JP7473850B2

JP7473850B2 - 波長変換装置

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Publication number: JP7473850B2
Application number: JP2022576273A
Authority: JP
Inventors: 貴大柏崎; 拓志風間; 晃次圓佛; 修忠永; 飛鳥井上; 信建小勝負; 亮一笠原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2021-01-20
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2024-04-24
Anticipated expiration: 2041-01-20
Also published as: WO2022157858A1; JPWO2022157858A1

Description

本発明は、波長変換装置に関し、より詳細には、非線形光学効果を有する光学素子を含み、光通信システム、光計測システム等に適用可能な波長変換装置に関する。

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、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が可能な、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。

このような光学デバイス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は、種々の材料が研究開発されている。このうち、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・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。ニオブ酸リチウムの高い非線形性を用いた光デバイスの一例として、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）が知られている。

二次非線形光学効果では、波長λ１の信号光と波長λ２の励起光を二次非線形媒質に入力して新たな波長λ３の変換光を発生させる。第１に、
１／λ３＝１／λ１＋１／λ２式（１）
を満たす波長変換動作を、和周波発生（ＳＦＧ）と呼ぶ。第２に、λ１＝λ２とし、
λ３＝λ１／２式（２）
を満たす波長変換動作を、第二次高調波発生（ＳＨＧ）と呼ぶ。第３に、
１／λ３＝１／λ１－１／λ２式（３）
を満たす波長変換動作を、差周波発生（ＤＦＧ）と呼ぶ。このような波長変換動作により、１または複数の基本波光から、波長の異なる変換光を発生させる。

例えば、２～５μｍの中赤外の波長域には、様々な環境ガスの基準振動などの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。このような中赤外域の光源には、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とを用いることのできるＤＦＧ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、ＳＨＧやＳＦＧ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。

ＤＦＧを用いた波長変換技術を用いると、光ファイバ通信で主に用いられている波長１．５５μｍ帯の光を、一括して別の波長帯に変換することができる。このことから、波長分割多重方式における光のルーティング、光ルーティングにおける波長の衝突回避などへ適用が可能であり、波長変換装置は、大容量通信光ネットワークを構築するキーデバイスの一つとして考えられている。

また、ＤＦＧを用いた波長変換では、その変換光が信号光に対して位相共役光になることを用いて、信号歪補償を行うことができる。伝送路のおよそ中間地点において、信号光を位相共役光に変換すると、変換前の伝送路で生じた分散やファイバ中の非線形光学効果によって生じる信号歪みを、変換後の伝送路中で打消しあうように伝搬する。これにより、分散や非線形信号歪みを低減することができるキーデバイスの一つとして考えられている。

高い波長変換効率を有する波長変換素子を用いると、励起光パワーから信号光へのエネルギーの移行により光パラメトリック増幅と呼ばれる、信号光の増幅器を構成することができる。特に、励起光と信号光の位相関係に応じた増幅特性を有する位相感応増幅器は、低雑音な光増幅が可能な技術として期待されている。

また、縮退光パラメトリック増幅過程は、量子相関を持った光子対を生成することができ、スクィーズド光の生成、伝令付き単一光子状態などの非古典的状態を生成することができる。これらの光は、光量子コンピュータや量子光を用いたセンシング技術等の重要リソースとして期待されている。

ＰＰＬＮにおいて高効率かつ広帯域な非線形光学効果を得るためには、光導波路型のデバイスが有効である。これは波長変換効率が非線形媒質を伝搬する光のパワー密度に比例するためであり、導波路構造を形成することにより、限られた範囲に光を閉じ込めることができるからである。このため非線形媒質を用いた種々の導波路が研究開発されている。これまでには、Ｔｉ拡散導波路、プロトン交換導波路と呼ばれる、拡散型の導波路を用いて検討がなされてきた。

しかしながら、これらの導波路は、作製過程において結晶内に不純物を拡散することから、光損傷耐性や長期信頼性の観点から課題があった。拡散型の導波路では、高強度の光を導波路に入射するとフォトリフラクティブ効果による結晶の損傷が発生してしまうため、導波路に入力できる光パワーに制限があった。

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、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。リッジ型の導波路を作製する方法としては、２枚の基板を接着剤により接合し、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。

しかしながら、基板同士を接着剤により張合わせる方法は、接着剤と基板の熱膨張係数が異なるために、温度が変化したときに薄膜に割れが生じるという問題があった。加えて、導波路中で発生する第二高調波光によって接着剤が劣化するために、動作中に導波路損失が増加し、波長変換の効率が劣化するという問題もあった。さらにまた、接着層の不均一性のために単結晶膜の膜厚が不均一となり、波長変換素子の位相整合波長がずれるという問題もあった。

そこで、接着剤を用いずに、基板同士を強固に接合する技術として、直接接合技術が知られている。直接接合法は、化学薬品を用いて表面処理を行ったウエハ同士を重ね合わせることにより、表面間引力により接合する方法である。接合は常温で行われるが、このときのウエハの接合強度は小さいため、接合強度を向上させるために高温での熱処理を行う。直接接合技術は、高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計の容易性等の特徴以外にも、例えば、上述したＤＦＧによる中赤外域の光発生において、不純物の混入や接着剤等の吸収を回避できる点からも有望視されている。

また、直接接合技術は、非線形光学デバイスに留まらず、ハイパワーの光変調器への応用にも期待されている。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）などの酸化物系化合物基板は２次非線形光学定数に加え、電気光学定数も大きく、電気光学効果（ＥＯ効果）を用いた光変調器としても広く使われている。しかしながら、Ｔｉ拡散導波路を用いた光変調器が商用されてきたが、１００ｍＷ以上のハイパワーの光を入力することが困難であった。直接接合技術を用いると、ワット級の光入力も可能になることから、高光強度の光変調信号の生成やレーザ加工技術等への応用が期待できる。

直接接合法においては４００℃程度の高温での熱処理を必要とするために、接合できるウエハ間には表面の平坦性が良いことに加え、熱膨張率が近いことも要求される。このため、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）とタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅ等の添加物を付与したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）同士の同種材料基板による直接接合形成が検討されてきた。

リッジ型導波路は、ベース基板上に導波路パターンに応じて形成されたコアを有しており、ステップ型の屈折率分布を有する。コアは、ベース基板に接していない３つの側面が空気層に接している。リッジ型導波路は、コアの上部および側部が空気層（屈折率が１）であっても、動作することができる。しかし、実用上の問題点として、コア層を剥き出しにしていると、空気中に浮遊するゴミやほこりの付着等による特性の経時変化が懸念される。また、光導波路の端面にＡＲコートなどの膜を形成するために必要な耐機械的強度を考慮すると、保護膜を兼ねたオーバークラッド層を設ける場合もある。

一方、周期分極反転構造は、擬似位相整合を行うための構造であり、基本波と波長変換された波のコヒーレンス長ごとに結晶方位を反転し、非線形定数の符号を逆転することにより、位相不整合量を補償していく構造である。特殊な非線形光学結晶を用いずに、中赤外域から可視域まで幅広い波長変換が行えるという点で実用的な価値は高い。

一般的に、非線形光学材料の屈折率は温度依存性を有しており、２次非線形光学素子において擬似位相整合条件を厳密に満たすためには、素子の温度を一定に保つ必要がある。通常は、２次非線形光学素子またはその近傍にサーミスタ・熱電対等の測温体を設けその抵抗値等をモニタする。そのモニタ結果に応じて、ヒータやペルチエ素子等の温調器を用いて素子を一定温度に保つ機構を設けている。

しかしながら、従来の測温体のモニタ値が一定となるように、温調器を制御する機構のみでは、２次非線形光学素子を精密に安定させるには課題があった。サーミスタや熱電対等の測温体でモニタできるのは、２次非線形光学素子全体の平均的な温度であり、非線形光学効果をもたらす導波路部分そのものの温度をモニタしているわけではないためである。従って、測温体の温度をモニタしているだけでは、最適温度で動作させることは厳密にはできない場合があった。

例えば、２次非線形光学素子またはその近傍に設置した測温体が一定となるよう温度制御を行うとする。リッジ型導波路においては、素子表面に位置する光が伝搬するコアは、ベース基板に接していない３つの側面が空気層に接している。従って、素子の環境温度（外気温度）が変化した場合、リッジ型導波路のコアは、環境温度の変化をわずかながら受け最適動作点がシフトしてしまう。

また、高い変換効率または、高利得な光パラメトリック増幅を得るために、強い励起光を導波路に入射する場合、導波路内に入射された励起光の光吸収による発熱が生じる。この発熱は、導波路部分の局所的な発熱であり、素子またはその近傍に設置した測温体をモニタしているだけではその局所的な発熱による最適動作点のシフトを正しく検出することは困難であった。

さらに、発熱量や発熱の空間分布は使用法によっても異なるため、使用法を変えるたびに最適動作点を探す必要がある。具体的には、周波数下方変換を用いて基本波から倍波を生成する場合、周波数上方変換を用いて光通信向けの位相共役変換をする場合、周波数上方変換を用いて光通信用むけの位相感応増幅をする場合、周波数上方変換を用いて伝令付き単一光子状態のもととなる２光子もつれ状態を生成する場合、周波数上方変換を利用して真空スクィーズ度状を生成する場合、それぞれの場合において用いる励起光強度や信号光強度のレベルが異なる。これにより発熱量、発熱の空間的分布が異なり、最適動作点における動作の実現は困難であった。

この問題を解決するために、基本波光を利用して温度調整を行う技術も去られているが（例えば、特許文献１参照）、適応できる場面が限られており、差周波発生など基本波光を用いない使用法において適用することはできない。

以上述べたように、二次非線形光学を利用するデバイスの特性は、素子の温度に敏感であり、周囲の環境温度により容易に変化し、従来手法では安定的に最適温度で動作させることは難しいという問題があった。また、入力する信号強度レベルの変化により素子の帯電量が変化し、ＥＯ効果に起因した特性の変化も問題となる。さらに非線形光学デバイスの使用方法、例えば周波数上方変換か、または周波数下方変換かによっても各波長帯の信号レベルの差異から、特性変化が引き起こされる。したがって、周期分極反転構造を有する２次非線形光学素子を用いた波長変換デバイスおよび光パラメトリック増幅デバイスを、周囲の環境や使用方法によらず、安定かつ最良の特性を発現させることが課題である。

特開２０１５－２２５１２７号公報

本発明の目的は、高い波長変換効率を有する波長変換素子を用い、光パラメトリック増幅を行う波長変換装置において、非線形光学素子本来の最大限の性能を、周囲の環境や使用方法によらず、安定して発現させることにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、１または複数の基本波光から波長の異なる変換光を発生させる二次非線形光学素子からなる非線形光学デバイスと、前記非線形光学デバイスの素子の温度を制御する温度制御デバイスとを含む波長変換装置において、前記基本波光の波長とは異なる波長のモニタ光を、前記非線形光学デバイスに入力する手段と、前記非線形光学デバイスから出力されたモニタ光を分離して、光強度を検出する光検出手段と、前記光検出手段で検出された前記光強度に基づいて前記温度制御デバイスを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の基本構成を示す図、図２は、非線形光学デバイスの第二次高調波発生における波長変換効率の波長依存性の一例を示す図、図３は、素子の温度等が変化したときの波長変換効率の波長依存性の一例を示す図、図４は、第１の実施形態の波長変換装置における誤差信号の抽出を説明するための図、図５は、モニタ光の波長の選択について説明するための図、図６は、本発明の第２の実施形態に係る波長変換装置の基本構成を示す図、図７は、本発明の第３の実施形態に係る波長変換装置の基本構成を示す図、図８は、第３の実施形態の波長変換装置における誤差信号の抽出を説明するための図、図９は、実施例１に係る波長変換装置の構成を示す図、図１０は、実施例２に係る波長変換装置の構成を示す図である。

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。本実施形態では、高い波長変換効率を有する波長変換素子を用い、光パラメトリック増幅を行う波長変換装置を例に説明する。

［基本概念］
図１に、本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の基本構成を示す。波長変換装置１００は、光導波路型の２次非線形光学素子からなる非線形光学デバイス１０１と、基本波光である信号光および励起光とモニタ光とを、非線形光学デバイス１０１に入力するための光合波器１０２と、非線形光学デバイス１０１から出力された信号光、励起光およびモニタ光の２倍波を分離するための光分波器１０３とを備える。非線形光学デバイス１０１の素子の温度を制御する温度制御デバイスには、温調信号生成機構１０４が接続され、帰還利得調整器（ＰＩＤ制御コントローラ）１０５によって制御されている。帰還利得調整器１０５は、光検出器１０６によりモニタ光の２倍波の光強度を検出し、非線形光学デバイス１０１の変換効率が最も高くなるように、温度制御を行う。

図２に、非線形光学デバイスの第二次高調波発生の波長依存性の一例を示す。素子の温度４５℃のときを示し、非線形光学デバイス１０１の波長変換効率が最大となる位相整合波長は１５４４．７０ｎｍである。位相整合波長において波長変換が行われるように、非線形光学デバイス１０１の温度調整を行うことが目的となる。

図３に、素子の温度等が変化したときの波長変換効率の波長依存性の一例を示す。素子の温度変化に応じて、グラフは、図２に示した関数形状をあまり変化させずに左右にシフトしているのが分かる。このシフト量を、制御回路により抑制することが本発明の目的である。

あるシステムが存在して、その応答関数が常に最大値をとるように制御するにはＰＤＨ法（Pound-Drever-Hall法）が一般的に用いられる。ＰＤＨ法は、システム内にディザ信
号を生成し、応答信号をディザ信号により復調することで、応答関数を微分した関数を獲得する。この微分関数を誤差関数として用いることにより、微分関数がゼロになるポイント、すなわち応答関数が最大値をとるポイントでロックをすることができる。これはゼロを通る付近では、微分関数が単調減少もしくは単調増加関数になることを利用している。

本実施形態の波長変換装置においては、応答信号は各波長に対する第二次高調波発生効率となる。ＰＤＨ法を用いる場合、波長変換装置にディザ信号を加える必要があるが、本実施形態においては、温度制御デバイスのみがシステムに信号を与えられるデバイスとなる。温度制御デバイスの応答速度は、波長変換装置で扱う信号よりも遅く、ディザ信号自体がシステムの動作に影響を及ぼしてしまう。

そこで、本実施形態では、目的とする状態である位相整合波長からわずかに異なる波長の光を非線形光学デバイス内に入射し、その応答から誤差信号を抽出する。図４を参照して、本実施形態の波長変換装置における誤差信号の抽出を説明する。図４（ａ）に示すように、目標状態として、位相整合波長（信号光波長）からわずかに異なる波長（モニタ光波長）における第二次高調波発生の波長変換効率を目標値（Ｖ_ｏｆｆ）とする。素子の温度が低い時、図４（ｂ）に示すように、目標値（Ｖ_ｏｆｆ）とモニタ光の２倍波の光強度（Ｖ_{ｄｅｔｅｃｔ}）との差分である誤差信号（Ｖ_{ｄｅｔｅｃｔ}－Ｖ_ｏｆｆ）＞０となって、ＰＩＤ制御コントローラ１０５は温調信号生成機構１０４から加熱信号が出力されるように制御する。素子の温度が高い時、図４（ｃ）に示すように、誤差信号（Ｖ_{ｄｅｔｅｃ} _ｔ－Ｖ_ｏｆｆ）＜０となって、ＰＩＤ制御コントローラ１０５は温調信号生成機構１０４から冷却信号が出力されるように制御する。

このような制御方法は、モニタ光の変換効率が、温度変化に対して目標状態付近で単調減少もしくは単調増加関数であることを利用している。図５を参照して、モニタ光の波長の選択について説明する。図５（ａ）に示すように、目標値が最大値を除く極大値よりも大きい場合、モニタ光よりも信号光の波長が長波であれば、素子温度がどれだけ低くても温度制御が可能である。逆に、モニタ光よりも信号光の波長が短波であれば、素子温度がどれだけ高くても温度制御が可能である。一方、図５（ｂ）に示すように、目標値が最大値を除く極大値よりも小さい場合、温度制御が可能な範囲は狭くなる。従って、モニタ光の波長は、極小値となる波長よりも位相整合波長に近く、また、関数内において最大値を除く他のすべての極大値よりも高い波長変換効率が発揮される波長であることが望ましい。

本実施形態によれば、モニタ光は位相整合波長の付近に配置される。光ファイバ通信で用いられている波長分割多重（ＷＤＭ）信号に、本実施形態の波長変換装置を適用すると、位相整合波長は、ガードバンド内となるために、ＷＤＭシステムの動作には影響を及ぼさないことが利点である。

図６に、本発明の第２の実施形態に係る波長変換装置の基本構成を示す。モニタ光を、信号光とは逆方向から非線形光学デバイスに入力する構成である。波長変換装置２００は、光導波路型の２次非線形光学素子からなる非線形光学デバイス２０１と、基本波光である信号光および励起光とモニタ光とを、非線形光学デバイス１０１に入力し、非線形光学デバイス２０１からのモニタ光を分離するサーキュレータ２０２と、非線形光学デバイス２０１から出力された信号光、励起光を分離し、モニタ光を非線形光学デバイス２０１に入力するサーキュレータ２０３とを備える。非線形光学デバイス２０１の素子の温度を制御する温度制御デバイスには、温調信号生成機構２０４が接続され、帰還利得調整器（ＰＩＤ制御コントローラ）２０５によって制御されている。帰還利得調整器２０５は、光検出器２０６によりモニタ光の変換光の光強度を検出し、非線形光学デバイス２０１の変換効率が最も高くなるように、温度制御を行う。

図７に、本発明の第３の実施形態に係る波長変換装置の基本構成を示す。第二次高調波発生の応答関数の左右対称性を利用して、位相整合波長の両脇に生成される二つの光をモニタ光として利用する構成である。波長変換装置３００は、光導波路型の２次非線形光学素子からなる非線形光学デバイス３０１と、非線形光学デバイス３０１に基本波光である信号光および励起光と、モニタ光１およびモニタ光２とを入力するための光合波器３０２と、非線形光学デバイス３０１から出力された信号光、励起光、モニタ光１の２倍波およびモニタ光２の２倍波を分離するための光分波器３０３とを備える。非線形光学デバイス３０１の素子の温度を制御する温度制御デバイスには、温調信号生成機構３０４が接続され、帰還利得調整器（ＰＩＤ制御コントローラ）３０５によって制御されている。帰還利得調整器３０５は、光検出器３０６，３０７によりモニタ光１およびモニタ光２の変換光の光強度を検出し、非線形光学デバイス３０１の変換効率が最も高くなるように、温度制御を行う。

図８を参照して、第３の実施形態の波長変換装置における誤差信号の抽出を説明する。図８（ａ）に示すように、第二次高調波発生の波長変換効率の応答関数が左右対称であることから、位相整合波長を挟んだ２つの波長（モニタ光波長１、モニタ光波長２）を選択する。２つの波長は、位相整合波長（信号光波長）からわずかに異なる波長であって、波長変換効率が同じ値であり、この値を目標値（Ｖ_{ｄｅｔｅｃｔ１}，Ｖ_{ｄｅｔｅｃｔ２}）とする。素子の温度が低い時、図８（ｂ）に示すように、両者の差分である誤差信号（Ｖ_ｄ _{ｅｔｅｃｔ１}－Ｖ_{ｄｅｔｅｃｔ２}）＞０となって、ＰＩＤ制御コントローラ３０５は温調信号生成機構３０４から加熱信号が出力されるように制御する。素子の温度が高い時、図８（ｃ）に示すように、誤差信号（Ｖ_{ｄｅｔｅｃｔ１}－Ｖ_{ｄｅｔｅｃｔ２}）＜０となって、ＰＩＤ制御コントローラ３０５は温調信号生成機構３０４から冷却信号が出力されるように制御する。

このような制御方法は、第二次高調波発生の波長変換効率の応答関数が、位相整合波長を中心に左右対称であることさえ分かっていれば目標値を知っている必要はない。

なお、モニタ光の生成は、信号光とは全く別の光源からの光であってもよいし、後述するように、信号光または励起光の一部を分岐し、強度変調をかけることによって生成してもよい。

図９に、実施例１に係る波長変換装置の構成を示す。波長変換装置４００は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）の導波路を有する非線形光学デバイス４０１と、非線形光学デバイス４０１に信号光を入力し、非線形光学デバイス４０１からのモニタ光を分離するサーキュレータ４０２と、非線形光学デバイス４０１から出力された信号光を分離し、モニタ光光源４０９からのモニタ光を非線形光学デバイス４０１に入力するサーキュレータ４０３とを備える。励起光は、ダイクロイックミラー４０７を介して、信号光とともに非線形光学デバイス４０１に入力し、非線形光学デバイス４０１の出力からダイクロイックミラー４０８を介して分離する。非線形光学デバイス４０１の温度制御デバイスであるペルチエ素子４１１には、温調信号生成機構４０４が接続され、帰還利得調整器（ＰＩＤ制御コントローラ）４０５によって制御されている。帰還利得調整器４０５は、光検出器４０６によりモニタ光の変換光の光強度を検出し、非線形光学デバイス４０１の変換効率が最も高くなるように、温度制御を行う。

非線形光学デバイス４０１は、入力される光信号と励起光、および出力される変換光の間で擬似位相整合を満たす周期分極反転構造を有し、高い波長変換効率を有する波長変換器および光パラメトリック増幅器として動作する。ＰＰＬＮ導波路中では励起光、信号光および変換光の３波の間で擬似位相整合条件が満たされている。つまり、励起光、信号光および変換光の導波路中の実効屈折率をそれぞれｎｐ、ｎｓ、ｎｃとすると、
ｎｐ／λｐ－ｎｓ／λｓ－ｎｃ／λｃ＝１／Λ （式４）
を満たす反転周期Λの分極反転構造を有する。

波長変換装置４００には、信号光として複数波長の光信号かせらなる波長分割多重（ＷＤＭ）信号が入力される。非線形光学デバイス４０１において、励起光が合波されたＷＤＭ信号は、ＰＰＬＮ導波路に入射され、差周波発生によりＷＤＭ信号の変換が生成される。

ここで、基本波光波長λ０（周波数：ω０）を１５４５．００ｎｍ、励起光波長λｐ（周波数：２ω０）を７７２．５ｎｍとした。モニタ光は、信号光とは逆向きに非線形光学デバイス４０１に入力し、波長は１５４５．１０ｎｍとした。モニタ光は、非線形光学デバイス４０１のＰＰＬＮ導波路内で第二次高調波発生により波長７７２．５５ｎｍの光に変換され、ダイクロイックミラー４０７、サーキュレータ４０２を介して光検出器４０６に入力される。

非線形光学デバイス４０１に励起光および信号光を入力することにより、ＰＰＬＮ導波路中の差周波発生により、変換光が生成される。例えば、信号光波長λｓ（周波数：ωｓ）を１５４０ｎｍとすれば、２ω０－ωｓにより、波長１５５０ｎｍの変換光が生成される。基本波光波長λ０を中心として波長軸上で折り返した形で変換光が生成される。

実施例１では、モニタ光として信号光から僅かに波長のずれた光を用いる。一般に均一な周期分極反転構造を有する二次非線形光学媒体の第二次高調波発生の効率は、入射する基本波帯の光に対してｓｉｎｃ関数の二乗の関数の形になる。この関数は、図２に示したような形状となり、最も効率が高くなる中心の最大値に比べ、サイドに現れる極大値は比較的抑制される。モニタ光の波長を決定する基準としては、この関数内において中央の最大値を含むピーク内に存在し、かつ最大値を除く他のすべての極大値よりも高い変換効率の波長を選択すればよい。

光検出器４０６で検出される光強度は、目標値付近においては、温度が高くなると減少し、温度が低くなると増加する。この変化分を誤差信号として帰還利得調整器４０５に入力し、温調信号生成機構４０４の制御電流にフィードバックを行った。これにより、全帯域に渡り波長変換光の強度が０．２ｄＢ以内で安定させることができた。

なお、光サーキュレータを用いずに光波長合分波器を用いてモニタ光を信号光から分離してもよく、この構成でも同様の効果が得られた。さらに、光波長合分波器を用いる場合は、信号光と同方向からモニタ光を入射してもよく、この構成でも同様の効果が得られた。

図１０に、実施例２に係る波長変換装置の構成を示す。波長変換装置５００は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）の導波路を有する非線形光学デバイス５０１と、非線形光学デバイス５０１に信号光、モニタ光１およびモニタ光２を入力するための光合波器５０２と、さらに励起光を合波して非線形光学デバイス５０１に入力するダイクロイックミラー５０７と、非線形光学デバイス３０１から出力された信号光を分離するダイクロイックミラー５０８と、さらに励起光、モニタ光１の２倍波およびモニタ光２の２倍波を分離するための光分波器５０３とを備える。非線形光学デバイス５０１の温度制御デバイスであるペルチエ素子５１１には、温調信号生成機構５０４が接続され、帰還利得調整器（ＰＩＤ制御コントローラ）５０５によって制御されている。帰還利得調整器５０５は、光検出器５６１，５６２によりモニタ光の２倍波の光強度を検出し、その差分を差分器５６３から得て、非線形光学デバイス５０１の変換効率が最も高くなるように、温度制御を行う。

信号光の一部を光分岐器５２１により分岐して、波長フィルタ５２２により基本波のみのスペクトルを抽出する。変調器５２３により、抽出した基本波スペクトルの光に、１０ＧＨｚの強度変調を施し、基本波光波長の両サイドに約０．１ｎｍ離れた波長の２つのモニタ光を生成する。ここで、基本波光波長λ０（周波数：ω０）を１５４５．００ｎｍ、励起光波長λｐ（周波数：２ω０）を７７２．５０ｎｍとし、基本波より波長の短いモニタ光をモニタ光１、基本波より波長の長いモニタ光をモニタ光２とする。モニタ光１およびモニタ光２は、光合波器５０２を介して、非線形光学デバイス５０１に入力される。

非線形光学デバイス５０１は、入力される光信号と励起光、および出力される変換光の間で擬似位相整合を満たす周期分極反転構造を有し、高い波長変換効率を有する波長変換器および光パラメトリック増幅器として動作する。

非線形光学デバイス５０１の出力側には、２倍の周波数に変換されたモニタ光１およびモニタ光２が出力され、それぞれ別々の光検出器５６１，５６２により受光し、差分器５６３による差分信号を帰還利得調整器５０５に入力する。光検出器５６１で検出される光強度は、目標値付近においては、温度が高くなると減少し、温度が低くなると増加する。光検出器５６２で検出される光強度は、目標値付近においては、温度が高くなると増加し、温度が低くなると減少する。この差分は、目標値付近では単調関数となるので誤差信号として用いることができる。この誤差信号として帰還利得調整器５０５に入力し、温調信号生成機構５０４の制御電流にフィードバックを行った。これにより、全帯域に渡り波長変換光の強度が０．２ｄＢ以内で安定させることができた。

一般に均一な周期分極反転構造を有する二次非線形光学媒体の第二次高調波発生の効率は、入射する基本波帯の光に対してｓｉｎｃ関数の二乗の関数の形になり、基本波光波長を中心にして対照的な形状となる。光検出器５６１の出力と、光検出器５６２の出力とが等しくなるように、すなわち差分がゼロとなるように制御信号を生み出すことにより、目標状態を安定的に実現することができる。なお、作製誤差により、関数の形が非対称になった場合は、誤差信号にオフセットを加えることにより、最適点に調整することが可能となる。

なお、本実施形態ではＰＰＬＮ導波路を用いたが、周期分極反転構造を有していない導波路でもよく、その材質も二次非線形光学係数を有していれば、ニオブ酸リチウムでなくてもよい。また、２つのモニタ光を使用する場合であっても、サーキュレータ、波長合分波器を組み合わせることにより、信号光と逆方向に非線形光学デバイスにモニタ光を入力してもよい。

Claims

１または複数の基本波光から波長の異なる変換光を発生させる二次非線形光学素子からなる非線形光学デバイスと、
前記非線形光学デバイスの素子の温度を制御する温度制御デバイスと、
前記基本波光の波長とは異なる波長のモニタ光を、前記非線形光学デバイスに入力する手段と、
前記非線形光学デバイスから波長変換を受けて出力された前記モニタ光の変換光を分離して、前記変換光の光強度を検出する光検出手段と、
前記光検出手段で検出された前記光強度に基づいて前記温度制御デバイスを制御する制御手段と
を備え、
前記モニタ光の波長は、前記二次非線形光学素子が前記基本波光に対して最も効率よく第二次高調波を発生する目標状態において、第二次高調波発生の変換効率を前記基本波光の波長の関数としたとき、前記モニタ光の波長から前記基本波光の波長の間において前記関数が単調関数となるように設定されており、
前記モニタ光は、第１のモニタ光波長と第２のモニタ光波長の２つのモニタ光であり、
前記第１のモニタ光波長と前記第２のモニタ光波長とは、前記関数内において最大値を挟んで変換効率が同じ値となるように設定され、
前記制御手段は、前記２つのモニタ光それぞれについての変換光の光強度の差分に基づいて前記温度制御デバイスを制御する、
ことを特徴とする波長変換装置。
１または複数の基本波光から波長の異なる変換光を発生させる二次非線形光学素子からなる非線形光学デバイスと、
前記非線形光学デバイスの素子の温度を制御する温度制御デバイスと、
前記基本波光の波長とは異なる波長のモニタ光を、前記非線形光学デバイスに入力する手段と、
前記非線形光学デバイスから波長変換を受けて出力された前記モニタ光の変換光を分離して、前記変換光の光強度を検出する光検出手段と、
前記光検出手段で検出された前記光強度に基づいて前記温度制御デバイスを制御する制御手段と
を備え、
前記モニタ光は、前記非線形光学デバイスの前記基本波光に対する位相整合波長から短波長側および長波長側にそれぞれずれた第１のモニタ光波長および第２のモニタ光波長の２つのモニタ光であり、
前記制御手段は、前記２つのモニタ光それぞれについての変換光の光強度の差分に基づいて前記温度制御デバイスを制御する、
ことを特徴とする、波長変換装置。
前記２つのモニタ光の波長のそれぞれは、前記関数内において最大値を除く他のすべての極大値よりも高い変換効率の波長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に記載の波長変換装置。
前記第１のモニタ光波長と前記第２のモニタ光波長とは、前記位相整合波長を挟んで変換効率が同じ値となるように設定されたことを特徴とする請求項２に記載の波長変換装置。
前記２つのモニタ光のそれぞれは、前記基本波光の一部を分岐し、強度変調を施して生成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の波長変換装置。
前記２つのモニタ光のそれぞれは、前記非線形光学デバイスに入力される前記基本波光とは逆方向から前記非線形光学デバイスに入力されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の波長変換装置。
前記非線形光学デバイスは、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）の導波路を有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の波長変換装置。