WO2022239058A1 - 波長変換装置 - Google Patents

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WO2022239058A1
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light
wavelength
nonlinear optical
pumping
optical element
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修 忠永
拓志 風間
毅伺 梅木
貴大 柏崎
晃次 圓佛
信建 小勝負
飛鳥 井上
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日本電信電話株式会社
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    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/05—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect with ferro-electric properties
    • G—PHYSICS
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    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/39—Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves

Definitions

  • the present disclosure relates to wavelength conversion devices.
  • a laser type gas detector is employed as such a detector.
  • a light source that outputs light with a wavelength in the mid-infrared region (mid-infrared light) of 2 ⁇ m to 5 ⁇ m is required.
  • semiconductor lasers that output mid-infrared light are being developed, but a light source that can be used easily at room temperature has not yet been realized.
  • a periodic modulation structure is a structure in which mutually mismatched structures periodically coexist in one crystal. It is made by roughly alternating large and small regions.
  • Non-Patent Document 1 A method of generating mid-infrared light using a wavelength conversion element is described in Non-Patent Document 1, for example. According to the method described in Non-Patent Document 1, laser light output from two semiconductor lasers is input to an optical waveguide type wavelength conversion element, and difference frequency light having a different wavelength from the input light is generated by pseudo-phase adjustment. can be made
  • Non-Patent Document 1 a structure in which regions in which the polarities of spontaneous polarization are mutually reversed exist periodically (periodic polarization inversion structure) is further converted into an optical waveguide, and a configuration in which light is confined in a narrow region with high density is Efficiency of wavelength conversion can be increased by propagating light over a long distance in an optical waveguide. Details of a method for manufacturing such a configuration are described in Non-Patent Document 2, for example.
  • the directly coupled QPM (Quasi-Phase Matched)-LN (LiNbO 3 ) ridge waveguide described in Non-Patent Document 2 can utilize the bulk characteristics of the LN crystal as it is, so it has high optical damage resistance and long-term reliability.
  • Non-Patent Document 2 a first substrate partially having a periodically poled structure that satisfies a phase matching condition in a predetermined wavelength band in advance is bonded to a second substrate holding the first substrate.
  • the first substrate is thinned and processed into a ridge to form a ridge-type optical waveguide to fabricate a wavelength conversion element.
  • a direct bonding technique is known as a technique for firmly bonding two substrates together without using an adhesive or the like.
  • Non-Patent Document 3 describes inputting signal light and excitation light with different wavelengths into a wavelength conversion element to obtain difference frequency light as converted light having a wavelength in the 4.1 ⁇ m band.
  • ⁇ p Wavelength of pumping light
  • ⁇ s Wavelength of signal light
  • ⁇ i Wavelength of converted light
  • the wavelength of signal light ⁇ s is 1.56 ⁇ m
  • the wavelength ⁇ p of the excitation light is 1.06 ⁇ m
  • converted light (idler light) having a wavelength ⁇ i of 3.31 ⁇ m can be generated.
  • Such wavelength conversion is caused by a second-order nonlinear optical effect, and in order to efficiently cause the second-order nonlinear optical effect, the phase mismatch amount of the interacting three wavelengths is required to be zero.
  • the angle matching method is a method of making the amount of phase mismatch zero by appropriately setting the incident angle of the light incident on the nonlinear optical crystal using the difference in the refractive index depending on the polarization direction of the nonlinear optical crystal.
  • the angular matching method has the disadvantage that it cannot take advantage of the maximum nonlinear constant of the nonlinear optical crystal.
  • the periodically poled structure can utilize the input light with the polarization state in the direction with the largest nonlinear constant. That is, by periodically reversing the polarization of the second-order nonlinear optical material, the phase mismatch amount can be pseudo-zero.
  • equation (2) exists between the polarization inversion period ⁇ and the wavelengths ⁇ p , ⁇ s and ⁇ i in the equation (1).
  • n p / ⁇ p ⁇ ns/ ⁇ s ⁇ n i / ⁇ i ⁇ 1/ ⁇ 0 Equation (2)
  • n p refractive index at wavelength ⁇ p ns: refractive index at wavelength ⁇ s n 1 : refractive index at wavelength ⁇ i
  • the wavelength conversion efficiency is proportional to the product of the optical intensities of the excitation light and signal light as a small-signal approximation.
  • the difference frequency light is generated by the second-order nonlinear effect, the energy of the excitation light is transferred to the signal light and the converted light.
  • the intensity of the signal light is very strong, the excitation light is excessively converted, the excitation light intensity decreases during propagation through the second-order nonlinear optical crystal, and a phenomenon occurs in which the intensity of the converted light cannot be increased sufficiently. . Therefore, in order to increase the intensity of the converted light, both the excitation light and the signal light must have high intensities.
  • the signal light is used to increase the intensity of the converted light. It can be amplified with an Er-doped fiber amplifier and the pump light can be amplified with a Yb-doped fiber amplifier. In this way, the intensity of both the excitation light and the signal light can be increased, so that converted light with high intensity can be output.
  • Er-doped fiber amplifiers and Yb-doped fiber amplifiers have limitations on applicable wavelengths.
  • the wavelength of the signal light is 1.43 ⁇ m light.
  • An Er-doped fiber cannot be applied to light of such a wavelength, and the intensity of output converted light (difference frequency light) remains at about 1 mW.
  • the wavelength of the signal light is light in the wavelength band of 1.55 ⁇ m, which allows the use of an Er-doped fiber amplifier
  • light with a wavelength longer than 1.1 ⁇ m will be used as the pumping light.
  • Yb-doped fiber amplifiers were not applicable to light of such wavelengths, and output converted light was less than the required intensity.
  • it is impossible to input sufficiently strong signal light and pumping light into the second-order nonlinear optical crystal. could not.
  • the present disclosure has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a wavelength conversion device capable of outputting high-intensity mid-infrared light at a level of 100 mW regardless of the wavelength of the light source and the specifications of the amplifier. do.
  • a wavelength conversion device comprises an optical element comprising a secondary nonlinear optical crystal having one type of periodically poled structure; , a first pumping light, and a second pumping light, wherein the nonlinear optical crystal is a third-order pseudo light of the first pumping light and the second pumping light.
  • the first pumping light is optically parametrically amplified by phase matching, and the difference frequency is generated by first-order quasi-phase matching between the signal light and the amplified first pumping light to output the difference frequency light. It is characterized by being configured to
  • a wavelength conversion device capable of outputting high-intensity mid-infrared light at a level of 100 mW regardless of the wavelength of the light source and the specifications of the amplifier.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining third-order quasi-phase matching; It is a schematic diagram for explaining the wavelength conversion device of the first embodiment. It is a schematic diagram for explaining the wavelength conversion device of the first embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the outline of a wavelength conversion device according to one embodiment of the present invention.
  • the wavelength conversion device 10 shown in FIG. 1 includes a secondary nonlinear optical element 11 and multiplexers 14 and 15 forming an optical input section.
  • nonlinear optical element refers to an optical element including a nonlinear optical crystal that nonlinearly responds to input light and has birefringence.
  • a nonlinear optical crystal functions as a medium (nonlinear optical medium) for light propagating in the crystal.
  • a second-order nonlinear optical crystal refers to an optical crystal in which a second-order nonlinear polarization appears, and a second-order term component appears when the polarization is expanded in series with an electric field.
  • the second-order terms include the double frequency (second harmonic generation), the sum frequency (sum frequency generation), and the difference frequency (difference frequency development) component appears. In this embodiment, frequency conversion is performed using difference frequency generation.
  • the nonlinear optical element 11 has one type of periodic polarization inversion structure (periodic polarization inversion structure), and an optical waveguide 12 is formed inside.
  • the periodically poled structure is composed of a first polarized region 11a and a second polarized region 11b. In the periodically poled structure, a plurality of first polarized regions 11a and second polarized regions 11b are alternately formed. The length from the first polarized region 11b to the next second polarized region 11b is constant.
  • the polarities of spontaneous polarization of the first polarized region 11a and the second polarized region 11b of the present embodiment are opposite to each other. In FIG.
  • the first polarization region 11a and the second polarization region 11b are a pair of polarization regions, and the length of the polarization region pair in the light input direction is defined as one cycle ⁇ of polarization inversion.
  • the phase mismatch amount in the nonlinear optical element 11 can be pseudo-zero. The setting of the period ⁇ will be described later.
  • the optical waveguide 12 is illustrated as a core, and a portion of the nonlinear optical element 11 other than the optical waveguide 12 as a clad layer. As long as it has a cladding layer as shown in the figure, and the input light is confined in the core layer and does not leak to the outside, the shape and size are arbitrary.
  • the multiplexer 14 combines the signal light L2 output from a light source (not shown) and the first pumping light L1. Both the first excitation light L1 and the signal light L2 are laser light emitted from a laser light source (not shown).
  • a combined light L3 obtained by combining the first pumping light L1 and the signal light L2 advances toward the combiner 15 and is further combined with the second pumping light L4 in the combiner 15 .
  • a combined light L5 obtained by combining the combined light L3 and the second pumping light L4 is input to the nonlinear optical element 11 and becomes a converted light L6 which is a difference frequency light between the combined light L3 and the second pumping light L4. Output.
  • the signal light L2, the first excitation light L1, and the second excitation light L4 are all laser light emitted from a laser light source (not shown).
  • the output side of the nonlinear optical element 11 includes the signal light L2, the first excitation light L1, and the second excitation light L4 that have passed through without conversion other than the converted light L6.
  • a filter or the like may be used to extract only the converted light L6.
  • the multiplexers 14 and 15 may be configured using, for example, optical fibers or optical couplers, or may be configured by combining optical components such as mirrors.
  • the signal light L2, the first excitation light L1, and the second excitation light L4 output from different light sources may be combined and input to the nonlinear optical element 11. is optional. That is, in the present embodiment, either the excitation of the signal light L2 or the combined light by the first excitation light L1 or the excitation of the signal light L2 or the combined light by the second excitation light L2 may be performed first.
  • the first pumping light L1 is optically parametrically amplified by quasi-phase matching of the first pumping light L1 and the second pumping light L4, and the signal light L2 and the amplified first pumping light L1 are amplified. It is configured to output converted light L6, which is difference frequency light generated and amplified by first-order quasi-phase matching.
  • converted light L6 is difference frequency light generated and amplified by first-order quasi-phase matching.
  • such a nonlinear optical element 11 is designed by appropriately designing the period ⁇ of the inverted polarization pair, the wavelength of each light, the refractive index of the nonlinear optical crystal, the propagation constant of the waveguide 12, and the like.
  • the common ⁇ established between the first pumping light L1 and the signal light L2, the first pumping light L1 and the second pumping light L4 in the above formula (3) is the period, and the above formula (1), the formula
  • the present inventions have optically parametrically amplified the first pumping light L1 by third-order quasi-phase matching between the first pumping light L1 and the second pumping light L4, and the first-order phase matching between the signal light L2 and the amplified first pumping light L1.
  • a nonlinear optical element 11 is obtained in which the difference frequency is generated by quasi-phase matching and the converted light L6, which is the difference frequency light, is output.
  • the common ⁇ that satisfies the relationship of formula (3) between the first pumping light L1 and the signal light L2, and between the first pumping light L1 and the second pumping light L4 is defined as a period, whereby the aspect of the present invention
  • the nonlinear optical element 11 of has one type of periodically poled structure.
  • the domain-inverted regions 11a and 11b can be produced by forming electrodes on a substrate of a nonlinear optical material using known photolithography and etching, and applying a voltage to the substrate using these electrodes.
  • a substrate for example, a LiNbO 3 substrate or a LiTaO 3 substrate is used.
  • an inverted polarization structure having an arbitrary period ⁇ can be produced relatively easily.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining third-order quasi-phase matching.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the electric field intensity of light traveling through the periodically poled structure and the position in the periodically poled structure.
  • the horizontal axis in the graph indicates the position in the periodically poled structure, and the surface of the periodically poled structure to which light is input is defined as "0".
  • the arrow T on the horizontal axis indicates the range of one period ⁇ , and the arrow T 1/3 indicates the range of the period ⁇ 1/3 , which is 1/3 of the period ⁇ .
  • the vertical axis indicates the electric field intensity.
  • FIG. 2 shows the ranges of the first polarized region 11a and the second polarized region 11b shown in FIG.
  • the solid line is a curve Ca for explaining first-order quasi-phase matching.
  • the dashed line is the curve Cb for explaining the third-order quasi-phase matching.
  • curve Ca in wavelength conversion using quasi-phase matching, converted light is generated while light is propagating in one polarization region.
  • the light indicated by the curve Ca increases in intensity as it travels through the polarization region where the polarization is not reversed immediately after the input, and reaches near the center of the intensity shown in FIG. Then, when entering the polarization region where the polarization is reversed, the intensity further increases.
  • the converted light intensity increases as the distance that light travels in the periodically poled structure increases.
  • the high-order quasi-phase matching can increase and decrease the intensity over a shorter distance than the above-described first-order quasi-phase matching.
  • quasi-phase matching is performed with ⁇ /3 as one period.
  • the third-order quasi-phase matching similarly to the first-order quasi-phase matching, the longer the distance the light travels in the nonlinear optical crystal, the higher the intensity of the converted light.
  • the first pumping light L1 can be optically parametrically amplified by the second pumping light L4 in the nonlinear optical element 11. According to such a configuration, even when light with a wavelength that can be amplified by the fiber amplifier is selected as the signal light L2 and light with a wavelength that cannot be amplified by the fiber amplifier is selected as the first pumping light L1, The first excitation light L1 is excited by the second excitation light L4, and the converted light L6 can be generated under the condition that both the signal light L2 and the first excitation light L1 have high intensity. The converted light L6 generated under such conditions has sufficient intensity to detect even a relatively small detection signal with high precision, for example, in the field of gas detection.
  • the nonlinear optical crystal when performing the generation of the differential frequency signal and the optical parametric amplification at the same time, the nonlinear optical crystal is divided into two regions, and the divided regions fulfill their respective functions.
  • dividing the regions of the nonlinear optical crystal may limit the maximum distance of the nonlinear optical crystal.
  • the intensity of light converted by quasi-phase matching increases as the distance the light travels in the periodically poled structure increases. Specifically, the conversion efficiency changes with the square of the distance that light travels in the periodically poled structure. Conversion efficiency is reduced.
  • both optical parametric amplification and difference frequency generation are performed in the entire region of the periodically poled structure, the intensity of the difference frequency light can be increased with high efficiency.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the wavelength conversion device 20 of the first embodiment.
  • the vertical and horizontal directions in FIG. 3 are determined according to the coordinate system shown in FIG. 3, and the side of the z-axis with a larger numerical value is higher or higher than the side with a smaller value.
  • FIG. 3 is a top view of the wavelength conversion device 20.
  • the wavelength conversion device 20 has a nonlinear optical element 21 having a LiNbO 3 substrate as a secondary nonlinear optical crystal, and the nonlinear optical element 21 has first polarized regions 21a and second polarized regions 21b alternately, and formed periodically. A first polarized region 21a and a second polarized region pair are shown as a polarized region pair 21p.
  • the LiNbO3 substrate is used as the substrate, but the configuration is not limited to the configuration using the LiNbO3 substrate. substrate may be used.
  • substrate may be used.
  • at least one material in which at least one of Mg (magnesium), Zn (zinc), Sc (scandium), and In (indium) is added to LiNbO 3 can be considered. .
  • the nonlinear optical element 21 of the first embodiment is a substrate with a length of 20 mm in the x direction.
  • the period of the polarized region pair 21p is 28.265 ⁇ m.
  • the wavelength conversion device 20 of the first embodiment inputs the first pumping light LA, the signal light LB, and the second pumping light LD, and outputs the converted light LC.
  • the first pumping light LA in the first embodiment corresponds to the first pumping light L1 shown in FIG. 1, and the signal light LB corresponds to the signal light L2.
  • the second excitation light LD corresponds to the second excitation light L4.
  • the converted light LC corresponds to the converted light L6 in FIG.
  • the first pumping light LA, the signal light LB, and the second pumping light LD are the first pumping light L1, the signal light L2, and the second pumping light L4 that are input to the nonlinear optical element 21 regardless of the combining procedure. are shown respectively.
  • the input direction of the first pumping light LA, the signal light LB and the second pumping light LD to the nonlinear optical element 21 is indicated as Lin in FIG. 3, and the output direction of the converted light LC is indicated as Lout.
  • the wavelength conversion device 20 includes a light source (not shown) for outputting the first pumping light LA, the signal light LB and the second pumping light LD, the first pumping light LA, the signal light LB and the second pumping light LD.
  • the wavelength conversion device 20 has a combiner (not shown) that combines the two pumping lights LD in an arbitrary order.
  • the wavelength conversion device 20 also has a filter 23 that prevents the first excitation light LA, the signal light LB, and the second excitation light LD that pass through the nonlinear optical element 21 from being mixed into Lout in the output direction.
  • the wavelength of the signal light LB is 1.594 ⁇ m and the wavelength of the first excitation light LA is 1.184 ⁇ m in order to generate the converted light LC with a wavelength of 4.62 ⁇ m.
  • the period of the periodically poled structure of the nonlinear optical element 21 was set to 28.265 ⁇ m.
  • the wavelength of the second excitation light LD was set to 0.592 ⁇ m, which is half the wavelength of the first excitation light LA. All the polarizations of the input signal light LB, the first pumping light LA and the second pumping light LD match the polarization direction of LiNbO 3 .
  • the beams of the signal light LB, the first pumping light LA, and the second pumping light LD are adjusted so that the beam waists are near the center of the light input direction of the nonlinear optical element 21.
  • the signal light LB is input to the nonlinear optical element 21 after being amplified to a high intensity in advance by an L-band EDFA (Erbium. Doped Fiber Amplifier).
  • L-band EDFA Erbium. Doped Fiber Amplifier
  • a visible light fiber laser series laser light source manufactured by MPB Communications
  • a laser light source has a usable wavelength of 0.488 ⁇ m to 0.775 ⁇ m and a power range of 100 mW or more, 5 W CW.
  • W watt
  • the period of the third-order quasi-phase matching is 28.265 ⁇ m. This period corresponds to about 9.42 ⁇ m when converted to first-order quasi-phase matching, and SHG (Second Harmonic Generation) of light of 1.184 ⁇ m is obtained.
  • the phase of the second pumping light LD is adjusted, and the conditions are set so that the second pumping light LD with a wavelength of 0.592 ⁇ m amplifies the light of 1.184 ⁇ m.
  • bulk-type periodically poled LiNbO 3 is used for the nonlinear optical element 21 and its length is 20 mm, so the conversion efficiency using first-order quasi-phase matching is relatively low.
  • the intensity of the converted light LC is increased up to 25 times compared to when the second pumping light LD is not input. I was able to
  • the second pumping light LD is input to the nonlinear optical element 21 by the first pumping light LA and the signal light LB by a method such as a mirror or an optical waveguide that is not limited by the wavelength
  • the first excitation light LA can be amplified to increase its intensity.
  • Such a first embodiment can increase the intensity of the converted light LC regardless of the wavelength of the first pumping light LA or the specifications of the amplifier.
  • the wavelength conversion device of this embodiment can generate converted light with a high intensity of 120 mW to 200 mW.
  • the second embodiment has the same configuration of the wavelength conversion device as the first embodiment, but differs in the wavelength of the light input to the nonlinear optical element 21 and the parameters of the nonlinear optical crystal.
  • light having a wavelength of 4.53 ⁇ m is generated as the converted light LC.
  • the wavelength of LD was set to 0.595 ⁇ m, which is different from half the wavelength of the first excitation light LA.
  • the period of polarization reversal was set to 28.572 ⁇ m.
  • the period of the third-order quasi-phase matching is 28.572 ⁇ m, which corresponds to a period of about 9.524 ⁇ m when converted to the first-order quasi-phase matching.
  • the wavelength of the second pumping light LD is not half the wavelength of the first pumping light LA, there is no need to control the phase relationship between the two.
  • the first excitation light LA can be amplified in the nonlinear optical element 21 .
  • the difference frequency light (referred to as light LE) of the first excitation light LA excited by the second excitation light LD is generated in the 1.1 ⁇ m wavelength band.
  • the period of the periodically poled structure is 28.572 ⁇ m and the wavelength of the signal light LB is 1.614 ⁇ m, the quasi-phase matching using the light LE as the excitation light does not hold, and the high intensity does not occur.
  • the conversion is greater than when the second pumping light LD is not input.
  • the intensity of the light LC could be increased up to 19 times.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the wavelength conversion device 40 of the first embodiment.
  • a wavelength conversion device 40 of the first embodiment has a nonlinear optical element 41 .
  • the nonlinear optical element 41 is a waveguide type optical element in which a nonlinear optical crystal layer 48 made of LiNbO 3 is formed on a substrate 47 of LiTaO 3 . LiNbO 3 is used for the core of the nonlinear optical element 41 .
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of such a nonlinear optical element 41. As shown in FIG.
  • the waveguide core size is 14 ⁇ m wide and 10 ⁇ m high.
  • the period of polarization reversal was set to 27.0 ⁇ m.
  • the wavelength conversion device 40 is set so that the side with the larger z-coordinate is higher than the side with the smaller z-coordinate according to the z-axis in FIG.
  • the width of the core is the length of the core along the x-axis in the coordinate system, and the height of the core is the length of the core along the z-axis.
  • the wavelength conversion device 40 has a lens 45 and a Ge filter 43 . Further, the wavelength conversion device 40 combines a light source (not shown) for outputting the first excitation light LA, the signal light LB, and the second excitation light LD, and the first excitation light LA, the signal light LB, and the second excitation light LD. A multiplexer (not shown) and two lenses (not shown) for guiding the light source to the optical waveguide of the nonlinear optical element 41 are provided.
  • the input direction of the first pumping light LA, the signal light LB and the second pumping light LD to the nonlinear optical element 41 is indicated by Lin in FIG. 4, and the output direction of the converted light LC is indicated by Lout.
  • the wavelength of the first excitation light LA is 1.172 ⁇ m
  • the wavelength of the signal light LB is 1.606 ⁇ m
  • the wavelength of the second excitation light LD is 0.586 ⁇ m.
  • the first excitation light LA, the second excitation light LD and the signal light LB are input to the optical waveguide of the nonlinear optical element 41 through a combiner and lens (not shown).
  • the signal light LB is amplified to 500 mW in advance by the L-band EDFA.
  • the input intensity of the first excitation light LA was 10 mW
  • the input intensity of the second excitation light LD was 2000 mW.
  • the above-described period of the nonlinear optical crystal 48 at which third-order quasi-phase matching occurs corresponds to 9.0 ⁇ m when converted to first-order quasi-phase matching.
  • the wavelength of the first excitation light LA in the first embodiment is set to twice the wavelength of the second excitation light LD. Further, in the first embodiment, the phase of the second excitation light LD is adjusted so that the difference frequency light, which is the converted light LC, is maximized. Further, the wavelength conversion device 40 of the first embodiment converts, among the light output from the lens 45 placed on the output side of the nonlinear optical element 41, especially the difference frequency light into parallel light.
  • the Ge filter 43 blocks input light to the optical waveguide. When the converted light LC was observed through the Ge filter 43, it was found that the wavelength converter 40 could obtain a difference frequency light of 200 mW.
  • LiNbO 3 is used for the nonlinear optical crystal layer 48, but the same effect can be obtained with other secondary nonlinear optical crystals by appropriately setting the parameters.
  • the nonlinear optical element 41 combines the signal light LB and the excitation light LA, and then combines the excitation light LD.
  • similar effects can be obtained regardless of the order of multiplexing.
  • the wavelength conversion device of the second embodiment has the same configuration as the wavelength conversion device 40 of the first embodiment. That is, the wavelength converter of the second embodiment has a waveguide type nonlinear optical element 41 using LiTaO 3 as a plate and LiNbO 3 as a nonlinear optical crystal. LiNbO 3 is used for the core of the optical waveguide, and the waveguide core size is 14 ⁇ m in width and 10 ⁇ m in height. The period of polarization reversal is 26.70 ⁇ m.
  • the first pumping light LA, the signal light LB and the second pumping light LD are input to such a nonlinear optical element 41, and the converted light LC is output.
  • the wavelength of the first excitation light LA was set to 1.172 ⁇ m
  • the wavelength of the signal light LB was set to 1.593 ⁇ m
  • the wavelength of the second excitation light LD was set to 0.584 ⁇ m.
  • the three waves are input to the LiNbO 3 optical waveguide through a multiplexer and two lenses.
  • the signal light LB is previously amplified to 500 mW by an L-band EDFA.
  • the input intensity of the first excitation light LA is 10 mW
  • the input intensity of the second excitation light is 2000 mW.
  • the above period corresponds to a period of 9.0 ⁇ m in terms of first-order quasi-phase matching.
  • the wavelength of the second excitation light LD is set to be half the wavelength of the first excitation light LA.
  • the first excitation light LA is used as the signal light and the second excitation light LD is used as the excitation light to generate converted light in a wavelength band of 1.16 ⁇ m. The contribution is so small that it can be ignored.
  • the light output from the nonlinear optical element 41, especially the difference frequency light, is collimated by the lens 45 and observed through the Ge filter 43. As a result, the wavelength conversion device 40 of the second embodiment can obtain the difference frequency light of 120 mW. I found out.
  • Reference Signs List 10 20, 40... Wavelength converters 11, 21, 41... Nonlinear optical elements 11a, 21a... First polarized regions 11b, 21b... Second polarized regions 12... Optical waveguides 14, 15...multiplexer 21p...polarized region pair 23...filter 43...Ge filter 45...lens 47...substrate 48...layer of nonlinear optical crystal

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Abstract

光源の波長や増幅器の仕様によらず、１００ｍＷレベルの高い強度の中赤外光を出力できる波長変換装置を提供する。一種類の周期的な分極反転構造を持つ二次の非線形光学結晶を備える非線形光学素子（１１）と、非線形光学素子（１１）に対し、信号光（Ｌ２）と、第一励起光（Ｌ１）と、第二励起光（Ｌ４）と、を入力する合波器（１４、１５）と、を備え、非線形光学結晶（１１）は、第一励起光（Ｌ１）、第二励起光（Ｌ４）との三次の擬似位相整合により第一励起光（Ｌ１）が光パラメトリック増幅され、信号光（Ｌ２）と増幅された第一励起光（Ｌ１）との一次の擬似位相整合により差周波発生して変換光（Ｌ６）が出力される、ように構成されていることを特徴とする。

Description

波長変換装置
　本開示は、波長変換装置に関する。
　地球温暖化等の調査のため、メタンや二酸化炭素等を高い感度で検出する要請がある。このような検出器として、レーザ方式のガス検知器が採用されている。レーザ方式のガス検知器でメタンや二酸化炭素を高感度に検出するためには、２μｍから５μｍといった中赤外域の波長の光（中赤外光）を出力する光源が必要となる。現在、中赤外光を出力する半導体レーザの開発が行われているが、室温において簡易に使用可能な光源は未だ実現されていない。これを解決するため、光源が直接出力することが困難な波長の光を、入力された光の波長を変換する波長変換素子を使って得る技術がある。複数の種類がある波長変換素子のうち、非線形定数が周期的に変化する構造（以下、「周期変調構造」と記す）を用いることが実用の面から好ましい。周期変調構造は、一つの結晶の中に互いに不整合な構造が周期的に共存する構造をいい、例えば、結晶に非線形定数の符号が異なる領域を交互に形成する、あるいは非線形定数が相対的に大きい領域と、小さい領域とを凡そ交互に形成することによって作製される。
　ＬｉＮｂО３のような強誘電体結晶は、非線形定数の符号の正負が自発分極の極性に対応する。このため、ＬｉＮｂО３を材料とする周期変調構造は、結晶において隣り合う所定の領域の自発分極の極性を互いに反転させることによって実現する。この際、自発分極の極性が互いに反転した領域が連続し、この領域が周期的に存在するようになる。波長変換素子を使って中赤外光を発生させる方法は、例えば、非特許文献１に記載されている。非特許文献１に記載の方法によれば、２つの半導体レーが出力したレーザ光を光導波路型の波長変換素子に入力し、入力された光と波長の異なる差周波光を擬似位相調整により発生させることができる。
　非特許文献１に記載のように、自発分極の極性が互いに反転する領域が周期的に存在する構造（周期分極反転構造）をさらに光導波路化し、狭い領域に光を高密度に閉じ込める構成は、光が光導波路を長距離に渡って伝搬することによって波長変換の効率を高めることができる。このような構成の作製方法の詳細は、例えば、非特許文献２に記載されている。非特許文献２に記載の直接結合ＱＰＭ（擬似位相整合：Quasi-Phase Matched）－ＬＮ（LiNbO3）リッジ導波路は、ＬＮ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、デバイス設計の容易性などの特長を有する。また、非特許文献２には、一部に予め所定の波長帯で位相整合条件が満たされる周期分極反転構造が作製されている第１の基板と、これを保持する第２の基板とを接合し、第１の基板を薄膜化し、リッジ加工してリッジ型の光導波路とした波長変換素子を作製することが記載されている。なお、２つの基板を接合する場合、接着剤など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。
　さらに、非特許文献３には、波長変換素子に波長の異なる信号光及び励起光を入力し、４．１μｍ帯の波長を有する変換光となる差周波光を得ることが記載されている。
O.Tadanaga, T.Yanagawa, Y.Nishida, H.Miyazawa, K.Magari, M.Asobe, and H.Suzuki, ‘Efficient 3-μm difference frequency generation using direct-bonded quasi-phase-matched LiNbO3 ridge waveguides’, 2006, Appl. Phys. Lett. 88, 061101. Y.Nishida, H. Miyawaza, M. Asobe, O.Tadanaga, and H. Suzuki, ‘Direct-bonded QPM-LN ridge waveguide with high damage resistance at room temperature,’ 2004, Electron. Lett. 39(7), 609. A. Tokura, O. Tadanaga, T. Nishimiya, K. Muta, N. Kamiyama, M. Ypnemura, S. Fujii, Y. Tsumura, M. Abe, H. Takenouchi, K. Kenmotsu, and Y. Sakai, ‘Investigation of SO3 absorption line for in situ gas detection inside combustion plants using a 4-μm-band laser source, 2016, Applied Optics 55(25), 6887.
　上記した波長変換素子において差周波発生が行われる場合には、波長変換素子に入力する信号光及び励起光と、出力される変換光の間に以下の関係がある。
　１／λｐ－１／λｓ＝１／λｉ・・・式（１）
　λｐ：励起光の波長
　λｓ：信号光の波長
　λｉ：変換光の波長
　式（１）の関係を使って中赤外光を発生させることを考えると、例えば、信号光の波長λｓを１．５６μｍ、励起光の波長λpを１．０６μｍとすれば、波長λｉが３．３１μｍの変換光（アイドラ光）を発生させることができる。このような波長変換は二次の非線形光学効果により起こり、二次非線形光学効果を効率よく起こすためには、相互作用する３波長の位相不整合量が０であることが求められる。位相不整合量を０にする方法としては、先に述べた周期分極反転構造の他、角度整合法がある。角度整合法は、非線形光学結晶の偏光方向による屈折率の違いを利用し、非線形光学結晶に入射する光の入射角度を適切に設定することによって位相不整合量を０にする方法である。ただし、角度整合法は、非線形光学結晶の最大の非線形定数を利用することができないという欠点がある。
　角度整合法に対し、周期分極反転構造は、最大の非線形定数を持つ方向の偏光状態の入力光を利用できる。すなわち、二次非線形光学材料の分極を周期的に反転させることにより、擬似的に位相不整合量を０にすることができる。分極の反転周期Λと式（１）中の波長λp、λs、λｉとの間には、以下の式（２）に示す関係がある。
　ｎｐ／λｐ－ｎｓ／λｓ－ｎｉ／λｉ－１／Λ＝０・・・式（２）
　ｎｐ：波長λｐでの屈折率
　ｎｓ：波長λｓでの屈折率
　ｎ１：波長λｉでの屈折率
　ところで、中赤外光を用いてガスの検知を行う際、ガスによる吸収が小さいために比較的長距離を伝搬させて受光される光の強度は小さくなり、この点は光によるガス検知の測定精度を低下させる一因になる。この点を解消するためには、非線形光学結晶に入力される光の強度を強くすることが必要になる。また、中赤外光をレーザーレーダーであるライダー（LIDER）へ応用する場合にも、光強度の高い中赤外光が必要になる。
　変換光が弱く、励起光及び信号光が二次非線形光学結晶伝搬中に大きな強度変動がない場合、波長変換効率は小信号近似として励起光と信号光の光強度の積に比例する。しかし、二次非線形効果により差周波光を発生させる場合、励起光のエネルギーが信号光と変換光にエネルギー移動する。このため、信号光の強度が非常に強い場合に励起光が過剰に変換され、二次非線形光学結晶伝搬中に励起光強度が減少し、変換光の強度を充分高めることができないという現象が起こる。したがって、変換光強度を高めるには、励起光、信号光ともに強度が高いことが必要である。
　また、前述したように、信号光の波長を１．５６μｍ、励起光の波長を１．０６μｍとして、波長が３．３１μｍの変換光を発生させる場合、変換光の強度を高めるために信号光をＥｒドープファイバ増幅器で増幅し、励起光をＹｂドープファイバ増幅器で増幅することができる。このようにすれば、励起光と信号光の両方の強度を高めることができるので、強度の高い変換光を出力することができる。
　しかしながら、Ｅｒドープファイバ増幅器やＹｂドープファイバ増幅器は、適用可能な波長に制限がある。例えば、先に示した非特許文献３に記載の波長が４．１μｍの赤外光を発生させる場合、Ｙｂドープファイバ増幅器を用いることができる波長１．０６４μｍ帯の光を励起光とすると、式（１）にしたがって信号光の波長は１．４３μｍ光となる。Ｅｒドープファイバはこのような波長の光に適用できず、出力される変換光（差周波光）の強度は１ｍＷ程度にとどまっている。また、反対に、信号光の波長を、Ｅｒドープファイバ増幅器を用いることができる波長１．５５μｍ帯の光とすると、励起光に１．１μｍより長い波長の光を用いることになる。Ｙｂドープファイバ増幅器は、このような波長の光に対して適用できず、出力される変換光は必要な強度に満たなかった。このように、公知の構成にあっては、１μｍから２μｍの波長の光を用いて４μｍ帯の光を得るに際し、充分な強度の信号光及び励起光を二次非線形光学結晶に入力することはできなかった。
　本開示は、上記の点に鑑みてなされたものであり、光源の波長や増幅器の仕様によらず、１００ｍＷレベルの高い強度の中赤外光を出力できる波長変換装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために本発明の一形態の波長変換装置は、一種類の周期的な分極反転構造を持つ二次の非線形光学結晶を備える光学素子と、前記光学素子に対し、信号光と、第一の励起光と、第二の励起光と、を入力する光入力部と、を備え、前記非線形光学結晶は、前記第一の励起光と前記第二の励起光との三次の擬似位相整合により前記第一の励起光が光パラメトリック増幅され、前記信号光と前記増幅された第一の励起光との一次の擬似位相整合により差周波発生して差周波光が出力される、ように構成されていることを特徴とする。
　以上の形態によれば、光源の波長や増幅器の仕様によらず、１００ｍＷレベルの高い強度の中赤外光を出力できる波長変換装置を提供することができる。
本発明の一実施形態の波長変換装置の概要を説明するための模式図である。 三次の擬似位相整合について説明するための図である。 第一の実施形態の波長変換装置を説明するための模式図である。 第一の実施例の波長変換装置を説明するための模式図である。
［概要］
　先ず、本発明の実施形態の説明に先立って、本発明の一実施形態の概要を説明する。図１は、本発明の一実施形態の波長変換装置の概要を説明するための模式図である。図１に示す波長変換装置１０は、二次の非線形光学素子１１と、光入力部を構成する合波器１４、１５と、を含んでいる。
　ここで、「非線形光学素子」は、入力光に対して結晶が非線形的に応答し、かつ複屈折が存在する非線形光学結晶を含む光学素子をいう。非線形光学結晶は、結晶内を伝搬する光にとって媒質（非線形光学媒質）として機能する。二次の非線形光学結晶は、二次の非線形分極が現れる光学結晶を指し、分極を電場で級数展開した場合に二次の項の成分が現れるものをいう。二次の項には、複数の周波数成分を含む光が非線形光学結晶に入力した場合の二倍の周波数（第二高調波発生）、和の周波数(和周波発生)、差の周波数(差周波発生)成分が現れる。本実施形態は、このうちの差周波発生を利用して周波数変換を行っている。
　非線形光学素子１１は、一種類の周期的な分極反転構造（周期分極反転構造）を有し、内部に光導波路１２が形成されている。周期分極反転構造は、第１の分極領域１１ａと、第２の分極領域１１ｂとにより構成されている。周期分極反転構造は、第１の分極領域１１ａと第２の分極領域１１ｂとが交互に複数形成され、第１の分極領域１１ａから次の第１の分極領域１１ａまでの長さ、及び第２の分極領域１１ｂから次の第２の分極領域１１ｂまでの長さが一定であることをいう。本実施形態の第１の分極領域１１ａと第２の分極領域１１ｂとは、自発分極の極性が互いに反対であり、図１では自発分極の極性を矢線ｐｕ、矢線ｐｄの向きで模式的に示す。本実施形態では、第１の分極領域１１ａ、第２の分極領域１１ｂを一対の分極領域対とし、光の入力方向における分極領域対の長さを分極反転の一周期Λとする。本実施形態は、周期Λを適切に設定することにより、非線形光学素子１１において擬似的に位相不整合量を０にすることができる。なお、周期Λの設定については後述する。
　光導波路１２は、光導波路１２がコアとして、かつ非線形光学素子１１の中で光導波路１２以外の部分がクラッド層として図示しているが、一般的にコアと、コアよりも屈折率の低い不図示のクラッド層とを有し、入力された光がコア層の中に封じられて外部に漏れないものであればよく、その形状やサイズは任意である。
　合波器１４は、不図示の光源から出力された信号光Ｌ２と、第一励起光Ｌ１とを合成する。第一励起光Ｌ１、信号光Ｌ２は、いずれも不図示のレーザ光源から出力されるレーザ光である。第一励起光Ｌ１、信号光Ｌ２が合波された合波光Ｌ３は合波器１５に向かって進み、さらに合波器１５において第二励起光Ｌ４と合波される。合波光Ｌ３と第二励起光Ｌ４とが合波された合波光Ｌ５は、非線形光学素子１１に入力し、合波光Ｌ３と第二励起光Ｌ４との差周波光である変換光Ｌ６となって出力する。信号光Ｌ２、第一励起光Ｌ１、第二励起光Ｌ４は、いずれも不図示のレーザ光源から出射されるレーザ光である。また非線形光学素子１１の出力側に変換光Ｌ６以外の変換されずに透過した信号光Ｌ２、第一励起光Ｌ１、第二励起光Ｌ４が含まれて出力されることになるが、その場合は、フィルタ等によって変換光Ｌ６だけを取り出す構成にしてもよい。
　合波器１４、１５は、例えば、光ファイバや光カプラを用いて構成されるものであってもよいし、ミラー等の光学部品を組み合わせた構成であってもよい。また、本実施形態は、非線形光学素子１１に異なる光源から出力された信号光Ｌ２、第一励起光Ｌ１、第二励起光Ｌ４を合波して入力するものであればよく、合波の順番は任意である。つまり、本実施形態は、第一励起光Ｌ１による信号光Ｌ２または合波光の励起、第二位励起光Ｌ２による信号光Ｌ２または合波光の励起のいずれを先に行ってもよい。
　非線形光学素子１１は、第一励起光Ｌ１と第二励起光Ｌ４との三次の擬似位相整合により第一励起光Ｌ１が光パラメトリック増幅され、信号光Ｌ２と増幅された第一励起光Ｌ１との一次の擬似位相整合により差周波発生して増幅された差周波光である変換光Ｌ６が出力されるように構成されている。このような構成は、信号光Ｌ２と第一励起光Ｌ１とが一次の擬似位相整合により変換を生じ、第一励起光Ｌ１と第二励起光Ｌ４とが三次の擬似位相整合を生じることによって実現する。そして、本発明の態様によれば、このような非線形光学素子１１は、反転分極対の周期Λ、各光の波長、非線形光学結晶に対する屈折率及び導波路１２の伝搬定数等を適正に設計することによって得られる。
　例えば、励起光、信号光、出力光の導波路伝搬定数β１、β２及びβ３と、擬似位相整合の周期Λ及びその次数ｍには、以下の関係がある。
２πｍ／Λ＝β１－β２－β３　　　・・・（３）
上記式（３）が第一励起光Ｌ１と信号光Ｌ２、第一励起光Ｌ１と第二励起光Ｌ４との間で成立する共通のΛを周期とし、さらに、上記の式（１）、式（２）の関係が第一励起光Ｌ１、信号光Ｌ２、第二励起光Ｌ４及び変換光Ｌ６の間で成立するように各光の波長及び非線形光学結晶の材質を選択することにより、本発明者らは、第一励起光Ｌ１と第二励起光Ｌ４との三次の擬似位相整合により第一励起光Ｌ１が光パラメトリック増幅され、信号光Ｌ２と増幅された第一励起光Ｌ１との一次の擬似位相整合により差周波発生して差周波光である変換光Ｌ６が出力される非線形光学素子１１を得た。なお、第一励起光Ｌ１と信号光Ｌ２、第一励起光Ｌ１と第二励起光Ｌ４との間で式（３）の関係が成立する共通のΛを周期とすることにより、本発明の態様の非線形光学素子１１は、一種類の周期的な分極反転構造を持つようになる。
　なお、一般的に分極反転領域１１ａ、１１ｂは、非線形光学材料の基板に対して公知のフォトリソグラフィ及びエッチングを使って電極を形成し、この電極を使って基板に電圧を印加することによって作製できる。なお、基板には、例えば、ＬｉＮｂＯ３の基板やＬｉＴａＯ３の基板が用いられる。このような本実施形態は、任意の周期Λを持つ反転分極構造を比較的容易に作製することが可能である。
　図２は、三次の擬似位相整合について説明するための図である。図２は、周期分極反転構造の中を進む光の電界強度と、周期分極反転構造における位置との関係を示すグラフである。グラフ中の横軸は周期分極反転構造における位置を示し、光が入力する周期分極反転構造の表面を「０」とする。横軸の矢線Ｔは一周期Λの範囲を示し、矢線Ｔ1/3は周期Λの１／３の周期Λ1／3の範囲を示している。縦軸は電界強度を示している。図２において、図１に示した第１の分極領域１１ａ、第２の分極領域１１ｂの範囲を示す。図２において、実線は一次の擬似位相整合を説明するための曲線Ｃａである。破線は、三次の擬似位相整合を説明するための曲線Ｃｂである。
　曲線Ｃａに示すように、擬似位相整合を用いた波長変換では、一つの分極領域中を光が伝搬する途中に変換光が生じる。曲線Ｃａに示す光は、入力直後から分極の反転がない分極領域中を進みながら強度を高め、図２に示す強度の中央付近に達する。そして、分極が反転する分極領域に入るとさらに強度が高まる。周期分極反転構造をもつ非線形光学結晶においては、周期分極反転構造中を光が進む距離が長いほど変換光強度が増強される。
　また、高次の擬似位相整合は、上記した一次の擬似位相整合より、短距離で強度の増減を行うことができる。三次の擬似位相整合の場合、Λ／３を一つの周期とした擬似位相整合が行われる。なお、三次の擬似位相整合においても、一次の擬似位相整合と同様に、非線形光学結晶中を光が進む距離が長いほど光の変換光の強度を高めることができる。
　以上説明した実施形態は、非線形光学素子１１内で第一励起光Ｌ１を第二励起光Ｌ４により光パラメトリック増幅することができる。このような構成によれば、ファイバ増幅器による増幅が可能な波長の光を信号光Ｌ２に選択し、ファイバ増幅器による増幅ができない波長の光を第一励起光Ｌ１に選択した場合であっても、第一励起光Ｌ１を第二励起光Ｌ４によって励起し、信号光Ｌ２、第一励起光Ｌ１の両方が高強度になる条件で変換光Ｌ６を生成することができる。このような条件で生成された変換光Ｌ６は、例えばガス検知の分野において、比較的小さい検知信号をも高い精度で検出することに充分な強度を有するようになる。
　また、公知の構成においては、差周信号の生成と光パラメトリック増幅とを同時に行う場合、非線形光学結晶を二つの領域に分割し、分割後の領域がそれぞれの機能を果たしていた。しかし、非線形光学結晶の領域を分割すると、非線形光学結晶の最大距離が制限されることが考えられる。一般的に、擬似位相整合による変換光の強度は、光が周期分極反転構造中を進む距離が長い方が上昇する。具体的には、変換効率は、周期分極反転構造中を光が進む距離の二乗で変化するので、周期分極反転構造の長さに制限のある素子を２つの領域に分けると、各々の領域における変換の効率が低下する。本実施形態は、周期分極反転構造の全領域で光パラメトリック増幅も差周波発生も行われるため、高効率に差周波光の強度を高めることができる。
（第一の実施形態）
　次に、本発明の第一の実施形態を説明する。図３は、第一の実施形態の波長変換装置２０を説明するための模式図である。図３における上下、及び左右の方向は、図３に示す座標系にしたがって定められ、ｚ軸の数値の大きい側が小さい側よりも上、あるいは上方になる。図３は、波長変換装置２０の上面図である。波長変換装置２０は、二次非線形光学結晶としてのＬｉＮｂＯ３基板を有する非線形光学素子２１を有し、非線形光学素子２１には第１の分極領域２１ａ、第２の分極領域２１ｂが交互に、かつ周期的に形成されている。第１の分極領域２１ａ、第２の分極領域の対を分極領域対２１ｐとして示す。
　なお、第一の実施形態は、基板にＬｉＮｂＯ３基板を用いているが、ＬｉＮｂＯ３基板を用いる構成に限定されるものでなく、二次非線形光学結晶となる材料であれば、どのような材料の基板を用いてもよい。他の材料としては、例えば、ＬｉＮｂＯ３にＭｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｓｃ（スカンジウム）、およびＩｎ（インジウム）のうちの少なくとも一種が添加物として含有された材料の少なくとも一つが考えられる。
　第一の実施形態の非線形光学素子２１は、ｘ方向の長さが２０ｍｍの基板である。分極領域対２１ｐの周期２８．２６５μｍである。また、第一の実施形態の波長変換装置２０は、第一励起光ＬA、信号光ＬB及び第二励起光ＬDを入力し、変換光ＬCを出力する。なお、第一の実施形態の第一励起光ＬAは、図１に示す第一励起光Ｌ１に相当し、信号光ＬBは信号光Ｌ２に相当する。また、第二励起光ＬDは、第二励起光Ｌ４に相当する。変換光ＬCは、図１の変換光Ｌ６に相当する。すなわち、第一励起光ＬA、信号光ＬB及び第二励起光ＬDは、その合波の手順によらず非線形光学素子２１に入力される第一励起光Ｌ１、信号光Ｌ２、第二励起光Ｌ４をそれぞれ示している。非線形光学素子２１への第一励起光ＬA、信号光ＬB及び第二励起光ＬDの入力方向を図３中にＬin 、変換光ＬCの出力方向をＬout として示す。波長変換装置２０は、このような構成を実現するため、不図示の第一励起光ＬA、信号光ＬB及び第二励起光ＬDを出力する光源と、第一励起光ＬA、信号光ＬB及び第二励起光ＬDを任意の順番で合波する不図示の合波器を有している。また、波長変換装置２０は、非線形光学素子２１を透過する第一励起光ＬAおよび信号光ＬB、第二励起光ＬDが出力方向のＬoutへ混入するのを防ぐフィルタ２３を有している。
　第一の実施形態は、波長が４．６２μｍの変換光ＬCを生成するため、信号光ＬBの波長が１．５９４μｍ、第一励起光ＬAの波長が１．１８４μｍの条件を設定した。また、非線形光学素子２１の周期分極反転構造の周期を２８．２６５μｍに設定した。第二励起光ＬDの波長は、第一励起光ＬAの波長の半分である０．５９２μｍに設定された。入力される信号光ＬB、第一励起光ＬA及び第二励起光ＬDの全ての偏光はＬｉＮｂＯ３の分極の方向と一致している。また、波長変換装置２０において、信号光ＬB、第一励起光ＬA、第二励起光ＬDのビームは、非線形光学素子２１の光の入力方向の中央付近にビームウェストが来るように調整されている。信号光ＬBは、Ｌ帯ＥＤＦＡ（Erbium. Doped Fiber Amplifier）により予め高強度に増幅された後に非線形光学素子２１に入力されている。
　第二励起光ＬDを出力する光源としては、例えば、ＭＰＢ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ社製の可視光ファイバレーザーシリーズのレーザ光源が用いられる。このようなレーザ光源は、使用可能な波長が０．４８８μｍから０．７７５μｍであり、出力範囲が１００ｍＷ以上、５Ｗ ＣＷである。このようなレーザ光源は、可視光でＷ（ワット）級のレーザ光を得ることができる。第一の実施形態においては、三次の擬似位相整合の周期が２８．２６５μｍである。この周期は一次の擬似位相整合に換算すると約９．４２μｍに相当し、１．１８４μｍの光のＳＨＧ（Second Harmonic Generation）が得られる。また、第一の実施形態では、第二励起光ＬDの位相を調整し、波長０．５９２μｍの第二励起光ＬDで１．１８４μｍの光を増幅するように条件を設定した。第一の実施形態では、非線形光学素子２１にバルク型の周期分極反転ＬｉＮｂＯ３を用い、この長さが２０ｍｍであるために、一次の擬似位相整合を使った変換効率は比較的低い。ただし、第二励起光ＬDを信号光ＬB及び第一励起光ＬAと共に非線形光学素子２１に入力した場合、第二励起光ＬDを入力しない場合に比べて変換光ＬCの強度を２５倍にまで高めることができた。
　そして、以上説明した第一の実施形態は、第二励起光ＬDをミラー、あるいは光導波路といった波長による制限を受けない方法により第一励起光ＬA、信号光ＬBにより非線形光学素子２１に入力し、第一励起光ＬAを増幅してその強度を高めることができる。このような第一の実施形態は、第一励起光ＬAの波長や増幅器の仕様によらず、変換光ＬCの強度を高めることができる。また、後述する第一の実施例、第二の実施例によれば、本実施形態の波長変換装置は、１２０ｍＷから２００ｍＷという高い強度の変換光を生成することができる。
（第二の実施形態）
　次に、第二の実施形態を説明する。第二の実施形態は、第一の実施形態と波長変換装置の装置構成が同一であるが、非線形光学素子２１に入力される光の波長及び非線形光学結晶のパラメータが異なっている。第二の実施形態では、変換光ＬCとして波長が４．５３μｍの光を発生させるため、第一励起光ＬAの波長を１．１９μｍ、信号光ＬBの波長を１．６１４μｍとし、第二励起光ＬDの波長を、第一励起光ＬAの波長の半分と異なる０．５９５μｍとした。また、分極反転の周期を２８．５７２μｍに設定した。第二の実施形態では、三次の擬似位相整合の周期が２８．５７２μｍであり、一次の擬似位相整合に換算すると、約９．５２４μｍの周期に相当する。
　第二の実施形態は、第二励起光ＬDの波長が第一励起光ＬAの波長の半分になっていないので、両者の位相関係を制御する必要はなく、差周波発生を伴う光パラメトリック増幅により第一励起光ＬAを非線形光学素子２１中で増幅することができる。なお、第二励起光ＬDにより励起された第一励起光ＬAの差周波光（光ＬEとする）は、波長１．１μｍ帯に発生する。ただし、周期分極反転構造の周期が２８．５７２μｍ、信号光ＬBの波長が１．６１４μｍの条件の下、光ＬEを励起光とした擬似位相整合は成り立たず、光ＬEを励起光とする高強度の差周波光は発生しない。このような第二の実施形態によれば、第二励起光ＬDを信号光ＬB及び第一励起光ＬAと共に非線形光学素子２１に入力した場合、第二励起光ＬDを入力しない場合に比べて変換光ＬCの強度を１９倍にまで高めることができた。
（第一の実施例）
　次に、以上説明した実施形態の実施例を説明する。図４は、第一の実施例の波長変換装置４０を説明するための模式図である。第一の実施例の波長変換装置４０は、非線形光学素子４１を有している。非線形光学素子４１は、ＬｉＴａＯ３の基板４７にＬｉＮｂＯ３製の非線形光学結晶の層４８を形成した導波路型の光学素子である。非線形光学素子４１のコアにはＬｉＮｂＯ３を用いている。図４は、このような非線形光学素子４１の模式的な断面図である。導波路コアサイズは、幅１４μｍ、高さ１０μｍである。分極反転の周期は、２７．０μｍとした。なお、図４において、波長変換装置４０の上下は図４中のｚ軸にしたがい、ｚ座標の大きい側が小さい側よりも上に設定される。コアの幅は、座標系におけるｘ軸方向のコアの長さであり、コアの高さは、ｚ軸方向のコアの長さである。
　また、波長変換装置４０は、レンズ４５と、Ｇｅフィルタ４３とを有している。また、波長変換装置４０は、第一励起光ＬA、信号光ＬB、第二励起光ＬDを出力する不図示の光源、第一励起光ＬA、信号光ＬB、第二励起光ＬDを合波する不図示の合波器及び、この光源を非線形光学素子４１の光導波路に導く二枚の不図示のレンズを備えている。非線形光学素子４１への第一励起光ＬA、信号光ＬB及び第二励起光ＬDの入力方向を図４中にＬin、変換光ＬCの出力方向をＬoutとして示す。
　第一の実施例では、第一励起光ＬAの波長を１．１７２μｍ、信号光ＬBの波長を１．６０６μｍ、第二励起光ＬDの波長を０．５８６μｍとした。第一励起光ＬA、第二励起光ＬD及び信号光ＬBは、不図示の合波器とレンズで非線形光学素子４１の光導波路に入力される。この際、信号光ＬBは、予めＬ帯ＥＤＦＡにより５００ｍＷまで増幅されている。第一励起光ＬAの入力強度を１０ｍＷ、第二励起光ＬDの入力強度は２０００ｍＷであった。
　三次の擬似位相整合が生じる非線形光学結晶４８の上記の周期は、一次の擬似位相整合に換算すると９．０μｍに相当する。第一の実施例の第一励起光ＬAの波長は、第二励起光ＬDの波長の２倍に設定されている。また、第一の実施例では、第二励起光ＬDの位相が、変換光ＬCである差周波光が最大になるように調整されている。また、第一の実施例の波長変換装置４０は、非線形光学素子４１の出力側に置かれたレンズ４５が出力される光の中で特に差周波光を平行光とする。また、Ｇｅフィルタ４３は、光導波路への入力光を遮断する。Ｇｅフィルタ４３を介して変換光ＬCを観測したところ、波長変換装置４０によって２００ｍＷの差周波光が得られることが分かった。
　以上の第一の実施例は、非線形光学結晶の層４８にＬｉＮｂＯ３を用いているが、他の二次非線形光学結晶であっても適切にパラメータを設定すると同様の効果が得られる。また、第一の実施例は、非線形光学素子４１に対して信号光ＬB、励起光ＬAを合波し、後に励起光ＬDを合波する例を示した。ただし、第一の実施例は、どのような順番で合波しても同様の効果を得ることができる。
（第二の実施例）
　次に、第二の実施例を説明する。第二の実施例の波長変換装置は、第一の実施例の波長変換装置４０と同様の構成を有している。すなわち、第二の実施例の波長変換装置は、板にＬｉＴａＯ３とし、非線形光学結晶にＬｉＮｂＯ３を用いた導波路型の非線形光学素子４１を有している。光導波路のコアにはＬｉＮｂＯ３を用い、導波路コアサイズは、幅１４μｍ、高さ１０μｍである。分極反転の周期は、２６．７０μｍである。第二の実施例は、このような非線形光学素子４１に対して第一励起光ＬA、信号光ＬB及び第二励起光ＬDを入力し、変換光ＬCを出力する。第一励起光ＬAの波長は１．１７２μｍ、信号光ＬBの波長は１．５９３μｍ、第二励起光ＬDの波長は０．５８４μｍに設定した。３波は、合波器とレンズ２枚でＬｉＮｂＯ３の光導波路に入力される。信号光ＬBは、予めＬ帯ＥＤＦＡにより５００ｍＷまで増幅させている。第一励起光ＬAの入力強度は１０ｍＷ、第二励起光の入力強度は２０００ｍＷである。三次の擬似位相整合が生じる第二の実施例において、上記の周期は一次の擬似位相整合に換算して９．０μｍの周期に相当する。
　第二の実施例においては、第二励起光ＬDの波長が第一励起光ＬAの半分の波長とずれて設定されている。このとき、第一励起光ＬAを信号光とし、第二励起光ＬDを励起光とした変換光が１．１６μｍの波長帯に発生するが、このような光は中赤外光の発生には寄与が小さいために無視できる。非線形光学素子４１から出力される光の特に差周波光をレンズ４５により平行光にし、Ｇｅフィルタ４３を通して観察した結果、第２の実施例の波長変換装置４０は、１２０ｍＷの差周波光を得られることが分かった。
１０、２０、４０・・・波長変換装置
１１、２１、４１・・・非線形光学素子
１１ａ、２１ａ・・・第１の分極領域
１１ｂ、２１ｂ・・・第２の分極領域
１２・・・光導波路
１４、１５・・・合波器
２１ｐ・・・分極領域対
２３・・・フィルタ
４３・・・Ｇｅフィルタ
４５・・・レンズ
４７・・・基板
４８・・・非線形光学結晶の層

Claims (4)

  1. 　一種類の周期的な分極反転構造を持つ二次の非線形光学結晶を備える光学素子と、
    　前記光学素子に対し、信号光と、第一の励起光と、第二の励起光と、を入力する光入力部と、を備え、
    　前記非線形光学結晶は、前記第一の励起光と前記第二の励起光との三次の擬似位相整合により前記第一の励起光が光パラメトリック増幅され、前記信号光と増幅された前記第一の励起光との一次の擬似位相整合により差周波発生して差周波光が出力される、ように構成されていることを特徴とする波長変換装置。
  2. 　前記信号光及び前記第一の励起光の波長は、１．０μｍ以上、２．０μｍ以下の波長帯にあることを特徴とする、請求項１に記載の波長変換装置。
  3. 　前記非線形光学結晶の材料は、ＬｉＮｂＯ３、前記ＬｉＮｂＯ３にＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、およびＩｎからなる群から選ばれた少なくとも一種が添加物として含有された材料の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換装置。
  4. 　二次の前記光学素子は、光導波路構造を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の波長変換装置。
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