundamental mode waveguide. FIG. 3 shows how the value obtained by normalizing the full width of the core by the thickness T of the core where the longitudinal electric field of the waveguide is 1 / e (e is a natural logarithm) of the maximum value with respect to the normalized frequency V. Shows how it changes.
次にモード径の波長依存性を調べるために、規格化周波数Vを変化させたときの基底モードの電界分布を計算した。図4に、基底モードにおいて、規格化周波数Vを変化させたときの導波路の縦方向の電界分布を示し、図5に、横方向の電界分布を示す。 Next, in order to investigate the wavelength dependence of the mode diameter, the electric field distribution of the fundamental mode when the normalized frequency V was changed was calculated. FIG. 4 shows the vertical electric field distribution of the waveguide when the normalized frequency V is changed in the fundamental mode, and FIG. 5 shows the horizontal electric field distribution.
図3〜5によれば、リッジ型導波路においては、コア12と空気である上部クラッド13との間の急峻な屈折率差によって、導波路の横方向の光閉じ込め効果が大きい。従って、規格化周波数Vが変化、すなわち波長が変化しても、横方向のモード径が変化しない。一方、導波路の縦方向においては、規格化周波数Vの変化によってモード径が若干変化する。しかしながら、基底モードが存在しうる規格化周波数Vが4以上の場合においては、モード径の変化は、非常に小さく抑えられていることが分かる。
According to FIGS. 3 to 5, in the ridge-type waveguide, the optical confinement effect in the lateral direction of the waveguide is large due to the steep refractive index difference between the core 12 and the
このようにリッジ型導波路においては、モード径の波長依存性を小さくすることができるので、波長変換に関わる信号光、励起光および変換光の波長において、伝播モードが存在しうるように規格化周波数Vを設定することができる。これらの波長において、V>4と設定することにより、信号光の波長と励起光の波長における導波路のモード径をほぼ等しくすることができる。 In this way, in the ridge-type waveguide, the wavelength dependence of the mode diameter can be reduced, so standardization is possible so that a propagation mode can exist in the wavelength of signal light, excitation light, and converted light involved in wavelength conversion. The frequency V can be set. By setting V> 4 at these wavelengths, the mode diameter of the waveguide at the wavelength of the signal light and the wavelength of the excitation light can be made substantially equal.
和周波発生を利用する場合、変換光の波長は、信号光の波長および励起光の波長よりも短波長となるため、信号光または励起光のうち波長の長い光において、V>4となるように設定する。差周波発生を利用する場合、変換光の波長は、信号光の波長および励起光の波長よりも長波長となるため、変換光の波長においてV>4となるように設定する。このようにして、非線形光学媒質の導波路に、すべての光が導波可能になるとともに、信号光と励起光の導波モードの相違を小さく抑えることができる。 When using sum frequency generation, the wavelength of the converted light is shorter than the wavelength of the signal light and the wavelength of the pumping light, so that V> 4 in the light having the longer wavelength of the signal light or the pumping light. Set to. When the difference frequency generation is used, the wavelength of the converted light is longer than the wavelength of the signal light and the wavelength of the excitation light, so that V> 4 is set in the wavelength of the converted light. In this way, all the light can be guided to the waveguide of the nonlinear optical medium, and the difference between the waveguide modes of the signal light and the excitation light can be suppressed small.
このようにモード径の波長依存性が小さいリッジ型導波路とフォトニック結晶ファイバとを結合して、異なる波長の信号光と励起光とを入射すれば、高効率に信号光および励起光を入射することができる。フォトニック結晶ファイバと導波路との結合は、モード径がほぼ等しい場合には、光軸を一致させて直接対向させることにより、光学的に結合させる、いわゆるバットジョイントを行うことができる。また、フォトニック結晶ファイバと導波路のモード径が異なる場合には、レンズ等を介して光学的に結合させ、フォトニック結晶ファイバのモード径をレンズにより変換したビーム径と、導波路のモード径とを等しくすることにより高効率に結合することができる。 By combining a ridge-type waveguide with a small mode diameter wavelength dependency and a photonic crystal fiber in this way, signal light and pump light with different wavelengths are incident, and signal light and pump light are incident with high efficiency. can do. When the mode diameters are approximately equal, the photonic crystal fiber can be coupled to the waveguide by so-called butt joint, in which the optical axes are aligned and directly opposed to each other. Also, when the mode diameters of the photonic crystal fiber and the waveguide are different, optically coupled through a lens or the like, the beam diameter obtained by converting the mode diameter of the photonic crystal fiber by the lens, and the mode diameter of the waveguide Can be combined with high efficiency.
また、導波路のパラメータと波長の組み合わせによっては、信号光または励起光の波長においてV>6となり、マルチモードの導波路となる場合がある。このような場合でも、フォトニック結晶ファイバと導波路のモード径をほぼ等しくして結合することにより、基底モードへの高い結合効率を得ることができる。非線形光学媒質の導波路は、自在に曲げて使用することはないので、入力端において基底モードを励振すれば、マルチモードの導波路であっても高次モードへの結合は生じない。 In addition, depending on the combination of the waveguide parameter and the wavelength, V> 6 at the wavelength of the signal light or the excitation light, which may be a multimode waveguide. Even in such a case, high coupling efficiency to the fundamental mode can be obtained by coupling the photonic crystal fiber and the waveguide with substantially equal mode diameters. Since the waveguide of the nonlinear optical medium is not used by being freely bent, if the fundamental mode is excited at the input end, the coupling to the higher-order mode does not occur even if the waveguide is a multimode.
図6に、本発明の第2の実施形態にかかる埋め込み型導波路を示す。導波路のコア22の幅と厚みが同じTとし、下部クラッド21の屈折率をn1、コア22の屈折率をn2とする。コア22の周りの上部クラッド23は、下部クラッド21と同じ屈折率n1で覆われている。規格化周波数Vと規格化屈折率Bは、上述の式1、式2を用いる。
FIG. 6 shows an embedded waveguide according to the second embodiment of the present invention. The
図7に、規格化周波数Vを変化させたときの基底モード(0次モード)と1次モードの規格化屈折率Bの変化を示す。図7によれば、高次モードのないシングルモード導波路とするためにはV値をおよそ4.2以下、基底モードの導波路とするためにはV値をおよそ2以上とする必要がある。図8は、導波路の縦方向の電界が最大値の1/e(eは自然対数)となるコアの全幅をコアの厚みTで規格化した値が、規格化周波数Vに対してどのように変化するかを示している。 FIG. 7 shows changes in the normalized refractive index B of the fundamental mode (0th order mode) and the primary mode when the normalized frequency V is changed. According to FIG. 7, the V value needs to be about 4.2 or less in order to obtain a single mode waveguide having no higher-order mode, and the V value needs to be about 2 or more in order to obtain a fundamental mode waveguide. . FIG. 8 shows how the value obtained by normalizing the entire width of the core with the thickness T of the core where the longitudinal electric field of the waveguide is 1 / e (e is a natural logarithm) of the maximum value with respect to the normalized frequency V. Shows how it changes.
次にモード径の波長依存性を調べるために、規格化周波数Vを変化させたときの基底モードの電界分布を計算した。図9に、基底モードにおいて、規格化周波数Vを変化させたときの導波路の縦方向の電界分布を示す。なお、電界分布は、埋め込み型導波路の場合、縦方向と横方向の屈折率分布がほぼ等しいので、縦方向と横方向の電界分布もほぼ等しくなる。 Next, in order to investigate the wavelength dependence of the mode diameter, the electric field distribution of the fundamental mode when the normalized frequency V was changed was calculated. FIG. 9 shows the vertical electric field distribution of the waveguide when the normalized frequency V is changed in the fundamental mode. In the case of the buried waveguide, the vertical and horizontal refractive index distributions are almost equal in the case of the buried waveguide, so that the vertical and horizontal electric field distributions are also almost equal.
図8,9によれば、埋め込み型導波路においては、基底モードが存在しうる規格化周波数Vの変化によって、モード径が大きく変化することが分かる。しかしながら、図8によれば、規格化周波数Vを4以上とすると、モード径の変化を小さく抑えられることが分かる。このような条件により、埋め込み型導波路においても、モード径の波長依存性を小さくするこができ、波長変換に関わる信号光、励起光および変換光の波長において、モード径をほぼ等しくすることができる。 8 and 9, it can be seen that, in the buried waveguide, the mode diameter changes greatly depending on the change in the normalized frequency V at which the fundamental mode can exist. However, it can be seen from FIG. 8 that when the normalized frequency V is 4 or more, the change in mode diameter can be suppressed to a small value. Under these conditions, the wavelength dependence of the mode diameter can be reduced even in the buried waveguide, and the mode diameter can be made substantially equal for the wavelengths of the signal light, the excitation light, and the converted light involved in wavelength conversion. it can.
和周波発生を利用する場合、変換光の波長は、信号光の波長および励起光の波長よりも短波長となるため、信号光または励起光のうち波長の長い光において、V>4となるように設定する。差周波発生を利用する場合、変換光の波長は、信号光の波長および励起光の波長よりも長波長となるため、変換光の波長においてV>2となるように設定し、かつ信号光または励起光のうち波長の長い光において、V>4となるように設定する。このようにして、非線形光学媒質の導波路に、すべての光が導波可能になるとともに、信号光と励起光の導波モードの相違を小さく抑えることができる。 When using sum frequency generation, the wavelength of the converted light is shorter than the wavelength of the signal light and the wavelength of the pumping light, so that V> 4 in the light having the longer wavelength of the signal light or the pumping light. Set to. When using the difference frequency generation, the wavelength of the converted light is longer than the wavelength of the signal light and the wavelength of the excitation light. Therefore, the wavelength of the converted light is set to satisfy V> 2, and the signal light or It sets so that it may become V> 4 in light with a long wavelength among excitation light. In this way, all the light can be guided to the waveguide of the nonlinear optical medium, and the difference between the waveguide modes of the signal light and the excitation light can be suppressed small.
このようにモード径の波長依存性が小さい埋め込み型導波路とフォトニック結晶ファイバとを結合して、異なる波長の信号光と励起光とを入射すれば、高効率に信号光および励起光を入射することができる。フォトニック結晶ファイバと導波路との結合は、モード径がほぼ等しい場合には、光軸を一致させて直接近接させる、いわゆるバットジョイントを行うことができる。また、フォトニック結晶ファイバと導波路のモード径が異なる場合には、レンズ等を介してモード径を変換することにより高効率に結合することができる。 In this way, if a buried waveguide with a small mode diameter wavelength dependency and a photonic crystal fiber are combined and signal light and pump light of different wavelengths are incident, signal light and pump light are incident with high efficiency. can do. The coupling between the photonic crystal fiber and the waveguide can be carried out by a so-called butt joint in which the optical axes coincide with each other when the mode diameters are approximately equal. Further, when the mode diameters of the photonic crystal fiber and the waveguide are different, they can be coupled with high efficiency by converting the mode diameter via a lens or the like.
埋め込み型導波路の場合、信号光または励起光の波長においてV>4とすると、図7に示したように、マルチモードの導波路となる。このような場合でも、フォトニック結晶ファイバと導波路のモード径をほぼ等しくして結合することにより、基底モードへの高い結合効率を得ることができる。 In the case of the embedded waveguide, if V> 4 at the wavelength of the signal light or the excitation light, a multimode waveguide is formed as shown in FIG. Even in such a case, high coupling efficiency to the fundamental mode can be obtained by coupling the photonic crystal fiber and the waveguide with substantially equal mode diameters.
図10に、本発明の第3の実施形態にかかる埋め込み型導波路を示す。導波路のコア32の幅と厚みが同じTとし、下部クラッド31の屈折率をn1、コア32の屈折率をn2とする。コア32の周りの上部クラッド33は、屈折率n3で覆われている。波長λにおける依存性を一般化して議論するために、導波路の規格化周波数Vを以下のように定義する。
FIG. 10 shows an embedded waveguide according to the third embodiment of the present invention. The
ここで、ncはn1またはn3のうち大きい方の値である。第1の実施形態のリッジ型導波路は、上部クラッドの屈折率が1であるので、第3の実施形態のような非対称な導波路の極端な例である。上部クラッドの屈折率が、下部クラッドの屈折率と空気の屈折率である1との中間的な値である場合には、等価屈折率およびモード径の規格化周波数に対する依存性は、リッジ型導波路と埋め込み型導波路との中間的な性質を示すことになる。 Here, nc is the larger value of n1 or n3. The ridge-type waveguide of the first embodiment is an extreme example of an asymmetric waveguide as in the third embodiment because the refractive index of the upper cladding is 1. If the refractive index of the upper cladding is an intermediate value between the refractive index of the lower cladding and the air refractive index of 1, the dependence of the equivalent refractive index and mode diameter on the normalized frequency is It shows an intermediate property between the waveguide and the buried waveguide.
上部クラッド33とコア32の屈折率差が大きい場合には、実質的にリッジ型導波路と同じ性質を示すことになる。上部クラッド33の屈折率が下部クラッド31の屈折率よりも大きい場合には、導波モードの等価屈折率が上部クラッドの屈折率と同じとなると、光が導波するモードが存在しない。上部クラッドと下部クラッドの光学的役割は、実質的に同等であるので、非対称な導波路の場合には、導波路の規格化周波数Vを式3のように定義すれば、リッジ型導波路、埋め込み型導波路と同様に取り扱うことができる。
When the refractive index difference between the upper clad 33 and the
一例として、n2>n1>n3であって、n2−n1がn2−n3の2.3倍の等価屈折率を有する埋め込み型導波路について説明する。図11に、規格化周波数Vを変化させたときの基底モード(0次モード)と1次モードの規格化屈折率Bの変化を示す。図11によれば、非対称な導波路の場合は、図2に示したリッジ型導波路と図7に示した埋め込み型導波路の中間的な性質を示し、クラッドの屈折率の大きさにより導波モードの形状は変化する。 As an example, a buried waveguide in which n2> n1> n3 and n2-n1 has an equivalent refractive index 2.3 times that of n2-n3 will be described. FIG. 11 shows changes in the normalized refractive index B of the fundamental mode (0th order mode) and the primary mode when the normalized frequency V is changed. According to FIG. 11, in the case of an asymmetric waveguide, an intermediate property between the ridge-type waveguide shown in FIG. 2 and the buried-type waveguide shown in FIG. 7 is shown, and it is guided by the refractive index of the cladding. The shape of the wave mode changes.
図12は、導波路の縦方向の電界が最大値の1/e(eは自然対数)となるコアの全幅をコアの厚みTで規格化した値が、規格化周波数Vに対してどのように変化するかを示している。図3に示したリッジ型導波路と図8に示した埋め込み型導波路の中間的な振る舞いとなるため、規格化周波数Vを4以上とするとモード径の変化を小さく抑えることができる。このような条件により、非対称な埋め込み型型導波路においても、モード径の波長依存性を小さくするこができ、波長変換に関わる信号光、励起光および変換光の波長において、モード径をほぼ等しくすることができる。 FIG. 12 shows how the value obtained by normalizing the full width of the core by the thickness T of the core where the longitudinal electric field of the waveguide is 1 / e (e is a natural logarithm) of the maximum value with respect to the normalized frequency V. Shows how it changes. Since the behavior is intermediate between the ridge waveguide shown in FIG. 3 and the buried waveguide shown in FIG. 8, when the normalized frequency V is 4 or more, the change in mode diameter can be suppressed to a small value. Under these conditions, the wavelength dependence of the mode diameter can be reduced even in an asymmetric buried type waveguide, and the mode diameters are almost equal for the wavelengths of signal light, excitation light, and converted light involved in wavelength conversion. can do.
和周波発生および差周波発生を利用する場合、信号光または励起光のうち波長の長い光において、V>4となるように設定する。このようにして、非線形光学媒質の導波路に、すべての光が導波可能になるとともに、信号光と励起光の導波モードの相違を小さく抑えることができる。さらに、モード径の波長依存性が小さい埋め込み型導波路とフォトニック結晶ファイバとを結合して、異なる波長の信号光と励起光とを入射すれば、高効率に信号光および励起光を入射することができる。フォトニック結晶ファイバと導波路との結合は、モード径がほぼ等しい場合には、光軸を一致させて直接近接させる、いわゆるバットジョイントを行うことができる。また、フォトニック結晶ファイバと導波路のモード径が異なる場合には、レンズ等を介してモード径を変換することにより高効率に結合することができる。 When sum frequency generation and difference frequency generation are used, V> 4 is set for light having a long wavelength among signal light and excitation light. In this way, all the light can be guided to the waveguide of the nonlinear optical medium, and the difference between the waveguide modes of the signal light and the excitation light can be suppressed small. Furthermore, if a buried waveguide having a small wavelength dependence of the mode diameter and a photonic crystal fiber are combined, and signal light and pump light having different wavelengths are incident, signal light and pump light are incident with high efficiency. be able to. The coupling between the photonic crystal fiber and the waveguide can be carried out by a so-called butt joint in which the optical axes coincide with each other when the mode diameters are approximately equal. Further, when the mode diameters of the photonic crystal fiber and the waveguide are different, they can be coupled with high efficiency by converting the mode diameter via a lens or the like.
非対称な埋め込み型導波路の場合、波長の組み合わせによっては、信号光または励起光の波長においてV>4とすると、マルチモードの導波路となる。このような場合でも、フォトニック結晶ファイバと導波路のモード径をほぼ等しくして結合することにより、基底モードへの高い結合効率を得ることができる。 In the case of an asymmetric buried waveguide, depending on the combination of wavelengths, if V> 4 at the wavelength of the signal light or the excitation light, a multimode waveguide is obtained. Even in such a case, high coupling efficiency to the fundamental mode can be obtained by coupling the photonic crystal fiber and the waveguide with substantially equal mode diameters.
なお、上述した実師形態では、コアの厚みとコアの幅とを同じTとしたが、厚みと幅の比が1以外であっても、モード径の大きさの規格化周波数Vに対する傾向は大きく変わらない。従って、コアの厚さをdとし、コアの幅をwとすれば、 In the above-mentioned teacher form, the thickness of the core and the width of the core are set to the same T. However, even if the ratio of the thickness to the width is other than 1, the tendency of the mode diameter to the normalized frequency V is It does n’t change much. Therefore, if the thickness of the core is d and the width of the core is w,
の少なくとも一方、望ましくは双方を満たせばよい。 It is sufficient to satisfy at least one of these, preferably both.
以上述べたように、本実施形態によれば、信号光および励起光の入射に用いる光ファイバと、波長変換を行う光導波路のモード径の波長依存性を小さく抑えることができる。従って、波長の異なる信号光および励起光を、効率的に光導波路に入射することができ、効率の良い波長変換装置を実現することができる。また、波長の異なる2つのレーザ光源と、2つのレーザ光を合波する合波器と、レーザ光を波長変換素子に入射するためのフォトニック結晶ファイバと、光導波路構造を有する波長変換素子とを備えることにより、和周波発生または差周波発生を用いて、可視域などの短波長の光源、近赤外、中赤外などの長波長の光源を発生する波長変換光源を構成することができる。また、波長変換光源を構成する際に用いる光ファイバ、フォトニック結晶ファイバは、波長変換を安定的に行うために、偏波保存型であることが望ましい。 As described above, according to the present embodiment, the wavelength dependency of the mode diameter of the optical fiber used for incidence of the signal light and the excitation light and the optical waveguide for performing wavelength conversion can be suppressed to be small. Therefore, signal light and excitation light having different wavelengths can be efficiently incident on the optical waveguide, and an efficient wavelength conversion device can be realized. Also, two laser light sources having different wavelengths, a multiplexer that multiplexes two laser lights, a photonic crystal fiber for making the laser light incident on the wavelength conversion element, and a wavelength conversion element having an optical waveguide structure By using the sum frequency generation or the difference frequency generation, it is possible to configure a wavelength conversion light source that generates a short wavelength light source such as the visible region, or a long wavelength light source such as the near infrared or the mid infrared. . Further, it is desirable that the optical fiber and the photonic crystal fiber used when configuring the wavelength conversion light source be of a polarization preserving type in order to stably perform wavelength conversion.
波長変換を行う光導波路は、位相整合または擬似位相整合により2次の非線形光学効果を用いて、波長変換を行うことができる素子であればよい。例えば、コアに用いられる材料としては、LiNbO3、LiTaO3、KNbO3、LiNbxTa1−xO3(0≦x≦1)、LixK1−xTayNb1−yO3、KTiOPO4などの酸化物強誘電体または、これらにMg、Zn、Sc、Inなどの元素を添加したものがある。また、擬似位相整合を用いる場合には、分極が周期的に反転した分極反転構造を利用できる。 The optical waveguide that performs wavelength conversion may be any element that can perform wavelength conversion using the second-order nonlinear optical effect by phase matching or pseudo-phase matching. For example, the materials used for the core include LiNbO 3 , LiTaO 3 , KNbO 3 , LiNb x Ta 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1), Li x K 1-x Ta y Nb 1-y O 3 , There are oxide ferroelectrics such as KTiOPO 4 or those obtained by adding elements such as Mg, Zn, Sc, and In to these. In addition, when using quasi phase matching, a polarization inversion structure in which the polarization is periodically inverted can be used.
クラッドに用いられる材料としては、コアの材料よりも屈折率が小さいものであれば良いが、光導波路を形成する観点からは、コアの材料と熱膨張係数が近いものが望ましい。導波路の形成法は、特に限定はされないが、例えば、下部クラッドの形成にはウエハ接合法などを利用することができ、上部クラッドの形成にはスパッタ法、蒸着法などを利用することができる。 The material used for the clad may be any material having a refractive index smaller than that of the core material. However, from the viewpoint of forming the optical waveguide, a material having a thermal expansion coefficient close to that of the core material is desirable. The method for forming the waveguide is not particularly limited. For example, a wafer bonding method can be used for forming the lower cladding, and a sputtering method, a vapor deposition method, or the like can be used for forming the upper cladding. .
また、本実施形態によれば、信号光、励起光および変換光の波長において、V>4となるように設定した場合には、入出力において3つの波長のモード径がほぼ一致する。従って、波長変換素子の出力側にも、フォトニック結晶ファイバを結合することにより変換光を取り出すことができる。 Further, according to the present embodiment, when V> 4 is set in the wavelengths of the signal light, the excitation light, and the converted light, the mode diameters of the three wavelengths substantially coincide with each other in input / output. Therefore, the converted light can be extracted by coupling the photonic crystal fiber also to the output side of the wavelength conversion element.
本実施形態によれば、比較的パワーの低い信号光と比較的パワーの高い励起光との和周波発生を用いて、短波長への波長変換(アップコンバージョン)を行う場合に、入力光の損失を小さく抑えることができる。従って、信号光を効率良く短波長の光に変換することができる。この性質は、単に出力光のパワーを大きくできるだけにとどまらず、以下のような効果を奏することができる。 According to this embodiment, when wavelength conversion (up-conversion) to a short wavelength is performed using sum frequency generation of relatively low power signal light and relatively high power excitation light, loss of input light is achieved. Can be kept small. Therefore, the signal light can be efficiently converted into short wavelength light. This property is not limited to simply increasing the output light power, and the following effects can be obtained.
例えば、通信波長帯である1.3μm−1.55μm帯の光を検出する場合、InGaAsからなるフォトディテクタを使用する。InGaAsからなるフォトディテクタは、1μm以下の波長で用いられるSiからなるフォトディテクタに比べて量子効率が低い。従って、非常に微弱な光を検出するフォトンカウンティング、高い検出感度を必要な量子暗号通信に用いることができないという問題がある。1.3μm−1.55μm帯の微弱な信号光の損失を抑えながら、本実施形態にかかる波長変換を適用して、和周波発生によりSiからなるフォトディテクタの波長帯域に波長変換(アップコンバージョン)する。このような応用例においては、励起光のパワーを大きくしても、入力される信号光のフォトン数以上の変換光は発生しないので、信号光の損失を抑えられる性質を有効に利用することができる。 For example, when detecting light in the communication wavelength band of 1.3 μm to 1.55 μm, a photodetector made of InGaAs is used. A photodetector made of InGaAs has a lower quantum efficiency than a photodetector made of Si used at a wavelength of 1 μm or less. Therefore, there is a problem that photon counting for detecting very weak light and high detection sensitivity cannot be used for the required quantum cryptography communication. While suppressing the loss of weak signal light in the 1.3 μm to 1.55 μm band, the wavelength conversion according to the present embodiment is applied to perform wavelength conversion (up-conversion) to the wavelength band of a photodetector made of Si by sum frequency generation. . In such an application example, even if the power of the pumping light is increased, converted light exceeding the number of photons of the input signal light is not generated. Therefore, it is possible to effectively utilize the property of suppressing the loss of signal light. it can.
図13に、本発明の実施例1にかかる波長変換モジュールの構成を示す。波長変換モジュール101は、波長変換素子111と、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ102と波長変換素子111とを光学的に結合するレンズ112と、変換光のみを分離して出力するダイクロイックミラー113とを含む。波長変換素子111は、導波路122が形成されたLiNbO3からなる非線形光学媒質121と、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ102と光学的に結合するレンズ123と、導波路122から出力された光をコリメート化するレンズ124とを含む。実施例1は、波長1.55μmの信号光と0.98μmの励起光から、和周波発生により600nmの変換光を出力する波長変換モジュールである。
FIG. 13 shows the configuration of the wavelength conversion module according to the first embodiment of the present invention. The
波長変換素子111は、1つのキャリア上に載せられ、キャリア全体はペルチェ素子とサーミスタにより温度制御がなされている。フォトニック結晶ファイバ102の出射端面と導波路122の入射端面には、波長1550nmと980nmにおける反射防止コートが施されており、導波路122の出射端面には、波長600nmにおける反射防止コートが施されている。
The
非線形光学媒質121の導波路122の詳細について説明する。非線形光学媒質121は、非特許文献3に記載された直接接合方法によって作製されている。図14に、非線形光学媒質121の断面図を示す。下部クラッド131は、LiTaO3からなるZカットの基板であり、導波路のコア132は、Znが添加されたLiNbO3からなるZカットの基板から形成されている。コア132は、ダイシングによりリッジ型の光導波路が形成されている。コア132の厚みは8μm、幅は8μmである。Znが添加されたLiNbO3は、周期9.95μmで分極反転構造が形成されている。導波路の長さは20mmであり、規格化SFG変換効率は2900%/Wである。
Details of the
ここでは、LiNbO3のd33の非線形定数を利用しているため、入射される光はすべてTMモードであり、変換光もTMモードで出射される。TMモードでの屈折率、すなわちLiNbO3における異常光偏波でのコア132の屈折率は約2.1である。コア132と下部クラッド131の屈折率差は、波長1550nmにおいて0.6%、980nmにおいて0.8%、600nmにおいて1.0%である。上部クラッド133は、屈折率1の空気である。
Here, because it uses the nonlinear coefficient d 33 of LiNbO 3, all light incident is TM mode, the converted light is also emitted in the TM mode. The refractive index in the TM mode, that is, the refractive index of the core 132 at the extraordinary light polarization in LiNbO 3 is about 2.1. The refractive index difference between the core 132 and the
式3において波長変換に関わる3つの波長における規格化周波数Vは、波長1550nmにおいてV=7.7、波長980nmにおいてV=13.9、波長600nmにおいてV=26となる。図15に、各波長における導波路の縦方向の電界分布を示し、図16に、横方向の電界分布を示す。実施例1のリッジ型導波路構造は、すべての波長においてV>4とすることにより、各々の波長におけるモード径がほぼ等しいことが分かる。光強度がピークの1/e2になる全幅は、波長1550nmにおいて縦方向7.0μm、横方向6.4μmであり、波長980nmにおいて縦方向6.5μm、横方向6.4μm、波長600nmにおいて縦方向6.0μm、横方向6.4μmである。
In
図17に、ガウシアンビームにより、波長1550nmと980nmの光を導波路122に入射したときの、入射ビーム径に対する結合効率の変化を示す。波長1550nmおよび980nmにおいて、入射モード径を6μm程度にすることにより、両波長を効率良く入射することができる。実施例1に用いた偏波保持型フォトニック結晶ファイバ102のモード径は、波長1550nmおよび980nmにおいて7μmである。そこで、レンズ112,123を用いてビーム径の変換を行い、導波路122への結合効率が最大となる6μmに変換する。この結果、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ102と導波路122の結合効率は、波長1550nmで97%、980nmにおいて97%と高い結合効率を示す。偏波保持型フォトニック結晶ファイバ102の入力側から見た波長変換モジュール101全体の変換効率は、2200%/Wとなる。波長980nmの励起光を100mW、波長1550nmの信号光を1mW、波長変換モジュール101に入射することにより、波長600nmの変換光を2.2mW得ることができる。このことは、波長1550nmの入射光を、88%の効率で、波長600nmの光へ変換できたことに相当する。
FIG. 17 shows a change in coupling efficiency with respect to the incident beam diameter when light having wavelengths of 1550 nm and 980 nm is incident on the
比較参考のために、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ102の代わりに、通常の980nm用偏波保持ファイバを用いて、図13に記載の波長変換モジュールを構成する。980nm用偏波保持ファイバは、波長1550nmにおけるモード径が12μm、波長980nmにおけるモード径が6.6μmである。図17を参照すると、波長1550nmにおけるモード径が12μmのとき、結合効率が63%程度まで低下してしまう。Siからなるフォトディテクタの波長帯域にアップコンバージョンする場合に、波長1.55μmの信号光の結合効率が低いと、波長980nmの励起光のパワーを大きくしても、信号光のパワーは上がらないので、受光感度を下げることになる。
For comparison, the wavelength conversion module shown in FIG. 13 is configured using a normal polarization maintaining fiber for 980 nm instead of the polarization maintaining
実施例1によれば、信号光の結合効率の低下を抑えることにより、波長1550nmの信号光を波長600nmの変換光に効率良く変換することができる。 According to the first embodiment, signal light having a wavelength of 1550 nm can be efficiently converted into converted light having a wavelength of 600 nm by suppressing a decrease in coupling efficiency of signal light.
図18に、本発明の実施例2にかかる波長変換モジュールの構成を示す。波長1550nmの光源と波長980nmの光源の出力は、980nm用偏波保存ファイバで作製されたファイバカップラ205で合波され、980nm用偏波保存ファイバ204に出力される。さらに、980nm用偏波保存ファイバ204に融着接続された偏波保持型フォトニック結晶ファイバ202を介して、波長変換モジュール201に入力される。波長変換モジュール201は、波長変換素子211と、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ202と波長変換素子211とを光学的に結合するレンズ212と、変換光のみを分離して出力するダイクロイックミラー213と、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ203と波長変換素子211とを光学的に結合するレンズ214とを含む。波長変換素子211は、導波路222が形成されたLiNbO3からなる非線形光学媒質221と、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ202と光学的に結合するレンズ223と、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ203と波長変換素子211とを光学的に結合するレンズ224とを含む。実施例2は、波長1.55μmの信号光と0.98μmの励起光から、和周波発生により600nmの変換光を出力する波長変換モジュールである。
FIG. 18 shows a configuration of a wavelength conversion module according to the second embodiment of the present invention. The outputs of the light source having a wavelength of 1550 nm and the light source having a wavelength of 980 nm are combined by a
波長変換素子211は、1つのキャリア上に載せられ、キャリア全体はペルチェ素子とサーミスタにより温度制御がなされている。フォトニック結晶ファイバ202の出射端面と導波路222の入射端面には、波長1550nmと980nmにおける反射防止コートが施されており、導波路222の出射端面には、波長600nmにおける反射防止コートが施されている。非線形光学媒質221は、LiNbO3からなり、分極反転構造が形成されている。その作製法、導波路の構造は、実施例1と同じである。また、偏波保持型フォトニック結晶ファイバも実施例1と同じである。
The
実施例2では、980nm用偏波保存ファイバで作製されたファイバカップラ205を用いているため、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ203との間でモード径の相違が生じる。しかしながら、ファイバ間の結合は、融着接続を行うため、接続部における両ファイバ間のモード径は連続に変化する。従って、ファイバ間のモード径が異なるにも関わらず、接続部における接続損失は、比較的小さく抑えることができる。実施例2におけるファイバカップラ205出力の980nm用偏波保存ファイバ204と偏波保持型フォトニック結晶ファイバ203との間の融着接続による損失は、波長1550nmにおいて0.6dB、波長980nmにおいて0.3dBである。
非線形光学媒質221は、LiNbO3からなり、分極反転構造が形成されている。その作製法、導波路の構造は、実施例1と同じである。また、偏波保持型フォトニック結晶ファイバも実施例1と同じである。
In Example 2, since the
The nonlinear
実施例2では、非線形光学媒質221の導波路222の構造と偏波保持型フォトニック結晶ファイバ202とは、実施例1と同じものを用いている。図15,16に示したように、波長600nmの変換光の導波路におけるモード径は、波長1550nmおよび980nmとほぼ同等である。偏波保持型フォトニック結晶ファイバの波長600nmにおけるモード径も、波長1550nmおよび980nmとほぼ同等であることから、出射側にも入射側と同様のレンズと偏波保持型フォトニック結晶ファイバとを用いて、変換光を取り出すことができる。
In the second embodiment, the structure of the
実施例2によれば、導波路222と偏波保持型フォトニック結晶ファイバ203との間の結合効率を、91%という高い効率とすることができる。また、変換光を光ファイバで取り出しているため、出力の取り扱いが容易であり、かつ入射側と同様の部品で実現できることから、部品の種類を増やすことなく、製造できるという利点がある。
According to the second embodiment, the coupling efficiency between the
実施例2において、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ202の入力側から見た波長変換モジュール全体の変換効率は、2000%/Wとなる。波長980nmの励起光を100mW、波長1550nmの信号光を1mW、波長変換モジュール201に入射することにより、波長600nmの変換光を20mW得ることができる。これは、波長1550nmの入射光を、80%の効率で、波長600nmの光へ変換できたことに相当する。
In the second embodiment, the conversion efficiency of the entire wavelength conversion module viewed from the input side of the polarization maintaining
図19に、本発明の実施例3にかかる波長変換モジュールを示す。波長1307nmの光源308と波長980nmの光源309の出力は、合波器305で合波され、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ302を介して、波長変換モジュール301に入力される。波長変換モジュール301は、波長変換素子311と、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ302と波長変換素子311とを光学的に結合するレンズ312と、変換光のみを分離して出力するダイクロイックミラー313とを含む。波長変換素子311は、導波路322が形成されたLiNbO3からなる非線形光学媒質321と、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ302と光学的に結合するレンズ323と、導波路322から出力された光をコリメート化するレンズ324とを含む。実施例3は、波長1307nmの信号光と980nmの励起光から、和周波発生により560nmの変換光を出力する波長変換モジュールである。
FIG. 19 shows a wavelength conversion module according to Example 3 of the present invention. Outputs of the
波長1307nmの光源308は、DFB−LDを用い、波長980nmの光源309は、ファイバグレーティング306を用いて波長を安定化させたファブリペロー型のLD(FP−LD)を用いる。光源308の出力は、1.3μm帯用偏波保存ファイバ307に出力され、光源309の出力は、0.98μm用偏波保存ファイバ306に出力される。合波器305は、レンズとダイクロイックミラーとにより構成されている。合波器305は、1.3μm帯用偏波保存ファイバ307と0.98μm用偏波保存ファイバ306とから入力された光を、それぞれ焦点距離の異なるレンズを用いて、ビーム径がほぼ等しくなるようにコリメート化した後、ダイクロイックミラーにより合波する。合波された光は、集光用レンズにより偏波保持型フォトニック結晶ファイバ302へ集光され出力される。
The
波長変換素子311は、1つのキャリア上に載せられ、キャリア全体はペルチェ素子とサーミスタにより温度制御がなされている。フォトニック結晶ファイバ302の出射端面と導波路322の入射端面には、波長1307nmと980nmにおける反射防止コートが施されており、導波路322の出射端面には、波長560nmにおける反射防止コートが施されている。非線形光学媒質321は、LiNbO3からなり、分極反転構造が形成されている。また、偏波保持型フォトニック結晶ファイバは実施例1,2と同じである。
The
非線形光学媒質321の導波路322の詳細について説明する。非線形光学媒質321は、非特許文献3に記載された直接接合方法によって作製されている。図20に、非線形光学媒質321の断面図を示す。下部クラッド331は、LiTaO3からなるZカットの基板であり、導波路のコア332は、Znが添加されたLiNbO3からなるZカットの基板から形成されている。コア332は、ドライエッチングによりリッジ型の光導波路が形成されている。コア332と下部クラッド331とを覆うように、Ta2O5からなる上部クラッド333を、スパッタにより堆積し、埋め込み型導波路を形成する。コアの厚みは7μm、幅は7μmである。Znが添加されたLiNbO3は、周期7.85μmで分極反転が形成されている。導波路の長さは20mmであり、規格化SFG変換効率は3900%/Wである。
Details of the
ここでは、LiNbO3のd33の非線形定数を利用しているため、入射される光はすべてTMモードであり、変換光もTMモードで出射される。TMモードでの屈折率、すなわちLiNbO3における異常光偏波でのコア132の屈折率は約2.1である。コア332と下部クラッド331の屈折率差は、波長1307nmにおいて0.7%、980nmにおいて0.8%、560nmにおいて1.1%である。上部クラッド333は、下部クラッド331よりも屈折率はやや小さく、コア332と上部クラッド333の屈折率差は、波長1307nmにおいて1.7%、980nmにおいて1.8%、560nmにおいて1.9%である。
Here, because it uses the nonlinear coefficient d 33 of LiNbO 3, all light incident is TM mode, the converted light is also emitted in the TM mode. The refractive index in the TM mode, that is, the refractive index of the core 132 at the extraordinary light polarization in LiNbO 3 is about 2.1. The refractive index difference between the core 332 and the lower clad 331 is 0.7% at a wavelength of 1307 nm, 0.8% at 980 nm, and 1.1% at 560 nm. The refractive index of the
式3において波長変換に関わる3つの波長における規格化周波数Vは、波長1307nmにおいてV=8.4、波長980nmにおいてV=11.9、波長560nmにおいてV=26.4となる。図21に、各波長における導波路の縦方向の電界分布を示し、図22に、横方向の電界分布を示す。実施例3の埋め込み型導波路構造は、すべての波長においてV>4とすることにより、それぞれの波長におけるモード径が非常に近くなっていることが分かる。光強度がピークの1/e2になる全幅は、波長1307nmにおいて縦方法6.3μm、横方向6.1μmであり、波長980nmにおいて縦方法6.1μm、横方向6.1μmである。
In
波長1307nmおよび980nmにおいて、入射モード径を6.1μm程度にすることにより、両波長を効率良く入射することができる。実施例3に用いた偏波保持型フォトニック結晶ファイバ302のモード径は、波長13070nmおよび980nmにおいて7μmである。そこで、レンズ312,323を用いてビーム径の変換を行い、導波路322への結合効率が最大となる6.1μmに変換する。この結果、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ302と導波路322との結合効率は、波長1307nmで98%、980nmにおいて98%と高い結合効率を示す。偏波保持型フォトニック結晶ファイバ302の入力側から見た波長変換モジュール301全体の変換効率は、3000%/Wとなる。波長980nmの励起光を30mW、波長1307nmの信号光を30mW、波長変換モジュール301に入射することにより、波長560nmの変換光25mW得ることができる。
By setting the incident mode diameter to about 6.1 μm at wavelengths of 1307 nm and 980 nm, both wavelengths can be efficiently incident. The mode diameter of the polarization maintaining
実施例3によれば、励起光および信号光の結合損失を小さく抑えることができるので、所望の変換光の出力を得るのに必要な励起光のパワーが小さくできる。その結果、光源の消費電力が小さくてすみ、レーザの寿命が長くなるなどの効果を得ることができる。実施例3では、上部クラッドと下部のクラッドの屈折率が異なる非対称の埋め込み型導波路を用いたが、上部クラッドと下部のクラッドとが同じ屈折率を有する対称の埋め込み型導波路を用いても同様の効果を得ることができる。 According to the third embodiment, since the coupling loss between the pumping light and the signal light can be suppressed to be small, the power of the pumping light necessary for obtaining the desired converted light output can be reduced. As a result, the power consumption of the light source can be reduced, and effects such as a longer laser life can be obtained. In the third embodiment, an asymmetric buried waveguide in which the upper clad and the lower clad have different refractive indexes is used. However, a symmetrical buried waveguide in which the upper clad and the lower clad have the same refractive index may be used. Similar effects can be obtained.
図23に、本発明の実施例4にかかる波長変換モジュールを示す。1.3μm帯の光源408と1.02μm帯の光源409の出力は、合波器405で合波され、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ402を介して、波長変換モジュール401に入力される。波長変換モジュール401は、波長変換素子411と、変換光のみを分離して出力するダイクロイックミラー413とを含む。波長変換素子411は、導波路422が形成されたLiNbO3からなる非線形光学媒質421と、導波路422から出力された光をコリメート化するレンズ424とを含む。実施例4は、1.3μm帯の信号光と1.02μm帯の励起光から、差周波発生により4500nm帯の変換光を出力する波長変換モジュールである。
FIG. 23 shows a wavelength conversion module according to Example 4 of the present invention. The outputs of the 1.3 μm
1.3μm帯の光源408は、DFB−LDを用い、1.02μm帯の光源409は、ファイバグレーティング406を用いて波長を安定化させたファブリペロー型のLD(FP−LD)を用いる。光源408の出力は、1.3μm帯用偏波保存ファイバ407に出力され、光源409の出力は、0.98μm用偏波保存ファイバ406に出力される。合波器405は、レンズとダイクロイックミラーとにより構成されている。合波器405は、1.3μm帯用偏波保存ファイバ407と0.98μm用偏波保存ファイバ406とから入力された光を、それぞれ焦点距離の異なるレンズを用いて、ビーム径がほぼ等しくなるようにコリメート化した後、ダイクロイックミラーにより合波する。合波された光は、集光用レンズにより偏波保持型フォトニック結晶ファイバ402へ集光され出力される。
The 1.3 μm
波長変換素子411は、1つのキャリア上に載せられ、キャリア全体はペルチェ素子とサーミスタにより温度制御がなされている。偏波保持型フォトニック結晶ファイバ402と非線形光学媒質421の光導波路422とは、バットジョイントにより直接結合されている。フォトニック結晶ファイバ402の出射端面と導波路422の入射端面には、波長1.3μmと0.98μmにおける反射防止コートが施されており、導波路422の出射端面には、波長4500nmにおける反射防止コートが施されている。非線形光学媒質321は、LiNbO3からなり、分極反転構造が形成されている。また、偏波保持型フォトニック結晶ファイバは実施例1〜3と同じである。
The
非線形光学媒質421の導波路422の詳細について説明する。非線形光学媒質421は、非特許文献3に記載された直接接合方法によって作製されている。下部クラッドは、LiTaO3からなるZカットの基板であり、導波路のコアは、Znが添加されたLiNbO3からなるZカットの基板から形成されている。コアは、ダイシングによりリッジ型の光導波路が形成されている。上部クラッドは、屈折率1の空気である。コアの厚みは14μm、幅は17μmである。Znが添加されたLiNbO3は、周期25.15μmで分極反転が形成されている。導波路の長さは60mmであり、規格化SFG変換効率は125%/Wである。
Details of the
ここでは、LiNbO3のd33の非線形定数を利用しているため、入射される光はすべてTMモードであり、変換光もTMモードで出射される。TMモードでの屈折率、すなわちLiNbO3における異常光偏波でのコア132の屈折率は約2.1である。コアと下部クラッドの屈折率差は、波長1325nmにおいて0.66%、1024nmにおいて0.72%、4500nmにおいて0.96%である。 Here, because it uses the nonlinear coefficient d 33 of LiNbO 3, all light incident is TM mode, the converted light is also emitted in the TM mode. The refractive index in the TM mode, that is, the refractive index of the core 132 at the extraordinary light polarization in LiNbO 3 is about 2.1. The refractive index difference between the core and the lower cladding is 0.66% at a wavelength of 1325 nm, 0.72% at 1024 nm, and 0.96% at 4500 nm.
式3において波長変換に関わる3つの波長における規格化周波数Vは、波長1325nmにおいてV=16.5、波長1024nmにおいてV=22.2、波長4500nmにおいてV=5.5となる。コアの幅を用いると、波長1325nmにおいてV=22.4、波長1024nmにおいてV=30.1、波長4500nmにおいてV=7.46と計算される。図24に、各波長における導波路の縦方向の電界分布を示し、図25に、横方向の電界分布を示す。実施例4のリッジ型導波路構造は、すべての波長においてV>4とすることにより、特に、信号光波長と励起光波長のV値が非常に大きいために、それぞれの波長におけるモード径が非常に近くなっていることが分かる。光強度がピークの1/e2になる全幅は、波長1325nmにおいて縦方法12.5μm、横方向13.1μmであり、波長1024nmにおいて縦方法12.4μm、横方向13.5μmである。
In
波長1325nmおよび1024nmにおいて、入射モード径を12μm程度にすることにより、両波長を効率良く入射することができる。実施例4に用いた偏波保持型のフォトニック結晶ファイバ402のモード径は、波長1325nmおよび1024nmにおいて12μmであることから、偏波保持型のフォトニック結晶ファイバ402と導波路422とを直接結合して入射する。この結果、偏波保持型のフォトニック結晶ファイバ401と導波路422との結合効率は、波長1325nmで98%、1024nmにおいて97%と高い結合効率を示す。偏波保持型のフォトニック結晶ファイバ402から見た波長変換モジュール401全体の変換効率は、100%/Wとなる。波長1024nmの励起光を100mW、波長1325nmの信号光を50mW、波長変換モジュール401に入射することにより、波長4500nmの変換光5mWを得ることができる。
By setting the incident mode diameter to about 12 μm at wavelengths of 1325 nm and 1024 nm, both wavelengths can be efficiently incident. Since the mode diameter of the polarization-maintaining
比較参考のために、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ402の代わりに、通常の980nm用偏波保持ファイバを用いて、図23に記載の波長変換モジュールを構成する。980nm用偏波保持ファイバは、波長1325nmにおけるモード径が10μm、波長980nmにおけるモード径は6.8μmである。波長1325nmにおける結合効率は、68%まで低下してしまう。実施例4によれば、信号光および励起光の結合効率の低下を抑えることにより、波長1325nmの信号光を波長4500nmの変換光に効率良く変換することができる。
For comparison, the wavelength conversion module shown in FIG. 23 is configured using a normal polarization maintaining fiber for 980 nm instead of the polarization maintaining
11,21,31,131,331 下部クラッド
12,22,32,132,332 コア
13,23,33,133,333 上部クラッド
101,201,301,401 波長変換モジュール
102,202,203,302,402 偏波保持型フォトニック結晶ファイバ
111,211,311,411 波長変換素子
112,123,124,212,214,223,224,312,323,324,424 レンズ
113,213,313,413 ダイクロイックミラー
121,221,321,421 非線形光学媒質
122,222,322,422 導波路
204,304,404 980nm用偏波保存ファイバ
205 ファイバカップラ
305,405 合波器
306,406 ファイバグレーティング
307,407 1.3μm帯用偏波保存ファイバ
308,309,408,409 光源
11, 21, 31, 131, 331 Lower clad 12, 22, 32, 132, 332
Claims (8)
屈折率n1の下部クラッドと、屈折率n2のコアと、屈折率n3の上部クラッドとからなる導波路構造が形成された非線形光学結晶であって、前記信号光、前記励起光および前記変換光のいずれの波長λにおいても、
前記導波路と光学的に結合され、前記信号光および前記励起光を前記導波路の入力端において同一のモード径で入射する入力用フォトニック結晶ファイバと
を備えたことを特徴とする波長変換モジュール。 In a wavelength conversion module that inputs excitation light having a wavelength λ1 and signal light having a wavelength λ2 having different wavelengths, and generates converted light having a wavelength λ3,
A nonlinear optical crystal in which a waveguide structure comprising a lower clad having a refractive index n1, a core having a refractive index n2, and an upper clad having a refractive index n3 is formed, and includes the signal light, the excitation light, and the converted light. At any wavelength λ
A wavelength conversion module comprising: an input photonic crystal fiber optically coupled to the waveguide and configured to input the signal light and the excitation light at an input end of the waveguide with the same mode diameter .
前記入力用フォトニック結晶ファイバに接続された合波器と、
前記合波器の一方の入力に接続され、前記信号光を出力する光源と、
前記合波器の他方の入力に接続され、前記励起光を出力する光源と
を備えたことを特徴とする波長変換光源。 The wavelength conversion module according to any one of claims 1 to 6,
A multiplexer connected to the input photonic crystal fiber;
A light source connected to one input of the multiplexer and outputting the signal light;
A wavelength-converted light source comprising: a light source connected to the other input of the multiplexer and outputting the excitation light.
前記入力用フォトニック結晶ファイバに接続された合波器と、
前記合波器の一方の入力端に接続され、前記励起光を出力する光源とを備え、
前記波長変換モジュールは、前記合波器の他方の入力端に入力された前記信号光を、和周波発生により波長400nm〜1000nmの変換光を出力することを特徴とする波長変換装置。 The wavelength conversion module according to any one of claims 1 to 6,
A multiplexer connected to the input photonic crystal fiber;
A light source connected to one input end of the multiplexer and outputting the excitation light;
The wavelength conversion module, wherein the wavelength conversion module outputs converted light having a wavelength of 400 nm to 1000 nm by generating a sum frequency of the signal light input to the other input terminal of the multiplexer.
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