JPH0933962A - 波長変換装置および波長変換方法 - Google Patents
波長変換装置および波長変換方法Info
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Abstract
波長変換装置の提供。 【構成】 この実施例の波長変換装置を構成する波長変
換素子10は、Zinc−Blend材料からなるGa
As基板12の(001)面上に、Zinc−Blen
d材料である非線型光学結晶からなるリッジ型の導波路
層14を具えている。この導波路層14は、InGaA
sPからなり、その上下をInGaPからなるクラッド
層16で挟まれている。そして、偏波固定手段22によ
って、ポンプ光をTE偏波方向に固定してこの波長変換
素子(DFG素子)に入射する。
Description
M;Quasi-Phase Matching)条件の下で和周波発生(S
FG;Sum Frepuency Generation)もしくは差周波発生
(DFG;Difference Frequency Generation )を利用
する波長変換装置および波長変換方法に関する。
「S.J.B.Yoo,et al.,OFC’95,
PD14.」に開示されている。この文献に開示の波長
変換装置においては、ドメイン反転グレーティングの周
期が導波路方向に沿ってQPM条件を満たすように設定
された導波路を具えた波長変換素子を用いている。そし
て、この波長変換素子に、角振動数ωp のポンプ光およ
び角振動数ωS の信号光をそれぞれ入射することによ
り、波長変換を行なって角振動数ωC の変換光を得てい
る。
波長波長変換装置においては、波長変換素子に入射光を
入射させるにあたり、ポンプ光および信号光の両方の偏
波面をそれぞれ一定の偏波方向に固定して入射させる必
要があった。
れぞれに直線偏光とするための偏波素子が必要となるた
め、波長変換装置の構成が複雑となる。また、直線偏光
とするために、ポンプ光および信号光の光損失が発生す
ることがある。
固定されておらず、偏波面が回転する。このため、信号
光を直線偏光とするための偏波素子の偏波面を回転に合
わせて調整する必要がある。
に依存しない波長変換装置の実現が望まれていた。
明の波長変換装置によれば、半導体基板の(001)面
の上側に、ジンク・ブレンド(Zinc−Blend)
材料である非線型光学結晶からなる導波路層を具え、こ
の導波路層は<110>方向または<−110>方向に
沿って入射光を伝搬し、この導波路層は、擬似位相整合
(QPM)条件を満たすために、下記の(1)を満足す
るように屈折率あるいは2次非線型定数が互いに異なる
第1領域および第2領域を、当該導波路層の入射光の伝
搬方向に沿って交互に周期的に具え、この導波路層にこ
の入射光として信号光およびポンプ光を入射して差周波
(DF波)または和周波(SF波)の変換光を発生させ
る波長変換素子と、信号光またはポンプ光の電気ベクト
ルの振動方向である偏波方向を、伝搬方向に垂直でかつ
導波路層の延在する面に沿ったTE偏波方向に固定する
ための偏波方向固定手段とを具えてなることを特徴とす
る。
領域の位相不整合量を表し、l1 およびl2 は、伝搬方
向に沿った長さを表す。また、mは整数を表す。またこ
こでは、ミラー指数の「1のバー」を便宜的に「−1」
で表す。
換方法によれば、半導体基板の(001)面の上側に、
ジンク・ブレンド(Zinc−Blend)材料である
非線型光学結晶からなる導波路層を具え、この導波路層
は<110>方向または<−110>方向に沿って入射
光を伝搬し、この導波路層は、擬似位相整合(QPM)
条件を満たすために、下記の(1)を満足するように屈
折率あるいは2次非線型定数が互いに異なる第1領域お
よび第2領域を、当該導波路層の入射光の伝搬方向に沿
って交互に周期的に具え、この導波路層にこの入射光と
して信号光およびポンプ光を入射して差周波(DF波)
または和周波(SF波)の変換光を発生させる波長変換
素子に、入射光として信号光およびポンプ光を入射する
ことにより、差周波(DF波)または和周波(SF波)
を変換光として発生させにあたり、信号光もしくはポン
プ光の電気ベクトルの振動方向である偏波方向を、伝搬
方向に垂直でかつ導波路層の延在する面に沿ったTE偏
波方向に固定して当該導波路層に入射することを特徴と
する。
領域の位相不整合量を表し、l1 およびl2 は、伝搬方
向に沿った長さを表す。また、mは整数を表す。またこ
こでは、ミラー指数の「1のバー」を便宜的に「−1」
で表す。
び第2の発明の波長変換方法によれば、波長変換装置を
構成する波長変換素子は、半導体基板の(001)面の
上側に、Zinc−Blend材料からなる導波路層を
積層している。Zinc−Blend材料は、下記の
(2)式に示すように特殊な非線型定数マトリクスを有
する。
る導波路層において、ポンプ光と信号光とによって励起
された非線型分極Pi (i=x,y,z)は、下記の
(2)式で表される。
向のポンプ光の電界成分をそれぞれ表し、EXS、EYS、
EZSは、X、Y、Z方向の信号光の電界成分をそれぞれ
表す。また、dは、導波路材料の二次非線型定数であ
り、EipおよびEis(i=x,y,z)はそれぞれポン
プ光および信号光の電界成分である。
(3)式で与えられる。
られる。
えば<110>方向)に固定した場合、ポンプ光の電界
成分のXYZ成分はそれぞれ下記の(5)式および
(6)式で表される。
0>方向に固定した場合、信号光の電界成分のXYZ成
分はそれぞれ下記の(7)式および(8)式で表され
る。
と、非線型分極Pi のXYZ成分はそれぞれ下記の
(9)式および(10)式で与えられる。
は、信号光のTE波に垂直なTM波であることが分か
る。また、この非線型分極の大きさは、下記の(11)
式で与えられる。
た場合、信号光の電界成分のXYZ成分はそれぞれ下記
の(12)式および(13)式で表される。
(2)式に代入すると、非線型分極Pi のXYZ成分は
それぞれ下記の(14)式および(15)式で与えられ
る。
は、信号光のTM波に垂直なTE波であることが分か
る。また、この非線型分極の大きさは、下記の(16)
式で与えられる。
波面をTE偏波方向(例えば<110>方向)に固定す
れば、励起された非線型分極は常に信号光の偏波面と直
交し、かつ、その大きさはP=dES EP で一定であ
る。また、変換光の光強度は、非線型分極の大きさに比
例する。従って、波長変換効率は、信号光の偏波方向に
依存せずに一定となる。
合も、励起された非線型分極は常に信号光の偏波面と直
交し、かつ、その大きさはP=dES EP で一定であ
る。従って、波長変換効率は、ポンプ光の偏波方向に依
存せずに一定となる。
または信号光の偏波方向に依存せずに、波長変換を行な
うことができる。その結果、ポンプ光または信号光を直
線偏光にするための素子が必要なくなるので、波長変換
素子の構成を簡単にすることができる。
信号光の偏波面に依存せずに波長変換を行なうことがで
きるため、信号光の光損失を抑制することができる。ま
た、信号光の偏波面が回転しても波長変換を一定の波長
変換効率で安定して行なうことができる。
の発明の波長変換装置および第2の発明の波長変換方法
の例について併せて説明する。尚、参照する図面はこれ
らの発明が理解できる程度に各構成成分の大きさ、形状
および配置関係を概略的に示しているに過ぎない。従っ
て、これらの発明は図示例にのみ限定されるものではな
い。
の偏波面のみをTE波に固定して波長変換を行い、差周
波(DF波)を発生させる場合について説明する。
に供する構成図である。また、図2は、波長変換素子の
説明に供する図である。図2の(A)は、入射光の入射
端側からみた構造図であり、図2の(B)は、図2の
(A)のI−Iに沿って、入射光の伝搬方向に沿った切
り口における縦断面図である。
変換素子10は、Zinc−Blend材料からなるG
aAs半導体基板12の(001)面上に、Zinc−
Blend材料である非線型光学結晶からなるリッジ型
の導波路層14を具えている。この導波路層14はIn
GaAsPからなり、その上下をInGaPからなるク
ラッド層16で挟まれている。
(QPM)条件を満たすために、下記の(17)を満足
するように屈折率が互いに異なる第1領域18および第
2領域20を、当該導波路層14の入射光の伝搬方向に
沿って交互に周期的に具えたグレーティングを具えてい
る。従って、この導波路層14は、<−110>および
<110>方向を含む面に沿っており、入射光は<−1
10>方向に沿って導波路層14を伝搬する。従って、
この導波路層14は、<−110>方向に延在する導波
路となる。尚、<−1>は、便宜的に1のバーを表す。
領域の位相不整合量を表し、l1 およびl2 は、入射光
の伝搬方向に沿った長さを表す。また、(17)式は上
記の(1)式においてm=0の場合に相当する。
電気ベクトルの振動方向である偏波方向を、入射光の伝
搬方向に垂直でかつ導波路層14の延在する面に沿った
TE偏波方向(<110>方向)に固定するための偏波
方向固定手段22を具えている。この偏波固定手段22
としては、例えば、ほぼ直線偏光となっている半導体レ
ーザ24の出射光を一旦1/4波長板26に入射して直
線偏光とし、さらに、この直線偏光を1/2波長板28
に入射して任意の偏波面を持つ直線偏光とする。この実
施例では、この偏波固定手段22によって、ポンプ光を
TE偏波方向に固定して波長変換素子(DFG素子)に
入射する。また、信号光34は、例えばハーフミラー3
0を用いてポンプ光と共に波長変換素子に入力する。ポ
ンプ光32の偏波方向を固定して、この実施例の波長変
換素子10に入射することにより、信号光34の偏波方
向に依存せずに安定して波長変換を行なって差周波36
を得ることができる。
の第1領域の位相不整合量Δk1 は、第1領域における
ポンプ光の波数ベクトルをk1P、信号光の波数ベクトル
をk1S、変換光(DF波)の波数ベクトルをk1Cとする
と、下記の(18)式で与えられる。
けるポンプ光の波数ベクトルをk2P、信号光の波数ベク
トルをk2S、変換光(DF波)の波数ベクトルをk2Cと
すると、下記の(19)式で与えられる。
(20)式で与えられる。
するポンプ光、信号光および出射する変換光の波長を表
し、n1P、n1S、n1Cは、それぞれポンプ光、信号光お
よび変換光に対する第1領域の屈折率を表す。
2iは、下記の(21)式で与えられる。
変換光に対する第2領域の屈折率を表す。
長λP 、λS およびλC の間には、下記の(22)式の
示す関係が成り立つ。
とし、信号光の波長をλS =1.55μmとする。従っ
て、差周波の波長はλC =0.64μmとなる。
子にポンプ光をTE偏波方向に固定して入射することに
より、和周波(SF波)を発生させる例について説明す
る。
方向固定手段の構造は、第1実施例のものと同様の構造
であるが、位相不整合量が異なる。
整合量Δk1 は、第1領域におけるポンプ光の波数ベク
トルをk1P、信号光の波数ベクトルをk1S、変換光(D
F波)の波数ベクトルをk1Cとすると、下記の(23)
式で与えられる。
けるポンプ光の波数ベクトルをk2P、信号光の波数ベク
トルをk2S、変換光(DF波)の波数ベクトルをk2Cと
すると、下記の(24)式で与えられる。
およびλC の間には、下記の(25)式の示す関係が成
り立つ。
とし、信号光の波長をλS =1.57μmとする。従っ
て、和周波の波長はλC =0.78μmとなる。
固定手段によって、ポンプ光をTE偏波方向に固定して
波長変換素子(SFG素子)に入射する。ポンプ光の偏
波方向を固定してこの波長変換素子に入射することによ
り、信号光の偏波方向に依存せずに安定して波長変換を
行うことができる。
材料を使用し、特定の条件で構成しれについて説明した
が、これらの発明は多くの変向および変形を行なうこと
ができる。例えば、上述した実施例では、ポンプ光の偏
波方向を固定した例について説明したが、これらの発明
では、信号光の偏波方向を固定することにより、ポンプ
光の偏波方向に依存しない波長変換を行ってDF波また
はSF波を発生させるともできる。
の導波路を<−110>方向に延在した導波路の例につ
いて説明したが、これらの発明では、例えば導波路を<
110>方向に延在させ、かつ、ポンプ光または信号光
の偏波方向を<−110>方向に固定して入射しても良
い。
の導波路の屈折率を周期的に変化させることによってQ
PM条件を満たしたが、これらの発明では、例えば、導
波路の2次非線型定数を周期的に変調することによりQ
PM条件を満たしても良い。
置および第2の発明の波長変換方法によれば、この発明
に用いる波長変換素子は、半導体基板の(001)面の
上側に、Zinc−Blend材料からなる導波路層を
積層している。Zinc−Blend材料は、下記の
(2)式に示すように特殊な非線型定数マトリクスを有
する。その結果、この波長変換素子に入射するポンプ項
および信号光のうちのポンプ光の偏波面をTE偏波方向
(例えば<110>方向)に固定すれば、励起された非
線型分極は常に信号光の偏波面と直交し、かつ、その大
きさはP=dES EP で一定である。また、変換光の光
強度は、非線型分極の大きさに比例する。従って、波長
変換効率は、信号光の偏波方向に依存せずに一定とな
る。
合も、励起された非線型分極は常にポンプ光の偏波面と
直交し、かつ、その大きさはP=dES EP で一定であ
る。従って、波長変換効率は、ポンプ光の偏波方向に依
存せずに一定となる。
または信号光の偏波方向に依存せずに、波長変換を行な
うことができる。その結果、ポンプ光または信号光を直
線偏光にするための素子が必要なくなるので、波長変換
素子の構成を簡単にすることができる。
信号光の偏波面に依存せずに波長変換を行なうことがで
きるため、信号光の光損失を抑制することができる。ま
た、信号光の偏波面が回転しても波長変換を一定の波長
変換効率で安定して行なうことができる。
図である。
装置を構成する波長変換素子の説明に供する図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 半導体基板の(001)面の上側に、ジ
ンク・ブレンド(Zinc−Blend)材料である非
線型光学結晶からなる導波路層を具え、該導波路層は<
110>方向または<−110>方向に沿って入射光を
伝搬し、該導波路層は、擬似位相整合(QPM)条件を
満たすために、下記の(1)を満足するように屈折率あ
るいは2次非線型定数が互いに異なる第1領域および第
2領域を、当該導波路層の入射光の伝搬方向に沿って交
互に周期的に具え、該導波路層に該入射光として信号光
およびポンプ光を入射して差周波(DF波)または和周
波(SF波)の変換光を発生させる波長変換素子と、 前記信号光または前記ポンプ光の電気ベクトルの振動方
向である偏波方向を、前記伝搬方向に垂直でかつ前記導
波路層の延在する面に沿ったTE偏波方向に固定するた
めの偏波方向固定手段とを具えてなることを特徴とする
波長変換装置。 Δk1 l1 =Δk2 l2 =(2m+1)π・・・(1) 但し、Δk1 およびΔk2 は、それぞれ前記第1および
第2領域の位相不整合量を表し、l1 およびl2 は、前
記伝搬方向に沿った長さを表す。また、mは整数を表
す。 - 【請求項2】 半導体基板の(001)面の上側に、ジ
ンク・ブレンド(Zinc−Blend)材料である非
線型光学結晶からなる導波路層を具え、該導波路層は<
110>方向または<−110>方向に沿って入射光を
伝搬し、該導波路層は、擬似位相整合(QPM)条件を
満たすために、下記の(1)を満足するように屈折率あ
るいは2次非線型定数が互いに異なる第1領域および第
2領域を、当該導波路層の入射光の伝搬方向に沿って交
互に周期的に具え、該導波路層に該入射光として信号光
およびポンプ光を入射して差周波(DF波)または和周
波(SF波)の変換光を発生させる波長変換素子に、前
記入射光として信号光およびポンプ光を入射することに
より、差周波(DF波)または和周波(SF波)を変換
光として発生させるにあたり、 前記信号光もしくは前記ポンプ光の電気ベクトルの振動
方向である偏波方向を、前記伝搬方向に垂直でかつ前記
導波路層の延在する面に沿ったTE偏波方向に固定して
当該導波路層に入射することを特徴とする波長変換方
法。 Δk1 l1 =Δk2 l2 =(2m+1)π・・・(1) 但し、Δk1 およびΔk2 は、それぞれ前記第1および
第2領域の位相不整合量を表し、l1 およびl2 は、前
記伝搬方向に沿った長さを表す。また、mは整数を表
す。
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