JPH11288011A

JPH11288011A - 波長可変擬似位相整合素子

Info

Publication number: JPH11288011A
Application number: JP9298198A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Naganuma; 和則長沼; Shigeo Ishibashi; 茂雄石橋; Hidetoshi Iwamura; 英俊岩村; Hirohisa Kanbara; 浩久神原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1998-04-06
Filing date: 1998-04-06
Publication date: 1999-10-19

Abstract

(57)【要約】【課題】回転機構により位相整合波長を変化調整でき
従来の角度位相整合素子に直接置換でき、作製が容易で
ある波長可変擬似位相整合素子を得る。【解決手段】非線形光学媒質板内に周期波数方向に等
周期的に分極が付与され、非線形光学媒質板１０１の回
転中心１０９を被変換光の入射端面１０４に達する以前
の光路の延長線上に置き、変換光の板内光軸１０６と分
極の周期波長方向とを零でない角度となすようにしたも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、波長変換を効率良
く行う非線形光学媒質板を実現する技術に関する。特
に、従来、測定器において広く用いられてきた角度位相
整合結晶とそのまま置き換え可能で、しかも効率のより
高い擬似位相整合素子を提供する。

【０００２】

【従来の技術】非線形光学媒質を用いた波長変換技術
は、現在、広範な分野にその応用をみるに至っている。
このうち、特に本発明が念頭に置くのは、計測器への応
用であり、その例として、ピコ秒からフェムト秒領域の
超高速光信号の観測に用いる相関計（コリレーター）を
とりあげた。以下に相関計の原理と、そこにおける非線
形光学媒質の使用容態につき要点を述べる。

【０００３】ピコ秒からフェムト秒領域の超高速光信号
に対しては、十分な時間分解能を有する光検出器が存在
しないゆえに、現在、相関計による観測が行われてい
る。こうした相関計では、被測定信号光と参照とする光
パルスとを非線形媒質中に入射・結焦せしめ、発生する
光の積分強度を、被測定信号光と参照光パルスの時間関
係（遅延時間）の関数として計測する。この場合の時間
分解能は、光電変換器等の応答時間によらず非線形媒質
の応答時間と参照光パルスの時間幅によって決まる。

【０００４】このうち、参照光パルスとしては、被測定
信号光に同期しかつ被測定信号に比して十分時間幅の短
い光パルスを用いる光サンプリングと呼ばれる場合、非
線形媒質の応答時間が十分であれば、被測定信号光の強
度波形を直接得る事ができる。参照光パルスとして、被
測定信号光自体を用いる場合も多く、得られる信号を自
己相関、それを測定する装置を自己相関計（オートコリ
レーター）と呼ぶが、自己相関波形からは、適当な仮定
をおいて、被測定信号の波形を推定することができる。

【０００５】もうひとつの非線形媒質の応答時間をきめ
る因子は、二つある。その第一のものは、入射・結焦さ
れる入力光電場の変化に応じて非線形分極が変化する際
の追随性である。通例用いられる実遷移を伴わない非共
鳴非線形効果では、非線形分極の応答は原子核周りの電
子周回時間、すなわち、１〜２fs程度であり、この因子
にかかる部分は実用上瞬時応答を示すと見なすことがで
きる。その第二のものは位相整合に関連する。有限長の
媒質の各所で発生した非線形分極が、出力光電場に同相
に寄与するためには、非線形分極の位相が出力光の伝搬
位相に丁度揃っていることが必要である。

【０００６】ここで、各所における非線形分極の位相は
入力光の伝搬位相によって規定されるので、結局この条
件を入力光、出力光それぞれの伝搬位相の関係に引き直
すことができる。すなわち、角周波数ω₁，ω₂の２つ
の入力光から波長ω₃（ω₃＝ω₁±ω₂）の出力光を
得るとき、位相不整合Δｋ Δｋ＝ｋ₁±ｋ₂−ｋ₃ … （１）がゼロならば、媒質各所からの非線形分極の寄与が強め
合い出力光が最大となる。ここで、複合において、＋の
場合が和周波発生にあたり、−の場合が差周波発生にあ
たっている。さらに、各々の波数ｋ_iは、屈折率ｎ_iと
真空中の光速ｃを用いて、ｋ_i＝ｎ_iω_i／ｃと表され
ることを用いると、上の位相不整合がゼロとなる、すな
わち、位相整合がとれるためには、３つの屈折率が全て
等しいか、または、最大の角周波数に対する屈折率が他
の２者に挟まれることが必要であることが導かれる。例
えば角周波数ω₃に対してω₁＜ω₃＜ω₂の関係であ
る。

【０００７】この場合後者にあっては、媒質が透明な波
長領域では、屈折率は周波数に対して単調に増加するの
で、単一の屈折率を考える限り、位相整合は決してとれ
ない。しかし、非等方的な光学結晶では、屈折率が光電
場の方向に依存して変わる複屈折現象が見られる。これ
を利用すれば、位相整合がとれる可能性が開かれ、角度
位相整合と呼ばれている。主屈折率ｎ_x，ｎ_Y，ｎ_zを
持つ複屈折光学結晶中を、角度（方向）ベクトルｓ（Ｖ
_ecｓとする）に伝搬する光の感じる屈折率ｎは、フレネ
ルの速度方程式（２）である［数１］

【数１】を解いて求められ、一般に一つの伝搬方向に対して２つ
の屈折率が得られる。これら異なる屈折率は互いに直交
する直線偏波に対応している。位相整合をとるために
は、少なくとも、最大の角周波数に対する光は低い屈折
率を与える偏波で伝搬させ、残りの２つの光のうち一方
は高い屈折率を与える偏波で伝搬させることが必要であ
る。残る光については、高い屈折率を使うか、低い屈折
率を使うかの選択の余地があり、それぞれタイプＩ、タ
イプIIの位相整合と称されている。このようにして、各
光の偏波の組み合わせを選んだ上で、前式（２）の位相
不整合がゼロとなる共通の伝搬方向Ｖ_ec ｓを探す。

【０００８】以上で位相不整合をゼロとでき位相整合が
達成されると、さらに、位相整合の帯域を考えることが
できる。平面波近似のもとで、角周波数ω₃の出力光強
度Ｐ ₃の位相不整合Δｋおよび結晶長Ｌへの依存性はＰ₃∝Ｌ²sinc²(ΔｋＬ／２） … （３）に従う。本式（３）中、関数sinc x（一般式）は（sin
ｘ）／ｘを表す。この出力光強度が、位相不整合がゼロ
のときの半分になるΔｋＬ／２の値は1.３９２であり、
これを入力光についての帯域（全半値幅）に引き直す
と、 ΔΩ_i＝４×1.３９２｜（τ_i−τ₃）Ｌ｜^-1 … （４）が得られる。ここで、τ₁，τ₂，τ₃は各々の光に対
する媒質単位長さ当たりの群遅延時間である。式中絶対
値の中は、入力光と出力光が各々結晶を透過する際に受
ける群遅延時間の差であり、群遅延不整合と呼ぶことが
できる。慣用的に、この群遅延不整合の絶対値をもっ
て、当該入射光に対する非線形媒質の応答時間の目安と
している。

【０００９】一枚の非線形媒質にあって、上式中媒質長
Ｌを短くして行けば、応答時間は短くなり、同時に、視
点を転じるならば、変換可能な入力光の帯域が拡大して
行く。よって、非常に短い媒質を用いれば、原理的に
は、入力光の波長が変化しても位相整合をとり直す必要
がなくなるに至る。しかしながら、前式（３）をみる
と、媒質長を短くするに従い、出力光強度が媒質長の二
乗に比例して急速に減少し、相関計の測定感度の低下を
招くことになる。詳しく言うならば、この二乗依存性
は、媒質中をビーム径が変わることなく伝搬する場合、
即ちチャネル型の導波路構造を有する媒質で成り立つ性
質であって、バルク媒質中の伝搬の場合、少なくとも理
論上は、媒質長に応じてその２分の１乗に比例した最適
のビーム径に変えて行くことにより、出力光強度の媒質
長への依存性を一乗にまで緩和できるが、いずれにして
も、媒質長の短縮が測定感度の低下につながることに変
わりなく、過剰な短縮は望ましくない。

【００１０】それで、測定対象とする被測定光信号に応
じて、必要な時間分解能を与える最長の媒質長を選び、
入力光の波長が変化した場合は、それに応じて伝搬方向
を調節して位相整合を取り直す方法が一般にとられてい
る。この伝搬方向の調整については、通例、入射光軸は
固定し、非線形光学媒質の方を回転して適当な伝搬方向
を見出すように構成される。以上述べたところから、現
行の相関計における非線形光学媒質の使用容態をまとめ
ると、媒質は伝搬方向を調整して角度位相整合をとるた
めに回転機構の付いた台座に保持され、また、長さ（厚
さ）の異なる結晶に交換できるよう媒質と台座の間は着
脱可能に接合されている。

【００１１】ところが、最近、非線形媒質中に、非線形
定数が周期的に変化する構造を人工的に形成し、その周
期性を利用して位相整合を達成しようとする擬似位相整
合技術が注目されている。この擬似位相整合によれば、
従来から用いられて来たニオブ酸リチウムといった非線
形結晶においても、非線形定数テンソルのうち、複屈折
を利用した角度位相整合では利用不可能だったｄ_zzzと
いった大きな成分が活用でき、より高い効率で波長変換
を行うことができ、あるいは、角度位相整合のとれなか
った波長域での位相整合が可能となる。また、入力・出
力光の偏光を結晶の主軸方向にとることが可能となる結
果、角度位相整合に一般に付随していた複屈折現象によ
る相互作用長の制限、あるいは出力光ビーム形状の劣化
といった問題を回避できる。さらに、半導体、ガラスと
いった角度位相整合がそもそも不可能であった材料系に
対して位相整合への可能性が新たに開かれる。

【００１２】この擬似位相整合のためには、非線形定数
が正弦波的に変化するのが理想的であるが、現実にはこ
うした変化は作り込み難いので、ステップ状の非線形定
数変化が用いられている。この非線形定数変化の作り込
み方法は、材料に応じて様々で、例えばニオブ酸リチウ
ムのような強誘電体結晶にあっては、外部電界の印加な
どにより分極を反転することで、非線形定数の符号が周
期的に変化する構造を作る。半導体材料に対しては、張
り合わせ、あるいは、周期的に表面状態の変化する基板
を用意した上にエピタキシャル成長を行う等の手法によ
り、やはり周期的に非線形定数の符号が変化する構造を
作る。ガラスや有機分子においては、それぞれ、周期的
な熱分極、周期的なエッチングといった手段を用いて、
非線形定数が非ゼロとゼロの部分が作り込まれる。

【００１３】このようなステップ状の非線形定数変化に
伴われる有効非線形定数ｄ_effは、一般に、ｄ_eff＝（ｄ_s／π）sin(πＤ） … （５）と与えられる。ここで、ｄ_sは非線形定数の全振れ幅で
あり、符号の反転により非線形定数がｄと−ｄの間で振
れている場合には２ｄ、非線形定数でｄとゼロの間で振
れている場合にはｄの値をとる。また、Ｄは一周期中に
非線形定数が高い部分の占める比率である。非線形定数
の高低が丁度１：１で繰り返すときにＤが１／２とな
り、最も大きい有効非線形定数が得られることが式
（５）から分かる。擬似位相整合に必要な非線形定数の
変化周期Λは、その周期に対応する波数によって上式
（１）の位相不整合が丁度打ち消される条件から求めら
れ、以下のように与えられる。 Λ＝２π／｜ｋ₁±ｋ₂−ｋ₃｜ … （６）ここでも上同様、複合において、＋の場合が和周波発生
にあたり、−の場合が差周波発生にあたっている。

【００１４】図６は、ニオブ酸リチウム結晶について、
二次高調波発生（ω₁＝ω₂＝ω₃／２）の場合に必要
な非線形定数の反転周期を、結晶温度をパラメータとし
て示している。これを見ると、反転周期を変えれば擬似
位相不整合のとれる波長を十分広範囲に変えられるもの
の、固定された反転周期の下では結晶温度をたとえ１０
℃から７０℃まで６０°変えたとしても、位相整合波長
は僅かに5.５ｎｍ動くのみであることが分かる。このよ
うに擬似位相整合結晶は、波長変換の効率は高いもの
の、波長可変性に乏しい結果、その応用は決まった波長
のレーザ光源についての波長変換といった局面に限ら
れ、被測定光の波長に同調させる必要がある相関計など
の計測器への応用は、行われていないのが現状である。

【００１５】このため、擬似位相整合素子を波長可変化
するために、素子内光路に垂直な方向に周期が変化する
ように扇様（fan-out)の分極を付与した非線形光学媒質
板を使用する方法が、Optics Letters誌・１６巻（1991
年）・ 375−377 頁に公刊されている。図７は、この従
来例を示す図である。ただし、上記文献では、互いに平
行な多数のチャネル導波路が板上に形成され、そのうち
一本の中を入出射光が伝搬する構成となっているが、そ
の場合には波長が離散的にしか可変とできないため、本
図では、チャネル導波路を取り除き、入出射光がバルク
の板厚内を伝搬するように改変した構成を示してある。

【００１６】この例において、非線形光学媒質板７０１
は、平坦に研磨された入射端面７０４と出射端面７０５
とを備える。入射光は入射光軸７０２に沿って入射端面
７０４に入射し、板内を板内光軸７０６に沿って伝搬す
る。この板内光軸７０６の各所で発生した変換光は板内
を板内光軸７０６に沿って伝搬し、出射端面７０５から
出射し、出射後は出射光軸７０３に沿って進む。本例で
は、入射端面７０４と出射端面７０５が共に板内光軸７
０６に垂直である結果、入射光軸７０２、出射光軸７０
３、および板内光軸７０６の三者は互いに共軸になって
いる。上記非線形光学媒質板７０１には板内光軸７０６
に垂直な方向に周期が変化する扇様の分極反転が作り込
まれている。また該非線形光学媒質板は、板内光軸７０
６に垂直な移動方向７１３に平行移動できるように、移
動機構の付いた台座に保持されている。

【００１７】今、非線形光学媒質板７０１をニオブ酸リ
チウム結晶とし、中央の周期が１8.８５μｍで、板内光
軸７０６に垂直な方向１ｍｍ当たり1.０７μｍだけ周期
が変化するような扇様の分極反転が施されているとす
る。この場合、結晶温度が２０℃とすると、中央での波
長が1.５４５μｍで、移動方向７１３に沿って１ｍｍ移
動するごとに、0.０４μｍずつ位相整合波長を変化させ
ることができる。この特性を見るためには、図６におい
て、当該温度のときに縦軸の反転周期に対応する入射光
波長を読み取ればよい。こうして、例えば移動方向７１
３に±１ｍｍの移動量をとることができれば、1.５０５
μｍから1.５８５μｍまでの波長を一枚のニオブ酸リチ
ウム結晶板によりカバーすることができ、現在の1.５μ
ｍ帯光通信における光信号の測定のために十分な波長可
変性が得られる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の波長可変擬似位相整合素子には、以下のような問題が
ある。まず、扇様の分極変化は、そうでない平行な分極
変化に比して、製造が困難な場合がある。例えば、従来
例に示したニオブ酸リチウム結晶に、電圧印加法により
周期的な分極反転を形成しようとする場合、ｚ方向に電
圧を印加することでｃ軸（光学軸）の反転を惹起する。
このとき、周期的なパターンの繰り返しの向き（波数方
向）は、通例、ｘ軸に向くように取られる。これは、波
数方向をｙ軸方向にとる場合比して、ｘ軸方向にとる場
合の方が、ｃ軸反転が起こり易いからである。ところ
が、扇様のパターンには、端の方の傾きが大きい反転部
ほど、ｙ軸方向の局所的波数成分が多く含まれることに
なる。この結果、端の方の分極反転を均一性高く形成し
難くなっている。

【００１９】また、上述の波長可変擬似位相整合素子で
は、位相整合波長を変化・調整するために、非線形光学
媒質板を板内光軸に垂直な方向へ平行移動する機構が必
要である。このことは、波長可変擬似位相整合素子を内
蔵した相関計を、これから新規に設計・製作しようとす
る場合には問題はない。

【００２０】しかしながら、感度の向上を期して、現在
すでに流通・配備されている相関計に波長可変擬似位相
整合素子を適用しようとする場合には、これが大きな障
害となる。なぜならば、上述のように、現行の相関計で
は、角度位相整合をとるために、非線形光学媒質板を回
転する機構が設置されているのみであり、上述の波長可
変擬似位相整合素子の要求するような光軸に垂直な方向
の平行移動機構を持たないからである。現行の相関計に
おいて、非線形媒質およびそれの保持・回転機構が装置
全体に占める割合は、空間的にも価格的にも、実のとこ
ろかなり小さく、１割にも遙かに満たない程度である。
従来の波長可変擬似位相整合素子を適用すべく、この程
度の些少な部分の変更に迫られる結果、相関計装置全体
を新たに設計・製作することになると、時間ならびに資
源の大いなる浪費とならざるを得ない。逆に、若し、従
来の相関計の装置に備わっている回転機構を用いて位相
整合波長を変化・調整できる波長可変擬似位相整合素子
を実現できれば、現行の相関計の非線形媒質にそのまま
置き換えることができ、極めて安価に測定感度の向上が
行えることになる。

【００２１】そこで、本発明は、平行移動機構ではなく
回転機構により位相整合波長を変化・調整でき、その結
果、従来の角度位相整合素子に直接置換することができ
さらに扇様の分極変化を用いず平行な分極変化として容
易に作製できる波長可変擬似位相整合素子を提供するこ
とを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成する本
発明は、次の発明特定事項を有する。（１）非線形光学媒質板の板内に周期波数方向に等周期
的に分極が付与されかつ被変換光が入射する入射端面と
この入射端面と対向する側に変換光が出射する出射端面
とを有する波長可変擬似位相整合素子において、上記非
線形光学媒質板の回転中心を上記被変換光の入射端面に
達する以前の光路の延長線上に置き、上記変換光の板内
光路と上記分極の周期波長方向とを零でない角度をなす
ようにした、ことを特徴とする。

【００２３】（２）上記（１）において、上記被変換光
が２本ある場合には、上記入射端面に達する以前の２本
の光路の夫々を平均した直線上に上記回転中心を置いた
ことを特徴とする。

【００２４】（３）上記（１）又は（２）において、上
記零でない角度Θは、sin Θ＝１／√３である約３５°
としたことを特徴とする。

【００２５】（４）上記（１），（２）又は（３）にお
いて、上記入射端面及び上記入射端面と出射端面の双方
端面の少なくとも一方では、上記回転中心を中心とした
円弧状に形成したことを特徴とする。

【００２６】（５）上記（１），（２），（３）又は
（４）において、上記入射端面及び出射端面の少なくと
も一方では、反射率を減じる光学膜を被着したことを特
徴とする。

【００２７】（６）上記（１），（２），（３），
（４）又は（５）において、上記非線形光学媒質板は、
上記被変換光と変換光との双方を二次元面内に閉じ込め
て伝播させるようにスラブ導波路となっていることを特
徴とする。

【００２８】試みに、分極周期が一様な通常の擬似位相
整合素子を、回転機構に取り付け、入射光軸に対して回
転させる構成を考える。図８（ａ）は、この構成を示す
図であり、非線形光学媒質板８０１は、平坦に研磨され
た入射端面８０４と出射端面８０５とを備える。入射光
は入射光軸８０２に沿って入射端面８０４に入射し、板
内を板内光軸８０６に沿って伝播する。この板内光軸８
０６の各所で発生した変換光は板内を板内光軸８０６に
沿って伝播し、出射端面８０５から出射し、出射後は出
射光軸８０３に沿って進む。この場合、上記非線形光学
媒質板８０１には入射端面８０４に垂直な方向に波数方
向を有する一様周期の分極反転が作り込まれている。

【００２９】今、非線形光学媒質板８０１をニオブ酸リ
チウム結晶とし、結晶温度が２０℃のとき、位相整合波
長の中央1.５４５μｍに相当する周期１8.８５μｍの分
極反転が付与されているとする。その時、入射光軸８０
２が入射端面８０４に直入射する、すなわち、入射光軸
および板内光軸８０６が基準線８１０方向に一致する場
合には、該中央波長に位相整合がとれることになる。図
８（ｂ）には、この結晶を回転したとき、入射光軸８０
４と基準線８１０のなす回転角８１１に対する位相整合
波長の変化を示した。回転角を±３０°もの範囲で変化
しても、それに伴なって、1.５４５μｍから1.５６５μ
ｍまで、僅か２０ｎｍの波長範囲をカバーできるに過ぎ
ず、全く不満足な波長可変特性である。

【００３０】本発明者らは、上述の特性によるところを
考究し、２つの要因をつきとめた。すなわち、そのうち
の一つは、図８（ｂ）に示す特性が回転角零に対して線
対称になっており、負側の回転角が無駄になっていると
いう点である。このことは、一様周期の分極反転の周期
波数方向が基準線８１０に一致していることに起因する
ことによる。

【００３１】また、その二つめは、非線形光学媒質板８
０１の屈折率が大きいので、板内光軸８０６が板内にて
分極反転の波数方向とのなす角が小さく、外側の回転角
８１１がある程度大きいとしても板内では板内光軸８０
６に近づこうとする。このことは入射端面８０４の形状
如何にかかわる。

【００３２】この結果、前者の要因に対しては、分極反
転の周期波数方向を基準線に対して傾けることとし、後
者の要因に対しては、入射端面の形状を回転中心を中心
とする円弧とすることを本発明の基本的な着想である。

【００３３】

【発明の実施の形態】ここで、本発明の実施の形態の一
例を図１〜図５を参照して説明する。図１は本発明の波
長可変擬似位相整合素子の一例の構成を示す図であり、
非線形光学媒質板１０１は、入射端面１０４と出射端面
１０５とを備える。入射光は入射光軸１０２に沿って入
射端面１０４に入射し、板内を板内光軸１０６に沿って
伝播する。この板内光軸１０６の各所で発生した変換光
は板内を板内光軸１０６に沿って伝播し、出射端面１０
５から出射し、出射後は出射光軸１０３に沿って進む。
ここで、非線形光学媒質板１０１は、入射光軸の延長線
上にある回転中心１０９を中心として、回転できるよう
に、回転機構の付いた台座に保持されている。

【００３４】図１（ａ）は、可変域の中央の位相整合波
長に同調した場合の容態であり、この場合、非線形光学
媒質板１０１に対する入射点において入射端面１０４が
入射光軸１０２に垂直である結果、板内光軸１０６も入
射端面１０４に垂直となっている。さらに出射端面１０
３では、この場合の出射点において、出射端面１０３が
板内光軸１０６に垂直である結果、出射光軸１０３も出
射端面１０５に垂直となる。これらの結果、入射光軸１
０２、出射光軸１０３、および板内光軸１０６の三者は
互いに共軸となっている。ここで、この容態において、
これら三者が乗っている直線を、本発明の非線形光学媒
質板の基準線１１０と名づける。非線形光学媒質板１０
１には、該媒質板を台座に装着する際に、この基準線方
向を知るための補助として、側面に位置決め用切欠部
（オリフラ）１０８が付加されている。図１（ｂ）は、
上記非線形光学媒質板１０１が上記回転中心１０９の周
りに、回転角１１１だけ回転した場合の容態を示してい
る。回転に伴って、板内光軸１０６と基準線１１０とが
零でない角となる。

【００３５】さて、本例では非線形光学媒質板１０１に
は基準線１１０に対して傾いた方向に周期波数方向を持
つ一様周期の分極が付与されている。前段で述べた板内
光軸１０６と基準線１１０のなす角の変化に伴い、板内
光軸１０６と分極の波数方向１０７のなす角が変化し、
その結果、板内光軸１０６に沿って見る実効周期が変化
し、結局、位相整合波長が変化することになる。こうし
て、回転機構により位相整合波長を変化・調整するとい
う目的が実現される。このとき、本発明では、波数方向
１０７が基準線１１０に対してもともと傾いている結
果、図８（ｂ）に見られたような負側の回転角が無駄に
なるという事態が避けられる。

【００３６】更に本例では、回転角１１１に伴って、板
内光軸１０６と基準線１１０のなす角を有効に変化させ
るために、入射端面１０４の形状が回転中心１０９を中
心とする円弧に選ばれている。このために、回転中心１
０９は入射端面１０４上にないことが必要となる。この
とき、入射光軸１０２は常に入射端面１０４に垂直に入
射し、板内光軸１０６が屈折されることなく常に入射光
軸１０２に共軸になる。この結果、板内光軸１０６が基
準線１１０となす角は、常に上記回転角１１１に等しく
なる。

【００３７】以上の本例の基本的作用には、出射端面１
０５の形状は関与しない。しかしながら、従来の角度位
相整合素子に本例のものを直接置換するという使用を想
定すると、入射光軸１０２と出射光軸１０３が常に平行
に保たれることが望ましい。この性質を付与するために
は、出射端面１０５の形状も、上記回転中心１０９を中
心とする円弧に選べばよい。このため、回転中心１０９
は出射端面１０５上にもないことが必要となる。このと
き、板内光軸１０６が出射端面１０５に垂直に入射し、
板内光軸１０６が屈折されることなく、出射光軸１０３
は常に板内光軸に共軸になる。入射光軸１０２と板内光
軸は既に共軸であったので、結局、出射光軸１０３は入
射光軸１０２に常に平行に保たれる。

【００３８】このように、本例にあっては周期分極の波
数方向を基準線に対して傾けることを基準としており、
その傾きの値を図２にて解析する。図２において、上に
述べたように、実際の使用の際は、入射光軸２０２は固
定され、非線形光学媒質板が回転中心２０９の周りに回
されるが、傾きの値を検討する目的には、非線形光学媒
質板を固定し、入射光軸２０２を回転中心２０９の周り
に回転した状態を考えても支障がない。図２にはそのよ
うにして、入射光軸２０２を回転中心２０９の周りに、
基準線２１０から角度θだけ回転した状態を示してあ
る。ここでは、基準線２１０上の入射光軸２０２と周期
波数方向２０７とのなす角Θ＋θであり、破線で示す直
線状の入射端面での屈折光軸と周期波数方向２０７との
なす角をΘ＋θ′で表示している。

【００３９】周期分極の波数方向２０７と基準線２１０
のなす角をΘ、分極の周期をΛ₀としたとき、今、一般
に、板内光軸が基準線２１０と角度φをなすとすると、
周期波数方向と板内光軸のなす角はΘ＋φとなり、板内
光軸に沿って見た実効的な反転周期Λは、一般式として
は Λ／Λ₀＝１／ cos（Θ＋φ） … （７）の形で表わせる。

【００４０】ここにおいて、実効的な反転周期Λが広い
範囲で変化すれば、それだけ広い波長可変性が得られ
る。このためには、式（７）の右辺の角度φについての
導関数が大きな値をとるのが望ましい。ところが、その
導関数の値が角度φに対してあまりにも急激に変化する
と、波長の変化の角度に対する直線性が損なわれるとい
う不具合が目立ってくる。そこで、上の導関数の角度φ
についての変化率、すなわち、式（７）の右辺の角度φ
についての２階の導関数は小さい値をとるのが望まし
い。つまり、傾きは大きく変化率の変化は小さくすれば
良いことから、次式（８）にて定義される評価関数ＦＯ
Ｍ（Θ）が最大となる角Θが周期波数方向２０７の基準
線２１０に対する傾きとして最適な角度となる。ＦＯＭ（Θ）＝（１／cos Θ）′／（１／cos Θ）″ …（８）簡単な計算の結果、ＦＯＭ（Θ）の最大値は、√2/4 で
あり、その時の角Θは、 sinΘ＝１／√３ …（９）の解として与えられる。これを解くと、最適角Θは３5.
２６４４°となる。但し、ＦＯＭ（Θ）の最大値付近で
の変化が緩やかな結果、角Θがこの最適値からずれても
急激な特性の劣化が生じる訳ではない。その結果、ＦＯ
Ｍ（Θ）の値が、例えば、最大値の８０％の範囲にある
角度の範囲、すなわち、１9.５°から５4.７°の角を選
んでも、実用上、ほぼ同一の効果が得られる。

【００４１】また、本例では、板内光軸が基準線に平行
となる中央波長に同調した条件下で、周期波数方向と板
内光軸が、上で選んだ角Θをもって交差する。その結
果、非線形光学媒質板１０１に付与すべき分極の周期Λ
₀は、中央波長での位相整合に要する周期Λ_cとは異な
り、より小さなものとなる。その関係は、式（７）を徴
して求まり、 Λ₀＝Λ_c cosΘ …（10）と表わせる。特に角Θを式（９）による最適角とした場
合は、Λ₀＝Λ_c√6/3となり、Λ_cの８1.６％の周期
を持つ分極を付与すればよいことになる。

【００４２】また、上で例示した角Θの許容範囲に対し
て、周期Λ₀を計算すると、Λ_cの５7.７％から９4.３
％となる。この結果は、一つの周期Λ₀を持つ非線形光
学媒質基板を、角Θが異なるように切り出し・研磨し
て、異なるΛ_c、すなわち異なる中央波長を持つ波長可
変擬似位相整合素子を作製できる可能性があることを示
している。例えば、周期Λ₀が１1.５μｍの分極反転が
施されたニオブ酸リチウム結晶基板があれば、それをΘ
＝２4.１２°に切り出して、1.３１μｍ波長帯用（Λ_c
＝１2.６μｍ）の素子を作製し、またΘ＝５2.７５°に
切り出して、1.５５μｍ波長帯用（Λ_c＝１9.０μｍ）
の素子を作製することができる。このように、本例で
は、若干の中央波長の変化ならば、一々異なる周期の分
極を作りかえる必要がなく、切り出し角の変化のみで対
応できるので、作製上の経済効果も期待できる。

【００４３】次に、入射点における光の屈折に伴なう効
果を考える。入射端面が図２中に破線で示したような平
面形状を有する場合、入射光軸２０２の入射端面への入
射角θと、屈折光軸２１２が同端面となす屈折角θ′
は、良く知られたスネルの法則、sin θ＝ｎsin θ′で
結ばれている。ここで、ｎは非線形光学媒質板の屈折率
である。今、上述の角度φは屈折角θ′に等しいので、
上の式（７）に式（10）とスネルの法則を代入して、こ
の場合の実効周期の入射角依存性は Λ／Λ_c＝cos Θ／ cos（Θ＋ sin^-1（sin θ／ｎ）） … （11）の形で表わせる。

【００４４】一方、入射端面を図２中に実線で示すよう
に回転中心２０９を中心とする円弧に形成した場合、入
射点において入射光軸は常に入射端面に垂直となり、屈
折を受けない。したがって、上述の角度φは、直接回転
角θに等しくなり、実効周期の入射角依存性として、 Λ／Λ_c cosΘ／ cos（Θ＋θ） … （12）が得られる。

【００４５】ここで、通例、屈折率ｎ＞１なので、上の
スネルの法則により、θ′≦θ（等号は両辺がゼロの場
合）となる。すなわち、一定の回転角に対しての角度φ
の変化は、平面端面の場合、必ず円弧端面の場合より
も、小さいのである。したがって、平面端面に比して、
円弧端面にすることで回転角当たりの実効周期の変化を
大きくとることができ、その結果、より広い波長可変性
を実現できる。

【００４６】こうして、相関計にあって従来の角度位相
整合素子に直接置換するという本発明素子の使用を想定
すると、入射端面１０４を円弧とした場合、出射端面１
０５の形状も、上記回転中心１０９を中心とする円弧に
選べばよい。図１では、理解の便のために、回転中心１
０９が非線形光学媒質板１０１の中心に置かれ、その結
果、素子外形が全体として円盤状を呈しているが、実
は、回転中心１０９は入射光軸１０２の延長上の任意の
点に置くことができる。この回転中心の置き方によっ
て、本発明素子は様々の外形をとり得る。

【００４７】図３は、回転中心の置き方によって本発明
素子のとり得る外形例を示している。図３（ａ）は、回
転中心３０９を、素子中心よりも入射光軸３０２から見
て奥（図中左側）に置いた場合を示す。この場合、入射
端面３０４側の円弧の半径が、出射端面３０５側のそれ
よりも大きくなっている。出射端面３０５の曲率半径は
大きい方が、端面での不都合なレンズ効果が低減できる
ため望ましい。しかし、入射端面３０４のレンズ効果
が、素子内での入射（被変換）光の結焦性を変化させ変
換効率に影響するのに対し、出射端面３０５側のレンズ
効果は、出射（変換）光の拡散性を変化させるに過ぎな
い、特に相関計装置での波長変換素子の使用において
は、通例、変換光は口径の十分大きい光検出器に導かれ
るので、その拡散性の変化は装置性能に影響を与えな
い。それゆえ、本例のように、回転中心を素子中心から
後方にずらし、出射側にて屈折が顕著になっても入射側
のレンズ効果を低減する形態は、実用上意義がある。

【００４８】従来の角度位相整合素子を使用する相関計
では、通例、回転中心は非線形光学結晶の厚み方向の中
央に置かれるので、これに本発明素子を直接置換する場
合、通常、図１あるいは図３（ａ）のように、入・出射
両側に膨らんだ素子外形が見られることになる。しか
し、総覧的には、さらに回転中心３０９を後退させ、非
線形光学媒質板の外部に置く場合も考えられ、この場合
の素子外形は図３（ｂ）のようになる。この場合、出射
端面３０５は、素子側に窪んだ円弧状を呈する。また、
逆に素子中心より回転中心３０９を前進させていって
（図中右側において）得られる、図３（ａ）あるいは図
３（ｂ）を左右逆にしたような素子外形も考えられる。

【００４９】上で述べたような円弧端面は、円筒形の研
磨工具を用いて作成・研磨でき、同様な加工法による円
筒レンズが現在の光学部品製造業で大量に生産されてい
る事実を見ても分かるように、安価に実現できる。とは
言っても、平面端面に比べては、コスト増となることは
否めないので、価格を優先する場合には、円弧端面の加
工に替えて、入・出射両端面を互いに平行な平面加工と
することもできる。この代用平面端面であっても、周期
分極の波数方向と基準線のなす角Θが上で示した値に切
り出されていれば、下の実施例に示すように、現在の光
通信における一つの波長帯を優にカバーする波長可変性
が得られる。

【００５０】＜実施例＞以下、本発明の実施例を詳細に
説明する。非線形光学媒質板１０１としては、従来例と
して示したのと同様に、ニオブ酸リチウム結晶で、周期
分極の波数方向と基準線のなす角Θを、式（９）の与え
る３5.２６４４°とし、中央の波長としては、1.５４５
μｍを選んだ。この波長に対応する分極反転周期Λ_cは
１8.８５μｍであり、これと角Θの値を式（10）に用い
て、周期Λ₀＝１5.３８μｍの分極反転を施した。本実
施例では、板内光軸の長さ、すなわち結晶中の伝播距離
Ｌは２ｍｍとした。このとき、本非線形光学媒質板の応
答時間の目安となる群遅延不整合量は、1.５μｍ波長帯
の入射光に対して（τ₃−τ₁）Ｌ＝0.６ｐｓである。

【００５１】図４は、この実施例により得られる波長可
変特性を示す図である。図４の左縦軸には、回転角と実
効分極反転周期の関係を与える式（12）若しくは式（1
1）の右辺を表わすスケールをとった。このスケール上
の読みは、分極反転周期Λ_cで規格化されているため、
本発明による最適周期波数方向Θを有するニオブ酸リチ
ウム結晶板一般に通用する値を与える。特に円弧端面の
場合は、式（12）に屈折率が含まれないために、本発明
による波長可変擬似位相整合素子全てに通用する。これ
から、円弧端面では±１０°の回転角変化に伴って、実
効周期の変化として、0.９０３Λ_c〜1.１６０Λ_cが得
られ、端面形状をより安価な直線で代用した場合でも、
0.９４９Λ_c〜1.０６５Λ_cの実効周期変化が得られる
ことが分かる。

【００５２】更に、図４では左縦軸の読みにΛ_cを掛け
て得られる分極反転周期に対する結晶温度２０℃での位
相整合波長を求めて、右縦軸のスケールを作ってある。
これから、円弧端面では、±１０°の回転角変化に伴な
って、1.４７７μｍから1.６５９μｍまでの波長をカバ
ーすることができる。直線による代用端面の場合でも、
1.５０９μｍから1.５９１μｍの間の波長可変性が得ら
れる。こうして、何れの端面形状でも、現在の1.５μｍ
帯光通信における光信号の測定のために十分な波長可変
性が実現された。

【００５３】本発明の波長可変擬似位相整合素子は、現
行の相関計内の角度位相整合素子に直接置換することが
できることが特徴であり、また本発明の目的の一つとす
るところである。そこで次に、作成した本実施例素子
を、従来の角度位相整合素子に置き換えた前後での、相
関計の性能の比較を図５に示す。

【００５４】本例において用いた相関計は、元来、２ｍ
ｍ厚のニオブ酸リチウム結晶中での角度位相整合による
二次高調波発生効果が用いられ、発生した二次高調波光
は光電子増倍管によって光電変換され、増幅感度５×１
０⁴Ｖ／Ａの電流増幅器によって電圧値に変換され出力
されている。このニオブ酸リチウム結晶の入射面には、
1.５μｍ波長帯での減反射膜が蒸着され、また、出射端
面には、二次高調波波長である0.７５μｍ帯における減
反射膜が蒸着されている。本相関計では、被測定信号光
と参照光の結晶への入射方向の間に、5.７°の角度が付
けてあり、それぞれ一方の光だけから個別に発生される
二次高調波光が、検出器に入らない構成をとっている。
このような非共軸相関計の構成はバックグラウンドフリ
ー相関計と呼ばれている。以下では、本相関計を入射信
号光を二分し自分自身で参照光を供給する自己相関モー
ドで動作させた。

【００５５】透過波長幅２ｎｍの光学フィルタを出射し
た波長1.５６４μｍ、時間幅1.５ｐｓのパルスの自己相
関波形の、旧来の角度位相整合による測定結果を図５中
の下側の曲線として示した。この入射パルスの平均パワ
は0.１５ｍＷ、尖頭パワは５５０ｍＷであり、このと
き、自己相関信号の最大値として、４５０ｍＶが得られ
ている。このような二次高調波発生効果を用いた相関計
の出力は、入射パルスの平均パワと尖頭パワの積に比例
することが知られているので、角度位相整合素子を用い
た場合の本相関計の感度を、5.６ｍＶ／ｍＷ²と表わす
ことができる。

【００５６】ここで、角度位相整合素子を、上記の本実
施例素子に置き換えた。既に述べたように、本実施例素
子中の伝播距離は２ｍｍであって、置き換えられた角度
位相整合素子に等しくとってある。さらに条件を揃える
ために、本実施例素子の入射端面と出射端面に、それぞ
れ1.５μｍ波長帯と0.７５μｍ帯における減反射膜を蒸
着したものを用いた。また、本実施例素子の厚みは0.３
ｍｍ、横幅は２ｍｍであって、旧来の角度位相整合素子
の入射面寸法５ｍｍ×５ｍｍに比して遙かに小さい。そ
のため、旧来素子の入射面寸法に等しい金属枠を作り、
それに本実施例素子を取り付けた後、金属枠ごと相関計
に装着した。このようにすれば、相関計自体に何らの変
更を加えることなく、オンサイト（現場）で容易に素子
の入れ替えが行える。なお、通常の計測器において、波
長変換素子を使用する場合、入射光はレンズにより素子
に結焦されるので、素子内でのビーム径は小さい。本相
関計では、２０ｍｍのレンズにより入射光が１０μｍ程
度に絞り込まれており、したがって、本実施例素子の厚
みが0.３ｍｍしかないことは、装着作業時を除いては、
実用上全く支障とはならない。

【００５７】本実施例素子の中央波長整合波長は1.５４
５μｍに設計されているので、真っ直ぐに入射する条件
では、ここでの入射波長1.５６４μｍに対して相関信号
を観測することはできない。しかし、回転角を調整する
ことで、位相整合を実現できた。その際の回転角を読む
と、約0.６°であって、図４から予想される２°からず
れていた。これは図４は、入射光が共軸の条件について
計算されているのに対し、本相関計では、２つの入射光
の間に角度がついているからと考えられる。入射光間に
角度がついていると、等価的な板内光軸はその二等分線
となり、被変換光側の屈折率が、板内光軸への射影分に
減少する。その結果、一定の入射波長に対して、擬似位
相整合のために小さ目の分極変化周期が必要になり、結
局、図４の右縦軸のスケールが下にずれることになる。
設置される相関計ごとの条件に合わせて、このような補
正を行えば、実用上十分な精度で本実施例素子による回
転角に対する位相整合波長の予測が行える。

【００５８】本実施例素子を用いた場合の、自己相関波
計の測定結果を、図５中の上側の曲線として示す。自己
相関波計は、従来の角度位相整合素子による場合と非常
に高い精度で相似であり、本発明の波長可変擬似位相整
合結晶をピコ秒領域の波形測定に完全に適用できること
が分かる。ここで注目すべきは、自己相関信号の最大値
として、１０Ｖと従来の角度位相整合素子による場合よ
りも遙かに大きな値が得られている点である。前同様に
してこの場合の感度を算定すると、１２１ｍＶ／ｍＷ²
と表わすことができる。すなわち、従来の角度位相整合
素子に比して、２２倍高い感度が実現されているのであ
る。この理由は、擬似位相整合ニオブ酸リチウム結晶で
用いられる非線形定数テンソルは、ｄ_zzzであり、従来
の角度整合ニオブ酸リチウム素子で用いられていたｄ
_zxxに比して、６倍程度大きなテンソル成分を利用でき
るからである。

【００５９】

【発明の効果】本発明の波長可変擬似位相整合素子は、
位相整合波長の変化・調整が、平行移動機構ではなく回
転機構により行える。それ故、本発明の波長可変擬似位
相整合素子は、現行の相関計の非線形媒質にそのまま置
き換えることができ、極めて容易に測定感度の向上が行
え、現在の各社製相関計ユーザー層に、経済的な性能向
上の道を提供できる。また、本発明の波長可変擬似位相
整合素子は、容易・安価に製造することができるので、
工業的に大きな効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の波長可変擬似位相整合素子の構成例を
示す図であり、（ａ）は中心となる波長に同調した状態
を示す図、（ｂ）はより短い波長に同調した状態を示す
図。

【図２】本発明の作図説明図。

【図３】擬似位相整合素子の各種外形を示す図。

【図４】波長可変特性を示す図。

【図５】相関計の出力信号を示す図。

【図６】二次高調波発生に必要な反転周期を示す図。

【図７】従来例の波長可変擬似位相整合素子の構成を示
す図であり、（ａ）は中心となる波長に同調した状態を
示す図、（ｂ）はより短い波長に同調した状態を示す
図。

【図８】一様周期の擬似位相整合素子を回転する構成と
その波長可変特性を示す図であり、（ａ）は回転した状
態を示す図、（ｂ）は得られる波長可変性を示す図。

【符号の説明】

１０１非線形光学媒質板１０２入射光軸１０３出射光軸１０４入射端面１０５出射端面１０６板内光軸１０７周期波数方向１０８オリフラ１０９回転中心１１０基準線１１１回転角２０２入射光軸２０４入射端面２０７周期波数方向２０９回転中心２１０基準線２１２屈折光軸３０２入射光軸３０３出射光軸３０４入射端面３０５出射端面３０８オリフラ３０９回転中心７０１非線形光学媒質板７０２入射光軸７０３出射光軸７０４入射端面７０５出射端面７０６板内光軸７１３移動方向８０１非線形光学媒質板８０２入射光軸８０３出射光軸８０４入射端面８０５出射端面８０６板内光軸８０９回転中心８１０基準線８１１回転角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者神原浩久東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非線形光学媒質板の板内に周期波数方向
に等周期的に分極が付与されかつ被変換光が入射する入
射端面とこの入射端面と対向する側に変換光が出射する
出射端面とを有する波長可変擬似位相整合素子におい
て、上記非線形光学媒質板の回転中心を上記被変換光の入射
端面に達する以前の光路の延長線上に置き、上記変換光の板内光路と上記分極の周期波長方向とを零
でない角度をなすようにした、ことを特徴とする波長可
変擬似位相整合素子。
【請求項２】上記被変換光が２本ある場合には、上記
入射端面に達する以前の２本の光路の夫々を平均した直
線上に上記回転中心を置いたことを特徴とする請求項１
記載の波長可変擬似位相整合素子。
【請求項３】上記零でない角度Θは、sin Θ＝１／√
３である約３５°としたことを特徴とする請求項１又は
２記載の波長可変擬似位相整合素子。
【請求項４】上記入射端面及び上記入射端面と出射端
面の双方端面の少なくとも一方では、上記回転中心を中
心とした円弧状に形成したことを特徴とする請求項１，
２又は３記載の波長可変擬似位相整合素子。
【請求項５】上記入射端面及び出射端面の少なくとも
一方では、反射率を減じる光学膜を被着したことを特徴
とする請求項１，２，３又は４記載の波長可変擬似位相
整合素子。
【請求項６】上記非線形光学媒質板は、上記被変換光
と変換光との双方を二次元面内に閉じ込めて伝播させる
ようにスラブ導波路となっていることを特徴とする請求
項１，２，３，４又は５記載の波長可変擬似位相整合素
子。