JP5421230B2 - Wavelength conversion device and wavelength conversion device - Google Patents

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JP5421230B2 JP2010270771A JP2010270771A JP5421230B2 JP 5421230 B2 JP5421230 B2 JP 5421230B2 JP 2010270771 A JP2010270771 A JP 2010270771A JP 2010270771 A JP2010270771 A JP 2010270771A JP 5421230 B2 JP5421230 B2 JP 5421230B2
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本発明は、波長変換デバイス及び波長変換装置に関し、より詳細には、マルチモード干渉(MMI:Multi−Mode Interference)を利用した光合分波器を集積した波長変換デバイスおよびこれを用いた波長変換装置に関する。   The present invention relates to a wavelength conversion device and a wavelength conversion device, and more specifically, a wavelength conversion device in which optical multiplexers / demultiplexers using multi-mode interference (MMI) are integrated, and a wavelength conversion device using the same About.

光通信における光信号波長変換、光変調、光計測、光加工、医療、生物工学などの応用のための紫外域−可視域−赤外域−テラヘルツ域にわたるコヒーレント光の発生と変調のために、多くの非線形光学デバイス及び電気光学デバイスの開発が進められている。このような素子に用いられる非線形光学媒質および電気光学媒質として、種々の材料が研究開発されている。ニオブ酸リチウム(LiNbO3、以下、LNという)などの酸化物系化合物基板は、2次非線形光学定数・電気光学定数が非常に高く有望な材料として知られている。LNの高い非線形性を用いた光デバイスの一例として、擬似位相整合による差周波発生(DFG)を利用した波長変換素子が知られている。 Many for the generation and modulation of coherent light in the ultraviolet, visible, infrared, and terahertz range for applications such as optical signal wavelength conversion, optical modulation, optical measurement, optical processing, medicine, and biotechnology in optical communications Development of non-linear optical devices and electro-optical devices is underway. Various materials have been researched and developed as nonlinear optical media and electro-optical media used in such elements. An oxide-based compound substrate such as lithium niobate (LiNbO 3 , hereinafter referred to as LN) is known as a promising material because it has a very high second-order nonlinear optical constant / electro-optic constant. As an example of an optical device using non-linearity with high LN, a wavelength conversion element using difference frequency generation (DFG) by pseudo phase matching is known.

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デバイスの実用化が求められている。   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 device that converts a signal wavelength into an arbitrary signal wavelength.

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等が知られている。しかしながら、これらの波長変換素子において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、偏波無依存などの条件を満足させることはできていなかった。   Conventionally, as a wavelength conversion element for converting the wavelength of light, a device using a semiconductor optical amplifier, a device using four-wave mixing, and the like are known. However, these wavelength conversion elements have not been able to satisfy conditions such as high efficiency, high speed, wide band, low noise, and polarization independence required in an optical communication system.

図1に、従来のLNを用いた擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す。比較的小さな光強度を持つ信号光Aと、比較的大きな光強度を持つ励起光Bは、合波器1により合波され、分極反転構造を有する非線形光学媒質の光導波路2に入射される。光導波路2中で信号光Aは、非線形光学効果による差周波波発生(DFG)により別の波長を持つ変換光Cへと変換される。変換光Cは、励起光Bと共に光導波路2から出射される。出射された変換光Cと励起光Bは、分波器3により分離される。信号光A、励起光Bの波長をそれぞれλ1、λ3とすると変換光Cの波長λ2は、
1/λ2=1/λ3−1/λ1
を満足する。変換光Cの波長λ2は、信号光Aの波長λ1を励起光Bの波長λ3の2倍の波長を軸に折り返した波長となる。例えば、励起光Bの波長λ3=0.78μmとした場合、波長λ1=1.54μmの信号光Aを、波長λ2=1.58μmの差周波光である変換光Cへと変換することができる。
FIG. 1 shows a configuration of a conventional quasi phase matching type wavelength conversion element using LN. The signal light A having a relatively small light intensity and the excitation light B having a relatively large light intensity are combined by a multiplexer 1 and are incident on an optical waveguide 2 of a nonlinear optical medium having a polarization inversion structure. In the optical waveguide 2, the signal light A is converted into converted light C having a different wavelength by difference frequency wave generation (DFG) due to a nonlinear optical effect. The converted light C is emitted from the optical waveguide 2 together with the excitation light B. The emitted converted light C and excitation light B are separated by the duplexer 3. If the wavelengths of the signal light A and the excitation light B are λ 1 and λ 3 , respectively, the wavelength λ 2 of the converted light C is
1 / λ 2 = 1 / λ 3 −1 / λ 1
Satisfied. The wavelength λ 2 of the converted light C is a wavelength obtained by turning the wavelength λ 1 of the signal light A around the wavelength λ 3 twice that of the pumping light B. For example, when the wavelength λ 3 of the excitation light B is 0.78 μm, the signal light A having a wavelength λ 1 = 1.54 μm is converted into converted light C that is a difference frequency light having a wavelength λ 2 = 1.58 μm. be able to.

信号光A及び変換光Cに対する変換帯域は、励起光の波長に対して±30nm以上と広く、例えば、波長分割多重(WDM)光通信に用いられる波長帯域C帯に束ねられたWDM信号をL帯へ、またはL帯からC帯へといった波長群の一括変換が可能である。   The conversion band for the signal light A and the converted light C is as wide as ± 30 nm or more with respect to the wavelength of the excitation light. For example, a WDM signal bundled in a wavelength band C band used for wavelength division multiplexing (WDM) optical communication is L It is possible to perform batch conversion of wavelength groups such as to the band or from the L band to the C band.

擬似位相整合を利用した波長変換素子は、従来、LNなどの非線形光学結晶基板に周期分極反転構造を作製した後、プロトン交換導波路を作製することによって波長変換素子を作製していた。これに対して、光導波路中への光閉じ込めを改善し、バルクもしくはバルクに近い非線形効果を利用した高効率な波長変換を実現するために、リッジ型の光導波路構造を有する波長変換素子が提案されている。リッジ型光導波路の作製の際には、まず、Mg添加LN基板に周期分極反転構造を作製した後、別に用意したLN基板に接着剤を用いて接着する。次いでMg添加LN基板の基板厚さを平面研削加工によって薄くした後、ダイシングソーを用いた精密研削加工によってリッジ型導波路を作製している(例えば、非特許文献1参照)。   Conventionally, a wavelength conversion element using quasi-phase matching has been manufactured by forming a periodic polarization reversal structure on a nonlinear optical crystal substrate such as LN and then manufacturing a proton exchange waveguide. On the other hand, in order to improve the optical confinement in the optical waveguide and realize highly efficient wavelength conversion using the bulk or near-bulk nonlinear effect, a wavelength conversion element with a ridge-type optical waveguide structure is proposed Has been. When producing a ridge-type optical waveguide, first, a periodically poled structure is produced on an Mg-added LN substrate, and then adhered to an LN substrate prepared separately using an adhesive. Next, after reducing the thickness of the Mg-added LN substrate by surface grinding, a ridge-type waveguide is produced by precision grinding using a dicing saw (see, for example, Non-Patent Document 1).

この手法において励起光に0.78μm帯の光源を用いると、0.78μmにおいて安定で波長精度が高く、高出力な光源が広く普及しておらず、簡単に準備することが困難であり、信号光と励起光の波長が半分程度も異なることから、光導波路の最適サイズが異なり、導波路へ光を入射する際に、所望のモード以外の励振の抑制が必要となるという問題がある。この理由により、励起光の光源として、広く普及している安定で信頼性の高い1.5μm帯の光源を用いることが好ましい。また、光ファイバアンプなどを用いることにより、簡単に高出力光を得ることができる。擬似位相整合を利用したLNを用いた波長変換として第二高調波発生(SHG)と差周波発生(DFG)とのカスケード励起(以下SHG−DFGカスケード励起法)と呼ばれる手法が広く用いられてきた(例えば、非特許文献2参照)。   If a 0.78 μm band light source is used for the excitation light in this method, a stable, high wavelength accuracy and high output light source is not widely used at 0.78 μm, and it is difficult to prepare easily. Since the wavelengths of the light and the pumping light are different by about half, the optimum size of the optical waveguide is different, and there is a problem that it is necessary to suppress excitation other than the desired mode when the light enters the waveguide. For this reason, it is preferable to use a stable and highly reliable 1.5 μm band light source as a light source of excitation light. Moreover, high output light can be easily obtained by using an optical fiber amplifier or the like. As wavelength conversion using LN using pseudo phase matching, a technique called cascade excitation of second harmonic generation (SHG) and difference frequency generation (DFG) (hereinafter, SHG-DFG cascade excitation method) has been widely used. (For example, refer nonpatent literature 2).

カスケード励起法を用いれば擬似位相整合を利用したLNを用いた波長変換の励起光として、差周波発生による1.5μm帯の波長変換を行なうために必要な励起波長の2倍の波長を持つ光を用いることができる。図1で説明した波長変換の例では、波長λ3=0.78μmの代わりに波長λ3’=1.56μmの励起光を用いれば、SHG−DFGカスケード励起法となる。図1で励起光Bの波長λ3’=1.56μmとした場合、非線形光学媒質内部で励起光の第二高調波(波長:0.78μm)が発生する。カスケード励起によれば、非線形光学媒質内部で発生した第二高調波(SHG)と信号光Aとの差周波発生(DFG)により、さらに変換光Cを得ることができる。 If the cascade excitation method is used, the light having a wavelength twice as large as the excitation wavelength necessary for wavelength conversion in the 1.5 μm band by the difference frequency generation as the wavelength conversion excitation light using LN using pseudo phase matching Can be used. In the example of the wavelength conversion described with reference to FIG. 1, by using the pumping light of the wavelength lambda 3 '= 1.56 .mu.m in place of the wavelength lambda 3 = 0.78 .mu.m, a SHG-DFG cascade excitation method. In FIG. 1, when the wavelength λ 3 ′ of the excitation light B is 1.56 μm, the second harmonic (wavelength: 0.78 μm) of the excitation light is generated inside the nonlinear optical medium. According to the cascade excitation, the converted light C can be further obtained by the difference frequency generation (DFG) between the second harmonic (SHG) generated inside the nonlinear optical medium and the signal light A.

一方、SHG−DFGカスケード励起による波長変換においては、変換光の品質が劣化しやすく、励起光に1.5μm帯の光源を用いるため、波長の近い励起光と信号光・変換光の分離が困難となるので、ガードバンドと呼ばれる励起光波長と信号光・変換光との間に一定の帯域を設ける必要があった。しかしこの帯域を確保することにより、利用できる波長変換帯域が狭まり、一括変換できる波長数が少なくなってしまう。また、ガードバンドを設けると、信号光に近接する波長への変換が不可能になる。さらに、高い励起光を得るために光ファイバアンプを使用すると、ASEノイズの増加により信号光・変換光の品質が劣化する。カスケード励起では、励起光・信号光間の和周波発生(SFG)によるクロストーク光が増加し、信号の品質が劣化する。(例えば、非特許文献3参照)よって、高品質な波長変換を行うには、0.78μm帯光の励起による波長変換が望まれるが、この0.78μm帯光においては信号光・励起光の入力が低損失で、かつ所望のモード以外のモードを励振することなく簡易に波長変換を行なう必要がある。   On the other hand, in the wavelength conversion by SHG-DFG cascade excitation, the quality of the converted light is likely to deteriorate, and a 1.5 μm band light source is used for the excitation light, so it is difficult to separate the excitation light with the near wavelength from the signal light / converted light. Therefore, it is necessary to provide a certain band between the pumping light wavelength called the guard band and the signal light / converted light. However, by securing this band, the wavelength conversion band that can be used is narrowed, and the number of wavelengths that can be collectively converted is reduced. If a guard band is provided, conversion to a wavelength close to the signal light becomes impossible. Furthermore, when an optical fiber amplifier is used to obtain high excitation light, the quality of signal light / converted light deteriorates due to an increase in ASE noise. In cascade excitation, crosstalk light due to sum frequency generation (SFG) between excitation light and signal light increases, and signal quality deteriorates. Therefore, for high-quality wavelength conversion, wavelength conversion by excitation of 0.78 μm band light is desired. In this 0.78 μm band light, signal light / excitation light is not converted. It is necessary to easily perform wavelength conversion without exciting a mode other than the desired mode with low loss of input.

しかしながら、0.78μm帯の光源の入手の困難性や他モード抑制の必要性の観点から、励起光に1.5μm帯の光源を用いて、非線形効果による第二高調波光(SHG)過程と差周波発生(DFG)過程とをカスケードではなく別々に行う手法(独立多段励起)が望まれていた。   However, from the viewpoint of difficulty in obtaining a light source in the 0.78 μm band and the necessity of suppressing other modes, a difference from the second harmonic light (SHG) process due to the nonlinear effect using a light source in the 1.5 μm band as the excitation light is used. There has been a demand for a method (independent multistage excitation) in which the frequency generation (DFG) process is performed separately rather than in cascade.

さらに、カスケード励起は、内部で第二高調波光を発生させながら、同時に差周波発生を行うため、同じ第二高調波光の光パワーで比べると、カスケード励起と独立多段励起法では、カスケード励起のほうが四分の一だけ効率が悪くなる。よって、独立多段励起法を用いればカスケード励起に比べ4倍の効率を得ることが出来るという利点もある。   Furthermore, since cascade excitation generates difference frequency simultaneously while generating second harmonic light internally, compared with the optical power of the same second harmonic light, cascade excitation is more effective in cascade excitation and independent multistage excitation methods. Only one quarter is inefficient. Therefore, if the independent multistage excitation method is used, there is an advantage that four times the efficiency can be obtained as compared with the cascade excitation.

また、信号波長を任意の信号波長に変換するために、擬似位相整合を利用したLNを用いた波長変換手法として、上記SHG−DFGカスケード励起法以外にも、和周波発生(SFG)と差周波発生(DFG)のカスケード励起(以下SFG−DFGカスケード励起法)と呼ばれる手法が提案されている。   In addition to the SHG-DFG cascade excitation method, a sum frequency generation (SFG) and a difference frequency can be used as a wavelength conversion method using LN using pseudo phase matching to convert a signal wavelength to an arbitrary signal wavelength. A technique called cascade excitation of generation (DFG) (hereinafter referred to as SFG-DFG cascade excitation method) has been proposed.

図2に、従来のLNを用いた擬似位相整合型の波長変換素子によるSFG−DFGカスケード励起法の構成を示す。波長λ1の信号号光Aと、2つの異なる波長を持った2つの励起光1B(波長λ2)および励起光2B(波長λ4)は、合波器1により合波され、分極反転構造を有する非線形光学媒質の光導波路2に入射される。光導波路2中で信号光Aは、非線形光学効果による和周波波発生により別の波長を持つ変換光C(波長λ3)へと変換される。信号号光A(波長λ1)と励起光1B(波長λ2)と変換光Cの間には1/λ3=1/λ2+1/λ1の関係を有する。非線形光学媒質内部で発生した和周波光(変換光C)と励起光2B(波長λ4)との差周波発生により、さらに変換光D得ることができる。変換光D(波長λ5)と変換光C(波長λ3)と励起光2B(波長λ4)の間には、1/λ5=1/λ3−1/λ4の関係を有する。変換光Dは、変換光C、励起光1B、励起光2B、信号光Aと共に光導波路2から出射される。 FIG. 2 shows the configuration of a conventional SFG-DFG cascade excitation method using a quasi phase matching wavelength conversion element using LN. The signal light A having the wavelength λ 1 , the two pumping lights 1B (wavelength λ 2 ) and the pumping light 2B (wavelength λ 4 ) having two different wavelengths are combined by the multiplexer 1 and are polarized. Is incident on the optical waveguide 2 of the nonlinear optical medium. In the optical waveguide 2, the signal light A is converted into converted light C (wavelength λ 3 ) having a different wavelength by generating a sum frequency wave due to the nonlinear optical effect. The signal light A (wavelength λ 1 ), the pumping light 1 B (wavelength λ 2 ), and the converted light C have a relationship of 1 / λ 3 = 1 / λ 2 + 1 / λ 1 . Further, converted light D can be obtained by generating a difference frequency between the sum frequency light (converted light C) generated inside the nonlinear optical medium and the excitation light 2B (wavelength λ 4 ). The converted light D (wavelength λ 5 ), converted light C (wavelength λ 3 ), and pumping light 2B (wavelength λ 4 ) have a relationship of 1 / λ 5 = 1 / λ 3 -1 / λ 4 . The converted light D is emitted from the optical waveguide 2 together with the converted light C, the excitation light 1B, the excitation light 2B, and the signal light A.

しかしながら、SFG−DFGカスケード励起による波長変換においては、変換光の品質が劣化しやすい。励起光を得るために光ファイバアンプを使用すると、ASE光同士の和周波発生によって信号光の品質が劣化する。また、上記励起光2Bがとることのできる波長に制限があるため、波長変換帯域が制限される。例えば、励起光2Bを、信号光の波長や、和周波波発生で得られる光の2倍波長に設定すると、第二の励起光2Bの第二高調波発生や第二の励起光2Bと第一の励起光1Bとの和周波発生により信号が重畳された変換光CにCW光が下駄上げされるので、信号の受信感度が著しく低下する。このため、第二の励起光2Bのとることのできる波長が制限される。   However, in wavelength conversion by SFG-DFG cascade excitation, the quality of the converted light tends to deteriorate. When an optical fiber amplifier is used to obtain pump light, the quality of signal light deteriorates due to generation of the sum frequency of ASE light. Further, since there is a limit to the wavelength that the excitation light 2B can take, the wavelength conversion band is limited. For example, when the excitation light 2B is set to the wavelength of the signal light or the double wavelength of the light obtained by sum frequency wave generation, the second harmonic generation of the second excitation light 2B or the second excitation light 2B Since the CW light is clogged into the converted light C on which the signal is superimposed by generating the sum frequency with the one excitation light 1B, the signal receiving sensitivity is significantly lowered. For this reason, the wavelength which the 2nd excitation light 2B can take is restrict | limited.

従って、SFG−DFG構成でも、非線形効果による和周波発生(SFG)過程と差周波発生(DFG)過程をカスケードではなく別々に行う手法が望まれていた。   Therefore, even in the SFG-DFG configuration, a method of separately performing the sum frequency generation (SFG) process and the difference frequency generation (DFG) process by the non-linear effect instead of the cascade has been desired.

一方、通信波長帯における波長変換器のほか、擬似位相整合型の波長変換素子を用いて、半導体レーザで実現されていない可視域または中赤外域でのレーザ光源の実用化が行なわれている。   On the other hand, in addition to wavelength converters in the communication wavelength band, laser light sources in the visible range or mid-infrared range that have not been realized with semiconductor lasers have been put into practical use by using quasi-phase matching type wavelength conversion elements.

現在、実用化されているレーザには、He−Neレーザ、Arレーザなどのガスレーザ、Nd:YAGレーザなどの固体レーザ、色素レーザおよび半導体レーザが知られている。近年、可視および近赤外領域の波長帯を中心に、小型・軽量、安価な半導体レーザが普及している。特に、光通信の分野では、信号光源用の1.3μm帯および1.5μm帯半導体レーザと、ファイバアンプ励起用の0.98μm帯および1.48μm帯半導体レーザとが普及している。また、光記録媒体の読取装置のピックアップ用の光源として、CD(0.78μm帯)、DVD(0.65μm帯)・ブルーレイ(0.4μm帯)の半導体レーザも普及している。   Currently, gas lasers such as He—Ne laser and Ar laser, solid-state lasers such as Nd: YAG laser, dye lasers and semiconductor lasers are known as lasers in practical use. In recent years, small, lightweight, and inexpensive semiconductor lasers have become widespread mainly in the visible and near-infrared wavelength bands. In particular, in the field of optical communication, 1.3 μm band and 1.5 μm band semiconductor lasers for signal light sources and 0.98 μm band and 1.48 μm band semiconductor lasers for pumping fiber amplifiers are widespread. Further, CD (0.78 μm band), DVD (0.65 μm band), and Blu-ray (0.4 μm band) semiconductor lasers are also widely used as light sources for pickup of optical recording medium readers.

しかしながら、半導体で実現することは難しい波長帯が存在することから、高効率な非線形光学媒質と広く普及している波長帯の半導体レーザを組み合わせたレーザ光源装置の開発が行われている。例えば、緑・黄緑・橙といった波長0.5〜0.6μmのレーザを、半導体で実現することは難しく、高効率な非線形光学媒質による第二高調波発生や和周波発生を用いたレーザ光源が実用化されている。さらに、第三高調波発生を、2次の非線形光学媒質を用いて、第二高調波発生(SHG)と和周波発生(SFG)を組み合わせたSHG―SFGカスケード励起法によって実現することができる。   However, since there are wavelength bands that are difficult to realize with semiconductors, laser light source devices that combine highly efficient nonlinear optical media and semiconductor lasers with widely used wavelength bands have been developed. For example, it is difficult to realize a laser with a wavelength of 0.5 to 0.6 μm such as green, yellow green, and orange with a semiconductor, and a laser light source using second harmonic generation or sum frequency generation by a highly efficient nonlinear optical medium Has been put to practical use. Furthermore, the third harmonic generation can be realized by the SHG-SFG cascade excitation method using the second-order nonlinear optical medium and combining the second harmonic generation (SHG) and the sum frequency generation (SFG).

しかしながら、従来のSHG―SFG構成では、ハイパワーの出力を得るには困難があった。従来のSHG―SFG構成では、まず、入力した励起光(周波数ω)の第二高調波発生によりSH光(周波数2ω)を得て、続いて励起光(周波数ω)とSH光(周波数2ω)の和周波発生により第三高調波発生光(TH光:周波数3ω)を得る。この場合、初段の第二高調波発生により励起光のパワーが減衰する。第三高調波発生光の出力は、和周波発生にかかるSH光と励起光のパワーの乗算に比例するため、初段の第二高調波発生過程の効率を上げてハイパワーのSH光を得ても、その分だけ励起光のパワーが減衰するため、正味の第三高調波発生光の出力を大きくすることが難しかった。   However, with the conventional SHG-SFG configuration, it is difficult to obtain a high power output. In the conventional SHG-SFG configuration, first, SH light (frequency 2ω) is obtained by generating the second harmonic of the input pumping light (frequency ω), and then pumping light (frequency ω) and SH light (frequency 2ω) are obtained. The third harmonic generation light (TH light: frequency 3ω) is obtained by generating the sum frequency. In this case, the power of the excitation light is attenuated by the second harmonic generation at the first stage. The output of the third harmonic generation light is proportional to the multiplication of the power of the SH light required for sum frequency generation and the excitation light, so that the efficiency of the second harmonic generation process in the first stage is increased to obtain high power SH light. However, since the power of the excitation light is attenuated accordingly, it is difficult to increase the output of the net third harmonic generation light.

従って、非線形効果による第二高調波発生(SHG)過程と和周波発生(SFG)過程をカスケードではなく別々に行う手法が望まれていた。   Therefore, there has been a demand for a technique for performing the second harmonic generation (SHG) process and the sum frequency generation (SFG) process by the nonlinear effect separately instead of the cascade.

川口竜生他「LiNbO3エピタキシャル成長と超精密加工技術による導波路型SHGデバイス」、レーザ研究、第28巻第9号、2000年9月、p.601−603Tatsuo Kawaguchi et al. “Waveguide SHG Device Using LiNbO3 Epitaxial Growth and Ultraprecision Processing Technology”, Laser Research, Vol. 28, No. 9, September 2000, p. 601-603 M.H.Chou et al., “Optical Signal processing and Switching with Second−Order Nonlinearities in Waveguides,” IEICE Trans. Electorn., E83−C, 2000, p.869−874M.M. H. Chou et al. , “Optical Signal Processing and Switching with Second-Order Nonlinearities in Waveguides,” IEICE Trans. Electricn. , E83-C, 2000, p. 869-874 J.Yamawaku et al. “Low−Crosstalk 103 Channel × 10 Gb/s (1.03 Tb/s) Wavelength Conversion With a Quasi−Phase−Matched LiNbO3 Waveguide,” IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., Vol.12, No.4, 2006, p.521−528J. et al. Yamawaku et al. “Low-Crosstalk 103 Channel × 10 Gb / s (1.03 Tb / s) Wavelength Conversion With a Quasi-Phase-Matched LiNbO 3 Waveguide,” IEEE J. Select. Topics Quantum Electron. , Vol. 12, no. 4, 2006, p. 521-528

以上説明したように、例えばSHG−DFGカスケード励起法では、高品質な波長変換を行うには、0.78μm帯光の励起による波長変換が望まれるが、0.78μmの安定で波長精度が高く、高出力な光源が広く普及しておらず、簡単に準備することが困難であった。また、信号光と励起光の波長が半分も異なることから、光導波路の最適サイズが異なるので、導波路へ光を入射する際に、所望のモード以外の励振の抑制が必要となるなどの困難があった。よって、励起光の光源として、広く普及している安定で信頼性の高い1.5μm帯の光源を用い、まず0.78μm帯光を発生させ、発生させた0.78μm帯光を用いて波長変換を行う手法、つまりSHG−DFGを多段で行うことの出来る手法が望まれていた。   As explained above, for example, in the SHG-DFG cascade excitation method, in order to perform high-quality wavelength conversion, wavelength conversion by excitation of 0.78 μm band light is desired. However, stable wavelength accuracy is high at 0.78 μm. However, high-power light sources are not widely used, and it is difficult to prepare them easily. In addition, since the wavelengths of the signal light and the pumping light are different by half, the optimal size of the optical waveguide is different, which makes it difficult to suppress excitation other than the desired mode when light enters the waveguide. was there. Therefore, as a pumping light source, a widely used stable and reliable 1.5 μm band light source is used, firstly 0.78 μm band light is generated, and the generated 0.78 μm band light is used for wavelength. A technique for performing conversion, that is, a technique capable of performing SHG-DFG in multiple stages has been desired.

図3に、従来のSHG−DFG多段手法を用いた1.5μm帯の光励起による0.78μm帯光発生による波長変換手法の構成例を示す。第一の波長変換デバイス(非線形光学媒質)3Aに1.5μm帯の励起光Aを入力し、第二高調波発生(SHG)により0.78μm帯の光(以下SH光B)を発生させる。第一の波長変換デバイス3Aから出力される、変換されなかった1.5μm帯の励起光Aと波長変換によって得られた0.78μm帯のSH光BをダイクロイックミラーM1(もしくはプリズム・フィルター等)を用いて分離する。分離された0.78μm帯のSH光Bと、信号光Cを合波器M2で合波して第二の波長変換デバイス3Bに入力し、第二の波長変換デバイス3Bでの差周波発生(DFG)により変換光Dを得ることができる。   FIG. 3 shows a configuration example of a wavelength conversion method using 0.78 μm band light generation by 1.5 μm band optical excitation using a conventional SHG-DFG multi-stage method. The pump light A in the 1.5 μm band is input to the first wavelength conversion device (nonlinear optical medium) 3A, and light in the 0.78 μm band (hereinafter referred to as SH light B) is generated by second harmonic generation (SHG). The dichroic mirror M1 (or prism filter, etc.) outputs the 1.5 μm band excitation light A that is output from the first wavelength conversion device 3A and the 0.78 μm band SH light B obtained by wavelength conversion. To separate. The separated 0.78 μm-band SH light B and signal light C are combined by a multiplexer M2 and input to the second wavelength conversion device 3B, and difference frequency generation in the second wavelength conversion device 3B ( The converted light D can be obtained by DFG).

しかしながらこのSHG−DFG多段手法では、第二高調波発生(SHG)と差周波発生(DFG)が別々の素子3A、3Bを用いて行う必要があるため、完全には素子の特性が合わない。よって、個別に温調を設け、それぞれを調整することによって中心波長等の整合を取る必要があった。また、発生した0.78μm帯の光の分離、入力があるので光パワーの損失が大きく、波長変換効率を低下させるという問題もあった。さらに、0.78μm帯の光を入力する際に、所望のモード以外の励振の抑制が必要で、入力時に励起光のみならず変換光もモニターしながら調芯するなどの複雑な調整が必要になってしまう。また、1つの波長変換装置を作製するのに、2つの波長変換デバイスの作製が必要であるので、コストが高くなる。   However, in this SHG-DFG multistage method, the second harmonic generation (SHG) and the difference frequency generation (DFG) need to be performed using separate elements 3A and 3B, and thus the characteristics of the elements are not completely matched. Therefore, it is necessary to adjust the center wavelength and the like by individually adjusting the temperature and adjusting each temperature. In addition, since the generated 0.78 μm band light is separated and input, there is a problem that the optical power loss is large and the wavelength conversion efficiency is lowered. Furthermore, when inputting light in the 0.78 μm band, it is necessary to suppress excitation other than the desired mode, and complex adjustments such as alignment while monitoring not only the excitation light but also the converted light at the time of input are necessary. turn into. Moreover, since it is necessary to produce two wavelength conversion devices to produce one wavelength conversion device, the cost increases.

従って、第二高調波発生(SHG)と差周波発生(DFG)の多段の変換を、同じ導波路を用いて行う手法が望まれる。図4に、従来の折り返し手法によるSHG−DFG多段構成を示す。まず、波長変換導波路に1.5μm帯の励起光Aを入力し、第二高調波発生(SHG)により0.78μm帯の光(以下SH光B)を発生させる。波長変換導波路の片方の端面には0.78μm帯のSH光Bに対しては反射膜(HRコート)、1.5μm帯の励起光Aに対しては反射防止膜(ARコート)がコーティングされている。HR/AR光学膜41により、変換されなかった1.5μm帯の励起光Aと波長変換によって得られた0.78μm帯のSH光Bが分離され、0.78μm帯のSH光Bのみが波長変換導波路に折り返される。HR/ARコーティングのある端面から信号光Cを入力し、0.78μm帯の光との差周波発生(DFG)により変換光Dを得ることができる。   Therefore, a technique is desired in which multistage conversion of second harmonic generation (SHG) and difference frequency generation (DFG) is performed using the same waveguide. FIG. 4 shows an SHG-DFG multi-stage configuration using a conventional folding method. First, the 1.5 μm band excitation light A is input to the wavelength conversion waveguide, and 0.78 μm band light (hereinafter referred to as SH light B) is generated by second harmonic generation (SHG). One end face of the wavelength conversion waveguide is coated with a reflection film (HR coating) for the SH light B in the 0.78 μm band, and an antireflection film (AR coating) for the excitation light A in the 1.5 μm band. Has been. The unconverted 1.5 μm band excitation light A and the 0.78 μm band SH light B obtained by wavelength conversion are separated by the HR / AR optical film 41, and only the 0.78 μm band SH light B has a wavelength. Folded back to the conversion waveguide. The signal light C is inputted from the end face with the HR / AR coating, and the converted light D can be obtained by the difference frequency generation (DFG) with the 0.78 μm band light.

しかしながら、上述した従来の折り返し手法では、1.5μm帯の励起光Aと0.78μm帯のSH光Bの分離がコーティング膜のみで行われることから、本来折り返されるべきでない1.5μm帯の励起光Aの戻り光を十分に抑制できないという問題があった。具体的には、コーティング膜は反射光の抑制は技術的に難しく、反射光の抑制量は通常20〜30dB程度である。これは、1.5μm帯の励起光を1W入力した場合1〜数10mWの1.5μm帯の光が波長変換導波路に戻ってきてしまうことを意味し、カスケード励起の場合と同様に近接波長変換の問題や、励起光・信号光間の和周波発生によるクロストーク光による信号の品質劣化の問題が発生する。また、1.5μm帯の励起光に光ファイバアンプを使用した場合に発生するASE光も、波長変換導波路に戻ってきてしまうことにより、ASEノイズによる信号光・変換光の品質が劣化するという問題もあった。また、ASE光は広い波長帯域に渡って発生するため、反射防止膜は広い波長帯域をカバーする必要があり、多層の膜が必要になるなどコスト、信頼性の観点から問題があった。
従って、1.5μm帯の反射を完全に抑制した状態で、0.78μm帯のSH光のみを同じ導波路に折り返し、信号光と合波することのできるSHG−DFG多段手法が望まれていた。
However, in the conventional folding method described above, the excitation light A in the 1.5 μm band and the SH light B in the 0.78 μm band are separated only by the coating film. There is a problem that the return light of the light A cannot be sufficiently suppressed. Specifically, it is technically difficult for the coating film to suppress reflected light, and the amount of reflected light suppression is usually about 20 to 30 dB. This means that when 1 W of 1.5 μm band excitation light is input, 1.5 μm band light of 1 to several tens of mW returns to the wavelength conversion waveguide. There arises a problem of conversion and a problem of signal quality degradation due to crosstalk light due to generation of a sum frequency between pump light and signal light. In addition, ASE light generated when an optical fiber amplifier is used for pumping light in the 1.5 μm band also returns to the wavelength conversion waveguide, thereby degrading the quality of signal light and converted light due to ASE noise. There was also a problem. In addition, since ASE light is generated over a wide wavelength band, the antireflection film needs to cover a wide wavelength band, and there is a problem from the viewpoint of cost and reliability, for example, a multilayer film is required.
Accordingly, there has been a demand for an SHG-DFG multi-stage method that can fold only the SH light in the 0.78 μm band into the same waveguide and multiplex the signal light with the reflection in the 1.5 μm band completely suppressed. .

SHG−DFGカスケード励起法と同様に、SFG−DFGカスケード励起法やSHG―SFGカスケード励起法においても、非線形効果による各周波数変換過程を完全に独立させることが困難であることに起因して上記同様の問題が存在していた。   Similar to the SHG-DFG cascade excitation method, the SFG-DFG cascade excitation method and the SHG-SFG cascade excitation method are similar to the above because it is difficult to completely separate each frequency conversion process due to the nonlinear effect. There was a problem.

上記の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、非線形光学媒質と、光合分波器と、第1および第2の出力導波路と、前記第1および第2の出力導波路の出力端部に設けられ、特定の波長帯である第1の波長帯の光に対しては光を反射し、前記第1の波長帯とは異なる波長帯である第2の波長帯の光に対しては光の反射を抑制する光学膜とを備え、前記非線形光学媒質は、一端から入力された前記第2の波長帯の光から前記第1の波長帯の光を生成して、第1の波長帯の光および第2の波長帯の光を他端から出力し、前記光合分波器は、前記非線形光学媒質から出力された、前記第1の波長帯の光を前記第1の出力導波路に出力し、前記第2の波長帯の光を前記第2の出力導波路に出力し、前記第1の出力導波路は、前記第1の波長帯の光を前記光学膜で反射するように前記出力端部が垂直に端面処理されており、前記光学膜で反射された第1の波長帯の光を前記光合分波器に入力し、前記第2の出力導波路は、前記第2の波長帯の光の前記光学膜での反射が抑制されるように前記出力端部が斜めに端面処理されており、該斜めに端面処理された前記出力端部から信号光を前記光合分波器に入力し、前記光合分波器は、前記第1の波長帯の光と前記信号光とを前記非線形光学媒質の他端に入力することを特徴とする波長変換デバイスである。 In order to solve the above-mentioned problems, a first aspect of the present invention includes a nonlinear optical medium, an optical multiplexer / demultiplexer, first and second output waveguides, and the first and second output waveguides. The light is reflected at the first wavelength band that is a specific wavelength band, and is in the second wavelength band that is different from the first wavelength band. An optical film that suppresses reflection of light, and the nonlinear optical medium generates light of the first wavelength band from light of the second wavelength band input from one end , The first wavelength band light and the second wavelength band light are output from the other end, and the optical multiplexer / demultiplexer outputs the first wavelength band light output from the nonlinear optical medium to the first wavelength band. Output to the output waveguide, output light of the second wavelength band to the second output waveguide, and the first output waveguide has the first wavelength The output end is vertically treated so as to reflect the light at the optical film, and the light of the first wavelength band reflected at the optical film is input to the optical multiplexer / demultiplexer, In the output waveguide 2, the output end is obliquely end-treated so that reflection of the light in the second wavelength band on the optical film is suppressed, and the output subjected to the oblique end-face treatment Signal light is input to the optical multiplexer / demultiplexer from an end, and the optical multiplexer / demultiplexer inputs the light of the first wavelength band and the signal light to the other end of the nonlinear optical medium, It is a wavelength conversion device.

請求項2に記載の発明は、入力された光に対して、非線形光学効果におけるSHG、DFG、SFGにより、第二高調波光、差周波光、和周波光のいずれかの光を出力する非線形光学媒質と、前記非線形光学媒質に接続され、前記非線形光学媒質から出力された波長の異なる光に対しモード干渉を利用して分離して出力する合分波器と、前記合分波器の2つの出力のうちの一方に接続された第1の出力導波路と、前記合分波器の2つの出力のうちの他方に接続された第2の出力導波路と、前記2つの出力導波路の出力端部に設けられ、第1の波長帯の光の反射を抑制し、第2の波長帯の光を反射する光学膜とを備え、前記第1の出力導波路の出力端部が前記第1の出力導波路に対して斜めになるように端面が構成され、前記第2の出力導波路の出力端部が前記第2の出力導波路に対して垂直になるよう端面が構成されることで、前記第1の波長帯の戻り光が前記非線形光学媒質に再び入力されることを防止して、前記第1の出力導波路の出力端部から信号光が入力されたときに、信号光が前記第2の出力導波路で反射された第2の波長帯の光とともに前記非線形光学媒質入力され、前記非線形光学変化とは独立した非線形光学変化を引き起こして出力することを特徴とする波長変換デバイスである。 According to the second aspect of the present invention, the nonlinear optical that outputs any one of the second harmonic light, the difference frequency light, and the sum frequency light by SHG, DFG, and SFG in the nonlinear optical effect with respect to the input light. and a medium, is connected before Symbol nonlinear optical medium, a demultiplexer for outputting the separated using a mode interference to different wavelengths of light output from the nonlinear optical medium, before Symbol demultiplexer a first output waveguide connected to one of two outputs, and a second output waveguide connected to the other of the two outputs of the previous SL demultiplexer, before Symbol two output provided at the output end of the waveguide, to suppress the reflection of the first wavelength band light, and an optical film that reflects light in the second wavelength band, before SL output terminal of the first output waveguide An end face is formed so that a portion is inclined with respect to the first output waveguide, and the second output waveguide is formed. By configuring the end face so that the output end is perpendicular to the second output waveguide, the return light of the first wavelength band is prevented from being input again to the nonlinear optical medium. , entered when signal light is inputted from the output end of the first output waveguide, the nonlinear optical medium with light of a second wavelength band signal light is reflected by the second output waveguide And a non-linear optical change independent of the non-linear optical change and outputting the non-linear optical change.

請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の波長変換デバイスであって、前記光合波部の伝播方向における光路長は、前記出力端面で、前記第1の波長の光または第2の波長の光のうち、少なくともいずれか一方の光量が極値となるように設定されていることを特徴とする。   Invention of Claim 3 is the wavelength conversion device of Claim 1 or 2, Comprising: The optical path length in the propagation direction of the said optical multiplexing part is the light of the said 1st wavelength or the 1st wavelength in the said output end surface. It is characterized in that at least one of the two wavelengths of light is set to an extreme value.

請求項4に記載の発明は、請求項1から3のいずれかに記載の波長変換デバイスであって、前記光合波部の幅は、5μm以上100μm以下であることを特徴とする。   A fourth aspect of the present invention is the wavelength conversion device according to any one of the first to third aspects, wherein the width of the optical multiplexing portion is 5 μm or more and 100 μm or less.

請求項5に記載の発明は、請求項1から4のいずれかに記載の波長変換デバイスであって、前記非線形光学媒質は、LiNbO3、KNbO3、LiTaO3、LiNb(x)Ta(1-x)3(0≦x≦1)、KTiOPO4、または、それらにMg、Zn、Sc、Inからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする。 The invention according to claim 5 is the wavelength conversion device according to any one of claims 1 to 4, wherein the nonlinear optical medium is LiNbO 3 , KNbO 3 , LiTaO 3 , LiNb (x) Ta (1- x) O 3 (0 ≦ x ≦ 1), KTiOPO 4 , or at least one selected from the group consisting of Mg, Zn, Sc, and In is contained as an additive.

請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の波長変換デバイスであって、前記非線形光学媒質は、液相エピタキシャル法によって成長された結晶膜であることを特徴とする。   The invention according to claim 6 is the wavelength conversion device according to claim 5, wherein the nonlinear optical medium is a crystal film grown by a liquid phase epitaxial method.

請求項7に記載の発明は、請求項5または6に記載の波長変換デバイスであって、前記非線形光学媒質は、非線形光学効果を有する第一の基板と、第一の基板に比べ屈折率の小さい第二の基板とを貼り合わせることによって作製された薄膜基板であることを特徴とする。   The invention according to claim 7 is the wavelength conversion device according to claim 5 or 6, wherein the nonlinear optical medium has a first substrate having a nonlinear optical effect and a refractive index compared to the first substrate. It is a thin film substrate manufactured by pasting together a small second substrate.

請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の波長変換デバイスであって、前記第一の基板は、非線形定数が周期的に反転された構造を有することを特徴とする。   The invention according to claim 8 is the wavelength conversion device according to claim 7, wherein the first substrate has a structure in which a nonlinear constant is periodically inverted.

請求項9に記載の発明は、請求項7または8に記載の波長変換デバイスであって、前記第一の基板と前記第二の基板とは、熱処理による拡散接合によって直接貼り合わされていることを特徴とする。   The invention according to claim 9 is the wavelength conversion device according to claim 7 or 8, wherein the first substrate and the second substrate are directly bonded together by diffusion bonding by heat treatment. Features.

請求項10に記載の発明は、請求項1から9のいずれかに記載の波長変換デバイスが同一基板上に複数個集積されていることを特徴とする。   A tenth aspect of the present invention is characterized in that a plurality of the wavelength conversion devices according to any of the first to ninth aspects are integrated on the same substrate.

請求項11に記載の発明は、請求項1から10のいずれかに記載の波長変換デバイスと、前記波長変換デバイスの入力端面に前記入射光を入力する第1のレーザ光源部と、前記波長変換デバイスの出力端面に前記入射光を入力する第2のレーザ光源部と、前記波長変換デバイスから出力された変換光を分離するフィルタとを備えたことを特徴とする波長変換装置である。   The invention according to claim 11 is the wavelength conversion device according to any one of claims 1 to 10, a first laser light source unit that inputs the incident light to an input end face of the wavelength conversion device, and the wavelength conversion. A wavelength conversion apparatus comprising: a second laser light source unit that inputs the incident light to an output end face of the device; and a filter that separates the converted light output from the wavelength conversion device.

以上説明したように、本発明によれば、入力光に対してSHG、DFG、SFGのいずれかの非線形光学変化を多段独立で行うことができる波長変換デバイスおよびこれを用いた波長変換装置を提供することができる。   As described above, according to the present invention, there are provided a wavelength conversion device capable of performing non-linear optical change of any one of SHG, DFG, and SFG on input light in multiple stages and a wavelength conversion apparatus using the same. can do.

従来のLNを用いた擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the wavelength conversion element of the quasi phase matching type | mold using the conventional LN. 従来のLNを用いた擬似位相整合型の波長変換素子によるSFG−DFGカスケード励起法の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the SFG-DFG cascade excitation method by the quasi phase matching type | mold wavelength conversion element using the conventional LN. 従来のSHG−DFG多段手法を用いた波長変換の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the wavelength conversion using the conventional SHG-DFG multistage method. 従来の折り返し手法によるSHG−DFG多段構成を示す図である。It is a figure which shows the SHG-DFG multistage structure by the conventional folding method. 本発明の光合波器を集積した波長変換デバイスの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the wavelength conversion device which integrated the optical multiplexer of this invention. モード干渉導波路における光の結合を示すシミュレーション結果の図である。It is a figure of the simulation result which shows the coupling of the light in a mode interference waveguide. 波長変換導波路を作製する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of producing a wavelength conversion waveguide. 本発明の波長変換デバイスの寸法例を示す図である。It is a figure which shows the dimension example of the wavelength conversion device of this invention. 本発明の波長変換導波路の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the wavelength conversion waveguide of this invention. 本発明の波長変換デバイスの作製方法を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the preparation methods of the wavelength conversion device of this invention. 本発明の波長変換デバイスの端面加工プロセスを示す図である。It is a figure which shows the end surface processing process of the wavelength conversion device of this invention. 本発明の第1の実施例にかかる波長変換装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the wavelength converter concerning the 1st Example of this invention. 本発明の第2の実施例にかかる波長変換装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the wavelength converter concerning the 2nd Example of this invention. 本発明の第3の実施例にかかる波長変換装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the wavelength converter concerning 3rd Example of this invention. 本発明の第4の実施例にかかる波長変換装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the wavelength converter concerning the 4th Example of this invention.

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。
(第1の実施形態)
SHG−DFG多段独立構成
本実施形態の波長変換装置は、SHG(第二高調波発生)−DFG(差周波発生)を多段独立で行うものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
SHG-DFG Multistage Independent Configuration The wavelength converter of this embodiment performs SHG (second harmonic generation) -DFG (difference frequency generation) independently in multiple stages.

まず、本実施形態の波長変換装置に用いることができる波長変換デバイスの構成について図5から図11を用いて説明する。この波長変換デバイスでは1.5μm帯の波長の光と、0.78μm帯の波長の光を使用するものとして以下に説明する。   First, the configuration of a wavelength conversion device that can be used in the wavelength conversion device of the present embodiment will be described with reference to FIGS. This wavelength conversion device will be described below assuming that light having a wavelength of 1.5 μm band and light having a wavelength of 0.78 μm band are used.

図5に、本発明の第1の実施形態にかかる光合分波器を集積した波長変換デバイスの構成の一部を示す。光合分波器を集積した波長変換デバイスは、基板30上に、波長変換導波路34と、波長変換導波路の出力端に接続され、光合分波器として機能するモード干渉導波路33と、モード干渉導波路33の出力に接続された第1の出力導波路31および第2の出力導波路32とを備えている。   FIG. 5 shows a part of the configuration of the wavelength conversion device in which the optical multiplexer / demultiplexer according to the first embodiment of the present invention is integrated. The wavelength conversion device in which the optical multiplexer / demultiplexer is integrated includes a wavelength conversion waveguide 34 on the substrate 30, a mode interference waveguide 33 connected to the output end of the wavelength conversion waveguide, and functioning as an optical multiplexer / demultiplexer, and a mode. A first output waveguide 31 and a second output waveguide 32 connected to the output of the interference waveguide 33 are provided.

波長変換導波路34は、非線形光学媒質からなり、一端から入力された光に対してSHG、DFG、SFGのいずれかの非線形光学変化を引き起こして他端に出力する。   The wavelength conversion waveguide 34 is made of a nonlinear optical medium, causes nonlinear optical change of any one of SHG, DFG, and SFG to light input from one end and outputs it to the other end.

モード干渉導波路33は、合分波機能を有し、モード干渉導波路33の幅方向(図5の紙面手前から奥方向)における中心線35から軸ズレした位置(紙面奥方向)に、波長変換導波路34、出力導波路31、32を設けることによって、第1の入出力導波路31は、波長1.5μm帯の光を誘導し、第2の入出力導波路32は、波長0.78μm帯の光を誘導するよう構成されている。   The mode interference waveguide 33 has a multiplexing / demultiplexing function, and has a wavelength at a position (backward direction on the paper surface) shifted from the center line 35 in the width direction of the mode interference waveguide 33 (from the front side to the back side in FIG. 5). By providing the conversion waveguide 34 and the output waveguides 31 and 32, the first input / output waveguide 31 guides light having a wavelength of 1.5 μm, and the second input / output waveguide 32 has a wavelength of 0. It is configured to guide light in the 78 μm band.

ここでモード干渉導波路の合分波機能について、図6を用いて説明する。図6は、モード干渉導波路における光の結合・分離を示すシミュレーション結果である。波長1.56μmの信号光と波長0.78μmの励起光とが結合する様子を、BPM(Beam Propagation Method)によるシミュレーションによって示した。   Here, the multiplexing / demultiplexing function of the mode interference waveguide will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a simulation result showing light coupling / separation in the mode interference waveguide. A state in which the signal light having a wavelength of 1.56 μm and the excitation light having a wavelength of 0.78 μm are combined is shown by a simulation by BPM (Beam Propagation Method).

図6のモード干渉導波路36は、スラブ型導波路であり、その入力側には2つの入力導波路37、38が設けられている。これらの入力導波路37、38は、モード干渉導波路36の幅方向の中心線に対して互いに間隔Δだけ軸ズレした位置に設けられている。この間隔Δは、2×ΔがWmの3分の1となるように設定されている。例えば図6(a)に示すように、モード干渉導波路36の幅Wm=30μm、入力導波路37の軸ズレ量Δ=5μm、出力導波路38の軸ズレ量Δ=5μm、クラッドの屈折率=1.0、コアの屈折率=約2.1である。   The mode interference waveguide 36 of FIG. 6 is a slab type waveguide, and two input waveguides 37 and 38 are provided on the input side thereof. These input waveguides 37 and 38 are provided at positions shifted from each other by a distance Δ with respect to the center line in the width direction of the mode interference waveguide 36. This interval Δ is set so that 2 × Δ is one third of Wm. For example, as shown in FIG. 6A, the width Wm of the mode interference waveguide 36 = 30 μm, the axial deviation amount Δ = 5 μm of the input waveguide 37, the axial deviation amount Δ = 5 μm of the output waveguide 38, and the refractive index of the cladding. = 1.0, the refractive index of the core = about 2.1.

図6(b)は、モード干渉導波路36の入力導波路37から波長0.78μmの励起光を入力した場合の振る舞いを示す図である。モード干渉導波路36の中心から軸ズレ(Δ)した位置に接続されている入力導波路37から入射した励起光は、モード干渉導波路36に固有の複数のモードに展開され、モード干渉導波路36内をマルチモード伝播する。このとき、各モードの伝播定数が異なるために生じるモード干渉によって、波長0.78μmの光量がある光路長を伝播した後、モード干渉導波路36の中心から入力側と反対にΔだけ軸ズレした位置に極値(収束点)を取る。   FIG. 6B is a diagram illustrating the behavior when excitation light having a wavelength of 0.78 μm is input from the input waveguide 37 of the mode interference waveguide 36. The excitation light incident from the input waveguide 37 connected to the position shifted from the center of the mode interference waveguide 36 by the axis (Δ) is developed into a plurality of modes inherent to the mode interference waveguide 36, and the mode interference waveguide Multi-mode propagation in 36. At this time, due to mode interference that occurs because the propagation constant of each mode is different, after propagating an optical path length with a light amount of 0.78 μm, the axis is shifted from the center of the mode interference waveguide 36 by Δ opposite to the input side. An extreme value (convergence point) is taken at the position.

図6(c)は、モード干渉導波路36の入力導波路38から波長1.56μmの信号光を入力した場合の振る舞いを示す図である。モード干渉導波路36の中心から軸ズレ(Δ)した位置に接続されている入力導波路38から入射した信号光は、モード干渉導波路36に固有の複数のモードに展開され、モード干渉導波路36内をマルチモード伝播する。このとき、各モードの伝播定数が異なるために生じるモード干渉によって、波長1.56μmの光量がある光路長を伝播した後、モード干渉導波路36の中心から入力側と反対にΔだけ軸ズレした位置に1回目の極値(収束点)を取った後、さらにその反対側にΔだけ軸ズレした位置に2回目の極値(収束点)を取る。   FIG. 6C is a diagram illustrating the behavior when signal light having a wavelength of 1.56 μm is input from the input waveguide 38 of the mode interference waveguide 36. The signal light incident from the input waveguide 38 connected to the position shifted from the center of the mode interference waveguide 36 (Δ) is developed into a plurality of modes unique to the mode interference waveguide 36, and the mode interference waveguide Multi-mode propagation in 36. At this time, due to mode interference caused by the propagation constant of each mode being different, after propagating an optical path length having a light amount of 1.56 μm, the axis was shifted by Δ from the center of the mode interference waveguide 36 opposite to the input side. After the first extreme value (convergence point) is taken at the position, the second extreme value (convergence point) is taken at a position shifted by Δ on the opposite side.

収束点から次の収束点までの光路長をビート長と呼び、その長さをLπとすると、ほぼ以下の式1に従う。 The optical path length from the convergence point to the next convergence point is referred to as beat length, when the length and L [pi, according to formula 1 of substantially less.

ここで、Weは光の感じる実効的なモード干渉導波路の幅、ngは実効屈折率、λ0は入力光の波長である。ビート長は各波長に対し逆数で影響するため、本実施形態のように波長が他方の波長の半分となる程度に異なる場合は、一方の波長の光が1回ビートを打つ間に、他方の波長の光が2回ビートを打つ。具体的には、0.78μmが1回ビートを打つ間に1.56μmが2回ビートを打つ。 Here, W e is the width of the effective mode interference waveguide sensed by light, ng is the effective refractive index, and λ 0 is the wavelength of the input light. Since the beat length affects each wavelength by a reciprocal number, when the wavelength is different to the half of the other wavelength as in the present embodiment, the light of one wavelength strikes the beat once while the other Wavelength light hits the beat twice. Specifically, 1.56 μm beats twice, while 0.78 μm beats once.

また、モード干渉導波路の幅方向において最初にビートを打つ位置は、入力した軸ズレ位置Δに対して中心線を挟んで反対側にΔだけ軸ズレした位置となる。その後、中心線を挟んで交互にΔだけ軸ズレした位置にビートを打つこととなる。   In addition, the position where the beat is first hit in the width direction of the mode interference waveguide is a position where the input axis shift position Δ is shifted by Δ to the opposite side across the center line. After that, beats are beaten at positions that are alternately shifted by Δ across the center line.

このように、モード干渉導波路においては、各波長についてそれぞれ幅方向に決まった位置に収束点でビートを打つので、図6(a)に示すモード干渉導波路36の長さを、2つの波長帯のビート長の最小公倍数となる長さにして、両者が収束する点(幅方向にΔ軸ズレした位置)の近傍に出力を設けることにより0.78μmの光と1.56μmの光とを結合して出力することができる。この特性を逆に用いれば、0.78μmの光と1.56μmの光を2つの光導波路に分波することができる。すなわち、図6(a)の出力側に2つの波長帯の光を入力する導波路を設けて、入力導波路37、38を出力導波路として用いれば、2つの波長帯の光を2つの光導波路に分波して出力することができる。   As described above, in the mode interference waveguide, a beat is hit at the convergence point at a position determined in the width direction for each wavelength. Therefore, the length of the mode interference waveguide 36 shown in FIG. By setting the length to be the least common multiple of the beat length of the band and providing an output near the point where both converge (the position shifted by the Δ axis in the width direction), the light of 0.78 μm and the light of 1.56 μm are obtained. Combined output is possible. If this characteristic is used in reverse, 0.78 μm light and 1.56 μm light can be demultiplexed into two optical waveguides. That is, if a waveguide for inputting light of two wavelength bands is provided on the output side of FIG. 6A and the input waveguides 37 and 38 are used as output waveguides, the light of the two wavelength bands is converted into two light guides. It can be demultiplexed into the waveguide and output.

図6に示したシミュレーション結果では、出力側の導波路の軸ズレ量は入力側の導波路の軸ズレ量と同じである。これは、2つの入力導波路が、モード干渉導波路33の幅Wm=30μmを3等分する位置に設置されているためであり、収束点は入力導波路の延長上に収束する。一般に、収束点の位置(出力導波路軸ズレ量)は、入力導波路の位置(入力導波路のズレ量)に依存する。また、収束点は1つとは限らず、複数の収束点を持つ位置に出力導波路を設ける場合、どの収束点を用いるかによっても設置する出力導波路の軸ズレ量は異なる。従って、出力導波路の設置位置(軸ズレ量)は、波長・入力導波路の位置、合波分波の数等の条件を考慮し所望の収束位置に合わせて決める。このようにして、モード干渉導波路33は、導波路のみの簡単な構成で容易に波長1.56μm(第1の波長帯)の光と波長0.78μm(第2の波長帯)の光を合分波することができる。   In the simulation result shown in FIG. 6, the axial shift amount of the output-side waveguide is the same as the axial shift amount of the input-side waveguide. This is because the two input waveguides are installed at positions at which the width Wm = 30 μm of the mode interference waveguide 33 is equally divided, and the convergence point converges on the extension of the input waveguide. In general, the position of the convergence point (output waveguide axis shift amount) depends on the position of the input waveguide (shift amount of the input waveguide). In addition, the number of convergence points is not limited to one, and when an output waveguide is provided at a position having a plurality of convergence points, the amount of axial deviation of the output waveguide to be installed differs depending on which convergence point is used. Accordingly, the installation position (axis shift amount) of the output waveguide is determined in accordance with the desired convergence position in consideration of conditions such as the wavelength, the position of the input waveguide, the number of multiplexed / demultiplexed waves, and the like. In this way, the mode interference waveguide 33 can easily transmit light having a wavelength of 1.56 μm (first wavelength band) and light having a wavelength of 0.78 μm (second wavelength band) with a simple configuration including only the waveguide. Can be combined / demultiplexed.

さらに、本発明の波長変換デバイスは、モード干渉導波路33の出力側に設けられた2つの出力導波路が異なる端面処理されていることにより、前記第1の波長帯(本実施形態では1.5μm帯)の戻り光が前記非線形光学媒質に再び入力されることを防止している。   Further, in the wavelength conversion device of the present invention, the two output waveguides provided on the output side of the mode interference waveguide 33 are subjected to different end face treatments, so that the first wavelength band (1. The return light in the 5 μm band) is prevented from being input again to the nonlinear optical medium.

この端面処理について図11を用いて説明する。本実施形態の波長変換デバイスでは、モード干渉導波路に接続された2つの出力導波路112、113は、異なった形状に形成されている。具体的には0.78μm帯の光を導入する出力導波路113は、直線状に形成されており、1.5μm帯の光を導入する出力導波路112は湾曲部を有するように形成されている。この2つの出力導波路の出力端部に共通する1つの端面111を決定して、この端面111に沿って出力導波路112、113を切除することによって端面処理を行う。端面111の位置を、1.5μm帯の光を導入する出力導波路112が端面に対して斜めになり、0.78μm帯の光を導入する出力導波路113が端面111に対しては垂直となる位置に出力端の形状を整えて端面加工を施す。これにより、1.5μm帯の光を導入する出力導波路の端面111は6°の角度を持つ形状に加工することができる。   This end face processing will be described with reference to FIG. In the wavelength conversion device of this embodiment, the two output waveguides 112 and 113 connected to the mode interference waveguide are formed in different shapes. Specifically, the output waveguide 113 for introducing light in the 0.78 μm band is formed in a straight line, and the output waveguide 112 for introducing light in the 1.5 μm band is formed to have a curved portion. Yes. One end face 111 common to the output end portions of the two output waveguides is determined, and the output waveguides 112 and 113 are cut along the end face 111 to perform end face processing. The position of the end face 111 is such that the output waveguide 112 that introduces light in the 1.5 μm band is inclined with respect to the end face, and the output waveguide 113 that introduces light in the 0.78 μm band is perpendicular to the end face 111. The end face is processed by adjusting the shape of the output end at the position. As a result, the end face 111 of the output waveguide for introducing the 1.5 μm band light can be processed into a shape having an angle of 6 °.

出力導波路112、113の出力端の端面加工を施した後、この端面111に、1.5μm帯の光に対しては反射防止(AR)、0.78μm帯の光に対しては反射(HR)となる光学積層膜116をイオンアシスト型のスパッタリング装置を用いて光学膜を蒸着した。1.5μm帯の光に対しては反射防止(AR)膜の特性を評価したところ、反射率は0.5%であった。   After the end face processing of the output ends of the output waveguides 112 and 113 is performed, the end face 111 is antireflective (AR) for light in the 1.5 μm band and reflected for light in the 0.78 μm band ( HR) was deposited using an ion-assisted sputtering apparatus. When the characteristics of the antireflection (AR) film were evaluated for light in the 1.5 μm band, the reflectance was 0.5%.

また波長変換導波路115の入力側の端面114に対しても、波長変換導波路115の端部が6°の角度になるように加工を行い、1.5μm帯の光及び0.78μm帯の光に対して反射防止(AR)となるように光学積層膜117を形成した。   Further, the end face 114 on the input side of the wavelength conversion waveguide 115 is also processed so that the end of the wavelength conversion waveguide 115 has an angle of 6 °, so that the light in the 1.5 μm band and the 0.78 μm band An optical laminated film 117 was formed so as to be antireflective (AR) with respect to light.

次に、波長変換デバイスの作製方法について説明する。まず図7に基づいて、図3に示した波長変換導波路を作製する工程を説明する。第1の実施形態においては、非線形光学媒質である第一の基板11は、ZカットZn添加LN基板である。まず図7(a)に示すように2つの基板11、12を用意する。第一の基板11には、あらかじめ1.5μm帯で位相整合条件が満たされるように、周期分極反転構造が作製されている。第二の基板12としてZカットLiTaO3基板を用いる。なお、非線形光学媒質として、LNの他に、KNbO3、LiTaO3、LiNb(x)Ta(1-x)3(0≦x≦1)、KTiOPO4、または、それらにMg、Zn、Sc、Inからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有している材料を用いることができる。 Next, a method for manufacturing a wavelength conversion device will be described. First, based on FIG. 7, the process of producing the wavelength conversion waveguide shown in FIG. 3 will be described. In the first embodiment, the first substrate 11 that is a nonlinear optical medium is a Z-cut Zn-added LN substrate. First, as shown in FIG. 7A, two substrates 11 and 12 are prepared. The first substrate 11 has a periodically poled structure so that the phase matching condition is satisfied in the 1.5 μm band in advance. A Z-cut LiTaO 3 substrate is used as the second substrate 12. As the nonlinear optical medium, in addition to LN, KNbO 3 , LiTaO 3 , LiNb (x) Ta (1-x) O 3 (0 ≦ x ≦ 1), KTiOPO 4 , or Mg, Zn, Sc A material containing at least one selected from the group consisting of In as an additive can be used.

第一の基板11と第二の基板12とは、熱膨張係数がほぼ一致している。また、第一の基板11の屈折率よりも第二の基板12の屈折率のほうが小さい。なお、第一及び第二の基板11,12は何れも、両面が光学研磨されてある3インチウエハである。第一の基板11の厚さは300μm、第二の基板12の厚さは500μmである。   The first substrate 11 and the second substrate 12 have substantially the same thermal expansion coefficient. Further, the refractive index of the second substrate 12 is smaller than the refractive index of the first substrate 11. Each of the first and second substrates 11 and 12 is a 3-inch wafer having both surfaces optically polished. The thickness of the first substrate 11 is 300 μm, and the thickness of the second substrate 12 is 500 μm.

次に、用意した第一及び第二の基板11,12の表面を、通常の酸洗浄あるいはアルカリ洗浄によって親水性にした後、これら二つの基板をマイクロパーティクルが極力存在しない清浄雰囲気中で重ね合わせる(図7(b))。そして、重ね合わせた第一及び第二の基板11,12を電気炉に入れ、400℃で3時間熱処理することにより拡散接合を行う。接合された基板は、接合面にマイクロパーティクル等の挟み込みがなく、ボイドフリーであり、室温に戻したときにおいてもクラックなどは発生しない。   Next, after the surfaces of the prepared first and second substrates 11 and 12 are made hydrophilic by ordinary acid cleaning or alkali cleaning, these two substrates are superposed in a clean atmosphere in which microparticles do not exist as much as possible. (FIG. 7 (b)). Then, the superposed first and second substrates 11 and 12 are put in an electric furnace and subjected to diffusion bonding by heat treatment at 400 ° C. for 3 hours. The bonded substrate is free from microparticles and the like on the bonding surface, is void free, and does not crack when returned to room temperature.

次に、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板の第一の基板11の厚さが20μmになるまで研磨加工を施す(図7(c))。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより、鏡面の研磨表面を得ることができる。基板の平行度(最大高さと最小高さとの差)を光学的な平行度測定機を用いて測定したところ、3インチウエハの周囲を除き、ほぼ全体にわたってサブミクロンの平行度が得られ、波長変換素子の作製に好適な薄膜基板13を作製することができる。この薄膜基板13は、接着剤を用いず、第一の基板11と第二の基板12とを熱処理による拡散接合によって直接貼り合わせることにより作製したため、3インチウエハの全面積にわたって均一な組成、膜厚を有する。   Next, using a polishing apparatus in which the flatness of the polishing surface plate is controlled, polishing is performed until the thickness of the first substrate 11 of the bonded substrates reaches 20 μm (FIG. 7C). A polishing surface having a mirror surface can be obtained by performing a polishing process after the polishing process. When the parallelism of the substrate (difference between the maximum height and the minimum height) was measured using an optical parallelism measuring instrument, submicron parallelism was obtained almost entirely except for the periphery of a 3-inch wafer. A thin film substrate 13 suitable for manufacturing a conversion element can be manufactured. Since this thin film substrate 13 was prepared by directly bonding the first substrate 11 and the second substrate 12 by diffusion bonding by heat treatment without using an adhesive, the film has a uniform composition and film over the entire area of the 3-inch wafer. Have a thickness.

その後、光導波路の作製手段としてはドライエッチングプロセスを用いて、波長変換導波路を作製する。薄膜基板13のうち、第一の基板11の表面に通常のフォトリソグラフィのプロセスによって導波路パターンを作製する。その後、ドライエッチング装置に基板をセットし、Arガスをエッチングガスとして薄膜基板13の第一の基板11の表面をエッチングすることによりリッジ型光導波路を作製する(後述の図10参照)。   Thereafter, a wavelength conversion waveguide is manufactured by using a dry etching process as an optical waveguide manufacturing means. Of the thin film substrate 13, a waveguide pattern is formed on the surface of the first substrate 11 by a normal photolithography process. Thereafter, the substrate is set in a dry etching apparatus, and the surface of the first substrate 11 of the thin film substrate 13 is etched using Ar gas as an etching gas to produce a ridge type optical waveguide (see FIG. 10 described later).

図8に、本発明の一実施例にかかる波長変換デバイスの寸法を示す。波長変換導波路64には、あらかじめ分極反転構造が付されており、その長さは45mmである。波長変換導波路64の片側の端にモード干渉導波路63が結合している。モード干渉導波路の幅63は30μmであり、モード干渉導波路63の光路長を3.5mmとしている。入出力導波路間隔が5μmの所でモード干渉導波路63と結合している。波長1.5μm帯の励起光及び信号光用の入出力導波路61および波長0.78μmの励起光用の入出力導波路62の導波路幅は5μmである。波長0.78μmの励起光用の入出力導波路62は直線導波路であり、波長1.5μm帯の励起光及び信号光用の入出力導波路61は、曲率3mmの緩やかなカーブを描いて波長0.78μmの励起光用の入出力導波路62から離れる。波長0.78μmの励起光用の入出力導波路62は端面に対して垂直に交差するように端面が形成されている。一方、波長1.5μm帯の励起光及び信号光用の入出力導波路61は、端面に対して斜めに交差するように設置されており、その角度は6°である。2つの入出力導波路61及び62を有する側の端面は波長0.78μmの光に対しては反射、波長1.5μm帯の光に対しては反射防止の光学膜がコーティングされている。実際の端面構造及び作製方法は図11を用いて後述する。   FIG. 8 shows the dimensions of a wavelength conversion device according to an embodiment of the present invention. The wavelength conversion waveguide 64 is previously provided with a polarization inversion structure, and its length is 45 mm. A mode interference waveguide 63 is coupled to one end of the wavelength conversion waveguide 64. The width 63 of the mode interference waveguide is 30 μm, and the optical path length of the mode interference waveguide 63 is 3.5 mm. It is coupled to the mode interference waveguide 63 where the input / output waveguide spacing is 5 μm. The waveguide widths of the input / output waveguide 61 for excitation light and signal light in the wavelength 1.5 μm band and the input / output waveguide 62 for excitation light in the wavelength 0.78 μm are 5 μm. The input / output waveguide 62 for excitation light having a wavelength of 0.78 μm is a straight waveguide, and the input / output waveguide 61 for excitation light and signal light having a wavelength of 1.5 μm has a gentle curve with a curvature of 3 mm. It is away from the input / output waveguide 62 for excitation light having a wavelength of 0.78 μm. The input / output waveguide 62 for excitation light having a wavelength of 0.78 μm has an end face so as to intersect perpendicularly to the end face. On the other hand, the pumping light and signal light input / output waveguides 61 having a wavelength of 1.5 μm are installed so as to obliquely intersect the end face, and the angle is 6 °. The end face on the side having the two input / output waveguides 61 and 62 is coated with an optical film for reflecting light having a wavelength of 0.78 μm and preventing reflection of light having a wavelength of 1.5 μm. The actual end face structure and manufacturing method will be described later with reference to FIG.

図9に、波長変換デバイスの入力導波路を示す。高さ5μm、導波路幅およそ5μmのリッジ型光導波路11を、特に多モード干渉導波路の特性は、式1からもわかるように導波路幅が大きく影響するため、第一の基板11の厚みよりも深くエッチング加工を施し、リッジ導波路の両脇の第一の基板材料を完全に取り除くことが望ましい。しかしながら、この場合、第二の基板12との接合面が極めて細くなるため、それに耐え得るだけの十分な接合強度を必要とする。本実施例における直接接合法は、第一の基板11と第二の基板12が導波路の直下の面13のみで接合されているような構造においても剥離などが起きず、十分な接合強度を保つことができたため、図9に図示されているような、リッジ導波路の両脇を第二の基板12まで完全に落とす構造を作製することができた。   FIG. 9 shows an input waveguide of the wavelength conversion device. Since the ridge type optical waveguide 11 having a height of 5 μm and a waveguide width of about 5 μm, particularly the characteristics of the multimode interference waveguide, the waveguide width has a great influence as can be seen from Equation 1, the thickness of the first substrate 11 It is desirable to etch deeper and completely remove the first substrate material on both sides of the ridge waveguide. However, in this case, since the bonding surface with the second substrate 12 becomes extremely thin, a sufficient bonding strength to withstand it is required. The direct bonding method in this embodiment does not cause peeling even in a structure in which the first substrate 11 and the second substrate 12 are bonded only by the surface 13 directly under the waveguide, and sufficient bonding strength is obtained. As a result, a structure in which both sides of the ridge waveguide are completely dropped to the second substrate 12 as shown in FIG.

図10に、波長変換デバイスの作製方法を示す。図10(a)は、図7に示した方法により作製した、周期分極反転構造が形成されている第一の基板11(ZカットZn添加LN基板)と第二の基板12(ZカットLiTaO3基板基板)とが接合された薄膜基板13である。なお、図に示したように、第一の基板11には、周期分極反転構造が形成された部分と形成されていない部分とが作り込まれている。 FIG. 10 shows a method for manufacturing a wavelength conversion device. FIG. 10A shows a first substrate 11 (Z-cut Zn-added LN substrate) and a second substrate 12 (Z-cut LiTaO 3 ) formed by the method shown in FIG. 7 and having a periodically poled structure. The thin film substrate 13 is bonded to the substrate substrate. As shown in the figure, the first substrate 11 is formed with a portion where the periodic domain-inverted structure is formed and a portion where it is not formed.

第一の基板11の表面に通常のフォトリソグラフィのプロセスによって、入力導波路15,16、モード干渉導波路17および波長変換導波路18のパターンを作製する。入力導波路15,16およびモード干渉導波路17は、周期分極反転構造が形成されていない部分に作製し、波長変換導波路18は、周期分極反転構造が形成された部分に作製し、3インチウエハである薄膜基板13に平行に複数本作製する。その後、ドライエッチング装置に基板をセットし、Arガスをエッチングガスとして薄膜基板13の第一の基板11の表面をエッチングすることにより、複数の波長変換デバイスを作製する(図10(b))。   Patterns of the input waveguides 15 and 16, the mode interference waveguide 17 and the wavelength conversion waveguide 18 are formed on the surface of the first substrate 11 by a normal photolithography process. The input waveguides 15 and 16 and the mode interference waveguide 17 are formed in a portion where the periodic polarization inversion structure is not formed, and the wavelength conversion waveguide 18 is manufactured in a portion where the periodic polarization inversion structure is formed, and 3 inches. A plurality of wafers are produced in parallel with the thin film substrate 13 which is a wafer. Thereafter, the substrate is set in a dry etching apparatus, and the surface of the first substrate 11 of the thin film substrate 13 is etched using Ar gas as an etching gas, thereby producing a plurality of wavelength conversion devices (FIG. 10B).

これら波長変換デバイスごとに薄膜基板13を短冊状に切り出し、入力光導波路15,16の端面14aと、波長変換導波路18の端面14bとを光学研磨することによって長さ51mmの波長変換デバイスを切り出して端面加工する前の波長変換デバイスを得ることができる(図10(c))。図10(c)に示すデバイスを図11で説明したように端面加工を施すと、本発明で用いられる波長変換デバイスを得られる。   The thin film substrate 13 is cut into a strip shape for each of these wavelength conversion devices, and the wavelength conversion device having a length of 51 mm is cut out by optically polishing the end surfaces 14a of the input optical waveguides 15 and 16 and the end surface 14b of the wavelength conversion waveguide 18. Thus, the wavelength conversion device before the end face processing can be obtained (FIG. 10C). When the device shown in FIG. 10C is subjected to end face processing as described in FIG. 11, a wavelength conversion device used in the present invention can be obtained.

ここで、波長変換デバイスに集積されたモード干渉導波路の特性を評価するために、分岐比の測定を行った。以下、図8を用いて説明する。分岐比とは、モード干渉導波路に波長変換導波路64から光を入力した際の入力導波路ポート61、62に出力される光の分波の比である。分岐比の値が小さいほど合波(分波)器の特性が良いことを表す。1.56μmの光を波長変換導波路64から入力し、入力導波路61、62に出力された光パワーの和に対して、第2の入力導波路62から出力された光パワーの比を分岐比と定義する。このとき、分岐比の値は2%と十分小さいものであった。   Here, in order to evaluate the characteristics of the mode interference waveguide integrated in the wavelength conversion device, the branching ratio was measured. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG. The branching ratio is a ratio of demultiplexing of light output to the input waveguide ports 61 and 62 when light is input from the wavelength conversion waveguide 64 to the mode interference waveguide. The smaller the branching ratio value, the better the characteristics of the multiplexer (demultiplexer). The light of 1.56 μm is input from the wavelength conversion waveguide 64, and the ratio of the optical power output from the second input waveguide 62 to the sum of the optical power output to the input waveguides 61 and 62 is branched. Define ratio. At this time, the value of the branching ratio was sufficiently small as 2%.

同様に、0.78μmの励起光を波長変換導波路64から入力し、入力導波路61、62に出力された光パワーの和に対して、第1の入力導波路61から出力された光パワーの比を分岐比と定義する。このとき、分岐比の値は2%と十分小さいものであり、良好な合分波器が作製できていることを確認することができる。   Similarly, 0.78 μm excitation light is input from the wavelength conversion waveguide 64, and the optical power output from the first input waveguide 61 with respect to the sum of the optical power output to the input waveguides 61 and 62. Is defined as the branching ratio. At this time, the value of the branching ratio is sufficiently small as 2%, and it can be confirmed that a good multiplexer / demultiplexer can be produced.

続いて、光ファイバ芯線が127μm間隔で配置されている光ファイバアレイを用いて、第1の入力導波路61に1.56μmの信号光を、第2の入力導波路62に0.78μmの励起光を入射した。光ファイバアレイに用いた2本の光ファイバ芯線は、それぞれモード径が異なり、1.56μm、0.78μmのそれぞれにおいてシングルモードとなる光ファイバ芯線を用いている。   Subsequently, using an optical fiber array in which optical fiber core wires are arranged at intervals of 127 μm, 1.56 μm signal light is excited in the first input waveguide 61 and 0.78 μm is excited in the second input waveguide 62. Incident light. The two optical fiber core wires used in the optical fiber array have different mode diameters, and optical fiber core wires that are single mode at 1.56 μm and 0.78 μm are used.

合分波器として機能するモード干渉導波路63による光過剰損失を評価したところ、1.56μm光が0.5dB、0.78μm光が1.0dBと非常に小さい損失で光が合波されていた。1.56μm帯の光源に波長可変光源を用いて、モード干渉導波路63による光過剰損失の波長依存性を測定した。ピークの出力光量と比較して、追加の過剰損失が1dB以内となる波長範囲は約40nmと広い。   When the excess optical loss due to the mode interference waveguide 63 functioning as a multiplexer / demultiplexer was evaluated, the light was multiplexed with a very small loss of 0.5 dB for 1.56 μm light and 1.0 dB for 0.78 μm light. It was. The wavelength dependence of the excess optical loss due to the mode interference waveguide 63 was measured by using a wavelength variable light source as a light source of 1.56 μm band. Compared to the peak output light amount, the wavelength range in which the additional excess loss is within 1 dB is as wide as about 40 nm.

次に、波長変換デバイスとしての特性を得るために、第1の入力導波路61から1.56μm帯の信号光を入力し、第二高調波発生から波長変換の効率を評価した。規格化変換効率は波長1555.4nmにおいて1300%/Wと高い値が得られた。   Next, in order to obtain characteristics as a wavelength conversion device, signal light in the 1.56 μm band was input from the first input waveguide 61, and the efficiency of wavelength conversion from the second harmonic generation was evaluated. The normalized conversion efficiency was as high as 1300% / W at a wavelength of 1555.4 nm.

また、波長変換デバイスのモード干渉導波路63には、ドレイン導波路65が設けられていることが好ましい。波長変換導波路64に導入されて反射してしまった1.5μm帯の光をこのドレイン導波路65から放出することで波長変換導波路64に1.5μm帯の不所望な戻り光が入り込まないようになっている。ドレイン導波路65は、出力導波路62からモード干渉導波路63に導入された1.5μm帯の光を出力可能なように0.78μm帯が導通する出力導波路62と同じズレ量だけ中心から軸ズレしている。   Further, it is preferable that a drain waveguide 65 is provided in the mode interference waveguide 63 of the wavelength conversion device. The 1.5 μm band light that has been introduced and reflected by the wavelength conversion waveguide 64 is emitted from the drain waveguide 65, so that unwanted return light of 1.5 μm band does not enter the wavelength conversion waveguide 64. It is like that. The drain waveguide 65 is shifted from the center by the same shift amount as the output waveguide 62 in which the 0.78 μm band is conducted so that the 1.5 μm band light introduced from the output waveguide 62 to the mode interference waveguide 63 can be output. The axis is misaligned.

次に、上記波長変換デバイスを用いた波長変換装置について説明する。本実施形態の波長変換装置は、第二高調波発生(SHG)と差周波発生(DFG)を多段に行うSHG−DFG多段法を実現するものである。具体的には1.5μm帯の励起光を用いてSHG過程により0.78μm帯の光を生成した後、励起光とは異なる波長の1.5μm帯の信号光をさらに入力して生成した0.78μm帯の光とDFG過程を引き起こして、所望の波長の光を得る装置である。   Next, a wavelength conversion apparatus using the wavelength conversion device will be described. The wavelength converter according to the present embodiment realizes an SHG-DFG multistage method in which second harmonic generation (SHG) and difference frequency generation (DFG) are performed in multiple stages. Specifically, after generating 0.78 μm band light by SHG process using 1.5 μm band excitation light, it is generated by further inputting 1.5 μm band signal light having a wavelength different from the excitation light. It is a device that obtains light of a desired wavelength by causing light and a DFG process in the .78 μm band.

図12に示すように、本実施形態の波長変換装置は、作成した波長変換デバイス10の入力側に、半導体レーザY1とエルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)Y2と、光サーキュレータY3を設け、波長変換デバイス10の出力側に、複数の信号光発生手段(図示せず)と、光カップラY11と、光サーキュレータY12とを設けて構成されている。   As shown in FIG. 12, the wavelength conversion apparatus of this embodiment is provided with a semiconductor laser Y1, an erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) Y2, and an optical circulator Y3 on the input side of the created wavelength conversion device 10, thereby converting the wavelength. A plurality of signal light generating means (not shown), an optical coupler Y11, and an optical circulator Y12 are provided on the output side of the device 10.

図12の波長変換装置を用いて、第二高調波発生(SHG)と差周波発生(DFG)を多段独立に行うSHG−DFG多段法による波長変換実験を試みた。   Using the wavelength converter shown in FIG. 12, a wavelength conversion experiment using the SHG-DFG multistage method in which second harmonic generation (SHG) and difference frequency generation (DFG) are performed independently in multiple stages was attempted.

励起光として、外部共振器型の半導体レーザY1から出射された1.56μmの光をエルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)Y2で増幅し、光サーキュレータY3を通した後に波長変換導波路Y4の入射側より入射する。波長変換導波路Y4内での第二高調波発生により、1.56μmの半分の波長0.78μmの光が生成される。1.56μmの光と0.78μmの光は波長変換導波路Y4を透過した後、モード干渉導波路Y5に入射される。モード干渉導波路Y5内での干渉により1.56μmの光と0.78μmの光は分離され、0.78μmの光は出力導波路Y6に導入され、1.56μmの光は出力導波路Y7に導入される。   As pumping light, 1.56 μm light emitted from the external cavity type semiconductor laser Y1 is amplified by an erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) Y2, passed through the optical circulator Y3, and then incident on the wavelength conversion waveguide Y4. More incident. The second harmonic generation in the wavelength conversion waveguide Y4 generates light having a wavelength of 0.78 μm, which is half of 1.56 μm. The 1.56 μm light and the 0.78 μm light are transmitted through the wavelength conversion waveguide Y4 and then incident on the mode interference waveguide Y5. The 1.56 μm light and the 0.78 μm light are separated by the interference in the mode interference waveguide Y5, the 0.78 μm light is introduced into the output waveguide Y6, and the 1.56 μm light is introduced into the output waveguide Y7. be introduced.

出力導波路Y6に導入された0.78μmの光は出力側端面に形成された反射膜Y8によって反射され、出力導波路Y6及びモード干渉導波路Y5を折り返し通過し波長変換導波路Y4に入射される。反射膜の反射率は99%と非常に高いため、折り返しによる光の損失はモード干渉導波路Y5を往復する際の損失が支配的であるが、モード干渉導波路Y5による光過剰損失が非常に小さい損失であるため、往復で2.0dBと非常に小さい損失で光の折り返しを行うことができた。   The 0.78 μm light introduced into the output waveguide Y6 is reflected by the reflection film Y8 formed on the output side end face, passes back through the output waveguide Y6 and the mode interference waveguide Y5, and enters the wavelength conversion waveguide Y4. The Since the reflectance of the reflection film is as high as 99%, the loss of light due to folding is dominated by the loss when reciprocating in the mode interference waveguide Y5, but the excess optical loss due to the mode interference waveguide Y5 is very high. Since the loss is small, the light can be folded back and forth with a very small loss of 2.0 dB.

一方、出力導波路Y7に導入された1.56μmの光は波長変換デバイス10から出力され光サーキュレータY12で分岐されて出力される。このとき、出力導波路Y7の出力側端面に形成された反射防止膜Y8と6°カットの端面加工の相乗効果によって1.56μmの光の反射が抑制される。反射が抑制しきれずに反射してしまった光は出力導波路Y7及びモード干渉導波路Y5を折り返し通過し波長変換導波路Y4に入射されてしまう成分も存在するが、反射防止膜Y8と斜め端面加工の相乗効果により、反射戻り光量は入射光量に対して−50dBと非常に小さい量であった。また、斜め端面加工による反射防止効果が波長依存性が少ないため、100nm以上の広い帯域に渡って−45dB以上の反射防止効果が得られた。   On the other hand, the 1.56 μm light introduced into the output waveguide Y7 is output from the wavelength conversion device 10, branched by the optical circulator Y12, and output. At this time, reflection of light of 1.56 μm is suppressed by a synergistic effect of the antireflection film Y8 formed on the output side end face of the output waveguide Y7 and the end face processing of 6 ° cut. Although there is a component in which the light reflected without being completely suppressed is reflected by the output waveguide Y7 and the mode interference waveguide Y5 and enters the wavelength conversion waveguide Y4, the antireflection film Y8 and the oblique end face Due to the synergistic effect of processing, the amount of reflected return light is very small, -50 dB with respect to the amount of incident light. Further, since the antireflection effect by the oblique end face processing has little wavelength dependency, an antireflection effect of −45 dB or more was obtained over a wide band of 100 nm or more.

また、モード干渉導波路Y5の分岐比が2%であるので、波長変換導波路Y4を透過した後、モード干渉導波路Y5に入射された1.56μmの光の内の2%程度の光量は本来導入されるべき出力導波路Y8ではなく出力導波路Y6に漏れ光が導入されることになる。出力導波路Y6の端面は垂直であるため、反射防止膜Y8だけでは抑制しきれなかった戻り光が存在するが、この漏れ光の戻り光は、モード干渉導波路Y5をもう一度透過してドレイン導波路Y9に流れ込ませることにより戻り光の防止ができる。つまり、漏れ光の戻り光は、モード干渉導波路Y7を透過した後そのほとんどが、ドレイン導波路Y9に導入されデバイスの外に排出される。結果、モード干渉導波路Y5への最初の入射による分波効果(−17dB程度)と反射防止膜Y8による反射抑制効果(−23dB程度)とモード干渉導波路Y5への折り返し入射させた後のドレイン導波路Y9による分波効果(−17dB程度)により入射光量に対して−57dBと反射戻り光量を非常に小さい量に抑えることができる。   Further, since the branching ratio of the mode interference waveguide Y5 is 2%, the amount of light of about 2% of the 1.56 μm light incident on the mode interference waveguide Y5 after passing through the wavelength conversion waveguide Y4 is about 2%. Leakage light is introduced into the output waveguide Y6 instead of the output waveguide Y8 that should be originally introduced. Since the end face of the output waveguide Y6 is vertical, there is return light that could not be suppressed by the antireflection film Y8 alone. The return light of this leaked light is transmitted again through the mode interference waveguide Y5 and guided to the drain. Return light can be prevented by flowing into the waveguide Y9. That is, most of the return light of the leaked light passes through the mode interference waveguide Y7 and is then introduced into the drain waveguide Y9 and discharged out of the device. As a result, the demultiplexing effect (about −17 dB) by the first incidence on the mode interference waveguide Y5, the reflection suppression effect (about −23 dB) by the antireflection film Y8, and the drain after being reflected back to the mode interference waveguide Y5. Due to the demultiplexing effect (about −17 dB) by the waveguide Y9, the reflected return light amount can be suppressed to a very small amount of −57 dB with respect to the incident light amount.

さらに、波長1.54μmを中心に100GHz間隔で配置された8波のC帯の信号光群を発生させて光カップラY11で合波し、光サーキュレータY12を通過させた後、出力端面側から出力導波路Y7に入射した。出力導波路Y7に入力された信号光群は、モード干渉導波路Y5を透過した後、波長変換導波路Y4に入射される。このとき、出力導波路Y6の端面の光学膜Y8で反射して再び出力導波路Y6とモード導波路Y5とを通過した0.78μmの光も波長変換導波路Y4に導入される。これらの光が入射されると波長変換導波路Y4内での0.78μmの光と信号光群との差周波発生(DFG)により、波長1.58μmを中心に100GHz間隔で配置された8波のL帯の波長変換信号光群が生成される。発生した波長変換信号群は波長変換デバイス10の入力側から出力され光サーキュレータY3を通した後に出力される。   Further, an 8-wave C-band signal light group arranged at 100 GHz intervals with a wavelength of 1.54 μm as the center is generated, combined by the optical coupler Y11, passed through the optical circulator Y12, and then output from the output end face side It entered the waveguide Y7. The signal light group input to the output waveguide Y7 passes through the mode interference waveguide Y5 and then enters the wavelength conversion waveguide Y4. At this time, 0.78 μm light reflected by the optical film Y8 on the end face of the output waveguide Y6 and again passing through the output waveguide Y6 and the mode waveguide Y5 is also introduced into the wavelength conversion waveguide Y4. When these lights are incident, 8 waves arranged at intervals of 100 GHz with a wavelength of 1.58 μm as the center are generated by the difference frequency generation (DFG) between 0.78 μm light and the signal light group in the wavelength conversion waveguide Y4. L-band wavelength conversion signal light group is generated. The generated wavelength conversion signal group is output from the input side of the wavelength conversion device 10 and is output after passing through the optical circulator Y3.

このように本実施形態の波長変換装置の波長変換デバイスによれば、第二高調波発生過程で使用した1.56μm帯の戻り光量を非常に小さい量に抑えることができるので、差周波発生過程は、第二高調波発生過程とは独立した過程とすることができる。   As described above, according to the wavelength conversion device of the wavelength conversion device of the present embodiment, the amount of return light in the 1.56 μm band used in the second harmonic generation process can be suppressed to a very small amount. Can be a process independent of the second harmonic generation process.

また、モード干渉導波路Y5は、モード間の干渉により光合波を行なうため、入力光が所定のモード以外のモードで伝播してきた場合、モード干渉導波路Y5の損失が増大する。これは、モード干渉導波路Y5が合波の機能を有すると共に、モードフィルタの役割を担っているからである。従って、本実施形態によれば、変換光のパワーをモニターするなどの特別な調整を行うことなく、励起光・信号光の透過光が最大になるように、光を入力すればよい。これにより、波長変換デバイスへの最適な入射条件が得られる。   Further, since the mode interference waveguide Y5 performs optical multiplexing by inter-mode interference, when the input light propagates in a mode other than the predetermined mode, the loss of the mode interference waveguide Y5 increases. This is because the mode interference waveguide Y5 has a function of multiplexing and plays a role of a mode filter. Therefore, according to the present embodiment, light may be input so as to maximize the transmitted light of the excitation light and the signal light without performing special adjustment such as monitoring the power of the converted light. Thereby, the optimal incident condition to the wavelength conversion device is obtained.

1Wの励起光を入力した際に、パラメトリック利得により変換光は、入力した信号光に対して利得を持って変換された。これは、波長変換デバイスの変換効率が高いことに加えて、波長変換デバイス全体が直接接合リッジ型導波路であり、高パワーの入力に対してフォトリフラクティブ効果などの光損傷を起こすことなく、良好な波長変換特性を得られていることに起因する。また、カスケード励起のように、1.56μm帯の強励起光を使う必要がないため、ASEノイズの影響が少なく、SNRが40dB以上の品質のよい変換光を得ることができた。さらに、信号光の波長を1.56μmに近づけていき、近接の波長変換を試みた。カスケード励起とは異なり、1.56μm帯の強い励起光が抑制されているため、信号光―変換光の差が50GHzの近接の波長変換であっても可能であり、かつ高いSNRを得ることができた。   When 1 W pumping light was input, the converted light was converted with gain to the input signal light by the parametric gain. In addition to the high conversion efficiency of the wavelength conversion device, the entire wavelength conversion device is a direct-junction ridge waveguide, which is good without causing optical damage such as a photorefractive effect for high-power inputs. This is due to the fact that excellent wavelength conversion characteristics are obtained. In addition, unlike cascade excitation, it is not necessary to use strong excitation light in the 1.56 μm band, so that it is possible to obtain high-quality converted light with little influence of ASE noise and an SNR of 40 dB or more. Furthermore, the wavelength of the signal light was brought close to 1.56 μm, and an attempt was made to perform wavelength conversion in the vicinity. Unlike cascade excitation, strong excitation light in the 1.56 μm band is suppressed, so that even if the difference between signal light and converted light is close wavelength conversion of 50 GHz, high SNR can be obtained. did it.

(第2の実施形態)
SFG−DFG多段独立構成
図13に、本発明の第2の実施形態にかかる波長変換装置の構成を示す。本実施形態の波長変換装置は、和周波発生(SFG)と差周波発生(DFG)を多段独立に行うSFG−DFG多段法を実現するものである。波長変換デバイスは第1の実施形態と同じものを用いることができる。
(Second Embodiment)
SFG-DFG Multistage Independent Configuration FIG. 13 shows the configuration of a wavelength converter according to the second embodiment of the present invention. The wavelength converter according to the present embodiment realizes an SFG-DFG multistage method in which sum frequency generation (SFG) and difference frequency generation (DFG) are independently performed in multiple stages. The same wavelength conversion device as that in the first embodiment can be used.

本実施形態の波長変換装置は、光変換デバイス10の入力側に励起光源W1と、エルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)W2と、光カップラW3と、光サーキュレータW4とを設け、光変換デバイス10の出力側に光サーキュレータW14と、エルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)W13と、制御光源W12とを設けて構成される。
図13に示す波長変換装置を用いて、和周波発生(SFG)と差周波発生(DFG)を多段に行うSFG−DFG多段法による波長変換実験を試みた。励起光源W1から出力されエルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)W2で増幅された1.57μmの励起光と図示しない信号光源で発生した1.55μmの信号光を光カップラW3で合波した後、光サーキュレータW4を通した後に波長変換導波路W5の入射側より入射する。1.55μmの信号光は40Gb/sで強度変調されている。波長変換導波路W5内での和周波発生により、1.55μmとの1.57μmの和の周波数を持つ波長0.78μmの光が生成される。このとき0.78μmの光に信号光の変調信号が重畳される。
The wavelength conversion apparatus of the present embodiment includes an excitation light source W1, an erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) W2, an optical coupler W3, and an optical circulator W4 on the input side of the optical conversion device 10, and An optical circulator W14, an erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) W13, and a control light source W12 are provided on the output side.
Using the wavelength converter shown in FIG. 13, a wavelength conversion experiment by the SFG-DFG multistage method in which sum frequency generation (SFG) and difference frequency generation (DFG) are performed in multiple stages was attempted. The 1.57 μm pumping light output from the pumping light source W1 and amplified by the erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) W2 and the 1.55 μm signal light generated by the signal light source (not shown) are combined by the optical coupler W3, and then the light After passing through the circulator W4, the light enters from the incident side of the wavelength conversion waveguide W5. The signal light of 1.55 μm is intensity-modulated at 40 Gb / s. By generating the sum frequency in the wavelength conversion waveguide W5, light having a wavelength of 0.78 μm having a frequency of the sum of 1.55 μm and 1.57 μm is generated. At this time, a modulation signal of signal light is superimposed on 0.78 μm light.

1.55μmの信号光と1.57μmの励起光と0.78μmの光は波長変換導波路W5を透過した後、モード干渉導波路W6に入射される。モード干渉導波路W6内での干渉により分波され、0.78μmの光は出力導波路W7に、1.55μmの信号光と1.57μmの励起光は出力導波路W8に導入される。   The 1.55 μm signal light, the 1.57 μm excitation light, and the 0.78 μm light pass through the wavelength conversion waveguide W5 and then enter the mode interference waveguide W6. The light is split by the interference in the mode interference waveguide W6, 0.78 μm light is introduced into the output waveguide W7, 1.55 μm signal light and 1.57 μm excitation light are introduced into the output waveguide W8.

出力導波路W7に導入された0.78μmの光は出力側端面に形成された反射膜によって反射され、出力導波路W7及びモード干渉導波路W6を折り返し通過し波長変換導波路W5に入射される。反射膜の反射率は99%と非常に高いため、折り返しによる光の損失はモード干渉導波路W6を往復する際の損失が支配的であるが、モード干渉導波路W6による光過剰損失が非常に小さい損失であるため、往復で2.0dBと非常に小さい損失で光の折り返しを行うことができた。   The light of 0.78 μm introduced into the output waveguide W7 is reflected by the reflection film formed on the output side end face, passes back through the output waveguide W7 and the mode interference waveguide W6, and enters the wavelength conversion waveguide W5. . Since the reflectance of the reflection film is as high as 99%, the loss of light due to folding is dominated by the loss when reciprocating the mode interference waveguide W6, but the excess optical loss due to the mode interference waveguide W6 is very high. Since the loss is small, the light can be folded back and forth with a very small loss of 2.0 dB.

出力導波路W8に導入された1.55μmの信号光と1.57μmの励起光は出力側端面に形成された反射防止膜W9と6°カットの端面加工の相乗効果によって反射が抑制される。反射が抑制しきずに反射してしまった光は出力導波路W8及びモード干渉導波路W6を折り返し通過し波長変換導波路W5に入射されてしまうが、反射防止膜と斜め端面加工の相乗効果により、反射戻り光量は入射光量に対して−50dBと非常に小さい量であった。また、斜め端面加工による反射防止効果は波長依存性が少ないため、100nm以上の広い帯域に渡って−45dB以上の反射防止効果が得られた。   The reflection of the 1.55 μm signal light and the 1.57 μm excitation light introduced into the output waveguide W8 is suppressed by the synergistic effect of the antireflection film W9 formed on the output side end face and the end face processing of 6 ° cut. The light that has been reflected without suppressing the reflection is folded back through the output waveguide W8 and the mode interference waveguide W6 and is incident on the wavelength conversion waveguide W5, but due to the synergistic effect of the antireflection film and the oblique end surface processing. The amount of reflected return light was as very small as −50 dB with respect to the amount of incident light. Further, since the antireflection effect by the oblique end face processing has little wavelength dependency, an antireflection effect of −45 dB or more was obtained over a wide band of 100 nm or more.

また、モード干渉導波路W6の分岐比が2%であるので、波長変換導波路W5を透過した後、モード干渉導波路W6に導入された1.55μm帯の光の内の2%程度の光量は本来導入されるべき出力導波路W8ではなく出力導波路W7に漏れ光が導入されることになる。出力導波路W7の端面は垂直であるため、反射防止膜W9だけでは抑制しきれなかった戻り光が存在する可能性があるが、この漏れ光の戻り光は、モード干渉導波路W6をもう一度透過してドレイン波路W10に流れ込ませることにより戻り光の防止をすることができる。つまり、漏れ光の戻り光は、モード干渉導波路Y7を透過した後そのほとんどが、ドレイン導波路Y9に導入されデバイスの外に排出される。結果、モード干渉導波路Y5への最初の入射による分波効果(−17dB程度)と反射防止膜Y8による反射抑制効果(−23dB程度)とモード干渉導波路Y5への折り返し入射させた後のドレイン導波路Y9による分波効果(−17dB程度)により入射光量に対して−57dBと反射戻り光量を非常に小さい量に抑えることができる。   Further, since the branching ratio of the mode interference waveguide W6 is 2%, the light quantity of about 2% of the 1.55 μm band light introduced into the mode interference waveguide W6 after passing through the wavelength conversion waveguide W5. In this case, leakage light is introduced into the output waveguide W7, not the output waveguide W8 to be originally introduced. Since the end face of the output waveguide W7 is vertical, there may be return light that could not be suppressed by the antireflection film W9 alone. The return light of this leaked light is transmitted again through the mode interference waveguide W6. The return light can be prevented by flowing into the drain waveguide W10. That is, most of the return light of the leaked light passes through the mode interference waveguide Y7 and is then introduced into the drain waveguide Y9 and discharged out of the device. As a result, the demultiplexing effect (about −17 dB) by the first incidence on the mode interference waveguide Y5, the reflection suppression effect (about −23 dB) by the antireflection film Y8, and the drain after being reflected back to the mode interference waveguide Y5. Due to the demultiplexing effect (about −17 dB) by the waveguide Y9, the reflected return light amount can be suppressed to a very small amount of −57 dB with respect to the incident light amount.

さらに、制御光源W12により発生させた波長1.58μmの制御光を、エルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)W13と光サーキュレータW14を通過させた後、出力端面側から出力導波路W8に、入射した。制御光は、モード干渉導波路W6を透過した後、波長変換導波路W5に入射される。このとき、出力導波路W7の端面の光学膜W9で反射して再び出力導波路W7とモード導波路W6とを通過した0.78μmの光も波長変換導波路W5に導入される。これらの光が入射されると、波長変換導波路W5内での0.78μmの光との差周波発生により、波長1.54μmの変換光が得られる。このとき、0.78μmの光から変換光に再び変調信号が重畳され、結果として波長1.55μmの信号光が波長1.54μmの変換光に波長変換された。ASE光や、1.55μmの信号光と1.57μmの励起光の戻り光が十分に抑制されているため、ASEノイズによるSNRの劣化や、制御光と信号光・励起光との和周波発生との余計な周波数変換過程がおこらないため、高品質な波長変換を実現できた。   Furthermore, the control light having a wavelength of 1.58 μm generated by the control light source W12 was allowed to enter the output waveguide W8 from the output end face side after passing through the erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) W13 and the optical circulator W14. The control light passes through the mode interference waveguide W6 and then enters the wavelength conversion waveguide W5. At this time, 0.78 μm light reflected by the optical film W9 on the end face of the output waveguide W7 and again passing through the output waveguide W7 and the mode waveguide W6 is also introduced into the wavelength conversion waveguide W5. When these lights are incident, converted light having a wavelength of 1.54 μm can be obtained by generating a difference frequency from 0.78 μm light in the wavelength conversion waveguide W5. At this time, the modulation signal was again superimposed on the converted light from the 0.78 μm light, and as a result, the signal light having a wavelength of 1.55 μm was converted into a converted light having a wavelength of 1.54 μm. ASE light and 1.55 μm signal light and 1.57 μm excitation light return light are sufficiently suppressed, so SNR degradation due to ASE noise, and sum frequency generation of control light and signal light / excitation light Therefore, high-quality wavelength conversion can be realized.

このように本実施形態の波長変換装置の波長変換デバイスによれば、和周波発生過程で使用した1.57μm帯および1.55μm帯の戻り光量を非常に小さい量に抑えることができるので、差周波発生過程は、和周波発生過程とは独立した過程とすることができる。   Thus, according to the wavelength conversion device of the wavelength conversion device of the present embodiment, the amount of return light in the 1.57 μm band and 1.55 μm band used in the sum frequency generation process can be suppressed to a very small amount. The frequency generation process can be a process independent of the sum frequency generation process.

また、制御光の波長を1.62μm〜1.50μmと変化させることにより、変換光の波長を1.50μm〜1.62μmと120nm以上の広い帯域に亘って変化させることができた。従来のSFG−DFGカスケード励起法では和周波発生(SFG)過程と差周波発生(DFG)過程が同時に起こるため、励起光及び信号光及び和周波発生光のいずれの波長と同じもしくは近接する波長を制御光に用いることが困難であったため、変換光の可変範囲に制限があった。しかしながら、本手法では、和周波発生(SFG)過程と差周波発生(DFG)過程を独立に制御できるため、制御光を任意の波長に持っていくことが可能であり、それにより広い変換光の可変範囲が得られた。   Moreover, by changing the wavelength of the control light from 1.62 μm to 1.50 μm, the wavelength of the converted light could be changed from 1.50 μm to 1.62 μm over a wide band of 120 nm or more. In the conventional SFG-DFG cascade excitation method, since the sum frequency generation (SFG) process and the difference frequency generation (DFG) process occur simultaneously, the wavelength of the excitation light, the signal light, and the sum frequency generation light is the same or close to each other. Since it was difficult to use for control light, the variable range of converted light was limited. However, in this method, since the sum frequency generation (SFG) process and the difference frequency generation (DFG) process can be controlled independently, it is possible to bring the control light to an arbitrary wavelength. A variable range was obtained.

(第3の実施形態)
SHG−DFG多段独立アレイ構成
図14に、本発明の第3の実施形態にかかる波長変換装置の構成を示す。本実施形態の波長変換装置は、第1の実施形態の波長変換デバイスと同じ構成の波長変換デバイスを複数並列に並べてそれぞれの波長変換デバイスで第二高調波発生(SHG)と差周波発生(DFG)を独立多段に行うSHG−DFG多段法をアレイで実現するものである。本実施形態では、波長変換デバイス20は第1の実施形態と同じ構成のものを複数並列に並べて構成したものを用いることができる。
(Third embodiment)
SHG-DFG Multistage Independent Array Configuration FIG. 14 shows the configuration of a wavelength converter according to the third embodiment of the present invention. The wavelength conversion apparatus of this embodiment arranges a plurality of wavelength conversion devices having the same configuration as the wavelength conversion device of the first embodiment in parallel, and each wavelength conversion device uses second harmonic generation (SHG) and difference frequency generation (DFG). The SHG-DFG multi-stage method is performed by an array. In the present embodiment, the wavelength conversion device 20 may be configured by arranging a plurality of the same configurations as those in the first embodiment in parallel.

たとえば、図14に示すように、第1の実施形態の波長変換デバイス10をそれぞれの波長変換導波路Q14、Q24、Q34、Q44が127μm間隔となるように4つ並列に並べて配置して作製することができる。第1の実施形態においては、周期分極反転構造は1.56μmの第二高調波発生に位相整合が取れるように分極反転周期を設定していたが、本実施形態の波長変換デバイス20では、並列に並べた4つの波長変換導波路上の周期分極反転周期は、それぞれ1.560μm、1.561μm、1.562μm、1.563μmの第二高調波発生に位相整合が取れるように設定した。   For example, as shown in FIG. 14, the wavelength conversion device 10 according to the first embodiment is manufactured by arranging four wavelength conversion waveguides Q14, Q24, Q34, and Q44 in parallel so that the wavelength conversion waveguides Q14, Q24, Q34, and Q44 have an interval of 127 μm. be able to. In the first embodiment, the periodic polarization reversal structure has a polarization reversal period set so as to achieve phase matching with the second harmonic generation of 1.56 μm. However, in the wavelength conversion device 20 of the present embodiment, the periodic polarization reversal structure is parallel. The periodical polarization inversion periods on the four wavelength conversion waveguides arranged in the above are set so that phase matching can be obtained for the second harmonic generation of 1.560 μm, 1.561 μm, 1.562 μm, and 1.563 μm, respectively.

本実施形態の波長変換装置は、波長変換デバイス20の入力に対応して、励起光源Q11、Q21、Q31、Q41と、エルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)Q12、Q22、Q32、Q42と、光サーキュレータQ13、Q23、Q33、Q43との3つのデバイスを配置し、波長変換デバイス20の出力に対応して、4つの信号光源(図示せず)と光サーキュレータQ101、Q102、Q103、Q104との2つのデバイスを配置して設けた。   The wavelength conversion apparatus of this embodiment corresponds to the input of the wavelength conversion device 20, and includes excitation light sources Q11, Q21, Q31, Q41, erbium-doped optical fiber amplifiers (EDFA) Q12, Q22, Q32, Q42, and an optical circulator. Three devices Q13, Q23, Q33, and Q43 are arranged, and two signal light sources (not shown) and two optical circulators Q101, Q102, Q103, and Q104 corresponding to the output of the wavelength conversion device 20 are arranged. Devices were arranged and provided.

図14に示す波長変換装置を用いて、第二高調波発生(SHG)と差周波発生(DFG)を独立多段に行うSHG−DFG多段法による波長変換実験を試みた。   Using the wavelength converter shown in FIG. 14, a wavelength conversion experiment by the SHG-DFG multistage method in which second harmonic generation (SHG) and difference frequency generation (DFG) are performed in independent multistages was attempted.

励起光として、4つの外部共振器型の半導体レーザーQ11、Q21、Q31、Q41から出射されたそれぞれ1.560μm、1.561μm、1.562μm、1.563μmの波長の光をエルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)Q2で増幅し、光サーキュレータQ13、Q23、Q33、Q43を通した後に波長変換導波路Q14、Q24、Q34、Q44の入射側より入射する。波長変換導波路Q14、Q24、Q34、Q44では、第二高調波発生(SHG)過程が引き起こされることにより0.78μmの光が発生して、それぞれに接続されたモード変換導波路Q15に出力される。   As the pumping light, erbium-doped optical fiber amplifiers emit light having wavelengths of 1.560 μm, 1.561 μm, 1.562 μm, and 1.563 μm emitted from the four external resonator type semiconductor lasers Q11, Q21, Q31, and Q41, respectively. (EDFA) Amplified by Q2, passes through optical circulators Q13, Q23, Q33, and Q43, and then enters from the incident side of wavelength conversion waveguides Q14, Q24, Q34, and Q44. In the wavelength conversion waveguides Q14, Q24, Q34, and Q44, a second harmonic generation (SHG) process is caused to generate 0.78 μm light, which is output to the mode conversion waveguide Q15 connected thereto. The

一方、波長1.560μmに位相整合の取れている第一の波長変換導波路Q14に出力端面側の出力導波路Q17より、波長1.55μmの信号光を入射した。1.55μmの信号光は40Gb/sDQPSKで位相変調されている。信号光は、モード干渉導波路Q15を透過した後、波長変換導波路Q14に入射される。このとき、第二高調波発生(SHG)過程で発生し折り返された0.78μmの光も波長変換導波路Q14に入射されるので、波長変換導波路Q14内で波長1.55μmの信号光と0.78μmの光との差周波発生(DFG)により、波長1.57μmの波長変換信号光が生成される。生成された波長1.57μmの波長変換信号光は、波長変換デバイス20から出力され光サーキュレータQ13を通した後に分岐出力される。   On the other hand, signal light having a wavelength of 1.55 μm was incident on the first wavelength conversion waveguide Q14 phase-matched to a wavelength of 1.560 μm from the output waveguide Q17 on the output end face side. The 1.55 μm signal light is phase-modulated with 40 Gb / s DQPSK. The signal light passes through the mode interference waveguide Q15 and then enters the wavelength conversion waveguide Q14. At this time, since 0.78 μm light generated and turned back in the second harmonic generation (SHG) process is also incident on the wavelength conversion waveguide Q14, signal light having a wavelength of 1.55 μm in the wavelength conversion waveguide Q14 Wavelength converted signal light having a wavelength of 1.57 μm is generated by difference frequency generation (DFG) with 0.78 μm light. The generated wavelength conversion signal light having a wavelength of 1.57 μm is output from the wavelength conversion device 20 and is branched and output after passing through the optical circulator Q13.

本実施形態の波長変換装置では第1の実施形態と異なり、光スイッチを用いて、同じ波長1.55μmの信号光を切り替えて、入力する出力導波路Q17、Q27、Q37、Q47を選択することができる。この波長変換装置の波長1.55μmの信号光を切り替えて、波長1.561μmに位相整合の取れている第二の波長変換導波路Q24に入射した。このとき、Q14の場合と同様に波長変換導波路Q24内で発生し折り返された0.78μmの光と波長1.55μmの信号光との差周波発生により、波長1.572μm波長変換信号光が生成され、光サーキュレータQ23を通した後に出力される。同様に光スイッチにより信号光の入力する波長変換導波路をQ34、Q44に切り替えると光サーキュレータQ33、Q43によりそれぞれ波長1.574μm、1.576μm波長変換信号光を取り出すことができる。   Unlike the first embodiment, the wavelength converter of this embodiment uses an optical switch to switch the signal light having the same wavelength of 1.55 μm and select the output waveguides Q17, Q27, Q37, and Q47 to be input. Can do. The signal light with a wavelength of 1.55 μm of this wavelength conversion device was switched and entered into the second wavelength conversion waveguide Q24 that was phase-matched to the wavelength of 1.561 μm. At this time, the wavelength converted signal light having a wavelength of 1.572 μm is generated by the difference frequency generation between the 0.78 μm light generated and folded in the wavelength conversion waveguide Q24 and the signal light having a wavelength of 1.55 μm as in the case of Q14. It is generated and output after passing through the optical circulator Q23. Similarly, when the wavelength conversion waveguide to which signal light is input is switched to Q34 and Q44 by the optical switch, the wavelength converted signal light having wavelengths of 1.574 μm and 1.576 μm can be taken out by the optical circulators Q33 and Q43, respectively.

このように本実施形態の波長変換装置によれば、第1の実施形態の効果に加えて、波長変換先を切り替えることができ、かつ高品質な波長変換を行うことのできる波長変換デバイスを1つの素子に集積することにより低価格に実現することができる。   As described above, according to the wavelength conversion device of the present embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the wavelength conversion device that can switch the wavelength conversion destination and can perform high-quality wavelength conversion is provided. It can be realized at a low price by integrating into one element.

(第4の実施形態)
SHG−SFG多段独立構成
図15に、本発明の第4の実施形態にかかる波長変換装置の構成を示す。本実施形態の波長変換装置は、第1の実施形態の波長変換デバイスと同じ構成の波長変換デバイスで第二高調波発生(SHG)と和周波発生(SFG)を多段独立に行うSHG−SFG多段法を実現するものである。波長変換デバイスは第1の実施形態と同じ構成のものを用いることができる。ただし、第1の実施形態においては、周期分極反転構造は1.56μmの第二高調波発生に位相整合が取れるように分極反転周期を設定していたが、本実施形態においては、波長1.56μmの第二高調波発生に位相整合が取れる分極反転周期構造QPM1と、波長1.56μmと波長0.78μmの和周波数発生に位相整合が取れる分極反転周期構造QPM2の両方が直列に作製されている。
(Fourth embodiment)
SHG-SFG Multistage Independent Configuration FIG. 15 shows the configuration of a wavelength conversion device according to the fourth embodiment of the present invention. The wavelength conversion apparatus of this embodiment is a SHG-SFG multistage in which second harmonic generation (SHG) and sum frequency generation (SFG) are independently performed in multiple stages using a wavelength conversion device having the same configuration as the wavelength conversion device of the first embodiment. It is to realize the law. The wavelength conversion device having the same configuration as that of the first embodiment can be used. However, in the first embodiment, the periodic polarization inversion structure sets the polarization inversion period so that phase matching can be achieved for the second harmonic generation of 1.56 μm. Both the domain-inverted periodic structure QPM1 capable of phase matching for 56 μm second harmonic generation and the domain-inverted periodic structure QPM2 capable of phase matching for sum frequency generation of wavelengths 1.56 μm and 0.78 μm were produced in series. Yes.

図15に示す波長変換装置を用いて、第二高調波発生(SHG)と和周波発生(SFG)を多段に行うSHG−SFG多段法による波長変換実験を試みた。   Using the wavelength converter shown in FIG. 15, a wavelength conversion experiment by the SHG-SFG multistage method in which second harmonic generation (SHG) and sum frequency generation (SFG) are performed in multiple stages was attempted.

励起光として、外部共振器型の半導体レーザK1から出射された1.56μmの光をエルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)K2で増幅し、光サーキュレータK3を通した後に、ダイクロイックミラーK4を通して波長変換導波路K5の入射側より入射する。波長変換導波路K5内での第二高調波発生(SHG)により、1.56μmの半分の波長0.78μmの光が生成される。1.56μmの光と0.78μmの光は波長変換導波路K5から、モード干渉導波路K6に入射される。モード干渉導波路K6内での干渉により1.56μmの光と0.78μmの光は分離され、それぞれ別の出力導波路K8及びK9に導入される。   As pumping light, 1.56 μm light emitted from the external cavity type semiconductor laser K1 is amplified by an erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) K2, passed through an optical circulator K3, and then converted into wavelength by a dichroic mirror K4. Incident from the incident side of the waveguide K5. The second harmonic generation (SHG) in the wavelength conversion waveguide K5 generates light having a wavelength of 0.78 μm, which is half of 1.56 μm. The 1.56 μm light and the 0.78 μm light are incident on the mode interference waveguide K6 from the wavelength conversion waveguide K5. Due to the interference in the mode interference waveguide K6, the 1.56 μm light and the 0.78 μm light are separated and introduced into separate output waveguides K8 and K9, respectively.

出力導波路K7に導入された0.78μmの光は出力側端面に形成された反射膜K9によって反射され、出力導波路K7及びモード干渉導波路K6を折り返し通過し波長変換導波路K5に再び入射される。反射膜K9の反射率は99%と非常に高いため、折り返しによる光の損失はモード干渉導波路K6を往復する際の損失が支配的であるが、モード干渉導波路K6による光過剰損失が非常に小さい損失であるため、往復で2.0dBと非常に小さい損失で光の折り返しを行うことができた。また、この出力導波路K7に漏れこんだ1.56μmの光で反射膜K9で反射されたものは、ドレイン導波路K10から出力される。   The 0.78 μm light introduced into the output waveguide K7 is reflected by the reflective film K9 formed on the output side end face, passes back through the output waveguide K7 and the mode interference waveguide K6, and enters the wavelength conversion waveguide K5 again. Is done. Since the reflectivity of the reflection film K9 is as high as 99%, the loss of light due to folding is dominated by the loss when reciprocating through the mode interference waveguide K6, but the excess optical loss due to the mode interference waveguide K6 is very large. Since the loss is very small, the light can be folded back and forth with a very small loss of 2.0 dB. Further, the 1.56 μm light leaked into the output waveguide K7 and reflected by the reflective film K9 is output from the drain waveguide K10.

出力導波路K8に導入された1.56μmの光は出力側端面に形成された反射防止膜K9と6°カットの端面加工の相乗効果によって反射が抑制される。反射が抑制しきれずに反射してしまった光は出力導波路K8及びモード干渉導波路Y6を折り返し通過し波長変換導波路K5に入射されてしまう成分も存在するが、反射防止膜と斜め端面加工の相乗効果により、反射戻り光量は入射光量に対して−50dBと非常に小さい量であった。また、斜め端面加工による反射防止効果が波長依存性が少ないため、100nm以上の広い帯域に渡って−45dB以上の反射防止効果が得られ、ASE光の反射も十分に抑えることができた。   The reflection of 1.56 μm light introduced into the output waveguide K8 is suppressed by the synergistic effect of the antireflection film K9 formed on the output side end face and the end face processing of 6 ° cut. Although there is a component in which the light reflected without being suppressed is reflected by the output waveguide K8 and the mode interference waveguide Y6 and enters the wavelength conversion waveguide K5, the antireflection film and the oblique end surface processing are present. Because of this synergistic effect, the amount of reflected return light was as small as -50 dB with respect to the amount of incident light. Further, since the antireflection effect by the oblique end face processing has little wavelength dependence, an antireflection effect of −45 dB or more was obtained over a wide band of 100 nm or more, and the reflection of ASE light could be sufficiently suppressed.

さらに出力導波路K8の出力端面側から、波長1.56μmの第二の励起光を入射した。第二の励起光は、モード干渉導波路K6を通過した後、波長変換導波路K5に入射される。波長変換導波路K5内での0.78μmの光との和周波発生(SFG)により、波長0.520μmの波長変換信号光が生成され、ダイクロイックミラーK4を通した後に出力される。本実施形態における構成では、第一の励起光とは独立の別のEDFAK12で第二の励起光を増幅して入力できるため、第一の励起光の第二高調波発生時のパワーの減衰を補うことができ、ハイパワーの第三次高調波発生が可能であった。   Further, second excitation light having a wavelength of 1.56 μm was incident from the output end face side of the output waveguide K8. The second excitation light passes through the mode interference waveguide K6 and then enters the wavelength conversion waveguide K5. Wavelength converted signal light having a wavelength of 0.520 μm is generated by sum frequency generation (SFG) with 0.78 μm light in the wavelength conversion waveguide K5, and is output after passing through the dichroic mirror K4. In the configuration according to the present embodiment, the second excitation light can be amplified and input by another EDFAK 12 independent of the first excitation light, so that the power attenuation when the second harmonic of the first excitation light is generated is reduced. It was possible to compensate, and high power third harmonic generation was possible.

このように本実施形態の波長変換装置の波長変換デバイスによれば、第二高調波発生過程で使用した1.56μm帯の戻り光量を非常に小さい量に抑えることができるので、和周波発生過程は、第二高調波発生過程とは独立した過程とすることができる。   As described above, according to the wavelength conversion device of the wavelength conversion device of the present embodiment, the amount of return light in the 1.56 μm band used in the second harmonic generation process can be suppressed to a very small amount. Can be a process independent of the second harmonic generation process.

図15に示す例では第一の励起光と第二の励起光とを同じ光源から出力しているが、第二の励起光の光源を第一の励起光の光源とは別に用意してもよい。その場合、直列に配列した第二高調波発生に位相整合が取れる分極反転周期構造と和周波数発生に位相整合が取れる分極反転周期構造の特性が一致しない場合に、第二の励起光の光源の波長を変えることにより特性の不一致を補い、高効率に波長変換を行うことができる。   In the example shown in FIG. 15, the first excitation light and the second excitation light are output from the same light source. However, the second excitation light source may be prepared separately from the first excitation light source. Good. In that case, if the characteristics of the domain-inverted periodic structure that can be phase-matched to the second harmonic generation arranged in series and the domain-inverted periodic structure that can be phase-matched to the sum frequency generation do not match, the light source of the second excitation light By changing the wavelength, the mismatch of characteristics can be compensated and wavelength conversion can be performed with high efficiency.

また、和周波数発生に位相整合が取れる分極反転周期構造の反転周期を適当に調整すれば、第二の励起光の波長に第一の励起光の波長とは異なる波長を持つ光を用いることができる。例えば、第4の実施例において、波長1.56μmの第二高調波発生に位相整合が取れる分極反転周期構造と、波長1.57μmと波長0.78μmの和周波数発生に位相整合が取れる分極反転周期構造の両方を直列に作製すれば、最終的に0.521μmの光を生成することができる。このように、非線形効果による各周波数変換過程を独立に起こすことができるため、任意の波長の組み合わせでの変換が容易に可能である。また、第一の励起光と第二の励起光の波長をわざと異なるものにすることで、第二高調波発生や和周波数発生などの非線形効果による各周波数変換の逆過程による、逆周波数変換などを防ぐことができ、ワットクラスのハイパワー出力を行う際に非常に有効な効果を表す。   In addition, if the inversion period of the polarization inversion periodic structure capable of phase matching for sum frequency generation is appropriately adjusted, light having a wavelength different from that of the first excitation light can be used as the wavelength of the second excitation light. it can. For example, in the fourth embodiment, a domain-inverted periodic structure capable of phase matching for second harmonic generation with a wavelength of 1.56 μm, and domain inversion capable of phase matching for sum frequency generation with a wavelength of 1.57 μm and a wavelength of 0.78 μm. If both periodic structures are manufactured in series, 0.521 μm light can be finally generated. Thus, since each frequency conversion process by a non-linear effect can be caused independently, conversion by a combination of arbitrary wavelengths is easily possible. Also, by making the wavelengths of the first excitation light and the second excitation light intentionally different, inverse frequency conversion, etc., due to the inverse process of each frequency conversion due to nonlinear effects such as second harmonic generation and sum frequency generation This is a very effective effect when performing watt-class high power output.

以上説明したように本発明によれば、折り返しに必要な反射機能と、不要な光の戻り光の高い抑制機能と、信号光と励起光の合波機能と、モードフィルタ機能を同一波長変換デバイス上に集積できるため、入力光に対してSHG、DFG、SFGのいずれかの非線形光学変化を多段独立で行うことができるので、実装が容易で光損失が少なく、高パワー入力への耐性が強く、高品質な波長変換が可能なデバイスを小型で低価格に提供することができる。   As described above, according to the present invention, the reflection function necessary for folding, the high suppression function of unnecessary return light, the multiplexing function of signal light and pumping light, and the mode filter function are combined in the same wavelength conversion device. Since it can be integrated on top, non-linear optical changes of SHG, DFG, and SFG can be performed in multiple stages independently with respect to input light, so mounting is easy, optical loss is low, and resistance to high power input is strong Thus, a device capable of high-quality wavelength conversion can be provided in a small size and at a low price.

10、20 :波長変換デバイス
30 :基板
34、115、Y4、W5、Q14,Q24,Q34、Q44、K5 :波長変換導波路
33、Y5、W6、Q19,Q29,Q39、Q49、K6 :モード干渉導波路
31、32、112、113、Y6、Y7、W7、W8、Q16、Q17、Q26、Q27、Q36、Q37、Q46、Q47、K7、K8 :出力導波路
10, 20: Wavelength conversion device 30: Substrate 34, 115, Y4, W5, Q14, Q24, Q34, Q44, K5: Wavelength conversion waveguide 33, Y5, W6, Q19, Q29, Q39, Q49, Q49, K6: Mode interference Waveguide 31, 32, 112, 113, Y6, Y7, W7, W8, Q16, Q17, Q26, Q27, Q36, Q37, Q46, Q47, K7, K8: Output waveguide

Claims (11)

非線形光学媒質と、光合分波器と、第1および第2の出力導波路と、前記第1および第2の出力導波路の出力端部に設けられ、特定の波長帯である第1の波長帯の光に対しては光を反射し、前記第1の波長帯とは異なる波長帯である第2の波長帯の光に対しては光の反射を抑制する光学膜とを備え、
前記非線形光学媒質は、一端から入力された前記第2の波長帯の光から前記第1の波長帯の光を生成して、第1の波長帯の光および第2の波長帯の光を他端から出力し、
前記光合分波器は、前記非線形光学媒質から出力された、前記第1の波長帯の光を前記第1の出力導波路に出力し、前記第2の波長帯の光を前記第2の出力導波路に出力し、
前記第1の出力導波路は、前記第1の波長帯の光を前記光学膜で反射するように前記出力端部が垂直に端面処理されており、前記光学膜で反射された第1の波長帯の光を前記光合分波器に入力し、
前記第2の出力導波路は、前記第2の波長帯の光の前記光学膜での反射が抑制されるように前記出力端部が斜めに端面処理されており、該斜めに端面処理された前記出力端部から信号光を前記光合分波器に入力し、
前記光合分波器は、前記第1の波長帯の光と前記信号光とを前記非線形光学媒質の他端に入力することを特徴とする波長変換デバイス。
A first wavelength which is provided at a nonlinear optical medium, an optical multiplexer / demultiplexer, first and second output waveguides, and output ends of the first and second output waveguides and has a specific wavelength band An optical film that reflects light with respect to light in a band and suppresses reflection of light with respect to light in a second wavelength band that is a wavelength band different from the first wavelength band ;
The nonlinear optical medium generates light of the first wavelength band from light of the second wavelength band input from one end, and outputs the light of the first wavelength band and the light of the second wavelength band. Output from the end,
The optical multiplexer / demultiplexer outputs the light in the first wavelength band output from the nonlinear optical medium to the first output waveguide, and outputs the light in the second wavelength band to the second output. Output to the waveguide,
In the first output waveguide, the output end is vertically end-treated so that light in the first wavelength band is reflected by the optical film, and the first wavelength reflected by the optical film is reflected. The band light is input to the optical multiplexer / demultiplexer,
In the second output waveguide, the output end is obliquely end-treated so that reflection of the light in the second wavelength band on the optical film is suppressed, and the oblique end-face treatment is performed. The signal light is input to the optical multiplexer / demultiplexer from the output end,
The optical multiplexer / demultiplexer inputs the light in the first wavelength band and the signal light to the other end of the nonlinear optical medium .
入力された光に対して、非線形光学効果におけるSHG、DFG、SFGにより、第二高調波光、差周波光、和周波光のいずれかの光を出力する非線形光学媒質と、
前記非線形光学媒質に接続され、前記非線形光学媒質から出力された波長の異なる光に対しモード干渉を利用して分離して出力する合分波器と、
前記合分波器の2つの出力のうちの一方に接続された第1の出力導波路と、
前記合分波器の2つの出力のうちの他方に接続された第2の出力導波路と、
前記2つの出力導波路の出力端部に設けられ、第1の波長帯の光の反射を抑制し、第2の波長帯の光を反射する光学膜とを備え、
前記第1の出力導波路の出力端部が前記第1の出力導波路に対して斜めになるように端面が構成され、前記第2の出力導波路の出力端部が前記第2の出力導波路に対して垂直になるよう端面が構成されることで、前記第1の波長帯の戻り光が前記非線形光学媒質に再び入力されることを防止して、前記第1の出力導波路の出力端部から信号光が入力されたときに、信号光が前記第2の出力導波路で反射された第2の波長帯の光とともに前記非線形光学媒質入力され、前記非線形光学変化とは独立した非線形光学変化を引き起こして出力することを特徴とする波長変換デバイス。
A nonlinear optical medium that outputs any one of the second harmonic light, the difference frequency light, and the sum frequency light by SHG, DFG, and SFG in the nonlinear optical effect with respect to the input light;
A multiplexer / demultiplexer that is connected to the nonlinear optical medium and separates and outputs light of different wavelengths output from the nonlinear optical medium using mode interference;
A first output waveguide connected to one of the two outputs of the multiplexer / demultiplexer;
A second output waveguide connected to the other of the two outputs of the multiplexer / demultiplexer;
An optical film that is provided at an output end of the two output waveguides, suppresses reflection of light in the first wavelength band, and reflects light in the second wavelength band;
The end face is configured so that the output end of the first output waveguide is inclined with respect to the first output waveguide, and the output end of the second output waveguide is the second output guide. By configuring the end face to be perpendicular to the waveguide, it is possible to prevent the return light of the first wavelength band from being input again to the nonlinear optical medium, and to output the first output waveguide. when the signal light from the end portion is inputted, is inputted together with the light in the second wavelength band signal light is reflected by the second output waveguide in said nonlinear optical medium, independent of the said non-linear optical change A wavelength conversion device characterized by causing a nonlinear optical change to output.
前記光合波部の伝播方向における光路長は、前記出力端面で、前記第1の波長の光または第2の波長の光のうち、少なくともいずれか一方の光量が極値となるように設定されていることを特徴とする請求項1または2に記載の波長変換デバイス。   The optical path length in the propagation direction of the optical multiplexing unit is set such that at least one of the light of the first wavelength and the light of the second wavelength has an extreme value at the output end face. The wavelength conversion device according to claim 1, wherein the device is a wavelength conversion device. 前記光合波部の幅は、5μm以上100μm以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の波長変換デバイス。   4. The wavelength conversion device according to claim 1, wherein a width of the optical multiplexing unit is 5 μm or more and 100 μm or less. 5. 前記非線形光学媒質は、LiNbO3、KNbO3、LiTaO3、LiNb(x)Ta(1-x)3(0≦x≦1)、KTiOPO4、または、それらにMg、Zn、Sc、Inからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の波長変換デバイス。 The nonlinear optical medium may be LiNbO 3 , KNbO 3 , LiTaO 3 , LiNb (x) Ta (1-x) O 3 (0 ≦ x ≦ 1), KTiOPO 4 , or Mg, Zn, Sc, and In The wavelength conversion device according to claim 1, comprising at least one selected from the group consisting of additives. 前記非線形光学媒質は、液相エピタキシャル法によって成長された結晶膜であることを特徴とする請求項5に記載の波長変換デバイス。   6. The wavelength conversion device according to claim 5, wherein the nonlinear optical medium is a crystal film grown by a liquid phase epitaxial method. 前記非線形光学媒質は、非線形光学効果を有する第一の基板と、第一の基板に比べ屈折率の小さい第二の基板とを貼り合わせることによって作製された薄膜基板であることを特徴とする請求項5または6に記載の波長変換デバイス。   The non-linear optical medium is a thin film substrate manufactured by bonding a first substrate having a non-linear optical effect and a second substrate having a refractive index smaller than that of the first substrate. Item 7. The wavelength conversion device according to Item 5 or 6. 前記第一の基板は、非線形定数が周期的に反転された構造を有することを特徴とする請求項7に記載の波長変換デバイス。   The wavelength conversion device according to claim 7, wherein the first substrate has a structure in which a nonlinear constant is periodically inverted. 前記第一の基板と前記第二の基板とは、熱処理による拡散接合によって直接貼り合わされていることを特徴とする請求項7または8に記載の波長変換デバイス。   The wavelength conversion device according to claim 7 or 8, wherein the first substrate and the second substrate are directly bonded to each other by diffusion bonding by heat treatment. 請求項1から9のいずれかに記載の波長変換デバイスが同一基板上に複数個集積されていることを特徴とする波長変換デバイス。   A wavelength conversion device, wherein a plurality of wavelength conversion devices according to claim 1 are integrated on the same substrate. 請求項1から10のいずれかに記載の波長変換デバイスと、
前記波長変換デバイスの入力端面に前記入射光を入力する第1のレーザ光源部と、
前記波長変換デバイスの出力端面に前記入射光を入力する第2のレーザ光源部と、前記波長変換デバイスから出力された変換光を分離するフィルタとを備えたことを特徴とする波長変換装置。
The wavelength conversion device according to any one of claims 1 to 10,
A first laser light source unit that inputs the incident light to an input end face of the wavelength conversion device;
A wavelength conversion apparatus comprising: a second laser light source unit that inputs the incident light to an output end face of the wavelength conversion device; and a filter that separates the converted light output from the wavelength conversion device.
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