JP6306941B2 - 波長変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、光通信システムや光計測システムにおいて用いられる線形光学効果を用いた波長変換装置に関する。

光通信における光信号波長変換や光変調、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としては種々の材料が研究開発されており、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）などの酸化物系化合物基板は２次非線形光学定数が非常に高く有望な材料として知られている。このような材料の高い非線形光学特性を利用した光デバイスの一例として、擬似位相整合による第二高調波発生・差周波発生・和周波発生を利用した波長変換素子が知られている。

例えば、２から５μｍの中赤外の波長域には様々な環境ガスの基準振動などに対応する強い吸収線が存在するため、小型の中赤外光源の開発が望まれている。このようなセンシング用の中赤外域の光源は狭線幅であることが必要であり、技術的に成熟された１μｍ付近の励起光源と通信波長帯の信号光を用いる差周波発生が有望だと考えられている。

また、０．５μｍ付近の可視光の波長域には、半導体レーザでは実現の難しい波長域が存在することから、１μｍ付近の励起光源を用いて、第二高調波発生や和周波発生により、緑色光などの可視光の発生を行うことのできる波長変換技術が有望視されている。

近年、結晶のバルクの特性をそのまま利用できることから、ニオブ酸リチウム等の材料で高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計が容易等の特徴を持つリッジ型の光導波路が研究開発されている。二枚の基板を接合して形成された光学素子の一方の基板を薄膜化した後リッジ加工をすることにより、リッジ型の光導波路を形成することができる。

このようにして加工・作製されたニオブ酸リチウム等からなる光導波路は、実験室で用いる場合においては加工した素子（チップ）をそのまま設置して用いることもできるが、装置に組み込む場合や、市販品として出荷する場合には、製品の保護および利便性のために、利用に必要な関連する素子群をモジュールと呼ばれる機能性部品として、一つのパッケージ容器にまとめて封入する実装が行われることが一般的である。

図７（ａ）に、典型的な非線形光学素子を備えた波長変換素子モジュールの構成を示す。図７（ａ）は入力側および、出力側の光ファイバとの接続を容易にするために、入力ポート２０４、出力ポート２０５の各々で光ファイバを用いて結合が可能なファイバピグテール型モジュールの例である。この波長変換素子モジュールは、光導波路素子２０１、光導波路素子温度を制御するペルチェ素子のような温度調節素子、入出力側の光結合に用いる光学レンズ２０３、入出力用光ファイバ２１１、温度調節素子等と電気的に接続するための電極端子２０６、およびこれら素子類を収めるパッケージ容器２０２から構成されている。

図７（ａ）では、光源２１０から入力ポート２０４を経由して光導波路素子２０１の入力端から変換に利用する基本波光を入力し、光導波路素子２０１の出力端から出力された変換光と変換されなかった基本波光とが、出力ポート２０５を経由して出力される。電極端子２０６やパッケージ容器２０２は通常、電気伝導性や熱伝導性に優れた金属材料で作製される。素子の温度を制御する温度調節素子は、例えば光導波路素子２０１の下側に配置され、パッケージの電極端子２０６と電気配線により接続されている。

図８（ａ）、（ｂ）に、変換光として第二高調波を発生する波長変換素子モジュールの模式図を示す。図８（ａ）では、出力側にファイバを用いておらず空間に出力する方式である。利用するのは第二高調波のみであるため、出力側から出力される変換されなかった基本波光をカットするために適切な波長フィルタ２２０を配置している。図８（ｂ）では、出力側にもファイバを用いている方式である。この場合はパッケージの内部に特定の波長のみを反射させるダイクロイックミラー等の波長分離フィルタ２０８を配置して、基本波光を第二高調波とは異なる方向に分離している。図８（ｂ）では、出力ポート２０９に基本波光、出力ポート２０５に第二高調波を出力している。

上述のような構成が波長変換モジュールの基本構成であるが、要求される仕様に応じて構成が変化する。特に、出力光強度を一定にする場合や精密に制御する場合は図８（ａ）、（ｂ）の構成だけでは変換光の出力を制御することができず不十分である。このような場合には、出力をモニタし、フィードバック制御を行う仕組みが必要である。

図９（ａ）、（ｂ）に、従来の波長変換装置において、第二高調波の出力を波長の精密制御により安定化する構成の説明図を示す。本構成では、出力光の第二高調波の一部を、光カプラ等の光分岐手段２１２で分岐して光検出器２１３で受け、その結果をもとに制御部２１４で温度調節器２１５を制御して光導波路素子２０１の温度を調整するものである。ニオブ酸リチウム等の波長変換素子では素子温度を変化させることで材料の屈折率が変化し、出力波長を最大の変換効率を示す波長に変化させることができる。

このような方法により、光導波路素子２０１の使用開始時、または一定時間ごとに、検出される光信号を最大にするように導波路素子温度の調整を行うことで出力光強度の精密制御が可能である。

図９（ｂ）は、光源２１０が波長可変光源である場合において、制御部２１４が光源２１０も制御することで基本波光の波長の制御も併せて行えるようにしたモジュール構成である。

一方で、光導波路素子２０１の温度を制御する以外にも、出力波長および出力光強度を一定とする目的で、光源の出力波長を最大の変換効率を示す波長に一致させる方法も知られている（特許文献１、特許文献２参照）。

特許第３３２９４４６号公報 特許第３５２６２８２号公報 特開２００６−１９６０３号公報

Ａｍｎｏｎ Ｙａｒｉｖ著、多田邦雄・神谷武志共訳、「光エレクトロニクスの基礎」、丸善株式会社、ＰＰ．２４７−２４８

しかしながら、上述のようなフィードバック制御を行うモジュール構成では、出力をモニタするために出力された変換光の一部を分岐する必要があり、その分利用できる出力が弱くなってしまうという課題がある。通常、１：２０程度の分岐比の光カプラを用いて１／２０程度の出力をモニタするが、分岐比を大幅に下げ過ぎるとモニタ光の検出が困難になる。

分岐比を通常よりも低く抑える場合、光アンプを挿入することや、あるいは高感度の検出器を使用することでモニタ光の検出を可能にすることはできるが、モジュールが高価格になるという課題がある。基本波光源に光アンプを挿入するなどして、基本波光の入力パワーを十分大きくできれば、多少の分岐はアンプ出力の調整で補える場合があるが、安価な光アンプが入手できない波長帯も存在する。

また、出力を分岐してモニタする場合でも、出力を最大化するためには基本波光源に変調を加える等の制御が必要となるが、このような制御を行うと線幅が広くなってしまい、狭線幅で高性能の波長変換は実現できないという課題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、非線形光学効果を利用して波長変換を行う波長変換装置において、精密な波長制御を施しても出力の低下が無く、安定した高出力が可能な出力安定化波長変換装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、１以上の基本波光から波長の異なる変換光を発生させる非線形光学素子と、前記非線形光学素子の第１の端面に基本波光を入力するための入力ポートと、前記非線形光学素子の第２の端面から出射された第１の変換光を出力するための第１の出力ポートと、前記非線形光学素子の温度を調整する温度調整手段とを備えた波長変換装置であって、前記第２の端面と前記第１の出力ポートとの間に配置され、前記非線形光学素子の第２の端面から出射された前記基本波光と前記第１の変換光とを分離する第１の波長分離フィルタと、
前記第１の波長分離フィルタで前記第１の変換光と分離された前記基本波光を出力するための入出力ポートと、前記入出力ポートから出力された前記基本波光に位相変調を施して前記入出力ポートに位相変調された基本波光を入力する位相変調手段と、前記第１の端面と前記入力ポートとの間に配置された、前記位相変調された基本波光から発生する第２の変換光と前記位相変調された基本波光とを分離する第２の波長分離フィルタと、前記第２の波長分離フィルタで前記位相変調された基本波光と分離された前記第２の変換光を出力するための第２の出力ポートと、前記第２の出力ポートから出力された前記第２の変換光を検出する光検出器と、前記光検出器によって検出された信号強度変化に基づき前記位相変調手段における位相変調量と前記温度調整手段を制御する帰還回路と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の波長変換装置において、前記帰還回路はさらに基本波光源を制御することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の波長変換装置において、前記非線形光学素子は、前記変換光として第二高調波を発生させることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の波長変換装置において、前記非線形光学素子は、前記変換光として和周波又は差周波を発生させ、前記位相変調手段は、光合分波回路をさらに備え、前記入出力ポートから出力された前記基本波光の内、前記光合分波回路により分離された所定の波長の基本波光に位相変調を施し、位相変調された前記所定の波長の基本波光を含む前記基本波光を前記入出力ポートに入力することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１、２又は４に記載の波長変換装置において、前記位相変調手段は、光サーキュレータと、光位相変調器と、を含み、前記入出力ポートから出力された前記基本波光が前記光サーキュレータを介して前記光位相変調器に入射され、前記光位相変調器において位相変調された前記基本波光が前記光サーキュレータを介して前記入出力ポートに入力されることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１、２又は４に記載の波長変換装置において、前記位相変調手段は、光合分波回路と、光位相変調器と、を含み、前記入出力ポートから出力された前記基本波光が前記光合分波回路を介して前記光位相変調器に入射され、前記光位相変調器において位相変調された前記基本波光が前記光合分波回路を介して前記入出力ポートに入力されることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１、２又は４に記載の波長変換装置において、前記位相変調手段は、反射型光位相変調器であることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の波長変換装置において、前記第１および第２の波長分離フィルタは、誘電体膜を用いたダイクロイックミラーであることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の波長変換装置において、前記非線形光学素子は、周期的に分極反転された二次非線形光学材料からなることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の波長変換装置において、前記非線形光学素子は、リッジ型光導波路であることを特徴とする。

本発明によれば、非線形光学効果を利用して波長変換を行う波長変換装置において、精密制御のために出力を低下させること無く、安定した高出力が可能になる。さらに、特に優れた効果として、長期間出力を安定させながらも狭線幅の波長変換が可能になる。

（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態１に係る出力を安定化した波長変換装置の概略図である。 位相変調を施した光の周波数成分を説明した図である。 （ａ）は、波長変換装置における変換光強度と波長の関係を説明した図であり、（ｂ）は、変換光強度の微分係数に相当する変調成分強度と波長の関係を説明した図である。 本発明の実施形態２に係る出力を安定化した波長変換装置の概略図である。 本発明の実施形態３に係る出力を安定化した波長変換装置の概略図である。 本発明の実施形態４に係る出力を安定化した波長変換装置の概略図である。 （ａ）は、典型的な非線形光学素子を備えた波長変換素子モジュールの構成を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、変換光として第二高調波を発生する非線形光学素子を備えた波長変換素子モジュールの模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、従来の波長変換装置において、第二高調波の出力を波長精密制御により安定化する構成の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１（ａ）、（ｂ）に、本発明の実施形態１に係る出力を安定化した波長変換装置の概略図を示す。

ファイバピグテール型波長変換素子モジュールに搭載された波長変換を行う非線形光学素子１０１は、例えば分極反転構造を施したＺｎドープニオブ酸リチウムからなる導波基板と、Ｍｇドープニオブ酸リチウムからなるベース基板とが直接接合法により貼り合わされた導波路基板を加工して形成されたリッジ型の光導波路とすることができる。この非線形光学素子１０１に１つ以上の基本波光（入力光）を入射することで、波長変換光が出力される。非線形過程としては、第二高調波発生、和周波発生、差周波数発生等が可能である。本実施形態では、効果を最も簡単に記述できる点から第二高調波発生を行う場合を用いて説明するが、それ以外の非線形過程であっても同様に出力安定化が可能である。

上述してきたようにこの非線形光学素子１０１は例えばペルチェ素子のような温度調節素子を介して熱・電気伝導性が高い金属のパッケージ容器１０２に配置されている。このパッケージ容器１０２には温度調節用およびその他の用途のために電極が接続されており、外部との電気的なやりとりが可能となっている。本実施形態では、温度調節用として用いる温度調節素子に接続された４本の電極１０５を示しているが、温度調節以外の用途のための電極を備えることもできる。

非線形光学素子１０１と入ポート１０３、出力ポート１０４、１０９、入出力ポート１０８とは光学レンズを介したレンズ結合となっており、ピグテールによって光ファイバと結合している。出力部では波長分離フィルタとしてダイクロイックミラー１０７を用いて、第二高調波と変換されなかった基本波光の出力を分離しており、図では入出力ポート１０８に基本波光を出力し、第二高調波の出力を出力ポート１０４へ出力する構成としている。非線形光学素子１０１の長さは例えば５０ｍｍであり、パッケージ容器１０２全体の長さは例えば８０ｍｍである。

ここまでは図７および図８で説明してきた構成と同じであるが、以下に本発明の特徴的な構成を述べる。出力側で分離した基本波光の経路に光サーキュレータ１１１を配置する。光サーキュレータ１１１を通過した光は光位相変調器１１２に導入され、位相変調による周波数変調を目的として例えば数ＭＨｚから数１００ｋＨｚ程度の変調速度で位相変調を施される。光位相変調器１１２での変調量は、帰還回路１１４によって制御される。

周波数変調を施された基本波光は光サーキュレータ１１１により、入出力ポート１０８を経由してモジュール内に戻され、ダイクロイックミラー１０７により、再び非線形光学素子１０１に入射される。波長変換を施す非線形光学素子１０１に方向性はないため、出力側から基本波光を入射した場合でも、導波路の終端に相当する元々の入力側から波長変換された光を取り出すことができる。そこで入力側に第二高調波を反射し、基本波光を透過するダイクロイックミラー１０６を配置して、位相変調された基本波光から変換された第二高調波を出力ポート１０９から取り出し、光検出器１１３で検出する。光検出器１１３で光電変換された電気信号が帰還回路１１４に入力され、帰還回路１１４は、周波数変調に対応する成分のみを抽出し、出力される第二高調波の強度が最大になるよう温度調節器１１５を制御する。温度調節器１１５は、温度調節素子に接続された電極１０５への印加電圧を制御して非線形光学素子１０１の温度が制御する。尚、図１（ｂ）のように基本波光の光源１１０が波長可変光源ならば、光源１１０の波長も帰還回路１１４により制御することもできる。

ここで、出力ポート１０４から取り出される変換光を第１の変換光とし、入出力ポート１０８を経由してモジュール内に戻された、位相変調された基本波光から変換された変換光を第２の変換光とする。

入出力ポート１０８から非線形光学素子１０１に戻された基本波光は、ダイクロイックミラー１０６では反射されずに入力ポート１０３に入射することとなる。通常の光源には戻り光を防ぐ光アイソレータが備わっているが、光アイソレータが付属していない光源を用いる場合はこの戻り光が光源に入るのを防止するために光源の手前に光アイソレータを備えても良い。また、本実施形態では波長分離フィルタとしてダイクロイックミラーを用いたが、マルチモード干渉計（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）や方向性結合器を用いた波長分離フィルタを用いても良い。

次にこの装置の動作原理について説明する。

通常は利用されない出力側の基本波光を再利用し、光位相変調器１１２により位相変調を施す。位相変調された光は図２に示されるように、基本波光の周波数である基準周波数の前後の周波数に側帯波と呼ばれる異なる周波数の光波を伴う（非特許文献１参照）。したがって、この位相変調により周波数も変調されることになる。周波数の変調具合は変調強度によって調整できる。

この位相変調および周波数変調を施された光を光サーキュレータ１１１により再びモジュール内へ戻し、非線形光学素子１０１である光導波路によって波長変換を行い、第二高調波を発生させる。この第二高調波を、ダイクロイックミラー１０６を用いることにより出力ポート１０９から取り出し光検出器１１３により検出する。光検出器１１３から出力された検出した第二高調波の強度を表す電気信号を帰還回路１１４内で処理し、光位相変調器１１２における位相変調による周波数変調に対応した信号成分のみを抽出する。

図３（ａ）に、波長変換装置における変換光強度と波長の関係を示す。非線形光学効果による波長変換は、基本波光と変換光の間の位相関係が適切な関係を満たす場合のみ、すなわち位相整合条件を満足する波長でのみ効率の良い変換が行われる。二次の非線形光学効果による第二高調波発生では、変換光強度、すなわち第二高調波強度Ｉは
Ｉ∝ｓｉｎｃ^２（ΔｋＬ／２） （１）
Δｋ＝ｋ_ＳＨ−２ｋ_Ｆ＝ｎ_ＳＨ／λ_ＳＨ−２ｎ_Ｆ／λ_Ｆ （２）
で表される。ｋは光の波数、Ｌは素子長、λは波長、ｎは屈折率、添え字のＳＨは第二高調波、Ｆは基本波を表す。

波長が変わるとΔｋも変化するため、第二高調波強度Ｉは図３（ａ）のような特徴を持つ。波長（周波数）を変調し、その変調に対応した成分を抽出することは、その波長（周波数）における微分係数を得ることに相当するため、帰還回路により変調に対応した成分を抽出すると図３（ａ）を微分した波形である図３（ｂ）が得られる。

図３（ｂ）に、変換光強度の微分係数に相当する変調成分強度と波長の関係を示す。最大の変換効率とは異なる波長においては、微分係数はゼロでない値をとるため、変調に対応する成分がゼロになるように、素子温度、あるいは素子温度と光源波長に帰還をかけることで常に最大の効率をもつ波長変換が実現できる。素子温度の変化で屈折率が変化するとΔｋが変化するため、図３（ａ）および図３（ｂ）の波形が左右にシフトすることになり、第二高調波強度Ｉの調整を行うことができる。

ただし、微分値の最大値および最小値の外側にも微分係数がゼロになる点が存在するため、動作の開始時に温度を大きく変化させて、微分の最大値と最小値の位置関係を把握し、その２点の間のゼロの値を維持できるようにしておく必要がある。

本発明における構成のメリットは次の通りである。

第一点目は普段使用していない出力側の基本波光を再利用するため、出力用の第二高調波をモニタするために分岐する必要が無く、第二高調波を無駄なく、効率的に利用できることである。上述したように通常１／２０程度は分岐する必要があるため、本発明の構成を用いることで出力は５％程度向上する。特に光アンプを用いることが困難な波長帯域の波長変換においてはこの効果は非常に大きいものである。

第二点目は、基本波光の光源に変調を及ぼすなどの影響を与えることなく、常に出力最大化のための制御が可能である点である。従来の方法では、このような出力制御は定常動作に入る前に一度行うだけに留めるか、基本波光の光源に変調を加えて制御を行う必要がある。定常動作前に一度しか位相整合波長に合わせる制御を行わない場合は、長期間の連続使用により徐々に出力波長と位相整合波長にずれが生じ出力が低下する。一方で、基本波光の光源に位相変調を加える制御を行うと、図２に示したように基本波光の波長が必然的に揺らぐため、線幅が太く、狭線幅の高性能レーザ等の実現は困難になる。本発明の構成では、外部出力として取り出す第二高調波を発生させる基本波光とは異なる基本波光に位相変調を加えるために、線幅に影響を与えることなく、常に出力最大化のための制御を行うことができる。

第三点目は基本波光を再び光導波路素子に入力し、第二高調波をモニタすることである。出力側の基本波光を利用して出力を固定する方法は例えば特許文献３に記載されている。しかし、変換効率が低い波長帯で生じるように、出力側の基本波光のパワーが大きな場合には、基本波光の減衰量が少なくなるため、この減衰量を基に最大の変換が起こる波長を割り出し、出力の固定を行うのは困難である。例えば、５ｍＷの基本波光の入力で変換効率が１０００％／Ｗを仮定した場合、第二高調波出力は０．２５ｍＷとなる。基本波光そのものを見る場合は、５％程度の減衰を基に波長を固定する事が必要となり、雑音の状態によっては減衰、すなわち凹みの検出が難しくなる場合がある。その点、本発明の構成では基本波光の減衰量ではなく、ピークを持つ第二高調波の出力値をモニタするために、変換効率が低い場合でもモニタが容易であり、出力を最大化するための波長の調整も容易である。この例では、出力側に出てくる基本波光を用いた２回目の波長変換による第二高調波は０．２３ｍＷ程度となる。これは出力の第二高調波出力とほぼ同程度の値であり、容易にモニタが可能な光強度である。

１．５６μｍの波長の光を基本波光として入力し、第二高調波として０．７８μｍを出力する波長変換装置おいて、例えば２０ｍＷの基本波光の入力で１０ｍＷの第二高調波が発生する場合、従来技術ではモニタ光として５％程度分岐し、分岐後に９．５ｍＷ程度の出力を取り出していた。

これに対し本発明では、出力として１０ｍＷすべてを取り出すことがでる。一方、非線形光学素子を透過して変換されなかった基本波光は１０ｍＷであったが、これを例えば２５００％／Ｗの変換効率を有する非線形光学素子に戻すと、モニタのために再変換された第二高調波出力は入出力損も含めて、およそ２ｍＷであった。これは出力である１０ｍＷの２０％程度の値であり、十分にモニタが可能である。また、本発明では基本波光源には位相変調を加えないため、非常に狭線幅でしかも安価に構成することができる。

（実施形態２）
図４に、本発明の実施形態２に係る出力を安定化した波長変換装置の概略図を示す。本実施形態は、実施形態１においては、出力側の基本波光に変調を加えてモジュールに戻す際に光サーキュレータ１１１を用いていた構成を、光合分波回路の一つである光カプラ１２１を用いて実現したものである。

この光カプラ１２１は３ｄＢカプラと呼ばれるもので、入力を二等分して左右に分岐するものである。分岐した光は右回りおよび左回りにそれぞれ光ファイバを伝搬して位相変調を施された後、再び光カプラ１２１で合波され、モジュールに戻ることになる。合波した時に右回りおよび左回りの光の間で位相差ができないように光路の中間地点に光位相変調器１１２を設置する必要があるが、これを満たせば、実施形態１と同様の機能を持たせることができる。

本実施形態によっても、実施形態１と同様の変換において、出力として１０ｍＷすべてを取り出すことができた。一方、変換されなかった基本波光は１０ｍＷであるが、これを例えば２５００％／Ｗの変換効率を有する非線形光学素子に戻すと、モニタのために再変換された第二高調波出力は入出力損も含めて、およそ２ｍＷであった。これは出力である１０ｍＷの２０％程度の値であり、十分にモニタが可能である。また、本発明では基本波光源には変調を加えないため、非常に狭線幅でしかも安価に構成することができた。

（実施形態３）
図５に、本発明の実施形態３に係る出力を安定化した波長変換装置の概略図を示す。本実施形態は、実施形態１においては、出力側の基本波光に変調を加えてファイバピグテール型波長変換素子モジュールに戻す際に光サーキュレータ１１１を用いていた構成を、反射型の光位相変調器１３１を用いて実現したものである。

この反射型光位相変調器１３１は、端面を鏡面加工した導波路型の位相変調器によって構成されており、導波路の往路および復路共に位相変調を施すことができる変調器である。本実施形態の構成でも、実施形態１と同様の機能を持たせることができる。

本実施形態によっても、実施形態１と同様の変換において、出力として１０ｍＷすべてを取り出すことができた。一方、変換されなかった基本波光は１０ｍＷであったが、これを例えば２５００％／Ｗの変換効率を有する光導波路に戻すと、モニタのために再変換された第二高調波出力は入出力損も含めて、およそ２ｍＷである。これは出力である１０ｍＷの２０％程度の値であり、十分にモニタが可能であった。また、本発明では基本波光源には変調を加えないため、非常に狭線幅でしかも安価に構成することができた。

（実施形態４）
本発明は、第二高調波発生のみならず、変換光の波長と基本波光の波長とが波長分離フィルタで分離できる程度に異なるならば、和周波発生および差周波発生等に適応可能である。以下に、和周波発生および差周波発生に適応した構成を示す。

図６に、本発明の実施形態４に係る出力を安定化した波長変換装置の概略図を示す。本実施形態は、基本波光が２種類ある場合の和周波発生、あるいは差周波発生装置に適応した形態であり、基本波光１の光源１４１−１と基本波光の光源１４１−２とを備えている。基本波光１と基本波光２は、光カプラ１４２−１で合波してファイバピグテール型波長変換素子モジュールに入射される。合波された基本波光は、実施形態１〜３と同様に、非線形光学素子１０１を透過後、ダイクロイックミラー１０７で和周波又は差周波と分離され、入出力ポート１０８から出射される。

基本波光が２種類ある場合でも位相変調を施す基本波は１つで良いため、本実施形態では例えば基本波光１に位相変調を施す構成としている。入出力ポート１０８には分離能力が高い光カプラ１４２−２が接続されており、基本波光１と基本波光２を二光路に分離する。

基本波光１の光路には、光サーキュレータ１１１−１と光位相変調器１１２を配置し、位相変調を施した後入出力ポート１０８からファイバピグテール型波長変換素子モジュールに戻している。一方、基本波光２の光路には、光サーキュレータ１１１−２のみを配置し、位相変調を施さずにそのままファイバピグテール型波長変換素子モジュールに戻している。

非線形光学素子１０１に入射した周波数変調が施された基本波光１および基本波光２により、再び発生した和周波あるいは差周波はダイクロイックミラー１０６により反射されて出力ポート１０９から出射し、光検出器１１３で検出される。

帰還回路１１４は、光位相変調器１１２を制御して和周波発生又は差周波発生の周波数変調に対応した成分のみを抽出し、抽出した成分に基づき和周波発生又は差周波発生を最大化するよう温度調節器１１５、光源１４１−１、１４１−２を制御する。

本実施形態では、１．０６４μｍの波長の光を基本波光１とし、光アンプを用いた１．５５μｍの波長の光を基本波光２として入力し、差周波光である３．４μｍの波長の光を出力する差周波発生装置において、例えば４０ｍＷの基本波光１、および２００ｍＷの基本波光２の入力でおよそ３．２ｍＷの差周波光が発生する場合に、本発明においては出力される差周波光３．２ｍＷすべてを取り出すことができた。また、基本波光源には変調を加えないため、非常に狭線幅でしかも安価に構成することができた。

尚、実施形態２、３の構成に、入出力ポート１０８に分離能力が高い光カプラを接続して位相変換を施す基本波光１と位相変換を施さない基本波光２とに分離し、分離能力が高い光カプラの基本波光２の光路に光カプラや光サーキュレータのみを配置したループ回路を追加することにより、実施形態４と同様に和周波発生および差周波発生に適応した構成とすることができる。

１０１、２０１ 非線形光学素子
１０２、２０２ パケージ容器
１０３、２０４ 入力ポート
１０４、１０９、２０５、２０９ 出力ポート
１０５、２０６ 電極
１０６、１０７、２０８ ダイクロイックミラー
１０８ 入出力ポート
１１０、１４１、２１０ 光源
１１１ 光サーキュレータ
１１２ 光位相変調器
１１３、２１３ 光検出器
１１４、２１４ 帰還回路
１１５、２１５ 温度調節器
１２１、１４２、２１２ 光カプラ
１３１ 反射型光位相変調器
２０３ 光学レンズ
２１１ 光ファイバ
２２０ 波長フィルタ

Claims (10)

1. １以上の基本波光から波長の異なる変換光を発生させる非線形光学素子と、前記非線形光学素子の第１の端面に入射する基本波光を入力するための入力ポートと、前記非線形光学素子の第２の端面から出射された第１の変換光を出力するための第１の出力ポートと、前記非線形光学素子の温度を調整する温度調整手段とを備えた波長変換装置であって、
   前記第２の端面と前記第１の出力ポートとの間に配置され、前記非線形光学素子の第２の端面から出射された前記基本波光と前記第１の変換光とを分離する第１の波長分離フィルタと、
   前記第１の波長分離フィルタで前記第１の変換光と分離された前記基本波光を出力するための入出力ポートと、
   前記入出力ポートから出力された前記基本波光に位相変調を施して前記入出力ポートに位相変調された基本波光を入力する位相変調手段と、
   前記第１の端面と前記入力ポートとの間に配置された、前記位相変調された基本波光から発生する第２の変換光と前記位相変調された基本波光とを分離する第２の波長分離フィルタと、
   前記第２の波長分離フィルタで前記位相変調された基本波光と分離された前記第２の変換光を出力するための第２の出力ポートと、
   前記第２の出力ポートから出力された前記第２の変換光を検出する光検出器と、
   前記光検出器によって検出された信号強度変化に基づき前記位相変調手段における位相変調量と前記温度調整手段を制御する帰還回路と、
   を備えたことを特徴とする波長変換装置。
2. 前記帰還回路はさらに基本波光源を制御することを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
3. 前記非線形光学素子は、前記変換光として第二高調波を発生させることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換装置。
4. 前記非線形光学素子は、前記変換光として和周波又は差周波を発生させ、
   前記位相変調手段は、光合分波回路をさらに備え、前記入出力ポートから出力された前記基本波光の内、前記光合分波回路により分離された所定の波長の基本波光に位相変調を施し、位相変調された前記所定の波長の基本波光を含む前記基本波光を前記入出力ポートに入力することを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換装置。
5. 前記位相変調手段は、
   光サーキュレータと、
   光位相変調器と、
   を含み、前記入出力ポートから出力された前記基本波光が前記光サーキュレータを介して前記光位相変調器に入射され、前記光位相変調器において位相変調された前記基本波光が前記光サーキュレータを介して前記入出力ポートに入力されることを特徴とする請求項１、２又は４に記載の波長変換装置。
6. 前記位相変調手段は、
   光合分波回路と、
   光位相変調器と、
   を含み、前記入出力ポートから出力された前記基本波光が前記光合分波回路を介して前記光位相変調器に入射され、前記光位相変調器において位相変調された前記基本波光が前記光合分波回路を介して前記入出力ポートに入力されることを特徴とする請求項１、２又は４に記載の波長変換装置。
7. 前記位相変調手段は、反射型光位相変調器であることを特徴とする請求項１、２又は４に記載の波長変換装置。
8. 前記第１および第２の波長分離フィルタは、誘電体膜を用いたダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の波長変換装置。
9. 前記非線形光学素子は、周期的に分極反転された二次非線形光学材料からなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の波長変換装置。
10. 前記非線形光学素子は、リッジ型光導波路であることを特徴とする請求項９に記載の波長変換装置。

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