WO2022254640A1 - 波長変換装置 - Google Patents

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WO2022254640A1
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light
optical
wavelength
wavelength conversion
signal light
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PCT/JP2021/021102
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信建 小勝負
晃次 圓佛
毅伺 梅木
修 忠永
拓志 風間
貴大 柏崎
飛鳥 井上
啓 渡邉
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日本電信電話株式会社
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    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
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Definitions

  • the present invention relates to a wavelength conversion device, and more particularly to a mounting structure of a wavelength conversion element of a wavelength conversion device.
  • Wavelength conversion technology is attracting a great deal of attention in applications requiring a wavelength range that cannot be directly output by a semiconductor laser, or a wavelength range that requires a high output intensity that cannot be obtained by a semiconductor laser even if the semiconductor laser can output directly.
  • an optical waveguide using periodically poled lithium niobate (hereinafter referred to as PPLN) has increased light intensity by using a waveguide and high wavelength conversion efficiency by using a quasi-phase matching technology. It is a feasible device and can be used in a wide range of optical wavelength bands from ultraviolet to visible, infrared, and terahertz for applications such as optical signal wavelength conversion in optical communication, optical processing, medical care, and biotechnology. Expected.
  • optical waveguides using PPLN can be used to fabricate parametric amplification elements and pumping light generation elements that constitute a phase sensitive amplifier (PSA) capable of low-noise optical amplification, resulting in high-gain, low-noise optical amplification characteristics.
  • PSA phase sensitive amplifier
  • an optical coherent Ising machine device has been realized by inserting an optical waveguide using PPLN into a fiber ring resonator and using it as a parametric oscillation element, which is extremely superior to conventional computers.
  • ⁇ k causes a phase difference of ⁇ k L .
  • L c ⁇ /(
  • the coherence length at which attenuation begins must be longer than the propagating crystal length.
  • n 3 / ⁇ 3 n 1 / ⁇ 1 +n 2 / ⁇ 2 (equation 6)
  • n 1 , n 2 , n 3 are refractive indices of second-order nonlinear materials propagating at respective wavelengths: ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 (each frequency: ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 ). This means that the weighted average of n1 and n2 is equal to n3 , with frequency as the weight.
  • the phase matching condition is satisfied when the refractive indices of the fundamental wave and the second harmonic wave are equal.
  • the refractive index dispersion due to the crystal orientation of a birefringent crystal anisotropic for linearly polarized light
  • the refraction due to an optically active substance anisotropic for circularly polarized light
  • Methods using index dispersion and (3) using anomalous dispersion due to resonance are being studied.
  • (1) is most widely used because it is easy to control by angle and temperature.
  • this angle matching method has the problem that the maximum nonlinear constant of the nonlinear optical crystal cannot be used.
  • optical waveguides and photonic crystals which control the structure of light propagation, have material dispersion based on the refractive index, structural dispersion dependent on the size and shape of the cross section, and modal dispersion dependent on the mode order. It has the advantage that the degree of freedom of phase velocity control is remarkably expanded.
  • Equation (8) is the phase matching condition for quasi-phase matching (QPM).
  • QPM quasi-phase matching
  • this quasi-phase matching method can use the material orientation that is the maximum component of the nonlinear susceptibility of a second-order nonlinear crystal, etc., and can set the operating wavelength range by selecting the inversion period.
  • this quasi-phase matching method can use the material orientation that is the maximum component of the nonlinear susceptibility of a second-order nonlinear crystal, etc., and can set the operating wavelength range by selecting the inversion period.
  • by forming an optical waveguide light can be confined in a narrow area with high density and propagated over a long distance, so that highly efficient wavelength conversion has been realized so far.
  • a wavelength conversion element performs wavelength conversion
  • a quasi-phase matching technique there is a method of fabricating a proton exchange waveguide using a periodically poled structure after forming a crystal (hereinafter referred to as a nonlinear optical crystal) substrate that exhibits a nonlinear optical effect into a periodically poled structure.
  • a method of fabricating a ridge-type optical waveguide using a photolithography process and a dry etching process after forming a nonlinear optical crystal substrate into a periodically poled structure.
  • Patent Document 1 discloses an example of fabricating a ridge-type optical waveguide among these.
  • a first substrate of a nonlinear optical crystal having a periodically poled structure and a refractive index lower than that of the first substrate are disclosed. It is described that a wavelength conversion element is produced by bonding together a second substrate.
  • the same kind of nonlinear optical crystal as the first substrate is used as the second substrate, and the first substrate and the second substrate are separated. It is described that heat is applied to the substrate for diffusion bonding.
  • an identification/regeneration optical repeater In order to regenerate an optical signal that has been attenuated by propagating an optical fiber, an identification/regeneration optical repeater is used to convert the optical signal into an electrical signal, identify the digital signal, and then regenerate the optical signal. was used.
  • this identification and regeneration optical repeater has problems such as the response speed of the electronic component that converts the optical signal into an electrical signal is limited, and power consumption increases as the speed of the transmitted signal increases. .
  • PSA Phase Sensitive Amplifier
  • the PSA has a function of shaping the signal light waveform and phase signal that have deteriorated due to the influence of the dispersion of the transmission fiber.
  • the PSA can suppress spontaneous emission light having a quadrature phase irrelevant to the signal and can minimize the in-phase spontaneous emission light, the S/N of the signal light is degraded before and after amplification. In principle, it is possible to maintain the same
  • FIG. 1 is a schematic block diagram showing the basic configuration of a conventional PSA.
  • a phase sensitive optical amplifier (PSA) 100 as a whole includes a phase sensitive optical amplifier section 101 using optical parametric amplification, an excitation light source 102, an excitation light phase control section 103, first and It is composed of second optical branching units 104a and 104b.
  • the signal light 110 input to the PSA 100 is split into two by the optical splitter 104a, one of which enters the phase sensitive optical amplifier 101 and the other enters the excitation light source 102.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram showing the basic configuration of a conventional PSA.
  • a phase sensitive optical amplifier (PSA) 100 as a whole includes a phase sensitive optical amplifier section 101 using optical parametric amplification, an excitation light source 102, an excitation light phase control section 103, first and It is composed of second optical branching units 104a and 104b.
  • the signal light 110 input to the PSA 100 is split into two by the optical splitter
  • Pumping light 111 emitted from the pumping light source 102 is phase-adjusted through the pumping light phase controller 103 and enters the phase sensitive light amplifier 101 .
  • the phase sensitive optical amplifier 101 outputs an output signal light 112 based on the input signal light 110 and pumping light 111 .
  • nonlinear optical medium for performing the optical parametric amplification a method using a second-order nonlinear optical material typified by the aforementioned periodically poled LiNbO 3 (Periodically Poled Lithium Niobate: PPLN) waveguide, and a method using a second-order nonlinear optical material typified by silica glass fiber A method using a third-order nonlinear optical material is known.
  • a method using a second-order nonlinear optical material typified by the aforementioned periodically poled LiNbO 3 (Periodically Poled Lithium Niobate: PPLN) waveguide
  • PPLN Periodically Poled Lithium Niobate
  • the phase-sensitive optical amplifier 101 amplifies the signal light 110 when the phase of the incident signal light 110 and the phase of the pumping light 111 match. It has damping properties. If the phases of the pumping light 111 and the signal light 110 are matched so that the amplification gain is maximized by using this characteristic, spontaneous emission light in quadrature phase with the signal light 110 will not be generated, and the in-phase component will not be generated. Spontaneous emission light exceeding the noise of the signal light 110 is not generated. Therefore, it becomes possible to amplify the signal light 110 without degrading the S/N.
  • the pumping light phase control unit 103 pumps so as to synchronize with the phase of the signal light 110 branched by the first optical branching unit 104a. Control the phase of the light 111 .
  • the pumping light phase control unit 103 detects part of the output signal light 112 branched by the second optical branching unit 104b with a narrow band detector, and the amplification gain of the output signal light 112 is maximized.
  • the phase of the excitation light 111 is controlled as follows. As a result, the phase sensitive optical amplifier 101 achieves optical amplification without degradation of S/N based on the above principle.
  • the pumping light phase control unit 103 may be configured to directly control the phase of the pumping light source 102 instead of controlling the phase of the pumping light 111 on the output side of the pumping light source 102 . Further, when the light source that generates the signal light 110 is arranged near the phase-sensitive optical amplifier 101, the amount of phase fluctuation becomes small, so that part of the signal light light source is branched and directly used as pumping light. can also
  • PSA phase sensitive optical amplifier
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a conventional PSA using a PPLN waveguide disclosed in Non-Patent Document 1 and the like.
  • the PSA 200 shown in FIG. 10 includes an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) 201, first and second second-order nonlinear optical elements 202 and 204, and first and second optical splitters.
  • EDFA erbium-doped fiber amplifier
  • the first second order nonlinear optical element 202 comprises a first spatial optical system 211 , a first PPLN waveguide 212 , a second spatial optical system 213 and a first dichroic mirror 214 .
  • the second order nonlinear optical element 204 includes a third spatial optical system 215, a second PPLN waveguide 216, a fourth spatial optical system 217, a second dichroic mirror 218, and a third dichroic and a mirror 219 .
  • the first spatial optical system 211 couples light input from the input port of the first second-order nonlinear optical element 202 to the first PPLN waveguide 212 .
  • the second spatial optical system 213 couples the light output from the first PPLN waveguide 212 to the output port of the first second-order nonlinear optical element 202 via the first dichroic mirror 214 .
  • the third spatial optical system 215 couples the light input from the input port of the second order nonlinear optical element 204 to the second PPLN waveguide 216 via the second dichroic mirror 218 .
  • a fourth spatial optical system 217 couples the light output from the second PPLN waveguide 216 to the output port of the second order nonlinear optical element 204 via a third dichroic mirror 219 .
  • signal light 250 incident on PSA 200 is split by optical splitter 203 a , and one light enters second-order nonlinear optical element 204 .
  • the other light branched by the optical branching unit 203 a is phase-controlled by the phase modulator 205 and the optical fiber expander 206 and enters the EDFA 201 as the fundamental excitation light 251 .
  • the EDFA 201 amplifies the incident pumping fundamental wave light 251 and transmits the amplified pumping fundamental wave light 251 to the first secondary laser beam.
  • the light is made incident on the nonlinear optical element 202 .
  • second harmonic light (hereinafter referred to as SH light) 252 is generated from the incident excitation fundamental wave light 251 .
  • the generated SH light 252 enters the second-order nonlinear optical element 204 via the polarization maintaining fiber 207 .
  • the second-order nonlinear optical element 204 performs degenerate parametric amplification on the incident signal light 250 and SH light 252 to perform phase sensitive amplification, and outputs an output signal light 253 .
  • the signal light and the excitation light In the PSA, in order to amplify only the light that is in phase with the signal, the signal light and the excitation light must be in phase, or be out of phase by ⁇ radian, as described above.
  • phase ⁇ 2 ⁇ s of the excitation light and the phase ⁇ ⁇ s of the signal light which are light having a wavelength corresponding to the SH light, can satisfy the following relationship (Equation 11). necessary.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the phase difference ⁇ between the input signal light and pumping light and the gain (dB) in a conventional PSA using the second-order nonlinear optical effect. It can be seen from FIG. 11 that the gain is maximized when the phase difference ⁇ between the input signal light and the pump light is ⁇ , 0, or ⁇ .
  • the phase modulator 205 in FIG. 2 phase-modulates the excitation fundamental wave light 251 according to the weak pilot signal.
  • the second optical splitter 203 b splits a part of the amplified output signal light 253 and makes it enter the photodetector 208 .
  • the photodetector 208 converts the incident signal light into an electrical signal.
  • the pilot signal component is minimized when the phase difference .DELTA..phi. shown in FIG.
  • phase-locked loop circuit (PLL) 209 is used to feed back to the optical fiber expander 206 so that the pilot signal is minimized, that is, the amplified output signal detected by the photodetector 208 is maximized.
  • the optical fiber expander 206 expands and contracts the optical fiber through which the fundamental excitation light 251 propagates according to the output of the phase-locked loop circuit 209 .
  • phase synchronization between the signal light 250 and the fundamental excitation light 251 can be achieved.
  • the SH light 252 is once generated and then When performing parametric amplification, for example, by removing the component of the pump fundamental wave light using the characteristics of the dichroic mirror 214, only the SH light 252 and the signal light 250 are transferred to the parametric amplification medium such as the second second-order nonlinear optical element 204. can be made incident on Therefore, noise due to mixing of spontaneous emission light generated by the EDFA 201 can be prevented, so that low-noise optical amplification becomes possible.
  • optical fiber pigtail module structure and advantages On the other hand, mounting a spatial optical system using an optical surface plate requires processing to assemble an optical system with a high degree of freedom. . Therefore, in the current optical system mounting, an optical fiber pigtail type mounting module terminated with an optical connector is used.
  • Patent Document 2 shows a module mounting configuration of a wavelength conversion device 400 having a pigtail structure of optical fibers with two inputs and outputs, as shown in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of a conventional wavelength conversion device.
  • An input of signal light 404 (fiber 410 for signal light) and an output of signal light 412 (fiber 403 for signal light) are provided on opposite end surfaces of the housing of the wavelength conversion device.
  • Input and output of pumping light (fiber 411 for pumping light, fiber 415 for pumping light, lenses 406a and 408b) are provided on surfaces other than those end faces.
  • a lens 406b, a dichroic mirror 413 and a lens 407 are provided between the input and the wavelength conversion element 414 provided with the optical waveguide core 414b. 409 is provided to enable optical connection.
  • An optical fiber pigtail-type mounting module consists of light sources, optical modulators, and other optical functional components placed in a rigid housing made of metal or the like. This is a mounting structure in which input and output are taken out by optical fiber cables.
  • optical fiber pigtail module The advantage of the optical fiber pigtail module is that the use of an optical fiber with an optical connector facilitates handling by attaching and detaching the optical connector, increases the degree of freedom in incorporating into equipment, and facilitates replacement when the module fails. It has the characteristic of being able to
  • modularizing the optical system not only makes it possible to reduce the size, but also has the advantage of eliminating the need for adjustment and reducing the work required to incorporate it into the device.
  • the optical fiber increases optical loss when the radius of curvature is 30 mm or less. Furthermore, sharp bending or impact damages the glass core wire of the optical fiber core, resulting in an extremely large optical loss or an inability to transmit optical signals.
  • the optical fiber itself is routed with a radius of curvature on the order of millimeters or less, the optical fiber itself will break. Since it is a place where stress is likely to concentrate, it is necessary to form the optical input/output port with a mechanically reinforcing structure.
  • optical fiber pigtail module in the case of optical connector connection, it is possible to limit the optical fiber length to some extent by designing the necessary optical fiber length.
  • optical fiber cutting or fiber fusion splicing for optical fiber connection or in the case of manufacturing as a general optical module, actually, in order to be able to deal with later parts replacement / repair, etc. It is necessary to connect an optical fiber having a sufficient extra length. Therefore, in an actual optical system or the like, a reel-shaped member for winding the excess optical fiber is used, or an adhesive tape or a binding member is used to fix the optical fiber.
  • phase sensitive optical amplifier PSA
  • the means for solving the above problems are as follows.
  • the present inventors have studied the mounting structure of the optical module and optimized the extraction positions of the optical inputs and outputs in the optical fiber pigtail module.
  • optical input and output it is possible to provide a mounting structure with high mounting density and excellent handling of optical fibers.
  • the present invention has been completed by discovering that control corresponding to the optical phase and the optical polarization is possible by providing the mechanism.
  • the invention provides a wavelength Then, n1 ( n1 is a positive integer) pumping light different from the wavelength of the signal light is input, and one or more m2 ( m2 is a positive integer) signal light is output. and n 2 pumping lights (n 2 is a positive integer between zero and zero) different from the wavelength of the signal light are provided as outputs, and the optical waveguide core and the optical waveguide core a wavelength conversion element for converting the wavelength of the signal light having a substrate having a low refractive index with respect to the signal light and the excitation light; and a temperature control element for controlling the temperature of the wavelength conversion element. wherein the signal light and the excitation light are input from one side of a housing adjacent to and facing the optical input/output of the wavelength conversion element, and the housing facing the characterized by comprising an output of the signal light and the pump light from the other side of
  • Another invention according to an embodiment of the present invention provides a wavelength of the signal light and a wavelength of the signal light when one or more m1 ( m1 is a positive integer) signal lights are input.
  • n1 ( n1 is a positive integer) pumping light different in wavelength is input and one or more m2 ( m2 is a positive integer) signal light is output, the signal
  • the wavelength of the light and n 2 pumping lights different from the wavelength of the signal light are provided as outputs, and the optical waveguide core and the optical waveguide core are more suitable for the signal light and the pumping light than the optical waveguide core.
  • a wavelength conversion element for converting the wavelength of the signal light having a substrate having a low refractive index
  • a temperature control element for controlling the temperature of the wavelength conversion element.
  • a wavelength conversion device for inputting the signal light and the pumping light, having an output for the signal light and the pumping light, and at least one of optical input and output of the signal light or the pumping light
  • An expansion mechanism is provided for varying the propagation path distance of light input to one of the wavelength conversion elements, or a polarization separation element and a polarization splitter are provided between the propagation paths of light input to at least one of the wavelength conversion elements. At least one of the wave rotating elements is provided.
  • the present invention makes it possible to realize an efficient and compact optical fiber pigtail module mounting structure for a large number of input and output wavelength conversion elements.
  • the optical distance of each optical input and output and by separating and rotating the polarization, it is possible to provide the optical phase distance adjustment function required for the wavelength conversion device and the polarization independent wavelength conversion device. becomes.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram showing the basic configuration of a conventional PSA
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a conventional PSA using a PPLN waveguide
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the phase difference ⁇ between the input signal light and pumping light and the gain (dB) in a conventional PSA using the second-order nonlinear optical effect.
  • FIG. 1 is a schematic diagram (1) of a first embodiment of the present invention
  • FIG. Fig. 2 is a schematic diagram (2) of the first embodiment of the present invention
  • (a) is a top view of a wavelength conversion element
  • (b) is a cross-sectional view of the wavelength conversion element.
  • FIG. 2 is a schematic diagram (1) of a second embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is a schematic diagram (2) of a second embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a schematic diagram (3) of a second embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic diagram (1) of a third embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic diagram (2) of a third embodiment of the present invention
  • Fig. 3 is a schematic diagram (3) of a third embodiment of the present invention
  • Schematic configuration diagram of a reference module in Embodiment 1 of the present invention. 1 is a schematic configuration diagram of Example 1 of the present invention
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of Example 1 of the present invention
  • an optical waveguide core 514b and a wavelength conversion element 514 for converting the wavelength of the signal light having a lower refractive index for the signal light 504 and the pumping light 505 than the optical waveguide core 514b; and a temperature control element 520 for controlling the temperature of the conversion element, and for generating light of the wavelength of the difference frequency.
  • the signal light 504 and the excitation light 505 Adjacent to the optical input/output, the signal light 504 and the excitation light 505 are input from one side of the facing housing, and the signal light 512 and the pumping light 502 are output from the other side of the facing housing. It is characterized by The signal light 512 is input from the signal light fiber 503 to the housing, and the pumping light 502 is output from the housing to the pumping fiber 515 .
  • the housing is provided with a lens 506, a sealing window 501, a spatial optical system 513, and a lens 507 between the input and the wavelength conversion element 514, and a lens 508 and a spatial optical system 516 between the wavelength conversion element 514 and the output.
  • a sealing window 517 and a lens 509 are provided. Optical connection becomes possible between input and output.
  • the mounting structure of the wavelength conversion device 500 in the case of optical input/output using the pigtail structure of the optical fiber, in the case of mounting a space for processing the extra length of the optical fiber, or in the case of mounting a plurality of arrayed optical inputs/outputs,
  • the optical input fiber (signal light fiber 510 and excitation light fiber 511) and the optical output fiber (credit light fiber 503 and excitation light fiber 515) are arranged on each wall of the mounting housing. is desirable.
  • the wavelength conversion element 514 is a dielectric optical waveguide having a quasi-phase matching structure, the wavelength conversion element 514 often has an elongated structure. It is desirable to have a structure that extracts optical input and output from a mounting housing that faces the opposite ends of the long and thin wavelength conversion element. It is most desirable to mount the optical input/output fibers side by side on the side walls of the housing facing each other.
  • FIG. 7 shows a schematic diagram of the wavelength conversion element.
  • FIG. 7(a) is a top view of the wavelength conversion element
  • FIG. 7(b) is a cross-sectional view of the wavelength conversion element.
  • the optical waveguide core 514b is an optical waveguide that selectively allows signal light to pass therethrough without losing the intensity of the signal light.
  • the structure of the optical waveguide core 514b is such that when the wavelength of the signal light 504 is input and the excitation light 505 is input through the same optical path as the signal light 504, the signal light is There is no particular limitation as long as it has a function of outputting wavelength-converted light (idler light) 518 having a wavelength different from that of 504 .
  • the optical waveguide core 514b uses a so-called slab optical waveguide structure, a ridge optical waveguide structure, or a so-called ridge optical waveguide structure, which is formed by forming an external structure in which the core film thickness is increased only in the light propagating portion, in order to propagate signal light or pumping light, or serves as an optical waveguide core.
  • a so-called proton-implanted optical waveguide, an ion-implanted optical waveguide, or the like, in which the refractive index of one portion is relatively larger than that of the other portion, can be used. It is a structure that changes with a period given a predetermined modulation and realizes quasi-phase matching for a single wavelength or multiple wavelengths. Further, for example, it is possible to employ a multi-QPM element in which a plurality of periods of quasi-phase matching are compounded as the optical waveguide core 514b.
  • the substrate 514a is desirably made of a material that is transparent to at least the signal light, that is, does not absorb light, and more desirably a material that does not absorb light for both the signal light 504 and the excitation light 505. .
  • the substrate 514a is preferably made of a ferroelectric material having physical properties similar to those of the optical waveguide core. It functions as an undercladding for the optical waveguide core when configuring the optical waveguide, and has a lower refractive index than the optical waveguide core 514b for the signal light 512, the excitation light 502, and the wavelength-converted signal light. desirable.
  • LiNbO 3 , KNbO 3 (potassium niobate), LiTaO 3 (lithium tantalate), LiNb( x )Ta(1-x)O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1) (non-stoichiometric lithium tantalate) or KTiOPO 4 (potassium titanate phosphate), furthermore selected from Mg (magnesium), Zn (zinc), Sc (scandium), In (indium) It is desirable to contain at least one of the following as an additive.
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of a wavelength conversion element in which the temperature control element 520 is mounted. (a) is a top view of the wavelength conversion element mounted with the temperature control element, and (b) is a sectional view of the wavelength conversion element mounted with the temperature control element.
  • the wavelength conversion efficiency of the wavelength conversion element 514 has temperature dependence, and it is necessary to adjust the temperature of the wavelength conversion element 514 and maintain it at a constant temperature so as to maximize the wavelength conversion efficiency. .
  • the wavelength of the wavelength-converted light (idler light) 518 also depends on the temperature of the wavelength conversion element 514, in order to control the wavelength of the wavelength-converted light (idler light) 518 with high accuracy, the temperature of the wavelength conversion element is regulated and maintained at a constant temperature.
  • a method using a heat source such as a heater that generates heat by resistance heating as the temperature control element 520, a method using a Peltier element that enables heating and cooling by current control, and the like. mentioned.
  • a supporting member bonded to the wavelength conversion element 514 or a cured resin containing a metal filler has thermal conductivity.
  • a superior bonding material 519 desirably mounts and secures to the mounting housing.
  • FIG. 5 shows a configuration in which the number of optical inputs: m 1 +n 1 and the number of optical outputs: m 2 +n 2 are equal in the wavelength conversion device 500 of the present invention, and one second-order nonlinear optical element has , for example, is an example of a mounting configuration in which one signal light and one pump light are optically input/output.
  • one individual signal light 504 and one individual pumping light 505 described above are input to generate wavelength-converted light (idler light) 518 of one individual wavelength, and wavelength-converted light (idler light) ) 518 is mounted in parallel, and is useful as a wavelength conversion module having independent wavelengths and light intensities.
  • a plurality of signal light beams 504 and pumping light beams 505 are input to one second-order nonlinear optical element, and each one output light beam (signal light 512 and pumping light 502) is generated. It is an example of the implementation configuration to take out.
  • the number of optical inputs: m 1 +n 1 and the number of optical outputs: m 2 +n 2 do not need to be equal.
  • the wavelength conversion element 514 may be used to optically couple to the optical waveguide core of the wavelength conversion element 514 .
  • the signal light 504 and the excitation light 505 are optically combined and optically coupled to the optical waveguide core 514b. It is necessary to perform optical multiplexing by using a wavelength selection mirror or a spatial optical system 513 using a dichroic mirror.
  • the signal light 512 and the excitation light 502 need to be optically split.
  • An optical system is required that extracts only the output signal light 512 by using an optical bandpass filter that transmits only a specific light wavelength band.
  • the wavelength conversion apparatus of the present embodiment When one or more m1 ( m1 is a positive integer) signal lights are input, the wavelength conversion apparatus of the present embodiment has a wavelength of the signal lights and an n1 wavelength different from the wavelength of the signal lights.
  • (n 1 is a positive integer of zero) pumping light is input, and when one or more m 2 (m 2 is a positive integer) signal light is output, the wavelength of the signal light;
  • n 2 (n 2 is a positive integer) pumping light different in wavelength from the signal light is provided as an output
  • the optical waveguide core has a lower refractive index for the signal light and the pumping light than the optical waveguide core and a temperature control element for controlling the temperature of the wavelength conversion element, wherein the wavelength conversion device generates light of a difference frequency wavelength.
  • the signal light and the excitation light are input from one side of a housing adjacent to and facing the optical input/output of the wavelength conversion element, and the signal light and the excitation light are input from the other side of the housing facing the It is characterized by having an output of excitation light.
  • the signal light and the pumping light are input from one side of a housing adjacent to and facing the optical input/output of the wavelength conversion element, and the signal light and the pumping light are input from the other side of the housing.
  • 9 to 11 are schematic diagrams showing a second embodiment of the present invention.
  • the wavelength conversion device 1000 and the wavelength conversion device 1100 of FIGS. is characterized by comprising an extension mechanism for varying the propagation path distance of the optical input to at least one of the wavelength conversion elements among the optical inputs and outputs.
  • the optical signal whose propagation path distance has been changed by the expansion and contraction mechanism for varying the propagation path distance is time-delayed or time-shortened according to the amount of change in the propagation path distance, and is incident on the wavelength conversion element 514. Therefore, as a result, it is possible to finely adjust the phase incident on the wavelength conversion element 514 .
  • the expansion and contraction mechanism of the path length control element 901 that varies the propagation path distance of the signal light and the excitation light is a combination of a plurality of dichroic mirrors and dichroic mirrors of the spatial optical systems 513 and 516.
  • the light reflection structure and the position of retroreflectors such as corner cubes can be positioned with high precision by using mechanical drive methods such as screw and rack and pinion methods, and piezoelectric element drive such as lead zirconate titanate (PZT). It is possible to control the path length of the light with high precision by moving .
  • one individual signal light 504 and one individual pumping light 505 described above are input to generate wavelength-converted light (idler light) 518 of one individual wavelength, and wavelength-converted light (idler light) ) is mounted in parallel, and it is useful as a wavelength conversion module having independent wavelengths and different light intensities.
  • one second-order nonlinear optical element has a different configuration with the number of optical inputs: m 1 +n 1 and the number of optical outputs: m 2 +n 2.
  • a plurality of signal lights and excitation It is an example of a mounting configuration in which light is input and output light (signal light and excitation light) is extracted one by one.
  • the number of optical inputs: m 1 +n 1 and the number of optical outputs: m 2 +n 2 do not need to be equal.
  • the wavelength conversion apparatus of the present embodiment When one or more m1 ( m1 is a positive integer) signal lights are input, the wavelength conversion apparatus of the present embodiment has a wavelength of the signal lights and an n1 wavelength different from the wavelength of the signal lights.
  • (n 1 is a positive integer of zero) pumping lights are input, and when one or more m 2 (m 2 is a positive integer) signal lights are output, the wavelength of the signal light;
  • n 2 (n 2 is a positive integer) pumping light different in wavelength from the signal light is provided as an output
  • the optical waveguide core has a lower refractive index for the signal light and the pumping light than the optical waveguide core and a temperature control element for controlling the temperature of the wavelength conversion element, wherein the wavelength conversion device generates light of a difference frequency wavelength.
  • a wavelength conversion device having input/output units for pumping light 405 and 402 on the side of the housing other than the side on which input/output units for signal light 404 and 412 are provided has input/output units for signal light and pumping light. It is also possible to apply the extension mechanism as described above between the propagation paths of the optical inputs to at least one of the wavelength conversion elements 514 among the optical inputs and outputs. With this configuration, it is possible to obtain an effect that the path distance of the optical signal can be adjusted.
  • the propagation path of the optical input to at least one of the wavelength conversion elements 514 It is characterized by having a polarization separating element 1201 or a polarization rotating element 1202, or both of them, between them.
  • the TM polarized light remains unchanged. It is incident on the wavelength conversion element 514, while the TE-polarized light is incident on the wavelength conversion element 514 by the polarization rotator 1202, thereby causing wavelength conversion. This allows the wavelength conversion to be performed for all polarized light.
  • polarization splitting element 1201 a polarization splitting element using a material having birefringence such as calcite, a plate-like one using Brewster's window, a cubic one, or a polarization splitting element based on the shape of an optical waveguide.
  • a separation element 1201 polarization beam splitter
  • polarization rotator 1202 a Faraday rotator using the Faraday effect or a half-wave plate made of an oriented film of organic or inorganic crystals or polymers can be used.
  • the light 505 is separated into orthogonal polarized waves such as TE polarized waves and TM polarized waves by the polarization splitting element 1201, and the polarized waves are rotated by the polarization rotator 1202, so that two similar wavelength conversion elements 514 are used. to generate wavelength-converted light (idler light) 518 of a discrete single wavelength.
  • a second-order optical nonlinear material is used as the wavelength conversion element 514. Since the second-order optical nonlinear material itself has anisotropy, even if a similar wavelength conversion element is fabricated, TE polarization and TM polarization are used. It is difficult to generate equal wavelength-converted light (idler light) for both.
  • the generated wavelength-converted light (idler light) is polarization-rotated by the polarization rotator, and combined again by the polarization separation element, thereby converting the wavelength for each orthogonal polarization such as TE polarization and TM polarization. It is possible to generate a wavelength-converted light (idler light) 518 with all polarizations and use it as a wavelength conversion module compatible with polarization diversity.
  • FIG. 14 shows an embodiment in which the number of optical inputs: m 1 +n 1 and the number of optical outputs: m 2 +n 2 are equal.
  • each orthogonal polarized wave such as TE polarized wave and TM polarized wave is separated by the polarization separation element 1201 and rotated by the polarization rotation element 1202, so that two similar wavelength conversion elements 514 are used to individually
  • the actually generated wavelength-converted light (idler light) 518 may fluctuate due to variations in the characteristics of the wavelength conversion element.
  • TE polarized and TM polarized pumping lights are output, and these are observed. , the wavelength-converted light (idler light) can be fed back.
  • the wavelength conversion apparatus of the present embodiment When one or more m1 ( m1 is a positive integer) signal lights are input, the wavelength conversion apparatus of the present embodiment has a wavelength of the signal lights and an n1 wavelength different from the wavelength of the signal lights.
  • (n 1 is a positive integer of zero) pumping lights are input, and when one or more m 2 (m 2 is a positive integer) signal lights are output, the wavelength of the signal light;
  • n 2 (n 2 is a positive integer) pumping light different in wavelength from the signal light is provided as an output
  • the optical waveguide core has a lower refractive index for the signal light and the pumping light than the optical waveguide core and a temperature control element for controlling the temperature of the wavelength conversion element, wherein the wavelength conversion device generates light of a difference frequency wavelength.
  • At least one of a polarization separation element and a polarization rotation element is provided between the optical input propagation paths to the element. At least one of a polarization separation element and a polarization rotation element is provided between the optical input/output paths of the optical input/output of the signal light or the excitation light to at least one of the wavelength conversion elements.
  • a wavelength conversion device having input/output units for pumping light 405 and 402 on the side of the housing other than the side on which input/output units for signal light 404 and 412 are provided has light up to wavelength conversion element 414 . It is also possible to apply at least one of the polarization separation element 1201 and the polarization rotation element 1202 between the input propagation paths. This configuration has the effect of enabling highly accurate control of the path distance of each individual polarized wave for polarization diversity control.
  • FIG. 16 shows a schematic configuration diagram of a wavelength conversion device 1600 of Example 1 of the present invention. Also, for explanation, reference is made to FIG.
  • the optical waveguide core 514b is made of LiNbO 3 in which a comb-shaped electrode structure is formed from Au in advance, and a periodically polarized structure is formed at a high voltage of about 1000 V with the Z-axis perpendicular to the substrate.
  • a ridge-shaped optical waveguide core 514b is formed on the surface of the substrate by laminating the optical waveguide core 514b on the substrate, polishing the thin film, and then dry etching using Ar plasma.
  • a non-reflection coating for the optical wavelengths of the signal light and the excitation light was formed with a film or the like, and used as the wavelength conversion element 514 .
  • the produced wavelength conversion element 514 is fixed on a copper support member 523, and the copper support member 523, the metal housing bottom member, Then, a temperature control element 520 made of a Peltier element is inserted between them, and a joining member 521 made of a silver paste resin made of a thermosetting epoxy resin filled with silver filler is heated and cured at, for example, 110° C. to bond. Fixed.
  • a reference module having a configuration in which PANDA optical fibers respectively corresponding to signal light with a wavelength of 1560 nm and pumping light with a wavelength of 780 nm as shown in FIG.
  • a wavelength conversion device 1500 without the optical path control mechanism of this embodiment was produced.
  • a dichroic mirror 513a and a corner cube mirror are adhered and fixed on the path length control element 901 using thermosetting epoxy so as to reflect the signal light 504 or the excitation light 505 .
  • a PZT piezoelectric element 1601 whose thickness can be controlled by voltage is laminated on the side wall inside the metal housing with a silver paste resin, wiring is connected with a gold fine wire, and a dichroic mirror and a corner cube mirror are adhesively fixed on the surface.
  • the path control member thus formed was positioned at a position capable of optical coupling with signal light or excitation light, and adhesively fixed.
  • the output signal lights after wavelength conversion of the reference module and the module of this embodiment were optically interfered using a PANDA fiber 2 ⁇ 2 1:1 optical coupler, and the light intensity of one output light was measured. .
  • the optical path distance of each signal light and the excitation light is changed. changed.
  • the optical intensity of the output signal light after optical interference periodically changes by 30% or more depending on the voltage, and the optical path distance varies by one wavelength of the signal light and the excitation light depending on the PZT voltage value. It was confirmed that it was possible to control within the above range.

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Abstract

波長変換装置の実装によりピッグテールの光ファイバを実装し易いモジュール構造を得る、光信号の行路距離の調整が可能となる、または、偏波ダイバーシティ制御のための各個別偏波の行路距離を高精度に制御することを課題とする。本発明の波長変換装置の各２個以上の入出力ポートを有するモジュールを実装する場合、実装筐体の対応する２つの壁面より、入出力ポートを取り出す構成、また、各入出力ポートから入力した信号光（５０４）および励起光（５０５）の少なくとも一つの行路距離を制御する機構を有すること、また、各入出力ポートから入力した信号光（５０４）および励起光（５０５）の少なくとも一つの偏光を分離し、行路距離を制御する機構を有することを特徴とする。

Description

波長変換装置
　本発明は、波長変換装置に関し、詳しくは、波長変換装置の波長変換素子の実装構造に関するものである。
（波長変換技術の背景）
　波長変換技術は、半導体レーザでは直接出力できない波長域、または波長域として半導体レーザで直接出力できても半導体レーザでは得られない高出力な強度が必要な用途において非常に注目されている。
（ＰＰＬＮの応用分野の説明）
　なかでも周期分極反転ニオブ酸リチウム（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ　Ｐｏｌｅｄ　Ｌｉｔｈｉｕｍ　Ｎｉｏｂａｔｅ、以下、ＰＰＬＮという）を利用した光導波路は、導波路とすることによる光強度の増大化および疑似位相整合技術の利用による高い波長変換効率を実現可能な素子であり、光通信における光信号波長変換、光加工、医療、生物工学などの応用のための紫外域から可視域、赤外域、テラヘルツ域に至るまで幅広い光波長帯での応用に期待されている。
　さらに、ＰＰＬＮを利用した光導波路によって低雑音な光増幅が可能な位相感応増幅器（ＰＳＡ）を構成するパラメトリック増幅素子および励起光発生素子が作製可能であるため、高利得・低雑音な光増幅特性が実現され、次世代光ファイバ通信分野で重要な役割を担うデバイスとして適用検討されている。
　また量子コンピューティングの分野においては、ＰＰＬＮを利用した光導波路をファイバリング共振器内に挿入し、パラメトリック発振素子として使用することで、光コヒーレントイジングマシン装置を実現し、従来の計算機に比べて極めて高速に大容量の計算を実証した報告がなされている。
　これらの技術の更なる高性能化のためには、より高い波長変換効率を有する波長変換装置を実現することが重要となっている。
（２次非線形光学効果と位相整合条件の説明）
　一般に、２次非線形光学結晶に波長の異なる信号光（Ｓｉｇｎａｌ光）［波長：λ１、周波数：ω１］と励起光（Ｐｕｍｐ光）［波長：λ２、周波数：ω２］を入射したとき波長変換光（アイドラ光とも呼ばれる）［波長：λ３、周波数：ω３］は、位相整合条件と呼ばれる関係に従った波長の光を発生させる。
　和周波発生ω３＝ω１＋ω２の場合を考える。光子の運動量は
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
であることから、波数不整合をΔｋとすると、運動量保存則より、以下の関係が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
故に、
　　Δｋ＝ｋ３―ｋ１－ｋ２　　　 (式２)
　光が伝搬する２次非線形光学結晶の長さをＬ、伝搬方向をＺ 方向とすると、非線形分極Ｐｚ(ω１＋ω２)は、exp［i(k１＋k２)Ｚ］で位相が変化するが、発生した振幅E(ω３) の位相はexp(ik３・Ｚ) であるから，両者の間に、以下の式３を満たす
　　exp(ik３・Ｚ) - exp［i(k１＋k２)・Ｚ］ = exp［i(ｋ３- k１- k２)・Ｚ］＝exp［iΔｋ・Ｚ］　　　 (式３)
Δｋによって、Δk　L の位相差が生じることになる。
　この位相差がπを超えると，位相が反転し、エネルギーの流れる向きが逆転することになり，ω３光子がω１とω２に分裂する過程が起こる。
　こうして、せっかくつくられた和周波成分の光波が減少に転じる。
ここで位相が反転する、以下の式４に示す距離Ｌｃ
　　Ｌｃ＝ π／（｜Δk｜）　　　 (式４)
をコヒーレンス長という。
　また、この位相差が２πを超える（つまり光の伝搬長が、コヒーレンス長の２倍を超える）と、再び、エネルギーの流れる向きが元に戻ることになり、非線形分極Ｐｚは、コヒーレンス長の２倍の長さを周期として増減する（コヒーレンス長毎に増加・減少が入れ替わる）ことがわかる。
　そのため、波長変換光の発生効率を上げるためには、減衰が始まるコヒーレンス長を伝搬する結晶長より長くしなくてはならない。
　特に、波数不整合がなくなる条件Δｋ＝0を位相整合条件と呼ばれ、波長変換光の発生条件となる。
　このとき、前記のように周波数ω１とω２の２光波を２次非線形材料に入力し、ω３（＝ω１＋ω２）の光を発生させる場合は、和周波発生（ＳＦＧ：Ｓｕｍ－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）と呼ばれる。
　一方、周波数ω１とω３の２光波を２次非線形材料に入力し、ω２（＝ω３―ω１）の光を発生させる場合は、差周波発生（ＤＦＧ： Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）と呼ばれる。
　また、光強度の強いω３の光を入射し、周波数ω１とω２の２光波を発生させる現象を光パラメトリック効果と呼ばれる。
　ここで、結合するすべての光波が同じ方向に進む場合を考えると、波数不整合Δｋは、
　　Δｋ＝２π（ｎ３／λ３－ｎ１／λ１―ｎ２／λ２）　　　 (式５)
のように表されるため、位相整合条件は、
　　ｎ３／λ３＝ｎ１／λ１＋ｎ２／λ２　　　 (式６)
または、
　　ω１n１＋ω２n２＝ω３n３　　　 (式７)
となる。この時、ｎ１、ｎ２、ｎ３は、各波長：λ１、λ２、λ３（各周波数：ω１、ω２、ω３）における伝搬する２次非線形材料の屈折率である。このこと、式（式７）は、周波数を重みとしてn１とn２の重み付き平均がn３に等しくなることを意味する。
　特に第２高調波発生で、結合する基本波光子の偏光が同じときは、基本波と２倍波の屈折率が等しいときに位相整合条件が満足される。
　ところが実際には、物質には必ず屈折率波長分散があるため、位相整合条件は簡単に満たされない。
　そのため一様媒質中では、(１)複屈折性結晶(直線偏光に対する異方性)の結晶方位による屈折率分散を利用したり、(２)旋光性物質(円偏光に対する異方性) による屈折率分散を利用したり、(３)共鳴に伴う異常分散を利用する方法などが検討されている。 (１)は角度・温度による制御が容易で最も広く用いられ、角度制御の場合は、相互作用する光波の伝搬方向に角度をつけベクトル的に位相整合条件を満たす非平行配置の角度整合法によって、位相整合条件Δｋ＝０を実現し、波長変換光を発生させる手法である。しかしながら、この角度整合法の方法では、非線形光学結晶の最大の非線形定数を利用することが出来ないという問題がある。
　一方、光の伝搬構造を制御する光導波路やフォトニック結晶などでは,屈折率に基づく材料分散の他,断面の寸法と形に依存する構造分散,およびモード次数に依存するモード分散があるため,位相速度制御の自由度は格段に広がるという特長を有している。
（擬似位相整合（ｑｕａｓｉ－ｐｈａｓｅ　ｍａｔｃｈｉｎｇ）の説明）
　上記は波数不整合Δｋ＝0をなくす手法であるが，その代わりに波数不整合を許容し，非線形感受率を変調して位相ずれの効果を打ち消す疑似位相整合法がある。これは、非線形感受率の符号を周期的に反転した構造により疑似的に位相整合を達成する技術である。前記の通り、非線形分極は、コヒーレンス長の２倍の長さを周期として増減するため、コヒーレンス長の２倍を分極反転周期とする（コヒーレンス長間隔で分極反転させる）ことで各点から発生した非線形分極波は互いに打ち消すことなく足し合わされていき、あたかも擬似的に位相不整合量を０にしたかのような効果を発生させることができる。
　分極反転周期をΛとすると、コヒーレント長の式（式４）より
　　Λ＝２・Ｌｃ　　　（式８）
とし、結合するすべての光波が同じ方向に進む場合を考えると、（式４）より、波数不整合はゼロではなく、
　　Δｋ＝２π（ｎ３／λ３－ｎ１／λ１―ｎ２／λ２）＝２π／Λ　　　（式９）
であり、故に
　　ｎ3／λ3－ｎ2／λ2－ｎ1／λ1－１／Λ＝０　　　（式１０）
となり、式（式８）が疑似位相整合（ｑｕａｓｉ－ｐｈａｓｅ　ｍａｔｃｈｉｎｇ：ＱＰＭ）の位相整合条件となる。ここで、ｎ3は波長λ3での屈折率、ｎ2は波長λ２での屈折率、ｎ1は波長λ1での屈折率である。
　この疑似位相整合法は、前記の角度整合法とは異なり、２次非線形結晶などの非線形感受率の最大成分となる材料方位を用いることができ、また反転周期の選択により動作波長域を設定できるという利点をもつとともに、光導波路化することにより狭い領域に光を高密度に閉じ込め長距離を伝搬させることができるため、高効率な波長変換がこれまで実現されてきた。
（ＱＰＭ光導波路作製方法説明）
　また、擬似位相整合技術を利用して波長変換を行う光学素子（以下、波長変換素子という）を作製する方法もいくつか知られている。例えば、非線形光学効果を発現させる結晶（以下、非線形光学結晶という）基板を周期分極反転構造とした後に、その周期分極反転構造を用いてプロトン交換導波路を作製する方法である。また、例えば、同様に、非線形光学結晶基板を周期分極反転構造とした後に、フォトリソグラフィプロセスおよびドライエッチングプロセスを利用してリッジ型光導波路を作製する方法である。
　特許文献１には、これらのうちリッジ型光導波路を作製する例が開示されている。特許文献１には、リッジ型光導波路において、光の閉じ込め効果を向上させるため、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶の第１の基板とその第１の基板の屈折率より小さい屈折率を有する第２の基板とを貼り合わせて波長変換素子を作製することが記載されている。また、特許文献１には、接着剤の劣化や温度変化によるクラックを回避するために、第１の基板と同種の非線形光学結晶を第２の基板として使用し、第１の基板と第２の基板とに熱を加えて拡散接合させることが記載されている。
 (光伝送システムでの光増幅器の重要性と問題)
　一方。従来の光伝送システムでは、光ファイバを伝搬することにより減衰した光信号を再生するために、光信号を電気信号に変換し、ディジタル信号を識別した後に光信号を再生する識別再生光中継器が用いられていた。しかしながら、この識別再生光中継器では、光信号を電気信号に変換する電子部品の応答速度に制限があることや、伝送する信号のスピードが速くなると、消費電力が大きくなるなどの問題があった。
（従来のＥＤＦＡ（ＰＤＦＡ）光増幅器の特長）
　この問題を解決する光増幅手段として、エルビウムやプラセオジム等の希土類元素を添加した光ファイバに励起光を入射して信号光を増幅するファイバレーザ増幅器や、半導体レーザ増幅器がある。エルビウムを添加したファイバ増幅器をエルビウム添加光ファイバ増幅(erbium doped fiber amplifier：ＥＤＦＡ)という。また、プラセオジムを添加したファイバ増幅器をプラセオジム添加フッ化物ファイバ増幅器(praseodymium doped fiber amplifier：ＰＤＦＡ)という。このようなファイバレーザ増幅器や半導体レーザ増幅器は、信号光を光のままで増幅することができるため、識別再生光中継器で問題になっていた電気的な処理速度の制限が存在しない。加えて、機器の構成も比較的単純になるという利点を有する。
（従来のＥＤＦＡ（ＰＤＦＡ）光増幅器の問題点、Ｓ／Ｎ特性低下の説明）
　しかしながら、これらのレーザ増幅器は、劣化した信号光波形を整形する機能を有していない。また、これらのレーザ増幅器においては、不可避的かつランダムに発生する自然放出光が信号成分とは全く無関係に混入するので、信号光のＳ／Ｎ（Signal to Noise ratio）が増幅前後で少なくとも３ｄＢ低下する。波形整形機能の欠如やＳ／Ｎの低下は、ディジタル信号伝送時における伝送符号誤り率の上昇につながり、伝送品質を低下させる要因になっている。
（位相感応増幅(ＰＳＡ)の説明）
　このような従来のレーザ増幅器の限界を打開する手段として、位相感応光増幅器（Ｐｈａｓｅ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＰＳＡ）が検討されている。ＰＳＡは、伝送ファイバの分散の影響による劣化した信号光波形や位相信号を整形する機能を有する。また、ＰＳＡは、信号とは無関係の直交位相をもった自然放出光を抑圧することができ、同相の自然放出光も最小限で済むために、増幅前後で信号光のＳ／Ｎを劣化させず同一に保つことが原理的に可能である。
（ＰＳＡの構成説明）
　図１は、従来のＰＳＡの基本的な構成を示す概略ブロック図である。図９に示すように、全体となる位相感応光増幅器（ＰＳＡ）１００は、光パラメトリック増幅を用いた位相感応光増幅部１０１と、励起光源１０２と、励起光位相制御部１０３と、第１及び第２の光分岐部１０４ａ及び１０４ｂから構成される。図１に示されるように、ＰＳＡ１００に入力された信号光１１０は、光分岐部１０４ａで２分岐されて、一方は位相感応光増幅部１０１に入射し、他方は励起光源１０２に入射する。励起光源１０２から出射した励起光１１１は、励起光位相制御部１０３を介して位相が調整されて、位相感応光増幅部１０１に入射する。位相感応光増幅部１０１は、入力した信号光１１０及び励起光１１１に基づいて出力信号光１１２を出力する。
　前記光パラメトリック増幅を行う非線形光学媒質としては、前述の周期分極反転ＬｉＮｂＯ3（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ　Ｐｏｌｅｄ　Ｌｉｔｈｉｕｍ　Ｎｉｏｂａｔｅ：ＰＰＬＮ）導波路に代表される二次非線形光学材料を用いる方法と、石英ガラスファイバに代表される三次非線形光学材料を用いる方法とが知られている。
（ＰＳＡの動作原理説明）
　位相感応光増幅部１０１は、入射した信号光１１０の位相と励起光１１１の位相とが一致すると信号光１１０を増幅し、両者の位相が９０度ずれた直交位相関係になると、信号光１１０を減衰させる特性を有している。この特性を利用して増幅利得が最大となるように励起光１１１と信号光１１０間の位相を一致させると、信号光１１０と直交位相の自然放出光が発生せず、また同相の成分に関しても信号光１１０のもつ雑音以上に過剰な自然放出光が発生しない。そのため、Ｓ／Ｎを劣化させずに信号光１１０を増幅することが可能になる。
　このような信号光１１０と励起光１１１との位相同期を達成するために、励起光位相制御部１０３は、第１の光分岐部１０４aで分岐された信号光１１０の位相と同期するように励起光１１１の位相を制御する。加えて、励起光位相制御部１０３は、第２の光分岐部１０４ｂで分岐された出力信号光１１２の一部を狭帯域の検出器で検波し、出力信号光１１２の増幅利得が最大となるように励起光１１１の位相を制御する。その結果、位相感応光増幅部１０１では、上記の原理に基づいてＳ／Ｎの劣化のない光増幅が実現される。
（信号光光源を励起光光源として用いる補足的説明）
　なお、励起光位相制御部１０３は、励起光源１０２の出力側で励起光１１１の位相を制御する構成の他に、励起光源１０２の位相を直接制御する構成としてもよい。また、信号光１１０を発生する光源が位相感応光増幅部１０１の近くに配置されている場合は、位相変動量が小さくなるため、信号光用光源の一部を分岐して直接励起光として用いることもできる。
（ＰＳＡの問題点の説明）
　しかしながら、従来の位相感応光増幅器（ＰＳＡ）技術においては、信号光と励起光の位相同期を行わなければならないという問題点がある。その理由について、以降において位相同期ループ（Phase Locked Loop：ＰＬＬ）を用いて具体的に説明する。
（位相同期ループ（Phase Locked Loop：ＰＬＬ）回路構成の説明）
　図２は、非特許文献１等に開示されているＰＰＬＮ導波路を用いた従来のＰＳＡの構成を示すブロック図である。図１０に示されるＰＳＡ２００は、エルビウム添加ファイバレーザ増幅器（Ｅｒｂｉｕｍ－Ｄｏｐｅｄ　Ｆｉｂｅｒ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＥＤＦＡ）２０１と、第１及び第２ の二次非線形光学素子２０２及び２０４と、第１及び第２の光分岐部２０３a及び２０３bと、位相変調器２０５と、ＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛） 圧電素子を用いた光ファイバ伸縮器２０６と、偏波保持ファイバ２０７と、光検出器２０８と、位相同期ループ（Ｐｈａｓｅ　Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ：ＰＬＬ）回路２０９とを備える。第１の二次非線形光学素子２０２は、第１の空間光学系２１１と、第１のＰＰＬＮ導波路２１２と、第２の空間光学系２１３と、第１のダイクロイックミラー２１４とを備える。第２の二次非線形光学素子２０４は、第３の空間光学系２１５と、第２のＰＰＬＮ導波路２１６と、第４の空間光学系２１７と、第２のダイクロイックミラー２１８と、第３のダイクロイックミラー２１９とを備える。第１の空間光学系２１１は、第１の二次非線形光学素子２０２の入力ポートから入力された光を第１のＰＰＬＮ導波路２１２に結合する。第２の空間光学系２１３は、第１のＰＰＬＮ導波路２１２から出力された光を第１ のダイクロイックミラー２１４を介して第１の二次非線形光学素子２０２の出力ポートに結合する。第３の空間光学系２１５は、第２の二次非線形光学素子２０４の入力ポートから入力された光を第２ のダイクロイックミラー２１８を介して第２ のＰＰＬＮ導波路２１６に結合する。第４の空間光学系２１７は、第２ のＰＰＬＮ導波路２１６から出力された光を第３のダイクロイックミラー２１９を介して第２の二次非線形光学素子２０４の出力ポートに結合する。
（位相同期ループ（ＰＬＬ）動作原理の説明）
　図２に示される例では、ＰＳＡ２００に入射した信号光２５０は、光分岐部２０３ａによって分岐されて、一方の光は第２の二次非線形光学素子２０４に入射する。光分岐部２０３ａによって分岐された他方の光は、励起基本波光２５１として、位相変調器２０５及び光ファイバ伸縮器２０６によって位相制御されてＥＤＦＡ２０１に入射する。光通信に用いられる微弱なレーザ光から非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得るために、ＥＤＦＡ２０１は、入射した励起基本波光２５１を増幅し、増幅した励起基本波光２５１を第１の二次非線形光学素子２０２に入射させる。
　第１の二次非線形光学素子２０２では、入射した励起基本波光２５１から第二高調波光（以下、ＳＨ光）２５２が発生する。当該発生したＳＨ光２５２は、偏波保持ファイバ２０７を介して第２の二次非線形光学素子２０４に入射する。第２の二次非線形光学素子２０４では、入射した信号光２５０とＳＨ光２５２とで縮退パラメトリック増幅を行うことで位相感応増幅を行い、出力信号光２５３を出力する。ＰＳＡにおいては、信号と位相の合った光のみを増幅するために、上述のように,信号光と励起光の位相が一致、または位相がπラジアンだけずれている必要がある。すなわち、二次の非線形光学効果を用いる場合は、ＳＨ光に相当する波長の光である励起光の位相φ2ωsと信号光の位相φωsとが以下の（式１１）の関係を満たすことが必要となる。
　　Δφ＝１／２（φ2ωs－φωs）＝ｎπ 　　（ ただし、ｎ は整数） 　　　（式１１）
（励起光と信号光の位相同期の重要性の説明）
　図３は、従来の二次非線形光学効果を利用したＰＳＡにおける、入力信号光と励起光間の位相差Δφと、利得（ｄＢ）との関係を示すグラフである。図１１より、入力信号光と励起光間の位相差Δφが－π、０、またはπのときに、利得が最大となっていることが分かる。
　図２中の位相変調器２０５は、微弱なパイロット信号に応じて励起基本波光２５１に位相変調を施す。第２の光分岐部２０３ｂは、増幅された出力信号光２５３の一部を分岐させて光検出器２０８に入射させる。光検出器２０８は、入射した信号光を電気信号に変換する。パイロット信号成分は、図３に示される位相差Δφが最小の状態、すなわち位相同期が取れている状態で最小となる。
　そこで、パイロット信号が最小、つまり光検出器２０８で検出される増幅出力信号が最大となるように位相同期ループ回路（ＰＬＬ）２０９を用いて、光ファイバ伸縮器２０６にフィードバックを行う。光ファイバ伸縮器２０６は、励起基本波光２５１が伝搬する光ファイバを、位相同期ループ回路２０９の出力に応じて伸縮させる。こうして、励起基本波光２５１の位相を制御して、信号光２５０と励起基本波光２５１の位相同期を達成することができる。上記のＰＰＬＮ導波路を非線形媒質として用い、信号光２５０とＳＨ光２５２を第２の二次非線形光学素子２０４に入射させて縮退パラメトリック増幅を行う構成においては、一旦ＳＨ光２５２を発生させてからパラメトリック増幅を行う際に、例えばダイクロイックミラー２１４の特性を用いて励起基本波光の成分を取り除くことにより、ＳＨ光２５２と信号光２５０のみを第２の二次非線形光学素子２０４のようなパラメトリック増幅媒質に入射させることができる。そのため、ＥＤＦＡ２０１が発生する自然放出光の混入による雑音が防げるので、低雑音な光増幅が可能になる。
T.Umeki， et al.， "Phase sensitive degenerate parametric amplification using directly-bonded PPLN ridge waveguides"， Optics Express， 2011年， Vol.19， No. 7， pp.6326-6332
特許第３７５３２３６号公報 特開２０１９-１０５７９６号
（現行のＬＮモジュールの説明）
　図２に示すように、位相感応光増幅器（ＰＳＡ）において、第１及び第２の二次非線形光学素子２０２,２０４のように、光ファイバによって光入出力を形成し光ファイバのピッグテールモジュールによって、光入出力の光結合を形成している。
（光ファイバピッグテールモジュール構造と利点）
　一方で、光学定盤を用いた空間光学系の実装は、自由度が高い光学系を組み立てることが加工であるが、比較的サイズが大きくなるとともに、前記光学系の取り回しや着脱が困難である。そのため、現状の光学系実装では、光コネクタで終端処理された光ファイバピッグテール型の実装モジュールが用いられている。
　例えば、ＰＰＬＮを用いた波長変換装置として、特許文献２において、図４に示すような各２入出力の光ファイバのピッグテール構造を有する波長変換装置４００のモジュール実装構成が示されている。
　図４は、従来技術の波長変換装置の構成を示した図である。波長変換装置の筐体に、対向する端面に、それぞれ、信号光４０４の入力（信号光用のファイバ４１０）と、信号光４１２の出力（信号光用のファイバ４０３）が設けられている。それらの端面以外の面に、励起光の入出力（励起光用のファイバ４１１、励起光用のファイバ４１５、レンズ４０６a、４０８ｂ）が設けられている。入力と、光導波路コア４１４ｂを設けた波長変換素子４１４との間に、レンズ４０６ｂ、ダイクロイックミラー４１３及びレンズ４０７が具備され、波長変換素子４１４と出力の間に、レンズ４０８a、ダイクロイックミラー４１６及びレンズ４０９が具備され、光接続が可能な構成となる。
　光ファイバピッグテール型の実装モジュールは、光源や光変調器など光機能部材を金属などの堅牢な筐体内において、光学系を配置調整した後、金属融着や接着剤を用いて固定し、光の入出力を光ファイバケーブルによって取り出す実装構造である。
　光ファイバピッグテールモジュールの利点としては、光コネクタ付き光ファイバを用いることにより、光コネクタの着脱によって、取り回しが容易になり、装置への組込の自由度が上がると共に、モジュールの故障時に簡便に交換できるという特徴を有する。
　また、光学系をモジュール化することで小型化できるだけでなく、調整が不要になり装置への組込作業を低減することが可能となるという利点も有する。
（光ファイバピッグテールモジュールの問題点）
　しかしながら、光ファイバは、国際規格ＩＴＵ－Ｔ　Ｇ６５２の仕様値より、曲率半径３０ ｍｍ以下になると、光損失増加が発生する。さらには、急峻な曲げや衝撃によって、光ファイバコアのガラス芯線が破損することにより、光損失が非常に大きくなったり、光信号の伝送が実現できなくなったりする。
　光ファイバ自体は、ミリメートルオーダー以下の曲率半径で取り回せば、光ファイバ自体が破断するため、最低数ｃｍ以上の配線取り回しが必要である上に、モジュール筐体と光ファイバ配線の接合部は、応力集中し易い箇所であるため、力学的な補強構造を持たせた光入出力ポートを形成する必要がある。
　そのため、光ファイバの取り扱いや、実装時の曲率半径等の取り回しには、前記の通り、損失増加や破損など注意が必要となる。前記光ファイバピッグテールモジュールの実装においては、光コネクタ接続の場合には、必要な光ファイバ長を設計しておくことで、ある程度、光ファイバ長を限定することも可能であるが、ファイバ端面出しのための光ファイバ切断やファイバ融着による光ファイバ接続を行う場合や、一般的な光モジュールとして製造する場合には、実際には、後々の部品交換・修理などの対応が可能となるように、十分な余長を有する光ファイバを接続しておく必要がある。そのため、実際の光システムなどでは、余分となる光ファイバを巻き取るリール状部材を用いたり、粘着テープや、結束部材を用いて、光ファイバを固定するなどが行われている。
（多芯アレイ光入出力モジュールにおける光実装構造の課題）
　特に、数多くの光入出力が一つの実装筐体から取り出される多チャンネル光モジュールの場合、光入出力の数が多くなればなるほど、光ファイバの取り出し位置や光ファイバの取り回し位置の配置は困難となる。
（光位相同期の問題点）
　さらに前記に加えて、前述の位相感応光増幅器（ＰＳＡ）の場合などでは、Ｓ／Ｎを向上させるため、位相感応光増幅部と励起光源との光位相を前記の通り同期させてやることが必要となる。
　つまり、複数の光ファイバピッグテールの実装筐体間で光位相を調整することが必要であり、同一の実装筐体内でも、複数の入出力における光位相を同期させることが必要となる。
（多芯アレイ光入出力モジュール化よる光位相同期の問題点）
　しかし、光ファイバは、外力に対し光位相距離が僅かずつ変動するため、光ファイバ長が長くなると、単純に光ファイバ長のみで光位相を調整することが困難であり、実装筐体中の固定状態に依存してしまう。さらには、テープ光ファイバなど光ファイバ長がほとんど揃っている複数の光ファイバであっても、テープの巻具合などの外力により、スキューと呼ばれる光位相のズレが発生する。
　そのため、光ファイバケーブル以外の光路において、光位相を高精度に調整することができる機構の実現が求められる。
（偏波ダイバーシティ対応の問題点）
　また、前述の周期分極反転構造を有する非線形光学結晶を用いたＰＰＬＮ光導波路を作製した波長変換素子では、基本的には非線形光学結晶の異方性によって、一つの光偏波についてのみ、疑似位相整合(ＱＰＭ)条件を満たすことになり、波長変換を実現することになる。そのため、無偏光の光の入力に対し、一度に波長変換を実現することは困難であった。
　前記課題を解決するための手段は、以下の通りである。
　本発明者らは、前記課題に鑑み鋭意検討した結果、光モジュールの実装構造を検討し、光ファイバピッグテールモジュールにおける光入出力の取り出し位置を最適化することにより、複数の光入出力、特に多数の光入出力となった場合に実装密度が高く、光ファイバの取り回しに優れた実装構造を提供可能となること、また、実装筐体内に、光路長調整機構と偏波合分離、偏波回転の機構を設けることにより、光位相、並びに光偏波に対応した制御が可能となることを見出しことにより、本発明を完成するに至った。
（１）上記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る発明は、１つ以上のｍ１個（ｍ１は正の整数）の信号光が入力されたときに前記信号光の波長と、前記信号光の波長と異なるｎ１個（ｎ１は、ゼロと正の整数）の励起光を入力し、1つ以上のｍ２個（ｍ２は正の整数）の信号光が出力されたときに前記信号光の波長と、前記信号光の波長と異なるｎ２個（ｎ２は、ゼロと正の整数）の励起光を出力として具備し、光導波路コアと光導波路コアよりも信号光および励起光に対して低い屈折率を有する基板を有する前記信号光の波長を変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の温度を制御するための温度制御素子とを具備し、差周波の波長の光を発生させる波長変換装置であって、前期波長変換素子の光入出力に隣接し、対向する筐体の一つの側面より前記信号光および前記励起光を入力し、対向する筐体の他方の側面より、前記信号光および前記励起光の出力を具備することを特徴とする
（２）本発明の実施形態に係る他の発明は、１つ以上のｍ１個（ｍ１は正の整数）の信号光が入力されたときに前記信号光の波長と、前記信号光の波長と異なるｎ１個（ｎ１は、ゼロと正の整数）の励起光を入力し、１つ以上のｍ２個（ｍ２は正の整数）の信号光が出力されたときに前記信号光の波長と、前記信号光の波長と異なるｎ２個（ｎ２は、ゼロと正の整数）の励起光を出力として具備し、光導波路コアと光導波路コアよりも信号光および励起光に対して低い屈折率を有する基板を有する前記信号光の波長を変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の温度を制御するための温度制御素子とを具備し、差周波の波長の光を発生させる波長変換装置であって、前記信号光および前記励起光を入力し、前記信号光および前記励起光の出力を具備し、前記信号光または前記励起光の各光入出力のうち、少なくともいずれか一つの前記波長変換素子までの光入力の伝搬行路距離を可変させる伸縮機構を具備する、又は少なくともいずれか一つの前記波長変換素子までの光入力の伝搬行路の間に、偏波分離素子及び偏波回転素子のうち少なくとも一方を具備することを特徴とする。
　本発明により、多数の入出力の波長変換素子において効率的で小型な光ファイバピッグテールモジュールの実装構造が実現可能となる。また、各光入出力の光学距離の可変や偏波の分離、回転させることにより、波長変換装置に求められる光学位相距離の調整機能や、偏波無依存な波長変換装置を提供することが可能となる。
従来のＰＳＡの基本的な構成を示す概略ブロック図である。 ＰＰＬＮ導波路を用いた従来のＰＳＡの構成を示すブロック図である。 従来の二次非線形光学効果を利用したＰＳＡにおける、入力信号光と励起光間の位相差Δφと、利得（ｄＢ）との関係を示すグラフである。 参考文献の波長変換装置の構成例の図である。 本発明の第１の実施の形態の概略図（１）である。 本発明の第１の実施の形態の概略図（２）である。 （ａ）は、波長変換素子の上面図、（ｂ）は、波長変換素子の断面図を示す。 （ａ）は、温度制御素子を実装した波長変換素子の上面図、（ｂ）は、温度制御素子を実装した波長変換素子の断面図を示す。 本発明の第２の実施の形態の概略図（１）である。 本発明の第２の実施の形態の概略図（２）である。 本発明の第２の実施の形態の概略図（３）である。 本発明の第３の実施の形態の概略図（１）である。 本発明の第３の実施の形態の概略図（２）である。 本発明の第３の実施の形態の概略図（３）である。 本発明の実施例１における基準モジュールの概略構成図 本発明の実施例１の概略構成図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一の符号箇所については、同一の機能を有し、その説明を省略する場合がある。
（第１の実施の形態）［多芯アレイ実装構造（対抗筐体面での光入力-出力配置）の説明］
　図５～図６は、本発明の第１の実施の形態を示す概略図である。
　本発明の第１の実施形態では、光導波路コア５１４ｂと光導波路コア５１４ｂよりも信号光５０４および励起光５０５に対して低い屈折率を有する信号光の波長を変換する波長変換素子５１４と、波長変換素子の温度を制御するための温度制御素子５２０とを具備し、その差周波の波長の光を発生させる波長変換装置５００であって、図５～図６に示すように波長変換素子５１４の光入出力に隣接し、対向する筐体の一つの側面より信号光５０４および励起光５０５を入力し、対向する筐体の他方の側面より、信号光５１２および励起光５０２の出力を具備する具備することを特徴としている。信号光５１２は、信号光用のファイバ５０３から筐体に入力され、励起光５０２は、筐体から励起用のファイバ５１５に出力される。
　筐体には、入力と波長変換素子５１４間に、レンズ５０６、封止窓５０１、空間光学系５１３、レンズ５０７とが設けられ、波長変換素子５１４と出力間に、レンズ５０８、空間光学系５１６，封止窓５１７、レンズ５０９と設けられている。入出力間で光接続が可能となる。
　波長変換装置５００の実装構造としては、前述の通り、光ファイバのピッグテール構造によって、光入出力をする場合、光ファイバの余長処理の空間や、複数のアレイ状光入出力を実装する場合、光入力ファイバ（信号光用のファイバ５１０及び励起光用のファイバ５１１）と光出力ファイバ（信用光用のファイバ５０３及び励起光用のファイバ５１５）は、実装筐体の各壁面にまとまっている方が望ましい。さらに波長変換素子５１４が疑似位相整合構造を有する誘電体の光導波路であるため、波長変換素子５１４は長細い構造であることが多くいため、光の入出力には、第１の実施形態のように対抗した実装筐体より、光入出力を取り出す構造が望ましく、信号光と励起光を合分波して、波長変換素子に入出力することから、長細い波長変換素子の両端に対抗する実装筐体の対抗する筐体側壁面に光入出力のファイバを並べて実装することが最も望ましい。
（波長変換素子に関する説明）
　図７に、波長変換素子の概略図を示す。図７（ａ）は、波長変換素子の上面図、図７（ｂ）は、波長変換素子の断面図を示す。
　光導波路コア５１４ｂは、信号光の強度を損失させることなく、選択的にその内部を透過させる光導波路である。光導波路コア５１４ｂの構造は、信号光５０４の波長が入力され、さらに励起光５０５を信号光５０４と同様な光行路より入射された際、光導波路コアの二次の非線形光学効果によって、信号光５０４と異なる波長を有する波長変換光（アイドラー光）５１８を出力する機能を有するものであれば特に限定はされない。光導波路コア５１４ｂは、信号光や励起光を伝搬させるため、光伝搬部のみコア膜厚を厚くする外形構造形成による、いわゆるスラブ光導波路構造、リッジ光導波路構造を用いたり、光導波路コアとなる部分の屈折率を他の部分より比較的大きくするいわゆるプロトン注入型光導波路や、イオン注入型光導波路などを用いることができる、二次の非線形定数が光の進行方向に沿って周期的にまたは所定の変調が付与された周期で変化し、単一の波長または複数の波長について疑似位相整合を実現する構造である。また例えば、複数の周期の疑似位相整合を複合化させたマルチＱＰＭ素子を光導波路コア５１４ｂに採用することも可能である。
　基板５１４aは、少なくとも信号光に対して透明、すなわち光吸収を生じない材料であることが望ましく、信号光５０４と励起光５０５の両方に対して、光吸収を生じない材料であることがさらに望ましい。光導波路コア５１４ｂと基板５１４aとの熱応力等の影響を低減するために、基板５１４aは、光導波路コアと類似した物性を有する強誘電体材料であることが望ましく、また基板５１４aは、リッジ型光導波路を構成する際に、光導波路コアに対するアンダークラッドとして機能させるものであり、光導波路コア５１４ｂよりも信号光５１２、励起光５０２、波長変換された信号光に対して屈折率が低いことが望ましい。
　光導波路コア５１４ｂまたは、基板に採用する強誘電体材料として、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３（ニオブ酸カリウム）、ＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチウム）、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１－ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）（不定比組成のタンタル酸リチウム）、またはＫＴｉＯＰＯ４（チタン酸リン酸カリウム）、さらに、それらにＭｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｉｎ（インジウム）から選ばれる少なくとも１つを添加物として含有しているものが望ましい。
（温度制御素子に関する説明）
　図８に、温度制御素子５２０を実装した波長変換素子の概略図を示す。（ａ）は、温度制御素子を実装した波長変換素子の上面図、（ｂ）は、温度制御素子を実装した波長変換素子の断面図を示す。
　波長変換素子５１４の波長変換効率は温度依存性を有しており、その波長変換効率を最大化するように、波長変換素子５１４の温度を調整し、かつ一定温度に維持することが必要である。また、波長変換光（アイドラー光）５１８の波長についても波長変換素子５１４の温度に依存するため、高精度に波長変換光（アイドラー光）５１８の波長を制御するためにも、波長変換素子の温度を調整し、かつ一定温度に維持することが必要である。波長変換素子５１４の温度を調整するためには、温度制御素子５２０として、抵抗加熱で発熱ずるヒーター等の熱源を用いる方法や、電流制御によって加熱や冷却が可能となるペルチェ素子を用いる方法などが挙げられる。図８に示すように、温度制御素子５２０に発熱等を均一かつ効率的に熱伝導させるために、波長変換素子５１４に接合した支持部材や、金属フィラーを含んだ硬化樹脂などの熱伝導性に優れた接合材料５１９によって、実装筐体に実装固定することが望ましい。
（光入力と光出力の数が同数の場合の実施形態）
　より具体的には、図５は、本発明の波長変換装置５００において光入力数：ｍ１＋ｎ１と、光出力数：ｍ２＋ｎ２は等しい構成であり、一つの二次非線形光学素子に、例えば信号光と励起光の各１つずつ光入出力する実装構成例である。
　これは、例えば、前述の個別の１つの信号光５０４と個別の１つの励起光５０５を入力し、個別の１つの波長の波長変換光（アイドラー光）５１８を発生させ、波長変換光（アイドラー光）５１８のみを取り出す構造で非線形光学素子を並列に実装する構成であり、それぞれ独立した波長や光強度などが異なる波長変換モジュールとして有用である。
（光入力と光出力の数が異なる場合の実施形態）
　また、図６に例示するように、一つの二次非線形光学素子に、例えば複数の信号光５０４と励起光５０５を入力し、各１つずつの出力光（信号光５１２と励起光５０２）を取り出す実装構成例である。このとき、本発明の波長変換装置６００において光入力数：ｍ１＋ｎ１と、光出力数：ｍ２＋ｎ２は等しい必要はなく、例えば、前述の３つの波長の信号光と光強度の強い１つの波長の励起光を入力し、１つの波長の波長変換光（アイドラー光）５１８を発生させ、波長変換光（アイドラー光）５１８のみを取り出す場合には、光入力数：ｍ１＋ｎ１＝４個で、光出力数：ｍ２＋ｎ２＝２個となる。これは、例えば光強度の強い一つの励起光で、一つの非線形光学素子から、複数の信号の差周波発生をさせる場合などの実装構成例でもある。
（波長変換素子への光結合に関する説明）
　波長変換素子５１４への光入出力については、図５～図６中に例示されるように、レンズ５０６を用いて、一度、コリメート光を形成し、光反射ミラー等によって、レンズによる空間光学系を用いて波長変換素子５１４の光導波路コアに光結合しても良い。その場合には、入力光として、信号光５０４と励起光５０５を光合波し、光導波路コア５１４ｂに光結合させるために、図５～図６に示すように、例えば、レンズや多層膜ミラーなどによる波長選択ミラー、または、ダイクロイックミラーを用いた空間光学系５１３により光合波させることが必要となる。同様に出力光としても、信号光５１２と励起光５０２を光分波させることが必要であるため、そのレンズや多層膜ミラーなどによる空間光学系５１３により光分波させ、多層膜光フィルタなどにより特定の光波長帯のみを透過させる光バンドパスフィルタを用いて、出力用の信号光５１２のみを取り出すなどの光学系が必要となる。
　本実施の形態の波長変換装置は、１つ以上のｍ１個（ｍ１は正の整数）の信号光が入力されたときに前記信号光の波長と、前記信号光の波長と異なるｎ１個（ｎ１は、ゼロと正の整数）の励起光を入力し、1つ以上のｍ２個（ｍ２は正の整数）の信号光が出力されたときに前記信号光の波長と、前記信号光の波長と異なるｎ２個（ｎ２は、ゼロと正の整数）の励起光を出力として具備し、光導波路コアと光導波路コアよりも信号光および励起光に対して低い屈折率を有する基板を有する前記信号光の波長を変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の温度を制御するための温度制御素子とを具備し、差周波の波長の光を発生させる波長変換装置であって、前期波長変換素子の光入出力に隣接し、対向する筐体の一つの側面より前記信号光および前記励起光を入力し、対向する筐体の他方の側面より、前記信号光および前記励起光の出力を具備することを特徴とする。前期波長変換素子の光入出力に隣接し、対向する筐体の一つの側面より前記信号光および前記励起光を入力し、対向する筐体の他方の側面より、前記信号光および前記励起光の出力を具備する構成により、その筐体の一つの側面側以外の端面側に、例えば、熱源、光源や電源等の設備を設ける空間が得られ、波長変換装置の実装によりピッグテールの光ファイバを実装し易いモジュール構造を得る。
（第２の実施の形態）
（光位相調整機構の説明）
　図９～図１１は、本発明の第２の実施の形態を示す概略図である。
　本発明の第２の実施形態では、図９～図１１の波長変換装置９００、波長変換装置１０００及び波長変換装置１１００に例示されるように、信号光５０４，５１２または励起光５０５，５０２の各光入出力のうち、少なくともいずれか一つの波長変換素子までの光入力の伝搬行路距離を可変させる伸縮機構を具備することを特徴としている。
　伝搬行路距離を可変させる伸縮機構により、伝搬行路距離を変化された光信号は、伝搬行路距離の変化分に応じて、時間遅延または時間短縮されて、波長変換素子５１４に入射されることになるため、結果として、波長変換素子５１４に入射される位相を微調整することが可能となる。
　信号光や励起光の伝搬行路距離を可変させる行路長制御素子９０１の伸縮機構としては、図９～図１１で示すように、空間光学系５１３,５１６の複数のダイクロイックミラー、ダイクロイックミラーを組み合わせた光反射構造や、コーナーキューブなどのリトロリフレクターの位置を、ねじ式やラック＆ピニオン式などの機械駆動方式や、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電素子駆動などを用いることによって、高精度に１軸上を移動させることにより光の行路長を高精度に制御することが可能である。
（光入力と光出力の数が同数の場合の実施形態）
　より具体的には、図９、図１０において光入力数：ｍ１＋ｎ１と、光出力数：ｍ２＋ｎ２は等しい構成であり、一つの二次非線形光学素子に、例えば、信号光、と励起光、の各１つずつ光入出力する実装構成例である。
　これは、例えば、前述の個別の１つの信号光５０４と個別の１つの励起光５０５を入力し、個別の１つの波長の波長変換光（アイドラー光）５１８を発生させ、波長変換光（アイドラー光）のみを取り出す構造で非線形光学素子を並列に実装する構成であり、それぞれ独立した波長や光強度などが異なる波長変換モジュールとして有用である。
（光入力と光出力の数が異なる場合の実施形態）
　また、図１１に例示するように、一つの二次非線形光学素子に、光入力数：ｍ１＋ｎ１と、光出力数：ｍ２＋ｎ２は異なる構成であり、例えば複数の信号光と励起光を入力し、各１つずつの出力光（信号光と励起光）を取り出す実装構成例である。このとき、本発明は波長変換装置１１００において光入力数：ｍ１＋ｎ１と、光出力数：ｍ２＋ｎ２は等しい必要はなく、例えば、前述の３つの波長の信号光５０４と光強度の強い１つの波長の励起光を入力し、１つの波長の波長変換光（アイドラー光）を発生させ、波長変換光（アイドラー光）のみを取り出す場合には、光入力数：ｍ１＋ｎ１＝４個で、光出力数：ｍ２＋ｎ２＝２個となる。これは、例えば光強度の強い一つの励起光で、一つの非線形光学素子から、複数の信号の差周波発生をさせる場合などの実装構成例でもある。
　本実施の形態の波長変換装置は、１つ以上のｍ１個（ｍ１は正の整数）の信号光が入力されたときに前記信号光の波長と、前記信号光の波長と異なるｎ１個（ｎ１は、ゼロと正の整数）の励起光を入力し、１つ以上のｍ２個（ｍ２は正の整数）の信号光が出力されたときに前記信号光の波長と、前記信号光の波長と異なるｎ２個（ｎ２は、ゼロと正の整数）の励起光を出力として具備し、光導波路コアと光導波路コアよりも信号光および励起光に対して低い屈折率を有する基板を有する前記信号光の波長を変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の温度を制御するための温度制御素子とを具備し、差周波の波長の光を発生させる波長変換装置であって、前記信号光および前記励起光を入力し、前記信号光および前記励起光の出力を具備し、前記信号光または前記励起光の各光入出力のうち、少なくともいずれか一つの前記波長変換素子までの光入力の伝搬行路距離を可変させる伸縮機構を具備することをことを特徴とする。前記信号光または前記励起光の各光入出力のうち、少なくともいずれか一つの前記波長変換素子までの光入力の伝搬行路距離を可変させる伸縮機構を具備する特徴により、光信号の行路距離の調整が可能となる。
＜変形例＞
　図４のように、信号光４０４，４１２の入出力部を設けた側面以外の筐体の側面に励起光４０５，４０２の入出力部を具備する波長変換装置に、信号光または励起光の各光入出力のうち、少なくともいずれか一つの波長変換素子５１４までの光入力の伝搬行路の間に、上述のような伸縮機構を適用することも可能である。この構成により、光信号の行路距離の調整が可能となるといった効果が得られる。
（第３の実施の形態）
（偏波分離波長変換の説明）
　図１２～図１４は、本発明の第３の実施の形態を示す波長変換装置１２００、１３００、１４００の概略図である。
　本発明の第３の実施形態では、図１２～図１４に例示されるように信号光または励起光の各光入出力のうち、少なくともいずれか一つの波長変換素子５１４までの光入力の伝搬行路の間に、偏波分離素子１２０１または偏波回転素子１２０２、もしくはその両方を具備することを特徴としている。
　つまり、例えば、無偏光で入射した信号光を偏波分離素子１２０１によって、ＴＥ、ＴＭ偏光に分離し、例えば、ＴＭ偏光に対して波長変換する波長変換素子５１４の場合は、ＴＭ偏光は、そのまま波長変換素子５１４に入射し、一方、ＴＥ偏光は、偏波回転素子１２０２により波長変換素子５１４に入射させることにより、波長変換を実施させる。これによって、全偏光に対して、その波長変換を実施できる。
　偏波分離素子１２０１としては、方解石などの複屈折を有する材料を用いた偏波分離素子や、ブリュースターの窓を利用した平板状のものやキュービック状をしたものや、光導波路形状による偏波分離素子１２０１（偏波ビームスプリッタ）を用いることができる。また、偏波回転素子１２０２としては、ファラデー効果を利用したファラデーローテータや有機および無機結晶や高分子などの配向性膜による１／２波長板を用いることができる。
（光入力と光出力の数が同数の場合の実施形態）
　より具体的には、図１２～図１３において光入力数：ｍ１＋ｎ１と、光出力数：ｍ２＋ｎ２は等しい構成である。
　これは、例えば、図１２で例示される波長変換装置１２００の構成は、１つの信号光５１２と２つの励起光用のファイバ５１１に同じの励起光５０５を入力し、１つの信号光５０４および励起光５０５をＴＥ偏波、ＴＭ偏波などの直交偏波毎に、偏波分離素子１２０１で分離させ、偏波回転素子１２０２で偏波回転させることにより、２つの同様な波長変換素子５１４を用いて、個別の１つの波長の波長変換光（アイドラー光）５１８を発生させる。
　波長変換素子５１４としては、２次光非線形材料を用いるが、２次光非線形材料自体が、異方性を有するため、同様な波長変換素子を作製しても、ＴＥ偏波、ＴＭ偏波の両方で、等しい波長変換光(アイドラー光)を発生させることは困難である。
　そのため発生した波長変換光（アイドラー光）を偏波回転素子で偏波回転させて、偏波分離素子で再び合波させることにより、ＴＥ偏波、ＴＭ偏波などの直交偏波毎で波長変換し、全偏光での波長変換光（アイドラー光）５１８を発生させ、偏波ダイバーシティに対応した波長変換モジュールとして用いることができる。
　図１３で例示される波長変換装置１３００の構成は、ＴＥ偏波、ＴＭ偏波に分けて、２つの波長変換素子に、それぞれ信号光と励起光を入力する場合、波長変換素子の特性ばらつきがある場合、同じ励起光の偏波分離するよりも、ＴＥ偏波、ＴＭ偏波の各偏波に応じて、個別に光強度や光位相を制御した励起光を用いる場合が制御性に優れる構成となっている。
（光入力と光出力の数が異なる場合の実施形態）
　図１４は、光入力数：ｍ１＋ｎ１と、光出力数：ｍ２＋ｎ２は等しい構成の実施例である。
　図１４で例示される波長変換装置１４００の構成例では、図１２と同様に、１つの信号光と二つの励起光ファイバに同じの励起光を入力し、１つの信号光５０４および励起光５０５をＴＥ偏波、ＴＭ偏波などの直交偏波毎に、偏波分離素子１２０１で分離させ、偏波回転素子１２０２で偏波回転させることにより、２つの同様な波長変換素子５１４を用いて、個別の１つの波長の波長変換光（アイドラー光）を発生させる場合であるが、実際に発生する波長変換光（アイドラー光）５１８は、波長変換素子の特性バラつきによって変動する可能性があるため、波長変換光（アイドラー光）５１８を間接的にモニターする目的として、ＴＥ偏波、ＴＭ偏波の各出射される励起光をそれぞれ出力させ、それらを観測して、各ＴＥ偏波、ＴＭ偏波での波長変換光（アイドラー光）にフィードバックをさせることが可能となる。
　本実施の形態の波長変換装置は、１つ以上のｍ１個（ｍ１は正の整数）の信号光が入力されたときに前記信号光の波長と、前記信号光の波長と異なるｎ１個（ｎ１は、ゼロと正の整数）の励起光を入力し、１つ以上のｍ２個（ｍ２は正の整数）の信号光が出力されたときに前記信号光の波長と、前記信号光の波長と異なるｎ２個（ｎ２は、ゼロと正の整数）の励起光を出力として具備し、光導波路コアと光導波路コアよりも信号光および励起光に対して低い屈折率を有する基板を有する前記信号光の波長を変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の温度を制御するための温度制御素子とを具備し、差周波の波長の光を発生させる波長変換装置であって、前記信号光および前記励起光を入力し、前記信号光および前記励起光の出力を具備し、前記信号光または前記励起光の各光入出力のうち、少なくともいずれか一つの前記波長変換素子までの光入力の伝搬行路の間に、偏波分離素子及び偏波回転素子のうち少なくとも一方を具備すること特徴とする。前記信号光または前記励起光の各光入出力のうち、少なくともいずれか一つの前記波長変換素子までの光入力の伝搬行路の間に、偏波分離素子及び偏波回転素子のうち少なくとも一方を具備する構成により、偏波ダイバーティ制御のための各個別偏波の行路距離を高精度に制御することを可能とする効果を有する。
＜変形例＞
　図４のように、信号光４０４,４１２の入出力部を設けた側面以外の筐体の側面に励起光４０５,４０２の入出力部を具備する波長変換装置に、波長変換素子４１４までの光入力の伝搬行路の間に、偏波分離素子１２０１及び偏波回転素子１２０２のうち少なくとも一方を適用することも可能である。この構成により、偏波ダイバーティ制御のための各個別偏波の行路距離を高精度に制御することが可能とする効果を有する。
（実施例１）
　本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。
　図１６に、本発明における実施例１の波長変換装置１６００の概略構成図を示す。また、説明のため、図８を参照する。
　本実施例では、光導波路コア５１４ｂは、予めくし形の電極構造をＡｕで形成し、約１０００Ｖの高電圧で周期分極構造を形成したＺ軸を基板に垂直な面とするＬｉＮｂＯ３をＬｉＴａＯ３基板上に張り合わせ、薄膜研磨後Ａｒプラズマによるドライエッチング法によって、基板表面にリッジ形状の光導波路コア５１４ｂを作製し、端面をダイシングソーによって切断し、端面に信号光５０４と励起光５０５に対する金属多層膜などによる信号光と励起光の光波長における無反射コーティングを形成して、波長変換素子５１４として用いた。
　以上のように、作製した波長変換素子５１４を銅製の支持部材５２３の上に固定し、真鍮製のモジュールの金属筐体底部部材５２２の表面に、銅製の支持部材５２３、金属筐体底部部材、および、それらの間にペルチェ素子からなる温度制御素子５２０を介挿し、銀フィラーを充填された熱硬化型エポキシ樹脂からなる銀ペース樹脂の接合部材５２１を、例えば、１１０ ℃加熱硬化させることにより接着固定した。
　まず、その手段を用いて、図１５に示すような波長１５６０ ｎｍの信号光、波長７８０ ｎｍの励起光　に各対応したＰＡＮＤＡ光ファイバを各１つずつの入出力ポート実装した構成からなる基準モジュールを本実施例の光行路制御機構を持たない波長変換装置１５００を作製した。
　次に、基本モジュールよりも幅が広い金属筐体を準備し、図１６に示す本実施例の波長変換装置 １６００のように、信号光５０４と励起光５０５の光行路途中で、光経路をダイクロイックミラー５１３ａ,５１６ａを用いて光路を９０°折り曲げ、以下に示す行路調整機構を実装した。
（光行路距離の制御機構の説明）
　信号光５０４または励起光５０５を反射するようにダイクロイックミラー５１３ａやコーナーキューブミラーを行路長制御素子９０１上に、熱硬化型エポキシを用いて接着固定した。
　金属筐体内部側壁面に電圧によって厚さの制御が可能なＰＺＴ圧電素子１６０１を銀ペースト樹脂により積層し、金細線ワイヤーによって配線接続を行い、その表面に、ダイクロイックミラーやコーナーキューブミラーを接着固定した行路制御部材を信号光または、励起光と光結合可能な位置に位置合わせし、接着固定した。
　その後、まず、図１５に示す基準モジュールと図１６に示す本実施例の光モジュールの両方において使用目的温度の５５℃に波長変換素子が到達したことを確認し、基準モジュールと本実施例のモジュールの波長変換後の出射信号光の波長が同じになるように温度調整した。
　また、基準モジュールと本実施例のモジュールの波長変換後の出射信号光をＰＡＮＤＡファイバの２×２の１：１の光カプラを用いて光干渉させ、その一つの出射光の光強度を測定した。
　その後、入力の信号光５０４、入力の励起光５０５の光行路距離を制御する行路制御部材を接着固定したＰＺＴ圧電素子１６０１の電圧値を変化させることにより、各信号光と励起光の光行路距離を変化させた。その結果、光干渉後の出射信号光の光強度が電圧に応じて３０％以上の強度で周期的な変化し、ＰＺＴ電圧値によりに、光行路距離が信号光および、励起光の各一波長以上の範囲で制御できていることが確認された。

Claims (8)

  1. 　１つ以上のｍ１個（ｍ１は正の整数）の信号光が入力されたときに前記信号光の波長と、前記信号光の波長と異なるｎ１個（ｎ１は、ゼロと正の整数）の励起光を入力し、１つ以上のｍ２個（ｍ２は正の整数）の信号光が出力されたときに前記信号光の波長と、前記信号光の波長と異なるｎ２個（ｎ２は、ゼロと正の整数）の励起光を出力として具備し、光導波路コアと光導波路コアよりも信号光および励起光に対して低い屈折率を有する基板を有する前記信号光の波長を変換する波長変換素子と、
    　前記波長変換素子の温度を制御するための温度制御素子とを具備し、
    　差周波の波長の光を発生させる波長変換装置であって、前期波長変換素子の光入出力に隣接し、対向する筐体の一つの側面より前記信号光および前記励起光を入力し、対向する筐体の他方の側面より、前記信号光および前記励起光の出力を具備することを特徴とする波長変換装置。
  2. 　１つ以上のｍ１個（ｍ１は正の整数）の信号光が入力されたときに前記信号光の波長と、前記信号光の波長と異なるｎ１個（ｎ１は、ゼロと正の整数）の励起光を入力し、1つ以上のｍ２個（ｍ２は正の整数）の信号光が出力されたときに前記信号光の波長と、前記信号光の波長と異なるｎ２個（ｎ２は、ゼロと正の整数）の励起光を出力として具備し、光導波路コアと光導波路コアよりも信号光および励起光に対して低い屈折率を有する基板を有する前記信号光の波長を変換する波長変換素子と、
    　前記波長変換素子の温度を制御するための温度制御素子とを具備し、
    　差周波の波長の光を発生させる波長変換装置であって、前記信号光および前記励起光を入力し、前記信号光および前記励起光の出力を具備し、
    　前記信号光または前記励起光の各光入出力のうち、
    　少なくともいずれか一つの前記波長変換素子までの光入力の伝搬行路距離を可変させる伸縮機構を具備する、又は
    　少なくともいずれか一つの前記波長変換素子までの光入力の伝搬行路の間に、偏波分離素子及び偏波回転素子のうち少なくとも一方を具備することを
    　ことを特徴とする波長変換装置。
  3. 　前記差周波の波長の光を発生させる波長変換装置であって、前記波長変換素子の光入出力に隣接し、筐体の一つの側面より前記信号光および前記励起光を入力し、前記側面と対向する筐体の他方の側面より、前記信号光および前記励起光の出力を具備することを特徴とする請求項２に記載の波長変換装置。
  4. 　前記側面以外の筐体の側面に前記励起光の入出力部を具備することを特徴とする請求項３に記載の波長変換装置。
  5. 　前記信号光または前記励起光の各光入出力数が等しいことを特徴とする請求項１乃至４いずれか一項に記載の波長変換装置。
  6. 　前記信号光または前記励起光の各光入出力に光ファイバを具備することを特徴とする請求項１乃至５いずれか一項に記載の波長変換装置。
  7. 　前記光導波路コアまたは前記基板は、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、ＫＮｂＯ３（ニオブ酸カリウム）、ＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチウム）、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１－ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）（不定比組成のタンタル酸リチウム）、またはＫＴｉＯＰＯ４（チタン酸リン酸カリウム）、さらに、それらにＭｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｓｃ（スカンジウム）、またはＩｎ（インジウム）から選ばれる少なくとも１つを添加物として含有している、請求項１乃至６にいずれか一項に記載の波長変換装置。
  8. 　前記信号光で各一つの入出力、前記励起光で各一つの入出力を有し、前記波長変換素子の光入出力に隣接し、対向する筐体の一つの側面より前記信号光および励起光を入力し、対向する筐体の他方の側面より前記信号光および励起光を出力し、電気信号入力を前記対向する筐体の側面とは別の面より入出力させる端子を具備することを特徴とする請求項４乃至７にいずれか一項に記載の波長変換装置。
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