JP7404374B2 - 複数の波を混合することによって光信号の周波数を転換するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の波を混合することによって（たとえば、４波混合を使用して）光信号の周波数を転換（周波数変換）するための方法に関し、また、そのような方法を実施するためのデバイスに関する。

分子分光法の用途は、２μｍ（マイクロメートル）から６μｍの間の範囲にある波長を有する光放射の提供を必要とする。しかし、このスペクトル範囲において動作することができ、これらの用途に必要とされる特徴を有する放射源は、非常に高価であるか、または、入手可能でない。したがって、そのような分光法用途に必要とされる放射を、約１．５５μｍにおいて動作するレーザー供給源から作り出すことが提案されてきた。その理由は、そのようなレーザー供給源が、電気通信用途のために大量に使用されているため、低コストで入手可能であるからである。レーザー供給源によって作り出される光信号（その光信号の波長は、おおよそ１．５５μｍである）は、次いで、周波数変換を受け、所望の用途に関して有用な光信号（たとえば、２μｍ～６μｍのスペクトルバンドにある有用な光信号）を得るようになっている。本明細書の全体を通して、言及される波長は、真空または空気の中の電磁放射の自由空間伝播に関する。考慮される放射が、１つまたは複数の導波路の中を伝播するときには、この放射に関して言及される波長値は、導波路の中のものと同じ周波数を有する放射の波長値であるが、それは、真空または空気の中を自由に伝播するものである。

公知の様式で、有用な光信号を作り出すためのソース光信号の周波数変換は、光カー効果の結果として生じ得る非線形メカニズム（４波混合と呼ばれる）を使用して実施され得る。この目的のために、１つまたは２つの光ポンピング放射が使用され、この（これらの）ポンピング放射の２つの光子を有用信号の光子におよびソース信号の追加的な光子に変換する。２つのポンプ光子が１つの同じ単色放射に属するケースは、縮退のケースと呼ばれ、それは、２つのポンプ光子が異なる波長値を有する非縮退のケースとは対照的である。そのような周波数変換メカニズムは、ほとんどの場合、１つまたは２つのポンピング放射およびソース信号を導波路の中へ同時に注入することによって、ならびに、導波路から有用信号を抽出することによって、この導波路の中で（たとえば、光ファイバーまたは集積導波路の中で）実施される。

しかし、これが起こるためには、非線形４波混合メカニズムは、位相整合関係と呼ばれる関係が満たされることを必要とする。この位相整合関係は、４波混合が起こる導波路の中で有効な伝播定数ｋに適用される。それは、ｋ（λ_{ｐｕｍｐ１}）＋ｋ（λ_{ｐｕｍｐ２}）－ｋ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）－ｋ（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}）＋ε＝０、という形態のものであり、ここで、ｋ（λ_{ｐｕｍｐ１}）およびｋ（λ_{ｐｕｍｐ２}）は、使用される導波路の中の２つのポンピング放射の伝播定数であり、ｋ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）は、この同じ導波路の中のソース信号の伝播定数であり、ｋ（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}）は、同様にこの同じ導波路の中の有用信号の伝播定数である。εは、非線形項であり、一般に非常に弱く、その表現は既知であり、それは、とりわけ、ポンピング放射のパワーに依存する。伝播定数ｋ（λ_{ｐｕｍｐ１}）、ｋ（λ_{ｐｕｍｐ２}）、ｋ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）、およびｋ（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}）は、周波数変換を作り出すために使用される導波路の中の、ポンピング放射、ソース信号、および有用信号の伝播のガイドされる性質を表現している。公知の様式で、ポンピング放射、ソース信号、および有用信号のそれぞれは、そのノーマルモード（固有モードとも称される）にしたがって導波路の中を伝播し、波長の関数としての伝播定数ｋの依存性は、このノーマルモードの分散関係である。また、伝播定数ｋ（λ_{ｐｕｍｐ１}）、ｋ（λ_{ｐｕｍｐ２}）、ｋ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）、およびｋ（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}）のそれぞれの値は、導波路のノーマルモードにしたがって、この導波路のパラメーターに依存し、とりわけ、その幾何学的パラメーターに、および、その構成材料の光学的パラメーターに依存する。次いで、導波路のこれらのパラメーターの値は、ポンピング放射およびソース信号を作り出すためにそれぞれ使用される光供給源のスペクトル範囲の中にあるλ_{ｐｕｍｐ１}、λ_{ｐｕｍｐ２}、およびλ_{ｓｏｕｒｃｅ}の値に関して、ならびに、有用信号に関する所望の用途に適切なλ_{ｕｓｅｆｕｌ}の値に関して、位相整合関係が満たされるように選択されなければならない。縮退したポンピング放射の特定のケースでは、位相整合関係は、２・ｋ（λ_ｐｕｍｐ）－ｋ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）－ｋ（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}）＋ε＝０となり、ここで、λ_ｐｕｍｐは、縮退したポンピング放射の波長である。

しかし、利用可能な導波路のパラメーターの数は、所望の範囲の中のλ_{ｐｕｍｐ１}、λ_{ｐｕｍｐ２}、λ_{ｓｏｕｒｃｅ}、およびλ_{ｕｓｅｆｕｌ}の値に関して、位相整合関係が同時に満たされることを可能にするには不十分である。そのため、とりわけ、非特許文献１において、４波混合によって周波数変換を作り出すために使用される導波路に関して、追加的な導波路に結合することが提案されている。この結合は、伝播定数ｋ（λ_ｐｕｍｐ）、ｋ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）、およびｋ（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}）の少なくともいくつかを修正する。こうして、追加的なパラメーターが、周波数変換が起こる導波路に関係する伝播定数ｋ（λ_ｐｕｍｐ）、ｋ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）、およびｋ（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}）を調節するために利用可能である。これらの追加的なパラメーターは、追加的な導波路に、および、両方の導波路の間に存在する結合に関係する。したがって、関心のλ_ｐｕｍｐ、λ_{ｓｏｕｒｃｅ}、およびλ_{ｕｓｅｆｕｌ}値に関して位相整合関係が平均的に満たされるように、２つの結合された導波路のパラメーターの値を調節することが可能である。

しかし、そのような結合された導波路系において、ソース信号、１つまたは複数のポンピング放射、および有用信号は、それらの伝播の間に、両方の導波路の間で繰り返して交互に、一方の導波路から他方の導波路へ連続的にそれぞれ転送される。したがって、それぞれの信号または放射は、導波路のうちの一方の中に、次いで、他方の中に、交互に含有される。結果として、位相整合関係は、両方の導波路の間での信号／放射のこれらの転送の間に過渡的にのみ満たされる。したがって、有用信号は、導波路の中での放射の伝播の間に、繰り返して、過渡的に出現し、その後に消える。系のパラメーターを適合させることによって、有用信号の強度のそれぞれの再減少を回避することが可能になり、導波路の長手方向の座標に関して平均的に線形に、この強度が増加するようになっている。しかし、導波路の長さを増加させることによっても、特定の用途にとって十分である有用信号の強度をこうして実現することは、依然として不可能である。そのうえ、現在利用可能である光集積回路技術を使用して導波路が作り出されるときには、および、これらの導波路が真っ直ぐになっているときには、それらの長さは、使用される技術のツールによって課せられる光集積回路の最大サイズによって制限される。現状では、この最大サイズは、数センチメートルである。しかし、光集積回路の中で導波路を曲げると、導波路の曲げ場所において、位相整合関係がもはや満たされないことになる。

さらに、複数の結合された導波路に基づく分割デバイスが、一般に使用され、複数の出力同士の間で、そのような分割デバイスの入力において注入される光強度を分配する。これは、異なる用法であり、それは、非線形効果によって作り出される４波混合を伴わない。ほとんどの場合、そのような光強度分割デバイスは、１００μｍ未満の導波路長さを有しており、０．２５μｍ未満の結合された導波路同士の間の分離距離を有している。

Ｉｖａｎ Ｂｉａｇｇｉｏ、Ｖｉｒｇｉｎｉｅ ＣｏｄａおよびＧｅｒｍａｎｏ Ｍｏｎｔｅｍｅｚｚａｎｉ、「Ｃｏｕｐｌｉｎｇ－ｌｅｎｇｔｈ ｐｈａｓｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｆｏｒ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｎ ｐａｒａｌｌｅｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」、Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ ９０、０４３８１６、２０１４年

この状況に基づいて、本発明の目的は、４波混合によって、先行技術のものよりも高い強度を有する有用信号を作り出すことである。とりわけ、本発明の目的は、分光法用途にとって十分な強度を有する有用信号を作り出すことである。

この目的または別の目的を実現するために、本発明の第１の態様は、複数の波の間の非線形相互作用の結果としてこれらの波を混合することによって、有用な光信号を作り出すために、ソース光信号を周波数変換するための新しい方法を提案する。この方法は、少なくとも１つの導波路の中で、少なくとも１つの光ポンピング放射の少なくとも１つの光子から有用信号の少なくとも１つの光子を作り出すステップを含む。光子のこの組み合わせは、位相整合関係にしたがって起こり、位相整合関係は、ソース信号、それぞれのポンピング放射、および有用信号のそれぞれの伝播定数を結び付け、これらの伝播定数は、前記少なくとも１つの導波路の中で有効である。本発明は、波混合に関与する前記少なくとも１つのポンピング放射のいくつかの光子が縮退しているかまたは非縮退であるときに、等しく適用される。

それぞれの導波路は、少なくとも１つの個々のノーマルモード（または、固有モード）を有しており、それは、それぞれ他の導波路とは別個にこの導波路の中を伝播する、ソース信号、少なくとも１つのポンピング放射、および有用信号のそれぞれに関して有効である。加えて、それぞれの導波路は、その個々のノーマルモードにしたがってこの導波路の中を伝播する、ソース信号、それぞれのポンピング放射、および有用信号に関して有効である分散関係を修正する少なくとも１つの個々のパラメーターを有している。そのような個々のパラメーターは、たとえば、導波路の幾何学的パラメーターであることが可能である。

本発明に関して、前記少なくとも１つの導波路は、少なくとも２つの導波路を含み、少なくとも２つの導波路は、ソース信号、それぞれのポンピング放射、および有用信号のそれぞれに関して、それぞれの導波路の個々のノーマルモードが導波路のうちの少なくとも１つの別の導波路の個々のノーマルモードと結合されるように配置されている。

この方法は、ソース信号およびそれぞれのポンピング放射を導波路のうちの少なくとも１つの中へ同時に注入するステップと、これらの導波路のうちの少なくとも１つから有用信号を抽出するステップとを含む。次いで、導波路の個々のノーマルモードのうちの少なくともいくつかが結合されているので、導波路のうちの１つの個々のノーマルモードにしたがって導波路の中の場所において伝播する、ソース信号、それぞれのポンピング放射、および有用信号のそれぞれは、これらの導波路に沿って変化する、導波路のうちのいくつかの間の強度分布を有している。

また、本発明に関して、少なくとも１つの結合パラメーター（たとえば、導波路同士の間の少なくとも１つの分離距離）は、導波路のうちの少なくとも２つの個々のノーマルモードの間に存在する結合の強度を修正する。

次いで、本発明によれば、導波路の個々のパラメーターおよび前記少なくとも１つの結合パラメーターのそれぞれの値は、ソース信号、それぞれのポンピング放射、および有用信号のそれぞれの伝播定数の少なくとも１つのセットに関して、位相整合関係が満たされるように選択され、これらの伝播定数のそれぞれは、導波路のすべての集合的ノーマルモードに関係している。この集合的ノーマルモード（スーパーモードとも呼ばれる）は、ソース信号、それぞれのポンピング放射、または有用信号の伝播に関して有効であり、また、この集合的ノーマルモードにしたがって導波路のすべての中を伝播するソース信号、それぞれのポンピング放射、または有用信号が、導波路に沿って一定である導波路同士の間の強度分布を有するようになっている。

したがって、本発明は、すべての導波路の集合的ノーマルモードに関係する伝播定数に関して、位相整合関係が満たされるように導波路のパラメーターおよびそれぞれの結合パラメーターの値を選択することを提案し、この（これらの）集合的ノーマルモードは、導波路の個々のノーマルモードに関係する伝播定数とは対照的に、ソース信号、それぞれのポンピング放射、および有用信号によって使用されるようになっている。換言すれば、４波混合ケースに関する例として、本発明は、導波路の１つまたは複数の個々のノーマルモードに関係する、非縮退のケースにおけるタイプ、ｋ_{ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ}（λ_{ｐｕｍｐ１}）＋ｋ_{ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ}（λ_{ｐｕｍｐ２}）－ｋ_{ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ}（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）－ｋ_{ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ}（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}）＋ε_{ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ}＝０、または、縮退のケースにおけるタイプ、２・ｋ_{ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ}（λ_ｐｕｍｐ）－ｋ_{ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ}（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）－ｋ_{ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ}（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}）＋ε_{ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ}＝０の位相整合関係の要件を、導波路の１つまたは複数の集合的ノーマルモードに適用される位相整合関係、非縮退のケースにおける、ｋ_{ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ}（λ_{ｐｕｍｐ１}）＋ｋ_{ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ}（λ_{ｐｕｍｐ２}）－ｋ_{ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ}（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）－ｋ_{ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ}（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}）＋ε_{ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ}＝０、または、縮退のケースにおける、２・ｋ_{ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ}（λ_ｐｕｍｐ）－ｋ_{ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ}（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）－ｋ_{ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ}（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}）＋ε_{ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ}＝０に置き換える。

本発明の結果として、複数の波を混合する一般的なケースにおいて、導波路の中でのソース信号、それぞれのポンピング放射、および有用信号の伝播の間に、位相整合関係が継続的に満たされる。この理由のために、有用信号の強度は、導波路の長手方向の座標の関数として急速に増加する。したがって、それは、より高いレベル、とりわけ、分光法において使用されることとなる有用信号にとって十分な強度レベルに到達することが可能である。とりわけカー効果によって作り出されるような４波混合のケースでは、有用信号の強度は、導波路の長手方向の座標の関数として、実質的に２次的に増加する。

好ましくは、本発明において実施される複数の波の混合は、３波混合、４波混合、５波混合、または６波混合であることが可能である。たとえば、３波混合は、２次誘電感受性タイプの非線形相互作用（カイ２乗効果（χ^２）とも呼ばれる）から結果として生じることが可能であり、それは、とりわけ、波がその中を伝播するニオブ酸リチウム材料によって作り出されるようなものである。６波混合は、プラズマ効果タイプの非線形相互作用から結果として生じることが可能である。

とりわけ、本発明の有利な実装形態は、有用信号を作り出すための４波混合プロセスに対応することが可能である。たとえば、そのような４波混合は、カー効果から結果として生じることが可能である。このケースでは、有用信号の光子は、少なくとも１つのポンピング放射の２つの光子から、ソース信号の追加的な光子と共に作り出される。

好ましくは、混合における波の数、および、必要に応じて縮退でも非縮退でもよいポンピング放射の数に関係なく、本発明に関して使用される導波路は、光集積回路の中に形成され得る。次いで、それらは、光信号および光放射に関して閉じ込め効率を作り出し、それは、光ファイバー技術を使用して実現され得るものよりも高い。次いで、光集積回路技術を使用するこれらの導波路は、ガイドされる伝播のノーマルモードにとって顕著である強度の損失を引き起こすことなく、湾曲していることが可能である。このケースでは、本発明に関して使用される導波路は、互いに平行になっており、光集積回路の少なくとも１つの部分の中に並んで配置され得る。それらの蛇行配置または螺旋配置は、それらが光集積回路の中に製造されることを可能にし、その寸法は、利用可能な産業用ツールと互換性がある。

依然として、光集積回路の一部である導波路を参照すると、これらの導波路のうちの少なくとも２つは、湾曲しており、これらの少なくとも２つの導波路によって共有されるベンドにおいて平行になっていることが可能である。したがって、これらの導波路は、ベンドにおいて異なるそれぞれの曲率を有している。そのようなケースでは、本発明の改善によれば、２つの導波路のそれぞれの個々のパラメーターのうちの少なくともいくつかは、ベンドにおいてある値を有することが可能であり、有用信号、それぞれのポンピング放射、およびソース信号の中からの少なくとも１つのおよび同じ信号または放射の２つの部分が、ベンドにおいて湾曲した導波路に対してそれぞれ垂直である半径方向に沿って同相のままであるようになっており、２つの部分のうちの一方は、その個々のノーマルモードにしたがって、湾曲した導波路のいずれかの中を伝播し、２つの部分のうちの他方は、これらの湾曲した導波路のうちの別の導波路の中を伝播する。次いで、湾曲した導波路の中を伝播する、有用信号の一部、ポンピング放射の一部、または、ソース信号の一部は、ベンドにおける導波路の長手方向の座標に関して正確に１次までまたは１次までも、ベンドに沿って互いに同相のままである。したがって、有用信号を作り出すための複数波混合の効率を低下させることなく、導波路を折り畳むことが可能である。

依然として、光集積回路技術を使用する本発明の実装形態に関して、導波路は、１ｍｍ（ミリメートル）から１００ｍｍの間の範囲にあるそれぞれの長さを有することが可能であり、隣接している導波路の任意の２つは、それらの間に分離距離を有することが可能であり、分離距離は、この距離が２つの隣接している導波路に対して垂直に測定されるときに、０．１２５μｍから３μｍの間の範囲にある。

光集積回路技術の共通の変形例によれば、それぞれの導波路は、ケイ素（Ｓｉ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、または窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）から選択される材料から作製され得、石英基板（ＳｉＯ_２）の上に形成され得、したがって、それぞれの導波路のためのシースとして作用するシリカ層（ＳｉＯ_２）の中に埋め込まれ得る。他の光集積回路技術では、それぞれの導波路の基板および／またはシースは、代替的に、有用信号、それぞれのポンピング放射、およびソース信号の波長に関して、２．００未満の屈折率値を有する任意の誘電材料から作製され得る（ポリマー材料または空気を含む）。

一般に、以下の追加的な特徴が、別個に、または、それらのうちのいくつかを一緒に組み合わせることによって、本発明の好適な改善または実施形態のために再現され得る。
－ 本発明方法は、２つから５つの導波路を使用することが可能であり、導波路は、それぞれのソース信号、それぞれのポンピング放射、および有用信号に関して、これらの導波路のそれぞれの個々のノーマルモードが導波路のうちの少なくとも１つの別の導波路の個々のノーマルモードと結合されるように配置されている。しかし、とりわけ好適な構成は、２つの導波路を含み、これらの２つの導波路のうちの一方の個々のノーマルモードは、それぞれのソース信号、それぞれのポンピング放射、および有用信号に関して、２つの導波路のうちの他方の個々のノーマルモードと結合されている。
－ 複数のポンピング放射が位相整合関係に関与しているときには、これらは、同一の波長値を有することが可能である。換言すれば、それらは、縮退していることが可能である。したがって、λ_{ｐｕｍｐ１}＝λ_{ｐｕｍｐ２}が可能であり、カー効果から結果として生じ得る４波混合のケースに関して、さらに好適である。
－ それぞれの導波路は、とりわけ、ポンピング放射に関して、単一の個々のノーマルモードのみを有することが可能であり、信号または放射の電界は、主に、導波路の並置平面に対して垂直になっている。そのような個々のノーマルモードは、一般に、横方電気偏光モードと呼ばれ、導波路は、シングルモード導波路と呼ばれる。
－ 導波路のうちのいくつかのそれぞれの個々のノーマルモードは、それらの個々のノーマルモードにしたがってこれらの導波路の中を伝播する放射によって発生させられるエバネッセント波の重なりによって、一緒に結合され得る。
－ それぞれの導波路の前記少なくとも１つの個々のパラメーターは、この導波路の断面の少なくとも１つの寸法を含むことが可能である。
－ 導波路同士の間の前記少なくとも１つの結合パラメーターは、導波路のうちの２つの間の少なくとも１つの分離距離を含むことが可能である。
－ いくつかの導波路が、湾曲しており、これらの導波路によって共有されるベンドにおいて平行になっているときには、ベンドにおける導波路のそれぞれの曲率半径の平均値は、１０μｍから１ｍｍの間の範囲にあることが可能である。
－ 導波路の個々のパラメーターおよび前記少なくとも１つの結合パラメーターの値は、有利には、さらに、位相整合関係がソース信号の中心波長値の周りにおいてソース信号の波長に関してほぼ２次まで満たされるように選択され得る。
－ ソース信号は、このソース信号の少なくとも１つの部分を含有するスペクトル範囲において、任意の形状（とりわけ、櫛形状のスペクトル）をとるスペクトルを有することが可能である。このケースでは、とりわけ、このソース信号の中心波長値の周りにおいて、ソース信号の波長に関してほぼ２次まで位相整合関係が満たされるように、導波路の個々のパラメーターおよび前記少なくとも１つの結合パラメーターの値を選択することは、とりわけ有利である。
－ 導波路のうちの同じ導波路の２つの対向する端部は、光信号および放射を再循環させるためのループを形成するために、互いに接続され得る。本発明にしたがって作り出される有用信号の強度は、こうしてさらに高くなることが可能である。
－ ソース信号は、１．３μｍから１．８μｍの間、好ましくは、１．５μｍから１．６μｍの間の範囲にある波長を有する少なくとも１つのスペクトル成分から構成され得る。
－ それぞれのポンピング放射は、レーザー放射であることが可能であり、その波長は、１．２μｍから２．６μｍの間、好ましくは、１．７μｍから２．１μｍの間の範囲にある。
－ 有用信号は、２μｍから６μｍの間、好ましくは、２．２μｍから４．５μｍの間の範囲にある波長を有する少なくとも１つの他のスペクトル成分から構成され得る。
－ 有用信号は、分光法用途のために、とりわけ、分子分光法の用途のために使用され得る。

また、場合によっては、本発明の方法は、複数の波の間の非線形相互作用の結果としてこれらの波を混合することによって、複数の異なる有用な光信号（とりわけ、２つの異なる有用な光信号）を作り出すために使用され得る。このケースでは、方法は、少なくとも１つの導波路の中で、少なくとも１つの光ポンピング放射の少なくとも１つの光子から、ソース信号の少なくとも１つの追加的な光子と共に、有用信号のそれぞれの少なくとも１つの光子を同時に作り出すステップを伴い、そのステップは、少なくとも１つの導波路において有効である、ソース信号、前記少なくとも１つのポンピング放射、およびそれぞれの有用信号のそれぞれの伝播定数を結び付ける位相整合関係にしたがっている。

本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様による方法を実施するのに適した光デバイスを提案する。

そのようなデバイスは、複数の導波路を含み、複数の導波路は、それぞれ他の導波路とは別個にこの導波路の中を伝播する光放射に関して有効である少なくとも１つの個々のノーマルモードをそれぞれ有している。そのうえ、それぞれの導波路は、その個々のノーマルモードにしたがってこの導波路の中を伝播するそれぞれの放射に関して有効である分散関係を修正する少なくとも１つの個々のパラメーターを有している。

デバイスの導波路は、導波路のそれぞれの個々のノーマルモードが導波路のうちの少なくとも１つの別の導波路の個々のノーマルモードと結合されるように配置されている。したがって、導波路の個々のノーマルモードのうちの少なくともいくつかが結合されているので、これらの導波路のうちの１つの個々のノーマルモードにしたがって導波路の中の場所において伝播するそれぞれの放射は、導波路を通じて変化する導波路のうちのいくつかの間の強度分布を有している。

本発明に関して、デバイスは、少なくとも１つの結合パラメーターが導波路のうちの少なくとも２つの個々のノーマルモードの間に存在する結合の強度を修正するようになっている。

次いで、本発明によれば、導波路の個々のパラメーターおよび前記少なくとも１つの結合パラメーターのそれぞれの値は、本発明の第１の態様による方法がデバイスを使用して実施され得るようになっている。換言すれば、導波路の個々のパラメーターおよび前記少なくとも１つの結合パラメーターのこれらの値は、デバイスの導波路のすべての少なくとも１つの集合的ノーマルモードにしたがって導波路の中をそれぞれ伝播する、ソース信号、少なくとも１つのポンピング放射、および有用信号に関して、４波混合プロセスの位相整合関係が満たされるようになっている。

本発明の特徴および利点は、添付の図を参照して、非限定的な実施形態の以下の詳細な説明から、より明確に明らかになることとなる。

単一の導波路を備えた光集積回路の斜視図である。 本発明において使用されるような、複数の導波路を備えた光集積回路に関して、［図１ａ］に対応する図である。 ノーマルモード伝播定数に対する２つの導波路の間の結合効果を概略的に示す図である。 本発明の効率を示す有用信号強度図である。 最適化された局所的構成を有する、本発明による光デバイスの一部分の面内図である。 本発明の好適な実施形態の面内図である。

明確化のために、これらの図に示されている要素の寸法は、実際の寸法にも実際の寸法比にも対応していない。加えて、異なる図に示されている同一の参照記号は、同一であるかまたは同一の機能を有する要素を示している。

さらに、本発明は、カー効果から結果として生じるものなどのような４波混合のケースについて、および、本明細書の一般的部分の表記法を使用して、λ_{ｐｕｍｐ１}＝λ_{ｐｕｍｐ２}＝λ_ｐｕｍｐである縮退したポンピング放射のケースについて、以降で説明される。しかし、当業者は、発明的な技能を使うことなく縮退していないポンピング放射のケースにこの説明を適用することができ、また、異なる波混合プロセスを作り出す非線形相互作用のケースにこの説明を適用することができるだろう。

［図１ａ］は、光集積回路の中に作り出される導波路を示しており、その構造は、本発明を実施するために使用され得る。参照記号１０は、光集積回路の基板（たとえば、石英基板）を示しており、参照記号１は、導波路を示しており、参照記号１１は、導波路１のコーティング層を示している。導波路１は、導波路コアによって形成され得、導波路コアは、この導波路の中に閉じ込められることを意図した光放射のために、基板１０の光屈折率および層１１の光屈折率よりも大きい光屈折率を有する材料から作製されている。導波路１の材料は、非限定的な例として、ケイ素（Ｓｉ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、または窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）であることが可能である。導波路１と基板１０および層１１の材料との間の屈折率値の差に起因して、導波路１によってガイドされる放射に関して、十分な閉じ込め効率が得られ、この導波路が、強度の損失（それは、それぞれのガイドされる放射にとって有害である）を引き起こすことなく、可変の曲率を有することができるようになっている。公知の様式で、そのような導波路１は、１つまたは複数のノーマルモードを有しており、ノーマルモードは、この導波路に沿ったそれぞれの光放射の伝播に有効である。次いで、それぞれのノーマルモードは、分散関係ｋ_１（λ）を有しており、分散関係ｋ_１（λ）は、このノーマルモードにしたがって導波路１によってガイドされるような放射の伝播定数ｋ_１を、放射が真空または空気の中を伝播するときのこの放射に関する波長値λと結び付ける。注として、λ＝２πＣ／ｆであり、ここで、Ｃは、真空中での光速であり、ｆは、放射の周波数であり、それは、この放射が真空の中を伝播するときと、この放射が導波路１によってガイドされる様式で伝播するときとで、同一である。さらなる公知の様式で、ノーマルモードのそれぞれの分散関係ｋ_１（λ）は、また、導波路１のパラメーター、たとえば、この導波路の高さｈ_１および幅Ｌ_１に依存している。一般に、高さｈ_１は、０．２２μｍまたは０．３４μｍであることが可能であり、幅Ｌ_１は、以降に言及されることとなる波長値に関して、数マイクロメートルのオーダーのものであることが可能である。要件または限定ではないが、それぞれの導波路はシングルモード導波路であるということが想定され得る。最後に、さらなる公知の様式で、導波路１によってガイドされる様式で（すなわち、その長手方向ｘに沿って）伝播する放射は、同時に、この方向ｘに進行波構造を有しており、導波路１の外側において、方向ｘに対して垂直な平面の中でエバネッセント波構造を有している。そのようなノーマルモードは、導波路１の個々のノーマルモードと称されている。

［図１ｂ］は、本発明に関して使用され得るものなどのような、光集積回路を示している。それは、基板構造体１０およびコーティング層１１を有しており、コーティング層１１は、［図１ａ］のコーティング層１１と同様であるが、基板１０の表面の上に並置されている複数の導波路を含む。非限定的な様式で、および、以下の説明を明確にするために、回路は２つだけの導波路１および２を含むということが想定されることとなる。２つの導波路のこのケースにおいて提供される説明に照らして、当業者は、その特徴を任意の数の結合された導波路に一般化することができるだろう。ｈ_１およびＬ_１は、それぞれ、導波路１の高さおよび幅を示しており、ｈ_２およびＬ_２は、それぞれ、導波路２の高さおよび幅を示しており、Ｗは、それらの間の分離距離を示している。２つの導波路１および２は、実質的に平行になっており、これらの導波路に対して垂直な平面の中で隣接しているということが想定される。ｘは、２つの導波路の共通の長手方向の座標である。したがって、それぞれの導波路は、座標ｘの値０からＬの間で延在している。典型的に、Ｌは、５ｍｍから１００ｍｍの間の範囲にあることが可能である。

分離距離Ｗが、導波路１および２のうちの少なくとも１つの個々のノーマルモードのエバネッセント横断方向延在のオーダー以下であるときには、２つの導波路の個々のノーマルモード同士の間の結果として生じる重なりが、これらのノーマルモードの間の結合を作り出す。この結合は、分離距離Ｗが短いときに、さらにより強くなる。典型的に、Ｗは、０．１２５μｍから３μｍの間の範囲にあることが可能である。

実際に、これまでに説明されているような２つの導波路１および２の個々のノーマルモード（それぞれが、２つの導波路のうちの一方にのみ閉じ込められている放射に対応している）は、もはや、結合された両方の導波路のセットに関してノーマルモードではない。次いで、２つの導波路のうちの一方に注入される放射は、長手方向ｘへのその伝播の間に、一方の導波路から他方の導波路へ振動することとなる。結果として、非線形効果（たとえば、光カー効果など）は、座標ｘと共に実質的に周期的に変化する範囲においてのみ起こることが可能である。この非線形効果によって発生させられる放射は、次いで、制限されたままの平均強度を有している。ｘの関数としてｈ_１、Ｌ_１、ｈ_２、Ｌ_２、およびＷの値を変化させることによって、２つの導波路１および２の個々のノーマルモードの分散関係を局所的に修正することが可能であり、非線形効果によって作り出される放射が徐々に蓄積するようになっている。したがって、その強度は、ｘの関数として、平均して線形に増加することが可能である。しかし、非線形効果によって発生させられる放射の強度のそのような線形増加は、多くの用途にとって不十分なままである。

次いで、本発明は、それぞれの導波路１および２のパラメーターの、ならびに、結合パラメーターの新たな設定を提案し、それは、非線形効果によって作り出される放射の強度をより速く増加させる。

本発明によれば、ｈ_１、Ｌ_１、ｈ_２、Ｌ_２、およびＷの値は、非線形効果と結合された導波路のすべてのノーマルモードの伝播定数との位相整合関係を満たすように選択される。結合された導波路のすべてのこれらのノーマルモードは、結合された導波路の集合的ノーマルモードと称されている。したがって、位相整合関係に関して使用されるそれぞれの伝播定数は、これらの集合的ノーマルモードのうちの１つのものである。

［図２］は、［図１ｂ］に示されているように、導波路１および２の両方のケースにおいて、導波路同士の間の結合によって作り出される分散関係の修正を図示している。簡単にするために、これらの２つの導波路が同一であるということも想定される。したがって、とりわけ、ｈ_１＝ｈ_２およびＬ_１＝Ｌ_２である。当業者は、依然として、３つ以上の導波路を含む結合された導波路のセットに、および、導波路が異なっている可能性のあるケースに、提示された原理を拡張することができることとなる。［図２］の図の縦座標軸は、波長λの放射に関する有効伝播定数値ｋ（λ）を示している。続いて、この波長λは、代替的に、ソース信号、ポンピング放射、または有用信号の波長であることとなる。図の横座標軸は、導波路１と導波路２との間の結合の強度を示しており、それは、Ｍと示されている。この結合強度Ｍは、２つの導波路１および２の間の分離距離Ｗの減少関数である。結合がない場合（Ｍ＝０）、２つの伝播定数ｋ_１（λ）およびｋ_２（λ）は、シングルモード導波路であると想定される２つの導波路１および２のそれぞれの個々のノーマルモードに別個に関係しており、２つの伝播定数ｋ_１（λ）およびｋ_２（λ）は等しく、ｋ_１（λ）＝ｋ_２（λ）。結合強度Ｍが増加すると、縮退抑圧が起こり、以下の２つの集合的なノーマル状態を生成させ、それぞれが、導波路１および２のペアに関係している。すなわち、偶数の集合的なノーマル状態（偶数の集合的なノーマル状態に関して、電界は、両方の導波路の中で対称的に分配されている）および奇数の集合的なノーマル状態（奇数の集合的なノーマル状態に関して、電界は、両方の導波路の中で非対称的に分配されている）である。偶数の集合的なノーマル状態の伝播定数は、ｋ_ｅｖｅｎ（λ）であり、奇数の集合的なノーマル状態の伝播定数は、ｋ_ｏｄｄ（λ）である。これらが２つの導波路のセットの集合的なノーマル状態であることを所与として、これらの集合的ノーマルモードのいずれかにしたがって導波路１および２のペアによってガイドされる様式で座標ｘに沿って伝播する放射は、非線形効果がない場合に、ｘの関数として一定である強度を有している。

非線形効果、たとえば、光カー効果は、有用な光信号を作り出すために使用され、同時に、光ポンピング放射の２つの光子から、この有用信号の光子、および、ソース光信号の光子を作り出す。ソース信号およびポンピング放射は、導波路１および２の中へ注入され、または、少なくともそれらのうちの一方の中へ注入され、また、それらが長手方向の座標ｘに沿って伝播するときに、ポンピング放射の強度は減少し、一方、ソース信号および有用信号の強度は増加する。目標は、この有用信号の強度がｘ＝０においてゼロである状態で、ｘ＝Ｌにおいて有用信号に関して十分な強度を実現することである。非線形効果が起こることを保証するために、位相整合関係が検証されなければならず、それは、ソース信号の伝播定数、ポンピング放射の伝播定数、および、有用信号の伝播定数を結び付ける。この位相整合関係は、以下の形態のものである。すなわち、２・ｋ（λ_ｐｕｍｐ）－ｋ（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}）－ｋ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）＋ε＝０、であり、ここで、λ_ｐｕｍｐは、ポンピング放射の真空の中での自由空間伝播波長であり、λ_{ｕｓｅｆｕｌ}は、有用信号の真空の中での自由空間伝播波長であり、λ_{ｓｏｕｒｃｅ}は、ソース信号の真空の中での自由空間伝播波長であり、εは、低い値の非線形項であり、その表現は、公知である。本発明によれば、この位相整合関係の中へ導入されることとなる伝播定数ｋ（λ_ｐｕｍｐ）、ｋ（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}）、およびｋ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）の値は、結合された導波路の集合的ノーマルモードにそれぞれ関係している。しかし、この集合的ノーマルモードは、ソース信号、ポンピング放射、および有用信号からの任意の２つの間で同じでない可能性がある。したがって、［図１ｂ］および［図２］の２つの結合された導波路のケースに関して、以下の組み合わせが、本発明にしたがって可能である。
２・ｋ_ｏｄｄ（λ_ｐｕｍｐ）－ｋ_ｏｄｄ（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}）－ｋ_ｏｄｄ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）＋ε＝０
２・ｋ_ｅｖｅｎ（λ_ｐｕｍｐ）－ｋ_ｏｄｄ（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}）－ｋ_ｏｄｄ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）＋ε＝０
２・ｋ_ｏｄｄ（λ_ｐｕｍｐ）－ｋ_ｅｖｅｎ（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}）－ｋ_ｅｖｅｎ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）＋ε＝０
２・ｋ_ｅｖｅｎ（λ_ｐｕｍｐ）－ｋ_ｅｖｅｎ（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}）－ｋ_ｅｖｅｎ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）＋ε＝０
ｋ_ｏｄｄ（λ_ｐｕｍｐ）＋ｋ_ｅｖｅｎ（λ_ｐｕｍｐ）－ｋ_ｅｖｅｎ（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}）－ｋ_ｏｄｄ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）＋ε＝０
ｋ_ｏｄｄ（λ_ｐｕｍｐ）＋ｋ_ｅｖｅｎ（λ_ｐｕｍｐ）－ｋ_ｏｄｄ（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}）－ｋ_ｅｖｅｎ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）＋ε＝０
本発明による有用信号を作り出すために、これらの関係のうちの少なくとも１つが、有用信号の企図された用途に関して望まれるスペクトル範囲の中のλ_{ｕｓｅｆｕｌ}の少なくとも１つの値に関して満たされるべきであり、また、採用されなければならないλ_{ｓｏｕｒｃｅ}の少なくとも１つの値およびλ_ｐｕｍｐの少なくとも１つの値に関して満たされるべきである。値λ_{ｕｓｅｆｕｌ}、λ_{ｓｏｕｒｃｅ}、λ_ｐｕｍｐのそのようなトリプレットの存在は、ｋ_ｏｄｄ（λ）およびｋ_ｅｖｅｎ（λ）分散関係のそれぞれを構成する、ｈ_１、Ｌ_１、ｈ_２、Ｌ_２、およびＷに関する値の適切な選択によって提供され、ここで、λは、依然として、一般的に、波長λ_{ｕｓｅｆｕｌ}、λ_{ｓｏｕｒｃｅ}、およびλ_ｐｕｍｐのうちの１つを示している。ｈ_１、Ｌ_１、ｈ_２、Ｌ_２、およびＷのこれらの値は、ｋ_ｏｄｄ（λ，ｈ_１，Ｌ_１，ｈ_２，Ｌ_２，Ｗ）およびｋ_ｅｖｅｎ（λ，ｈ_１，Ｌ_１，ｈ_２，Ｌ_２，Ｗ）関数から、デジタル計算を使用して発見し得る。解を見つけるための可能な方法によれば、関数ｆ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）＝２・ｋ_ｏｄｄ（λ_ｐｕｍｐ，ｈ_１，Ｌ_１，ｈ_２，Ｌ_２，Ｗ）－ｋ_ｏｄｄ（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}，ｈ_１，Ｌ_１，ｈ_２，Ｌ_２，Ｗ）－ｋ_ｏｄｄ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}，ｈ_１，Ｌ_１，ｈ_２，Ｌ_２，Ｗ）＋εは、λ_ｐｕｍｐ、λ_{ｕｓｅｆｕｌ}、ｈ_１、Ｌ_１、ｈ_２、Ｌ_２、およびＷの値が固定された状態で、λ_{ｓｏｕｒｃｅ}の関数としてプロットされ得、ソース信号に関して利用可能であることとなる放射放出ユニットに対応するλ_{ｓｏｕｒｃｅ}の値の存在に関して探索され、それに関して、この関数ｆ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）が打ち消される。その後、この探索は、すべて可能であるいくつかの位相整合関係の解を得るために上記に言及されているように、λ_ｐｕｍｐ、λ_{ｕｓｅｆｕｌ}、ｈ_１、Ｌ_１、ｈ_２、Ｌ_２、およびＷの他の値に関して、また、ソース信号、ポンピング放射、および有用信号の間の奇数のおよび偶数の集合的ノーマルモードの組み合わせのそれぞれに関して再開される。解はこうして発見され得、それによって、λ_{ｓｏｕｒｃｅ}は、１．３μｍから１．８μｍの間の範囲にあり、好ましくは、１．５μｍから１．６μｍの間の範囲にある。そのような値は、電気通信用途に関して一般に使用されるレーザー放出供給源に対応している。λ_ｐｕｍｐは、ツリウムがドープされたファイバーレーザー放出供給源に対応して、１．２μｍから２．６μｍの間、好ましくは、１．７μｍから２．１μｍの間の範囲にあることが可能である。最後に、λ_{ｕｓｅｆｕｌ}は、２μｍから６μｍの間、好ましくは、２．２μｍから４．５μｍの範囲にあることが可能であり、たとえば、分子分光法の用途に適するようになっている。この目的のために、０．２２μｍまたは０．３４μｍに等しい共通の値は、導波路１および２の高さｈ_１およびｈ_２に割り当てられ得、分離距離Ｗは、０．１２５μｍから３μｍの間の範囲にあることが可能である。Ｌ_１およびＬ_２は、同一であることが可能であり、０．３７０μｍから２．１０μｍの間の範囲にあることが可能である。

実際には、等式２・ｋ_ｏｄｄ（λ_{ｐｕｍｐ，}ｈ_１，Ｌ_１，ｈ_２，Ｌ_２，Ｗ）－ｋ_ｏｄｄ（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}，ｈ_１，Ｌ_１，ｈ_２，Ｌ_２，Ｗ）－ｋ_ｏｄｄ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}，ｈ_１，Ｌ_１，ｈ_２，Ｌ_２，Ｗ）＋ε＝０は、単純に、不等式２・ｋ_ｏｄｄ（λ_ｐｕｍｐ，ｈ_１，Ｌ_１，ｈ_２，Ｌ_２，Ｗ）－ｋ_ｏｄｄ（λ_{ｕｓｅｆｕｌ}，ｈ_１，Ｌ_１，ｈ_２，Ｌ_２，Ｗ）－ｋ_ｏｄｄ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}，ｈ_１，Ｌ_１，ｈ_２，Ｌ_２，Ｗ）＜π／Ｌ、と置き換えることができ、それぞれの他の位相整合等式に関しても同様であり、ここで、Ｌは、依然として、長手方向の座標軸ｘに沿った２つの導波路１および２の共通の長さを示している。これらの位相整合不等式のそれぞれは、総称的に、以降では、Δｋ_{ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ}＜π／Ｌとして示されており、ソース信号、ポンピング放射、および有用信号の間の奇数のおよび偶数の集合的ノーマルモードのすべての組み合わせを指す。したがって、非線形項εは、計算する必要はなく、集合的ノーマルモードｋ_ｏｄｄ（λ）およびｋ_ｅｖｅｎ（λ）の分散関係の知識は十分である。

［図３］は、長手方向の座標ｘの関数として、集合的ノーマルモードのうちの１つに関する有用信号の強度Ｉ_{ｕｓｅｆｕｌ}の変化を示している（実線の曲線）。この変化は、実質的に２次タイプのものであり、有用信号を高い強度で得ることを可能にする。したがって、有用信号の強度は、長手方向の座標ｘの関数として、飽和値（図示せず）まで急速に増加する。たとえば、数十ミリワットよりも大きいＩ_{ｕｓｅｆｕｌ}の値を、Ｌ＝１００ｍｍに関して得ることができる。ほとんどの場合、企図される用途に関して十分なＩ_{ｕｓｅｆｕｌ}の値を得るために、Ｌは、５ｍｍよりも大きい。比較として、［図３］の中の破線の曲線は、導波路１および２の個々のノーマルモードの分散関係、すなわち、ｋ_１（λ，ｈ_１，Ｌ_１，ｈ_２，Ｌ_２，Ｗ）またはｋ_２（λ，ｈ_１，Ｌ_１，ｈ_２，Ｌ_２，Ｗ）を使用することによって位相整合関係が満たされるように、ｈ_１、Ｌ_１、ｈ_２、Ｌ_２、およびＷの値が選択されるときにたかだか得られ得る強度Ｉ_{ｕｓｅｆｕｌ}に対応している。

いくつかの用途は、有用信号が複数のスペクトル成分（たとえば、平均波長値λ_{ｕｓｅｆｕｌ＿ａｖｅｒａｇｅ}の周りのスペクトル範囲の中の波長の櫛など）から構成されるということを必要とする。次いで、ポンピング放射が単色である場合には、そのような有用信号の発生は、平均波長値λ_{ｓｏｕｒｃｅ＿ａｖｅｒａｇｅ}の周りで、ソース信号に関する波長の櫛を使用することを必要とする。次いで、位相整合関係ｆ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ}）＝０またはΔｋ_{ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ}＜π／Ｌが、λ_{ｓｏｕｒｃｅ＿ａｖｅｒａｇｅ}の付近のλ_{ｓｏｕｒｃｅ}のすべての値に関して、ほぼ２次まで検証されることが必要である。この目的のために、λ_ｐｕｍｐ、ｈ_１、Ｌ_１、ｈ_２、Ｌ_２、およびＷの値が発見されなければならず、それらは、λ_{ｓｏｕｒｃｅ}についてのｆ－関数またはΔｋ_{ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ}の偏導関数がλ_{ｓｏｕｒｃｅ＿ａｖｅｒａｇｅ}およびλ_{ｕｓｅｆｕｌ＿ａｖｅｒａｇｅ}の値に関してゼロになるようになっており、それは、ｆ（λ_{ｓｏｕｒｃｅ＿ａｖｅｒａｇｅ}，λ_{ｕｓｅｆｕｌ＿ａｖｅｒａｇｅ}）＝０またはΔｋ_{ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ}（λ_{ｓｏｕｒｃｅ＿ａｖｅｒａｇｅ}，λ_{ｕｓｅｆｕｌ＿ａｖｅｒａｇｅ}）＜π／Ｌを検証する。同等に、λ_{ｕｓｅｆｕｌ}についてのｆ－関数またはΔｋ_{ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ}の偏導関数は、λ_{ｓｏｕｒｃｅ＿ａｖｅｒａｇｅ}およびλ_{ｕｓｅｆｕｌ＿ａｖｅｒａｇｅ}の値に関してゼロである。

とりわけ、長さＬが数センチメートルであるときに、光集積回路の中の平行な導波路の製造を容易にするために、これらの導波路は、この基板の横方向の寸法を低減させるために、基板に対して平行な平面の中で曲げられることを必要とする可能性がある。たとえば、平行な導波路は、蛇行を形成することが可能であり、または、光集積回路の基板の表面の上で巻かれ得る。［図４］は、２つの導波路の間の分離距離Ｗの中間点において測定されるベンドの平均曲率半径Ｒを有する、２つの平行な導波路１および２によって辿られるベンドを表している。次いで、導波路の湾曲にかかわらず、有用信号の強度の著しい増加に対する本発明の効果が維持されるように、導波路１の中を伝播するソース信号（有用信号およびポンピング放射のそれぞれ）の一部分が、ベンドの半径方向に沿って、導波路２の中を伝播するソース信号（有用信号およびポンピング放射のそれぞれ）の別の部分と同相のままであるということが必要である。しかし、２つの導波路１および２は、異なる曲率半径（それぞれ、Ｒ_１およびＲ_２）を有しており、それらは、異なる方式で、それぞれの導波路１および２の中の光経路長さを変更する。次いで、２つの導波路１および２の個々のパラメーター（たとえば、それらのそれぞれの幅Ｌ_１およびＬ_２）の調整を使用して、曲げ構成によって引き起こされるこの変更を補償することが有利である。そのような補償は、導波路１および２の個々のノーマルモードの伝播定数の関数として、ｋ_１・Ｒ_１＝ｋ_２・Ｒ_２として表現される。それは、平均曲率半径Ｒの関数として、ｋ_１・（Ｒ－（Ｗ＋Ｌ_１）／２）＝ｋ_２・（Ｒ＋（Ｗ＋Ｌ_２）／２）、と１次で表され得る。実際には、平均曲率半径Ｒは、２５μｍから１ｍｍの間の範囲にあることが可能であり、２つの導波路１および２の間の、ベンドにおける幅の差Ｌ_１－Ｌ_２につながり、それは、ｈ_１＝ｈ_２のときに絶対値で０．１５μｍのオーダーにあるかまたはそれよりも小さくなっており、最も広い導波路が、一般的に、最も遠い外側のベンドになっている。

［図５］は、本発明の改善を図示しており、これは、長手方向の座標ｘの関数として、有用信号Ｉ_{ｕｓｅｆｕｌ}の強度のさらに速い増加を可能にする。図では、螺旋として巻かれている２つの導波路を備えた構成に関して示されているが、改善は、導波路に関する任意の形状で使用され得る。これは、導波路のうちの１つ（たとえば、導波路２）が、ソース信号およびポンピング放射を注入するためにも、有用信号を抽出するためにも使用されないときに当てはまる。次いで、この導波路２の端部２ａおよび２ｂが、互いに接続され、導波路２の端部を通過するソース信号の一部、ポンピング放射の一部、および、有用信号の一部を再循環させるためのループＣを形成することが可能である。有用信号を発生させる非線形効果は、刺激効果タイプのものであるので、この効果の強化は、ソース信号の部分、ポンピング放射の部分、および、有用信号の部分を再循環させることによって作り出される。［図５］の実施形態に関して、ソース信号およびポンピング放射は、導波路１の一方の端部（たとえば、端部１ａ）を介して導波路１の中へ注入され得、有用信号は、その他方の端部１ｂを介して導波路１から抽出され得る。

言及された利点のうちの少なくともいくつかを維持しながら、上記に詳細に説明されてきた実施形態の２次的態様を修正することによって、本発明が再現され得るということが理解される。とりわけ、以下である。
－ 本発明による光デバイスは、任意の数の結合された導波路を含むことが可能であり、これらは、任意の形状および湾曲をとることが可能である。
－ ポンピング放射は、縮退または非縮退であることが可能である。
－ 言及されてきたすべての数値は、単に図示のために提供されているに過ぎず、考慮されている用途に応じて変化させられ得る。とりわけ、有用信号の波長は、ソース信号の波長よりも大きくても、または、小さくてもよい。
－ 導波路のうちの少なくとも１つは、この導波路の長手方向に周期的な構造を設けられ得る。とりわけ、そのような構造は、導波路にフィルタリング機能を提供するために実施され得る。また、他の導波路構造は、限定なしに、本発明と組み合わせられ得、それは、この導波路の長手方向に対して垂直な少なくとも１つの方向において構造化するためのパターンを有する少なくとも１つの導波路を含む。

Ｃ ループ
ｈ_１ 導波路１の高さ
ｈ_２ 導波路２の高さ
Ｌ_１ 導波路１の幅
Ｌ_２ 導波路２の幅
Ｒ 平均曲率半径
Ｒ_１ 導波路１の曲率半径
Ｒ_２ 導波路２の曲率半径
Ｗ 分離距離
１ 導波路
１ａ 端部
１ｂ 端部
２ 導波路
２ａ 端部
２ｂ 端部
１０ 基板、基板構造体
１１ コーティング層

Claims (11)

1. 複数の波の間の非線形相互作用の結果として前記波を混合することによって、有用な光信号を作り出すために、ソース光信号を周波数変換するための方法であって、前記方法は、少なくとも１つの導波路（１、２）の中で、少なくとも１つの光ポンピング放射の少なくとも１つの光子から前記有用信号の少なくとも１つの光子を作り出すステップを含み、前記ステップは、前記少なくとも１つの導波路において有効である、前記ソース信号、前記少なくとも１つのポンピング放射、および前記有用信号のそれぞれの伝播定数を結び付ける位相整合関係にしたがっており、
   それぞれの導波路（１、２）は、それぞれ他の導波路とは別個に前記導波路の中を伝播する、前記ソース信号、それぞれのポンピング放射、および前記有用信号のそれぞれに関して有効である少なくとも１つの個々のノーマルモードを有しており、
   それぞれの導波路（１、２）は、また、前記導波路の前記個々のノーマルモードにしたがって前記導波路の中を伝播する、前記ソース信号、それぞれのポンピング放射、および前記有用信号に関して有効である分散関係を修正する少なくとも１つの個々のパラメーターを有しており、
   前記少なくとも１つの導波路は、少なくとも２つの導波路（１、２）を含み、前記少なくとも２つの導波路（１、２）は、前記ソース信号、それぞれのポンピング放射、および前記有用信号のそれぞれに関して、それぞれの導波路の個々のノーマルモードが前記導波路のうちの少なくとも１つの別の導波路の個々のノーマルモードと結合されるように配置されており、
   前記方法は、前記ソース信号およびそれぞれのポンピング放射を前記導波路（１、２）のうちの少なくとも１つの中へ同時に注入するステップと、前記導波路のうちの少なくとも１つから前記有用信号を抽出するステップとを含み、
   前記導波路のうちの１つの前記個々のノーマルモードにしたがって前記導波路（１、２）の中の場所において伝播する、前記ソース信号、それぞれのポンピング放射、および前記有用信号のそれぞれは、前記導波路の前記個々のノーマルモードのうちの少なくともいくつかが結合されているので、前記導波路に沿って変化する、前記導波路のうちのいくつかの間の強度分布を有しており、
   少なくとも１つの結合パラメーターは、前記導波路（１、２）のうちの少なくとも２つの前記個々のノーマルモードの間に存在する結合の強度を変化させ、
   前記方法は、前記導波路（１、２）の前記個々のパラメーターおよび前記少なくとも１つの結合パラメーターのそれぞれの値が、前記ソース信号、前記少なくとも１つのポンピング放射、または前記有用信号の伝播に関して有効である、前記導波路のすべての集合的ノーマルモードにそれぞれ関係している、前記ソース信号、それぞれのポンピング放射、および前記有用信号のそれぞれの伝播定数の少なくとも１つのセットに関して、前記位相整合関係が満たされるように選択され、それぞれの集合的ノーマルモードが、前記集合的ノーマルモードにしたがって前記導波路のすべての中を伝播する前記ソース信号、それぞれのポンピング放射、または前記有用信号が、前記導波路に沿って一定である前記導波路同士の間の強度分布を有するようになっていることを特徴とする、方法。
2. 前記有用な光信号は、前記少なくとも１つのポンピング放射の２つの光子から前記ソース信号の追加的な光子と共に前記有用信号の光子を作り出すことを含む、４波混合によって作り出される、請求項１に記載の方法。
3. 前記導波路（１、２）は、光集積回路の中に形成されており、互いに平行になっており、前記光集積回路の少なくとも１つの部分の中に並んで配置されている、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記導波路（１、２）のうちの少なくとも２つは、湾曲しており、前記少なくとも２つの導波路によって共有されるベンドにおいて平行になっており、したがって、前記少なくとも２つの導波路は、前記ベンドにおいて異なるそれぞれの曲率を有しており、前記少なくとも２つの導波路のそれぞれの前記個々のパラメーターのうちの少なくともいくつかは、前記ベンドにおいて値を有し、前記有用信号、それぞれのポンピング放射、および前記ソース信号の中からの少なくとも１つのおよび同じ信号または放射の２つの部分が、前記ベンドにおいて前記少なくとも２つの導波路に対してそれぞれ垂直である半径方向に沿って同相のままであるようになっており、前記２つの部分のうちの一方は、前記導波路の前記個々のノーマルモードにしたがって、前記少なくとも２つの導波路のいずれかの中を伝播し、前記２つの部分のうちの他方は、前記少なくとも２つの導波路のうちの別の導波路の中を伝播する、請求項３に記載の方法。
5. 前記導波路（１、２）は、１ｍｍから１００ｍｍの間の範囲にあるそれぞれの長さを有しており、隣接している前記導波路の任意の２つは、それらの間に分離距離を有しており、前記分離距離は、前記２つの隣接している導波路に対して垂直に測定して０．１２５μｍから３μｍの間の範囲にある、請求項３または４に記載の方法。
6. 前記導波路（１、２）の前記個々のパラメーターおよび前記少なくとも１つの結合パラメーターの値は、また、前記位相整合関係が前記ソース信号の中心波長値の周りにおいて前記ソース信号の波長に関してほぼ２次まで満たされるように選択される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記ソース信号は、前記ソース信号の少なくとも１つの部分を含有するスペクトル範囲において櫛形状のスペクトルを有している、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記導波路のうちの同じ導波路の２つの対向する端部は、光信号および放射を再循環させるためのループを形成するために、互いに接続されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記ソース信号は、１．３μｍから１．８μｍの間の範囲にある波長を有する少なくとも１つのスペクトル成分から構成されており、それぞれのポンピング放射は、１．２μｍから２．６μｍの間の範囲にある波長を有するレーザー放射であり、前記有用信号は、２μｍから６μｍの間の範囲にある波長を有する少なくとも１つの他のスペクトル成分から構成されている、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記有用信号は、分光法用途のために使用される、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 光デバイスであって、前記光デバイスは、複数の導波路（１、２）を含み、前記複数の導波路（１、２）は、それぞれ他の導波路とは別個に前記導波路の中を伝播する光放射に関して有効である個々のノーマルモードをそれぞれ有しており、それぞれの導波路は、前記導波路の前記個々のノーマルモードにしたがって前記導波路の中を伝播するそれぞれの放射に関して有効である分散関係を修正する少なくとも１つの個々のパラメーターを有しており、前記少なくとも２つの導波路（１、２）は、前記導波路のそれぞれの前記個々のノーマルモードが前記導波路のうちの少なくとも１つの別の導波路の個々のノーマルモードと結合されるように配置されており、
    前記導波路のうちの１つの前記個々のノーマルモードにしたがって前記導波路（１、２）の中の場所において伝播するそれぞれの放射は、前記導波路の前記個々のノーマルモードのうちの少なくともいくつかが結合されているので、前記導波路に沿って変化する、導波路のうちのいくつかの間の強度分布を有しており、
    前記デバイスは、少なくとも１つの結合パラメーターが前記導波路（１、２）のうちの少なくとも２つの前記個々のノーマルモードの間に存在する結合の強度を修正するようになっており、
    前記デバイスは、前記導波路（１、２）の前記個々のパラメーターおよび前記少なくとも１つの結合パラメーターのそれぞれの値が、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法が前記デバイスを使用して実施され得るようになっていることを特徴とする、光デバイス。

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