WO2002103450A1 - Dispositif de conversion de longueur d'onde et de calcul optique - Google Patents

Description

明細書

波長変換用、 光演算用素子

技術分野

本発明は、 非線形光学結晶の技術分野に属し、 特に、 波長変換，光演算を擬似 位相整合法によって行うための周期的分極反転構造を備えた、 波長変換用および /または光演算用の素子に関するものである。

背景技術

L i N b 0₃、 L i T a 0₃などの非線形光学結晶は、 第 2高調波発生 （ S H G) 、 光パラメトリック発振、 光パラメトリック発生 （増幅を含む） 、 差周波発 生、 和周波発生などの波長変換を行う素子の材料として好ましく用いられている ο

近年、 これらの波長変換における位相整合条件を満たす手法として、 非線形光 学結晶に周期的分極反転構造 （以下、 「分極反転構造」 ともいう） を形成して行 う擬似位相整合 （Q P M) が盛んに行われている。 擬似位相整合については、 例 えば、 文献 「光第二高調波発生と分極反転」 （栗村、 固体物理、 29( 1994)75-82 ) などに詳しく記載されている。

図 2に示すように、 分極反転構造素子 （波長変換素子） は、 高い波長変換効率 を得るために、 非線形光学結晶 1 0の分極方向 （図中の z方向） を周期的に反転 (即ち、 非線形光学定数を変調） した素子であって、 利用される非線形光学定数 は、 その値が最大であることから、 専ら d₃₃ となっている。 また、 非線形光学 定数 d₃₃が利用できることが、 擬似位相整合法の長所ともなっている。

従来の分極反転構造素子では、 所謂 z板 （該光学結晶の z軸に基板面が垂直と なるよう加工された結晶基板） が用いられ、 非線形光学定数 d₃₃ を利用した分 極反転周期が形成されており、 図 2に示すように、 入射光 L 1 0の偏光方向と、 波長変換された出射光 L 2 0の偏光方向とは、 共に非線形光学結晶の z軸に平行 となっている。 このように、 従来では、 非線形光学定数 d₃₃ の利用のみが着目 されて、 入射光と出射光との群速度整合については全く考慮されていなかった。 波長変換では、 パルス列を呈する光 （パルス光） を入射光として扱う場合があ る。 例えば、 波長 1 . 5〃mのパルス光を S H Gによって波長 0 . 7 8 /mのパ ルス光へと変換するような場合や、 波長 1 . 5 / mのパルス光と波長 0 . 7 8 / mのパルス光との演算 （例えば、 時分割多重通信用のサンプリングゃゲーティン グ、 波長多重通信用のチャネル変換やルーティング） を行うような場合などが挙 げられる。

しかしながら、 本発明者等が上記のような従来の分極反転構造素子による波長 変換動作について研究したところ、 パルス光を扱う場合には、 入射光の群速度と 、 出射光の群速度との差によって、 光の伝搬と共に入射光と出射光とが空間的時 間的に分離してしまい、 その結果、 下記のような種々の問題が生じることがわか つた。

例えば、 連続光の波長変換を行う場合では、 入射光が素子の全長にわたって存 在するので、 素子長を; Sくすることによって、 変換効率、 演算効率の向上が望め る。 これに対して、 パルス数 1 Tbit/秒以上 （=パルス幅 l p s以下） のよう な短パルス光を扱う場合、 入射光と出射光とが各々の群速度差のために分離して しまい、 素子長を長くしても、 変換効率、 演算効率は向上しないという問題が生 じる。 また、 波長変換の結果、 群速度の差によっては、 出射光のパルス幅が伸び てパルス形状の保持が困難となり、 正しい演算結果が得られないという問題も生 じる。 また場合によっては、 パルス列内の前後のパルス同士が干渉を起こし、 演 算に重大な誤差をもたらすという問題も生じる。 これらの問題は、 パルス幅が短 くパルス数が高いほど顕著に現れる。

また、 この群速度差は、 入射光の波長や出射光 （変換された光） の波長に依存 するため、 入射光の波長帯域を制限する要因にもなつている。 また、 波長 0 . 7 8 mを励起光源とした 1 . 5 zm帯の波長可変光源では、 群速度分散のため発 生できる波長帯域が制限される。

発明の開示

本発明の課題は、 パルス光を波長変換する際に生じていた上記問題が抑制され た波長変換用、 光演算用素子を提供することにある。

本発明は、 以下の特徴を有するものである。

(1) 入射光に対して波長変換および/または光演算を行い出射光とし得るよう

、 非線形光学結晶に周期的分極反転構造が形成されてなる分極反転構造素子であ つて、 入射光と出射光との群速度が一致するように群速度整合条件が決定されて おり、 かつ、 前記波長変換および/または光演算のための擬似位相整合条件が満 たされるように前記周期的分極反転構造の分極反転周期が決定されていることを 特徴とする波長変換用、 光演算用素子。

(2) 非線形光学結晶が、 MgOド一プ L iNb0₃ である上記 （1) 記載の波 長変換用、 光演算用素子。

( 3 ) 上記擬似位相整合条件を満たすために用いられる非線形光学結晶の非線形 光学定数が、 dテンソルの非対角成分である上記 （1)記載の波長変換用、 光演 算用素子。

(4) 上記 dテンソルの非対角成分が d₃₁ である上記 （3) 記載の波長変換用 、 光演算用素子。

(5) 波長変換および/または光演算が、 第二高調波発生、 光パラメトリック発 振、 光パラメトリック発生、 和周波発生、 差周波発生によって行われるも 0であ る上記 （1)記載の波長変換用、 光演算用素子。

(6)入射光が、 パルス幅 1 ps以下のパルス列を呈する光である上記 （1)記 載の波長変換用、 光演算用素子。

図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の分極反転構造素子を示す模式図である。 同図において、 1は 非線形光学結晶、 L1は入射光、 L 2は出射光を、 それそれ示している。

図 2は、 従来の分極反転構造素子を示す模式図である。

発明を実施するための最良の形態

図 1に示すように、 本発明による波長変換用、 光演算用素子 （以下、 「当該素 子」 と呼んで説明する） は、 非線形光学結晶 1に分極反転構造が形成されてなる 素子 （同図では、 結晶全体に分極反転構造が形成された態様を示している） であ る。 ここで重要な特徴は、 入射光 L 1と出射光 L 2との群速度が一致するように 群速度整合条件が決定されており、 かつ、 前記波長変換および Zまたは光演算の ための擬似位相整合条件が満たされるように、 前記周期的分極反転構造の分極反 転周期が決定されている点である。

上記のように素子を構成し、 入射光 （例えば、 波長 1 . 5 z m) と、 出射光 （ 例えば、 波長 0 . 7 8 zm) との間で群速度整合をとりながら擬似位相整合させ ることにより、 入射光として 1 0 0 f s程度の超短パルスレ一ザ一光を用いた場 合でも十分な変換効率が実現できる。

従来技術の説明で述べたとおり、 従来の分極反転構造においては、 その最も重 要な特徴として、 非線形光学定数 （非線形光学テンソル成分） の最大の値 d₃₃ が利用されていた。 しかし、 そのような素子では、 群速度整合が考慮されていな いために、 短パルス光を扱う場合、 群速度差によって入射光パルスと出射光パル スとがすぐに分離してしまうので、 分離するまでの距離、 即ち、 波長変換 '光演 算に実効的に寄与し得る素子の長さは l mm程度でしかない。

これに対して本発明では、 群速度整合条件を満たし、 非線形光学定数の非対角 成分を利用して擬似位相整合させているので、 短パルスであっても、 素子の長さ をより長くしても入射光パルスと出射光パルスとが全長にわたって分離すること なく、 波長変換、 光演算に寄与させることができ、 変換効率が向上する.。

また、 本発明の素子では、 群速度整合条件を満たしているので、 例えば、 波長 0 . 7 8 z mを励起光源とした 1 . ' 5 z m帯の波長可変光源では、 群速度整合の ため発生できる波長帯域が格段に拡がる。 即ち、 励起光 （0 . 7 8 m) を用い 、 光パラメトリヅク効果 （例えば、 光パラメトリヅク発生： O P G) により 1 . 5 m付近の光を発生させる場合、 その波長は、 励起光の波長、 結晶温度、 分極 反転周期を変えることによって可変であり、 波長 0 . 7 8 mを励起光源とする と広帯域波長可変な 1 . 5 zm帯光源が実現できる。

また、 本発明の素子では、 パルス波形を崩すことなく擬似位相整合による波長 変換、 光演算ができる。 光通信などでは、 パルス幅の狭い （ l p s以下） 1 . 5 〃m光が必要となるが、 従来のように、 励起光 （0 . 7 8〃m) と発生光 （ 1 . 5 / Π1) との間で群速度整合がとれていない状態では、 励起光を短パルス化して も、 発生光のパルス幅は短くならず、 かつ変換効率が悪い。 そこで本発明を用い ることによって、 発生光のパルス幅が短く、 かつ変換効率の高い波長可変光源が 実現できる。

入射光と出射光 （変換された光） との群速度が一致するように群速度整合条件 が決定されるとは、 光路に対する非線形光学結晶の角度、 入射光，出射光の各々 の偏光方向、 該結晶の温度などが選択されることを意味する。

例えば、 L i N b 0₃ 結晶の場合、 z板を用い、 入射光 ·出射光の偏光方向を 共に z軸と平行にして d₃₃ を利用するという従来どおりの擬似位相整合では、 群速度が整合しない。 これに対して、 本発明では、 例えば、 入射光の偏光方向を z軸と直交させ、 d₃₁ を利用する擬似位相整合を行う。 これによつて、 出射光 の偏光方向が z軸と平行になり、 擬似位相整合を達成しながら、 両者の群速度整 合も達成される。

また、 導波路構造を採用し、 導波路の波長分散を設計することで材料固有の屈 折率分散と整合させ群速度整合を実現することもできる。 導波路は、 プロトン交 換導波路、 T iや Z nなどの金属拡散導波路、 リッジ型導波路、 誘電体や金属装 荷型導波路など公知の構造を用いれば良い。 例えば、 T i拡散導波路や Z n拡散 導波路、 リッジ導波路は、 z軸に対し垂直、 水平の両方の偏光方向の光が伝搬可 能であることから、 本発明に適した導波路構造である。 また、 導波路形状を適切 に設計することよって、 負の群速度分散を生じさせることができ、 材料の群速度 分散を打ち消すこともできる。

当該素子によって行う波長変換としては、 第 2高調波発生 （S H G ) 、 光パラ メトリヅク発振、 光パラメトリヅク発生 （光パラメトリヅク增幅を含む） 、 差周 波発生、 和周波発生などが挙げられる。 また、 波長変換のなかでも、 演算と呼ば れる操作として、 前記したように、 時分割多重通信用のサンプリングゃゲ一ティ ング、 波長多重通信用のチャネル変換ゃル一ティングなどが挙げられる。

入射光の波長は限定されないが、 光ファイバ通信を念頭においた場合、 光ファ ィバの損失が少ないこと、 実効屈折率の分散をゼ口にできることなどの点からは

、 1. 5 /mが好ましい波長である。

また、 入射光がパルス列を呈する光である場合に、 なかでも、 パルス幅が lp s以下、 特に 300 f s以下であるような短パルス光を入射光とする場合に、 本 発明の有用性は特に顕著となる。

当該素子に用いることができる非線形光学結晶は、 分極反転構造を形成するに 際し、 群速度整合可能な非線形光学定数 d (特に非対角成分） を利用し得るもの が好ましい。 例えば、 L i Nb〇₃、 L i T a0₃、 X_AT i OX_B0₄ (X_A = K、 Rb、 Tl、 Cs、 X_B = P、 As) などの代表的なものや、 これらに種々 の元素をド一プしたものが挙げられる。 特に、 MgOドープ L iNb0₃ 結晶は 、 耐光損傷性に優れており、 室温動作が可能であること V大型結晶が量産できる こと、 高い均一性の結晶が入手できることなどの点から特に好ましい結晶である 。

上記非線形光学定数 dの非対角成分 j (i≠j) の中でも、 d₃₁ は、 d₃₃ に次いで大きな定数であり、 位相整合許容幅が大きいことから特に利用すべき成 分である。

非線形光学定数の非対角成分 」 （i≠ j) 、 特に d₃₁ を利用するには、 該 成分についての波長変換の擬似位相整合が満たされるように分極反転周期を選択 すればよい。

例えば、 非線形光学結晶として MgOド一プ LiNb0₃を用い、 入射光波長 を 1. 5 zm (中心波長 1. 55〃m) とする S H G素子を形成する場合、 該結 晶の非線形光学定数 d₃₁ を利用するには、 分極反転周期を 20 mとすればよ い。 このときに、 出射光 （波長 0. 78〃m) の偏光方向と、 結晶の z方向とは 平行になり、 入射光 （波長 1. 5〃m) の群速度と、 出射光の群速度とが等しく なる。 即ち、 群速度整合する。 また、 群速度整合した入射光と出射光とが、 前記 分極反転周期によって擬似位相整合する。

当該素子は、 レーザ一光、 特にパルス列の波長変換に有用であり、 超短パルス を利用する光通信用光源や波長帯域の広い赤外広帯域光源への応用が可能である 。 分極反転構造を、 非線形光学結晶の光路部分のみに形成するか素子全体に形成 するかは、 素子形態、 規模、 目的等に応じて決定してよい。

実施例

本実施例では、 非線形光学結晶として MgOド一プ L iNb0₃ を用い、 入射 光波長を 1. 5/ m (中心波長 1. 55 m) とする S H G素子を実際に形成し 、 パルス列を入射して変換効率を調べた。

分極反転周期は 20 zmとし、 入射光と、 出射光 （SHG光： 0. 78 zm) との偏光方向を選択し、 MgOド一プ LiNb0₃ の非線形光学定数 d₃₁ を利用 することで、 入射光と、 出射光との群速度整合条件、 擬似位相整合条件を満足す る構成とした。 詳しい製造工程は以下のとおりである。

材料の結晶基板として、 厚さ 0. 5mm、 光路方向の全長 （=素子長） 10m m、 単分極化処理がなされた +z力ヅ トの MgOド一プ L iNb0₃結晶基板を 用いた。 該結晶基板の +z面、 — z面は、 光学研磨されている。 該結晶基板の + z面に、 フォトリソグラフィ一により周期的な縞状のマスクパターン （グレーテ イングパターン） を有するレジスト膜を絶縁膜として形成した。 縞状のマスクパ ターンは、 帯状のマスク部分と帯状の露出部分とが交互に配置されたストライプ 状のパターンであって、 帯状のマスク部分の幅を 12 m、 帯状の露出部分の幅 を 8 zmとした。 スパヅ夕によって、 その上に厚さ 400 OAの Au被覆層を形 成した。

次に、 結晶基板の +z面にプラス側の液体電極を接触させ、 _z面にマイナス 側の液体電極を接触させ、 分極反転電圧を印加し、 露出部分の分極方向を反転さ せて分極反転構造を完成させ、 本発明による素子を得た。

比較例

上記実施例と比較するために、 従来技術による SHG素子として、 非線形光学 定数 d₃₃ を利用すべく分極反転周期を 1 8 . 5 z mとしたこと以外は、 上記実 施例と同様に、 分極反転構造を有する波長変換素子を形成した。

評価実験

E r (エルビウム） ド一プ 'ファイバレーザを励起光源として用い、 波長 1 . 5 m、 パルス幅 3 0 0 f sのパルス光を、 上記実施例によって得られた当該素 子に入射し、 波長変換して、 波長 0 . 7 8〃mにおいてパルス幅 1 6 0 f sのパ ルス光を出射させた。 このときの入射光の偏光方向は、 素子の z軸に対して直交 であり、 また、 波長変換によって出力された光の偏光方向は、 素子の z軸に対し て平行であって、 両者の群速度は一致していた。 また、 出射光は、 非線形光学定 数 d₃₁ を用いた擬似位相整合によって波長変換されていた。

出射光を観測したところ、 波長変換に伴うパルス広がりはなく、 変換効率 2 0 %が得られた。

一方、 d₃₃ を利用した比較例の波長変換素子を用い、 上記実施例の場合と同 様の評価実験を行った。 このときの入射光 ·出射光の偏光方向は、 いずれも素子 の z軸に対して平行であって、 両者の群速度は一致していなかった。 出射光のパ ルスの波形は波長変換に伴って拡がり、 変換効率は 1 %と低いものであった。

産業上の利用分野

上記のとおり、 本発明によって、 擬似位相整合によってパルス光を波長変換す る際に生じていた、 入射光と出射光との間の群速度差に起因する問題が解決され た。

本出願は、 日本で出願された特願 2 0 0 1 - 1 8 2 3 9 4を基礎としておりそ れらの内容は本明細書に全て包含されるものである。

Claims

請求の範囲

1 . 入射光に対して波長変換および Zまたは光演算を行い出射光とし得るよう、 非線形光学結晶に周期的分極反転構造が形成されてなる分極反転構造素子であつ て、

入射光と出射光との群速度が一致するように群速度整合条件が決定されており 、 かつ、 前記波長変換および Zまたは光演算のための擬似位相整合条件が満たさ れるように前記周期的分極反転構造の分極反転周期が決定されていることを特徴 とする波長変換用、 光演算用素子。 ·

2 . 非鎵形光学結晶が、 M _g 0ドープ L i N b 0₃である請求項 1記載の波長変 換用、 光演算用素子。

3 . 上記擬似位相整合条件を満たすために用いられる非線形光学結晶の非線形光 学定数が、 dテンソルの非対角成分である請求項 1記載の波長変換用、 光演算用 素子。

4 . 上記 dテンソルの非対角成分が d₃₁ である請求項 3記載の波長変換用、 光 演算用素于。

5 . 波長変換および Zまたは光演算が、 第二高調波発生、 光パラメ トリック発振 、 光パラメ トリック発生、 和周波発生、 差周波発生によって行われるものである 請求項 1記載の波長変換用、 光演算用素子。

6 . 入射光が、 パルス幅 1 p s以下のパルス列を呈する光である請求項 1記載の 波長変換用、 光演算用素子。