WO2023084621A1 - 波長変換装置 - Google Patents

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WO2023084621A1
WO2023084621A1 PCT/JP2021/041244 JP2021041244W WO2023084621A1 WO 2023084621 A1 WO2023084621 A1 WO 2023084621A1 JP 2021041244 W JP2021041244 W JP 2021041244W WO 2023084621 A1 WO2023084621 A1 WO 2023084621A1
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temperature
nonlinear optical
optical element
wavelength
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PCT/JP2021/041244
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French (fr)
Inventor
拓志 風間
啓 渡邉
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—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
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
    • G02F1/377—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—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
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/39—Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves

Definitions

  • the present invention relates to a wavelength conversion device, and more particularly to a technology for making the output of a nonlinear optical element that constitutes a wavelength conversion device efficient and constant.
  • the periodically poled structure of the nonlinear optical element is a structure for performing quasi-phase matching, which reverses the crystal orientation for each coherence length of the fundamental wave and the wavelength-converted wave, and reverses the sign of the nonlinear constant. is a technique for obtaining a high nonlinear optical effect by compensating for the amount of phase mismatch. It has high practical value in that it can perform wide wavelength conversion from the mid-infrared region to the visible region without using a special nonlinear optical crystal.
  • the refractive index of nonlinear optical materials has temperature dependence, and in order to strictly satisfy the quasi-phase matching condition in a second-order nonlinear optical element, it is necessary to keep the temperature of the element constant.
  • a secondary nonlinear optical element or a thermometer such as a thermistor or thermocouple is installed in its vicinity to monitor its resistance value, etc., and a mechanism to keep the element at a constant temperature using a temperature controller such as a heater or Peltier element is used. Set it up and put it into action.
  • the first problem is that the average temperature of the entire secondary nonlinear optical element can be monitored by a thermometer such as a thermistor or thermocouple. Therefore, it may not be possible to strictly operate at the optimum temperature simply by monitoring the temperature of the thermometer.
  • the ambient temperature (outside air temperature) of the device changes, even if the temperature is controlled so that the temperature sensor installed in the element or its vicinity remains constant, the core located on the surface of the element through which the light propagates will The three sides that are not in contact with the base substrate are in contact with the air layer, and the optimum operating point shifts due to slight changes in environmental temperature.
  • the second problem is the variation in the coupling amount of light input to and output from the second-order nonlinear optical element.
  • Input and output light is normally propagated through an optical fiber.
  • the light In order to couple the light to the second-order nonlinear optical element, the light is output to space from the fiber and then coupled to the second-order nonlinear optical element using a lens or the like. Due to changes in the ambient temperature, etc., this spatial coupling system generates a minute optical axis shift, and the ratio of the input light coupled to the second-order nonlinear optical element and the output coupled from the second-order nonlinear optical element to the fiber The proportion of light fluctuates. As a result, the output of wavelength-converted light also fluctuates.
  • Patent Document 1 describes that the temperature of the nonlinear optical element is adjusted so that the intensity of the second harmonic obtained by wavelength conversion is maximized.
  • An object of the present invention is to provide a wavelength conversion device capable of operating a nonlinear optical element at an appropriate temperature and stabilizing its output light.
  • one aspect of the wavelength conversion apparatus of the present invention is a wavelength conversion apparatus that has a nonlinear optical element and performs wavelength conversion, wherein light power adjusting means for adjusting light power; monitor light detecting means for converting output light from the output of said nonlinear optical element into an electrical signal and feeding it back to said optical power adjusting means; and output from said nonlinear optical element control means for setting an adjustment parameter corresponding to the optical power to be adjusted by the optical power adjustment means, and temperature adjustment means for adjusting the temperature of the nonlinear optical element so that the power of the emitted light becomes a constant value;
  • the control means sets a plurality of different temperatures by the temperature adjustment means, and the temperature corresponding to the smallest adjustment parameter among the adjustment parameters set corresponding to the plurality of set temperatures respectively. is set to a target temperature when the temperature adjusting means adjusts the temperature of the nonlinear optical element.
  • the nonlinear optical element in the wavelength conversion device, can be operated at an appropriate temperature and the output light can be stabilized.
  • FIG. It is a figure which shows the structure of the wavelength conversion apparatus which concerns on embodiment of this invention.
  • (a) shows a graph of wavelength dependence of the second harmonic of the nonlinear optical device 103;
  • (b) is a diagram for explaining the power monitor result of the optical power adjustment mechanism 102 and the resetting of the set temperature T.
  • FIG. It is a figure which shows the wavelength conversion apparatus which concerns on Example 1 of this invention.
  • (a) It is a figure which shows the drive method of the wavelength converter based on Example 1 of this invention.
  • (b) A diagram showing the relationship between the temperature of the PPLN waveguide and the current value of the EDFA. It is a figure which shows the wavelength conversion apparatus which concerns on Example 2 of this invention.
  • FIG. 1 shows the basic configuration of a wavelength conversion device 100 having a wavelength converter and an optical parametric amplifier according to an embodiment of the present invention.
  • This wavelength converter 100 includes a secondary nonlinear optical device (element) 103, a temperature adjuster 104, an optical power adjustment mechanism 102, a control signal generator 109, an optical splitter coupler 105, and a monitor light. It has a light intensity detector 106 and a PID controller (feedback circuit) 107 .
  • solid connection lines indicate optical connection
  • dashed lines indicate electrical connection. The same applies to the drawings relating to the wavelength conversion device to be described later.
  • the optical power adjustment mechanism 102 is any one of an optical amplifier (EDFA), a variable optical attenuator (VOA), an optical demultiplexer, a photodetector, or a combination thereof, as described in specific embodiments below.
  • the nonlinear optical device 103 has a fundamental wave input port for inputting light of the wavelength band of the fundamental wave to its input end, and a second harmonic wave input port for outputting light of half the wavelength band of the fundamental wave to the output end of the nonlinear optical device 103 . and a wave exit port.
  • the second harmonic which is the output light from the nonlinear optical device 103
  • the optical power adjustment mechanism 102 keeps the output from the nonlinear optical device 103 constant.
  • the power (intensity) of the light input to the nonlinear optical device 103 is adjusted (first control) so that the optical power (intensity) of the light input to the nonlinear optical device 103 is adjusted (first control). (second control).
  • FIG. 2(a) shows a graph of the wavelength dependence of the second harmonic of the nonlinear optical device 103.
  • the wavelength characteristic of the second harmonic wave varies according to the wavelength with a Sinc function and takes a maximum value at a predetermined wavelength.
  • the wavelength characteristics have wavelength dependence that shifts in the wavelength direction when the temperature of the nonlinear optical device 103 changes (T-2 ⁇ T to T+2 ⁇ T).
  • the output from the nonlinear optical device 103 is constant, and the power is monitored and fed back to the optical power adjustment mechanism 102 via the PID controller 107. conduct.
  • the optical power adjustment mechanism 102 keeps the output from the nonlinear optical device 103 constant in order to compensate for fluctuations in optical coupling due to changes in environmental temperature and the like.
  • the output of the nonlinear optical device 103 is not made constant by this first control.
  • the temperature is not set to an optimum value, the pumping light rate will deteriorate, and if the pumping light rate is too low, there is a possibility that the optical power adjustment mechanism will fall outside the scope of protection. It is difficult to stabilize the output from the nonlinear optical device 103 only with the first control.
  • the embodiment of the present invention performs the second control in addition to the first control.
  • This control optimizes the second harmonic wavelength characteristics of the nonlinear optical device 103 with respect to the input excitation light wavelength. This is to set the input pumping light wavelength to the wavelength that takes the maximum value of the wavelength characteristics shown in FIG. 2(a).
  • the PDH method (Pound-Drever-Hall method) is generally used for such control to take the maximum value of the wavelength characteristics.
  • a dither signal is generated in the system, and the response signal is demodulated with the dither signal to obtain a function obtained by differentiating the response function. Then, by using this differential function as the error function, it is possible to set the point where the differential function becomes zero, that is, the point where the response function takes the maximum value.
  • the dither signal is used to slightly vary the output light that is originally intended to be stabilized. Therefore, although the variation is due to only a specific frequency component, the stability of the output is degraded. There is fear.
  • the control signal generator 109 commands the temperature regulator 104 to change the temperature sequentially at intervals of ⁇ T within the range of T ⁇ 2 ⁇ T to T+2 ⁇ T.
  • T is the set temperature of the nonlinear optical device 103
  • ⁇ T is the amount of temperature change.
  • the wavelength characteristics of the second harmonic shift in the wavelength direction. Therefore, the power of the second harmonic output light varies according to the temperature.
  • the set temperature T of the nonlinear optical device 103 is reset by monitoring the power of the optical power adjustment mechanism 102 including the influence of temperature fluctuations in the nonlinear optical device 103 by feedback.
  • the temperature adjuster 104 controls the temperature of the nonlinear optical device 103 using this set temperature T as a target value.
  • FIG. 2(b) is a diagram for explaining the power monitoring result of the optical power adjustment mechanism 102 and the resetting of the set temperature T.
  • the temperature adjuster 104 sets five temperatures: the target temperature T, the lower temperatures T-2 ⁇ T and T- ⁇ T, and the temperatures T+ ⁇ T and T+2 ⁇ T higher than the target temperature T. Then, the monitor power value of the optical power adjusting mechanism 102 corresponding to the temperature of the nonlinear optical device 103 at that time is acquired.
  • the monitor power of the optical power adjustment mechanism 102 takes the lowest value at the temperature at which the generation efficiency of the second harmonic is highest. That is, the excitation light efficiency becomes the best.
  • the control signal generator 109 sets the temperature at which the monitor power becomes the minimum value as a new set temperature T.
  • FIG. 2B the temperature T+ ⁇ T is set as the new set temperature T.
  • the control signal generator 109 causes the temperature adjuster 104 to perform temperature control at the newly set temperature T.
  • the wavelength conversion device can always be operated at the optimum temperature and its optical output light can be stabilized.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of a wavelength conversion device 300 including a wavelength converter and an optical parametric amplifier according to the first embodiment of the present invention.
  • the wavelength converter 300 including the wavelength converter and the optical parametric amplifier of the first embodiment includes a light source 101a for fundamental wave excitation, an optical amplifier (EDFA) 102a, a nonlinear optical device 103, a temperature adjuster 104, an optical splitter coupler 105, It comprises a light intensity detector, a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller 107 , a current controller 108 a and a control signal generator 109 .
  • PID Proportional-Integral-Derivative
  • the temperature of the PPLN waveguide of the nonlinear optical device 103 is controlled by the temperature adjuster 104 so that Equation 1 is satisfied.
  • the current controller 108a controls the current value (adjustment parameter) for the excitation light source for driving the EDFA 102a, thereby adjusting the input power of the fundamental excitation light to the PPLN waveguide, It stabilizes the power of the second harmonic excitation light output from the PPLN waveguide to the optical fiber.
  • Fundamental excitation light output from the light source 101 a for fundamental excitation is amplified by the EDFA 102 a and then input to the nonlinear optical element (PPLN waveguide) 103 .
  • the second harmonic excitation light generated inside the PPLN waveguide and the residual component of the fundamental excitation light are output from the PPLN waveguide, demultiplexed by the dichroic mirror type demultiplexer, and the second harmonic excitation light is sent to the output fiber.
  • a part of the second harmonic pumping light is branched by the optical branching coupler 105 and converted by the optical intensity detector 106 into an electrical signal proportional to the optical intensity.
  • the electrical signal is fed back through PID controller 107 to current controller 108a for driving EDFA 102a.
  • the output power of the second harmonic excitation light is controlled to the set target value. Regarding this output power, as will be described later in FIGS.
  • the temperature of the PPLN waveguide is changed in the range of T ⁇ 2 ⁇ T to T+2 ⁇ T at intervals of ⁇ T, and the current value (adjustment parameter) of the EDFA 102a is ) is monitored, and the set temperature T is set. It is necessary to set the period of current value control to the EDFA 102a sufficiently shorter than the period of temperature control of the PPLN waveguide by the temperature regulator 104 . This is because if the period of current value control is not sufficiently short, it will be affected by output power fluctuations of the second harmonic due to temperature fluctuations in the PPLN waveguide.
  • the 4(a) and 4(b) monitor the current value (adjustment parameter) that drives the EDFA 102a that functions as an optical power adjustment mechanism, and determine the target set temperature Tset for temperature adjustment by the temperature adjuster 104 (set temperature Tset).
  • set temperature Tset is a diagram for explaining the processing. This process is performed using a control signal generator 109 electrically connected to the EDFA 102 a and the temperature regulator 104 .
  • the control signal generator 109 can be in the form of a microcomputer configured with a CPU, ROM, RAM, and the like.
  • step S41 shown in FIG. 4(a) the temperature of the PPLN waveguide is set to Tset-2 ⁇ T, and the current controller 108a acquires the current value for driving the EDFA 102a at that temperature.
  • the temperature of the PPLN waveguide is set to Tset- ⁇ T and the current value of the EDFA is obtained (S42).
  • S43 further sets the temperature of the PPLN waveguide to Tset+ ⁇ T, acquires the current value of the EDFA
  • S44 sets the temperature of the PPLN waveguide to Tset+2 ⁇ T, and obtains the current value of the EDFA A value is acquired (S45).
  • step S46 as shown in FIG. 4B, the current values monitored by the EDFA 102a at the respective set temperatures are compared, and the temperature at which the current value is the minimum value is set as a new set (target) temperature Tset. do.
  • the temperature at which the current value of the EDFA 102a takes the lowest value is the temperature of the nonlinear optical device (PPLN waveguide) 103 with the highest excitation efficiency among the acquired data.
  • the time until the temperature of the PPLN waveguide is changed is 2 seconds in consideration of the temperature response time, where ⁇ T is 0.1 ° C., and the control is performed by moving the set temperature by 5 points from ⁇ 0.2 ° C. carried out.
  • the feedback of the current value to the EDFA 102a is performed at intervals of 0.1 seconds, and the control is performed at a sufficiently fast speed compared to temperature fluctuations, so that output fluctuations due to temperature fluctuations do not occur. is adjusted to When the target value of the output power of the second harmonic excitation light was set to 27 dBm and continuous operation was performed for 10 hours, the operation was successfully stabilized at 27 ⁇ 0.1 dB.
  • the temperature was changed by 0.1°C when controlling the temperature of the PPLN waveguide, but it is not limited to this value. Also, the temperature was changed by 0.1°C by 5 points, but the number of acquired points is not limited to 5 points, and may be any number.
  • the current value (adjustment parameter) of the EDFA 102a is monitored to control the optimum temperature of the PPLN waveguide. Control may be performed by updating the temperature of the wave path.
  • control signal generator 109 is used as the control signal generator 109 in this embodiment, it is not limited to this, and a control circuit such as an FPGA may be used, for example.
  • the temperature change time was set to 2 seconds, and the current value control interval of the EDFA 102a was set to 0.1 second. It should be sufficiently short compared to the change interval.
  • lithium niobate (LiNbO 3 ) having a periodically poled structure is used as the nonlinear optical device 103 , but the present invention is not limited to LiNbO 3 , LiTaO 3 , LiNb(x)Ta( 1-x) O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1) or a nonlinear optical medium containing at least one selected from the group consisting of Mg, Zn, Sc, and In as an additive.
  • FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of a second embodiment of a wavelength conversion device 500 including a wavelength converter and an optical parametric amplifier according to a second embodiment of the present invention.
  • the wavelength converter and optical parametric amplifier of this second embodiment include a light source 101a for fundamental wave excitation, an optical amplifier (EDFA) 102b, a variable optical attenuator (VOA) 102c, a first optical intensity detector 106a, a nonlinear Optical device 103, temperature adjuster 104, second optical branch coupler 105b, second light intensity detector 106b, proportional-integral-derivative (PID) controller 107, voltage controller 108b, and control A signal generator 109 is provided.
  • EDFA optical amplifier
  • VOA variable optical attenuator
  • PID proportional-integral-derivative
  • Example 1 The difference from Example 1 is that the input power of the fundamental excitation light is controlled not by the EDFA 102b but by the VOA 102c in the subsequent stage.
  • the VOA 102c in this embodiment controls the amount of light attenuation by means of a voltage.
  • a VOA 102c for example, a mechanical VOA that moves an optical filter having a distribution of light amount attenuation levels by means of a motor or the like is known. It is The basic control operation is the same as in Example 1, and the temperature of the nonlinear optical device 103 (PPLN waveguide) continues to be continuously swept discretely at intervals of ⁇ T from T ⁇ 2 ⁇ T to T+2 ⁇ T.
  • the monitor power of the second optical intensity detector 106b is fed back to the voltage controller 108b that drives the VOA 102c so that the output power is kept constant.
  • the control signal generator 109 sets the optimum temperature of the PPLN waveguide to the temperature at which the optical power of the second optical intensity detector 106b downstream of the VOA 102c becomes the lowest value, that is, the temperature at which the pumping light rate becomes the highest. is fed back to the temperature regulator 104 via the . By performing such control, it becomes possible to control the output intensity of the second harmonic excitation light to a constant value while maintaining the temperature of the PPLN waveguide at the optimum temperature, as in the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the process of monitoring the voltage value (adjustment parameter) that drives the VOA 102c that functions as the optical power adjustment mechanism, and determining (setting) the target set temperature Tset for temperature adjustment by the temperature adjuster 104. is.
  • This process is performed using a control signal generator 109 electrically connected to VOA 102 c and temperature regulator 104 .
  • the control signal generator 109 can be in the form of a microcomputer configured with a CPU, ROM, RAM, and the like.
  • step S61 shown in FIG. 6 the temperature of the PPLN waveguide is set to Tset-2 ⁇ T, and the voltage controller 108b acquires the voltage value for driving the VOA 102c at that temperature.
  • the temperature of the PPLN waveguide is set to Tset ⁇ T and the voltage value of the EDFA is obtained (S62).
  • S63 set the temperature of the PPLN waveguide to Tset+ ⁇ T, obtain the voltage value of the EDFA (S64), set the temperature of the PPLN waveguide to Tset+2 ⁇ T, and obtain the voltage of the EDFA (S64).
  • a value is acquired (S65).
  • step S66 as shown in FIG. 6, the monitored voltage values of the VOA 102c at each set temperature are compared, and the temperature at which the voltage value takes the lowest value is set as a new set (target) temperature Tset.
  • the temperature of the PPLN waveguide is optimized by monitoring the output power from the VOA 102c. good.
  • FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of a wavelength conversion device 700 including a wavelength converter and an optical parametric amplifier of Example 1 according to the present invention.
  • the wavelength converter and optical parametric amplifier of this third embodiment comprise a light source 101a for fundamental wave excitation, an optical amplifier (EDFA) 102a, a first bandpass filter 701a, a first optical splitter coupler 105a, and a nonlinear optical device. 103, temperature regulator 104, second optical branch coupler 105b, second bandpass filter (BPF) 701b, light intensity detector, proportional-integral-derivative (PID) controller 107, current control and a control signal generator 109 .
  • a wavelength multiplexing/demultiplexing mechanism is arranged to separate light in the wavelength band of the double wave having half the wavelength of the fundamental light and light in the wavelength band of the fundamental light. be.
  • Embodiments 1 and 2 the second harmonic generation process using the nonlinear optical device 103 was handled, but in this embodiment, both the second harmonic generation process and the parametric amplification process are caused in one nonlinear optical device 103. It is. In other words, a multi-stage process is used in which the second harmonic pumping light generated by inputting the fundamental pumping light is used as an energy source and the simultaneously input signal light is parametrically amplified. This embodiment presents a method of simultaneously stabilizing the output optical power of parametric amplification and optimizing the temperature of the PPLN waveguide.
  • the nonlinear optical device 103 includes a dichroic mirror type demultiplexer for demultiplexing the fundamental excitation light, the signal light, and the second harmonic excitation light.
  • a PPLN waveguide having a periodically poled structure that satisfies quasi-phase matching among signal light, wavelength-converted light, and second harmonic excitation light is provided.
  • the temperature of the PPLN waveguide is controlled by the temperature controller 104 so as to satisfy Equation (2).
  • FIG. 8 shows the wavelength characteristics of the second harmonic generation process represented by Equation (1) and the parametric amplification process represented by Equation (2).
  • Fundamental wave light is single-wavelength laser light output from a single laser light source ( FIG. 8C showing fundamental wave light).
  • the phase matching band for the second harmonic of the PPLN waveguide is narrower than the phase matching band for parametric amplification, but the linewidth of the fundamental wave light laser light is sufficiently wider (FIG. 8(b) showing the SHG process).
  • the same conversion efficiency can be obtained between the converted light with the frequency of 2 ⁇ 0 - ⁇ s and the excitation light as long as Expression 2 is satisfied.
  • the effective refractive indices ns and nc also change, but nc is reduced by the amount of ns that is increased due to the dispersion of the material. , and the two PPLN devices have different phase matching characteristics.
  • the current value (adjustment parameter) of the light source 101a for fundamental wave excitation for driving the EDFA 102a is controlled, thereby adjusting the input power of the fundamental wave excitation light to the PPLN waveguide. stabilizes the power of signal light and wavelength-converted light output from the optical fiber.
  • Fundamental excitation light output from a light source 101a for fundamental excitation is amplified by an EDFA 102a, then unnecessary ASE light is removed by a bandpass filter, and combined with signal light through a first optical branch coupler 105a. be.
  • the signal light and the fundamental pumping light are input to a nonlinear optical device (PPLN waveguide), and the second harmonic pumping light generated by the fundamental pumping light inside the PPLN waveguide and the signal light undergo a wavelength conversion through the parametric amplification process. light is generated.
  • the residual component, signal light, converted light, fundamental wave wavelength band components such as ASE generated in the parametric amplification process, and the second harmonic pumping light are output from the PPLN waveguide and dichroic mirror type demultiplexing of the fundamental pumping light.
  • the second harmonic excitation light and the fundamental wavelength band component are separated by the device.
  • a part of the fundamental wave wavelength band component is branched by the second optical branch coupler 105b, and the second BPF 701b extracts the wavelength component near the wavelength of the fundamental wave pumping light that does not contain the fundamental wave pumping light. It is converted into an electrical signal proportional to the light intensity by the intensity detector 106 .
  • the reason why the second BPF 701b extracts the near-fundamental excitation light wavelength will be described.
  • the wavelength (degenerate wavelength) of the fundamental pumping light and its neighboring wavelengths cannot be used as the signal light. This is because the wavelength-converted light appears in the form of folding around the wavelength of the fundamental excitation light.
  • the converted light When signal light near this wavelength is input, the converted light is also output at the same wavelength, causing interference. , cannot be separated. Therefore, since the vicinity of the degenerate wavelength is essentially not used, there is an advantage that even if it is used as monitor light, it has little effect on other signal lights.
  • the variation of the conversion efficiency with temperature becomes the same as the variation of the SHG efficiency, and the conversion efficiency reaches its peak at the optimum temperature. Therefore, it is possible to control the temperature to an optimum temperature by the same method as the nonlinear optical device 103 .
  • the optical power of the fundamental pumping light decreases as the pumping light rate improves.
  • the BPF is set to a nearby wavelength that does not contain the fundamental excitation light component.
  • the electrical signal of the monitor output is fed back to the current controller 108a for driving the EDFA 102a via the PID controller 107, thereby controlling the output power after parametric amplification to a set target value.
  • the temperature of the PPLN waveguide is changed from T-2 ⁇ T to T+2 ⁇ T at intervals of ⁇ T, the current value (adjustment parameter) of the EDFA 102a is monitored, the set temperature T is set, and the set current value of the EDFA 102a is is monitored, and feedback is applied to the set temperature of the PPLN waveguide so that the current value becomes the lowest, as in the first embodiment.
  • FIG. 9 shows the configuration of a wavelength conversion device 900 including a wavelength converter and an optical parametric amplifier according to an embodiment of the present invention.
  • the wavelength converter and the optical parametric amplifier of the wavelength conversion device 900 of this embodiment 4 include a light source 101b for second harmonic pumping, a variable optical attenuator (VOA) 102c, a first optical splitting coupler 105a, a first light intensity detector 106a, nonlinear optical device 103 and temperature adjuster 104, second optical branch coupler 105b, bandpass filter (BPF) 701, second light intensity detector 106b, proportional/integral/differential (Proportional- Integral-Derivative (PID) controller 107, voltage controller 108b, and control signal generator 109 are provided.
  • VOA variable optical attenuator
  • BPF bandpass filter
  • a first wavelength multiplexing/demultiplexing mechanism for multiplexing light in a double wave wavelength band having approximately half the wavelength of the signal light and light in the wavelength band of the signal light.
  • the input end of the nonlinear optical device 103 has an input port for inputting light in the wavelength band of the signal light and an input port for inputting light in the double wave wavelength band.
  • a second wavelength multiplexing/demultiplexing mechanism for demultiplexing light in the wavelength band of the double wave and light in the wavelength band of the signal light is arranged.
  • This embodiment is a method of inputting second harmonic pumping light and signal light into a PPLN waveguide to cause a parametric amplification process, stabilizing the output light power of parametric amplification and optimizing the temperature of the PPLN waveguide at the same time. is presented.
  • the PPLN waveguide is equipped with a dichroic mirror type multiplexer/demultiplexer that multiplexes and demultiplexes the signal light wavelength band and the second harmonic pumping light at the input and output, and the input signal light, the wavelength converted light, and the second harmonic pumping light are separated. It comprises a PPLN waveguide having a periodically poled structure that satisfies quasi-phase matching therebetween. That is, a polarization-inverted structure with an inversion period ⁇ that satisfies Equation 2, where ns, nc, and np are the effective refractive indices in the waveguides of the signal light, converted light, and second harmonic excitation light, respectively, is provided.
  • the operation of the wavelength conversion device 900 of the fourth embodiment will be explained.
  • the voltage value (adjustment parameter) that drives the VOA 102c by controlling the voltage value (adjustment parameter) that drives the VOA 102c, the input power of the second harmonic excitation light to the PPLN waveguide is adjusted, and the signal wavelength output from the PPLN waveguide to the optical fiber is adjusted. It stabilizes the output optical power of the band.
  • the light output from the light source 101b for second harmonic excitation is adjusted in power by the VOA 102c and then coupled to the PPLN waveguide via the dichroic mirror. At this time, part of the second harmonic excitation light is separated by the first optical splitter coupler 105a and converted into an electrical signal corresponding to the light intensity by the first light intensity detector.
  • Signal light is input from the other side of the dichroic mirror and coupled to the PPLN waveguide.
  • the amplified signal light, the newly generated wavelength-converted light and the ASE light are output from the PPLN waveguide together with the residual component of the second harmonic pumping light by the parametric amplification process, and the dichroic mirror type demultiplexing is performed. demultiplexed by the device.
  • a part of the signal light wavelength band is branched by the second optical branching coupler 105b, and the wavelength component double the second harmonic pumping light, that is, the wavelength near the fundamental wave pumping light wavelength is cut out by the BPF 701, and the light intensity detector 106 into an electrical signal proportional to the light intensity.
  • the electrical signal is fed back through PID controller 107 to voltage controller 108b for driving VOA 102c.
  • the output power of the signal wavelength band after parametric amplification is controlled to be the set target value.
  • the temperature of the PPLN waveguide is changed in the range of T-2 ⁇ T to T+2 ⁇ T at intervals of ⁇ T, the voltage value (adjustment parameter) of the VOA 102c is monitored, and the set temperature T is set. It is fed back to the temperature controller 104 via the control signal generator 109 so that the value of the electric signal from the first light intensity detector 106a becomes the minimum value.
  • the VOA 102c is used to adjust the light intensity, but feedback is applied to the electrical signal that drives the light source 101b for second harmonic excitation to stabilize the output light power after parametric amplification,
  • the driving electrical signal may be monitored for optimum control of the temperature of the PPLN waveguide.
  • the second harmonic excitation light source 101b may be a laser diode capable of directly outputting the wavelength of the second harmonic excitation light. It may be combined with a nonlinear optical device that allows
  • the double-wave light source is a laser diode that outputs light having approximately half the wavelength of the signal light, a current controller for driving the laser diode, a VOA, an optical demultiplexer, a photodetector, or a combination thereof. Built with.
  • the double-wave light source includes a laser diode that outputs light having a wavelength in the wavelength band of the signal light, a voltage controller 108b for driving the laser diode, an optical amplifier 102b, a nonlinear optical device, a VOA 102c, and a second optical splitting coupler. 105b, the first light intensity detector 106a, or a combination thereof.

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Abstract

本発明は、非線形光学素子を適切な温度で動作させ、その出力光を安定化することができる波長変換装置を提供することを目的とする。　本発明の波長変換装置（１００）は、非線形光学素子（１０３）と、非線形光学素子（１０３）への入力光のパワーを調整する光パワー調整手段（１０２）と、非線形光学素子（１０３）の出力光を電気信号に変換し光パワー調整手段（１０２）にフィードバックするためのモニタ光検出手段（１０６）と、非線形光学素子（１０３）から出力する光のパワーが一定値となるように光パワー調整手段（１０２）の調整パラメータを設定する制御手段と、非線形光学素子（１０３）の温度を調節する温度調節手段（１０４）とを備え、　前記制御手段は、温度調整手段（１０４）を複数の異なる温度に設定し、複数の設定された温度に対応して設定される光パワー調整手段（１０２）の調整パラメータが最も小さくなる温度を、温度調整手段（１０４）による温度調節の目標温度に設定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、波長変換装置を構成する非線形光学素子を効率よく、出力を一定にするための技術に関する。
　非線形光学素子の周期分極反転構造は、擬似位相整合を行うための構造であり、これは基本波と波長変換された波のコヒーレンス長ごとに結晶方位を反転し，非線形定数の符号を逆転することにより位相不整合量を補償して高い非線形光学効果を得るための手法である。特殊な非線形光学結晶を用いずに中赤外域から可視域まで幅広い波長変換が行えるという点で実用的な価値は高い。
　一般に非線形光学材料の屈折率は温度依存性を有しており、２次非線形光学素子において擬似位相整合条件を厳密に満たすためには、素子の温度を一定に保つ必要がある。通常は、２次非線形光学素子またはその近傍にサーミスタ・熱電対等の測温体を設けその抵抗値等をモニタし、ヒータやペルチェ素子等の温調器を用いて素子を一定温度に保つ機構を設けたうえで動作をさせる。
　しかしながら、従来の測温体のモニタ値を一定にするよう温調器を制御する機構のみでは、２つの課題により、２次非線形光学素子を用いた波長変換光デバイスを安定化させるのは困難であった。
　課題の１つ目としては、サーミスタや熱電対等の測温体でモニタできるのは、２次非線形光学素子全体の平均的な温度であり、非線形光学効果をもたらす導波路部分そのものの温度をモニタしているわけではないため、測温体の温度をモニタしているだけでは、最適温度で動作させることは厳密にはできない場合があった。
　例えば、デバイスの環境温度（外気温度）が変化した場合、素子またはその近傍に設置した測温体が一定となるよう温度制御を行っていても、素子表面に位置する光が伝搬するコアは、ベース基板に接していない３つの側面が空気層に接しており、環境温度の変化をわずかながら受け最適動作点がシフトしてしまう。
　また、強い励起光を導波路に入射する場合、導波路内に入射された励起光の光吸収による発熱が生じるが、この発熱は導波路部分の局所的な発熱であり、素子またはその近傍に設置した測温体をモニタしているだけではその局所的な発熱による最適動作点のシフトを正しく検出することは困難であった。
　課題の２つ目としては、２次非線形光学素子に対して入出力される光の結合量の変動である。入出力される光は通常光ファイバを通じて伝搬されるが、２次非線形光学素子に結合させるためには、ファイバから光を空間に出力させ、レンズ等を用いて２次非線形光学素子に結合させる。この空間結合系が環境温度の変化等により、微小な光軸ずれが発生することで、２次非線形光学素子に結合される入力光の割合、及び2次非線形光学素子からファイバへ結合される出力光の割合が変動してしまう。これにより、波長変換光の出力も変動してしまう。
　これに対し、特許文献1では波長変換によって得られた第二高調波の強度が最大になるように非線形光学素子の温度調整を行うことが記載されている。
特開２０１５－２２５１２７号公報
　しかしながら、波長特性が最適値になるように補償するだけでは、２つの課題を同時に解決することはできず、出力安定化をすることはできない。
　本発明の目的は、非線形光学素子を適切な温度で動作させ、その出力光を安定化することができる波長変換装置を提供することにある。
　本発明は、このような目的を達成するために、本発明の波長変換装置の一態様は、非線形光学素子を有して波長変換を行う波長変換装置であって、前記非線形光学素子に入力する光のパワーを調整する光パワー調整手段と、前記非線形光学素子の出力からの出力光を電気信号に変換し前記光パワー調整手段にフィードバックするためのモニタ光検出手段と、前記非線形光学素子から出力する光のパワーが一定値となるように、前記光パワー調整手段が調整する光パワーに対応した調整パラメータを設定する制御手段と、前記非線形光学素子の温度を調節する温度調整手段と、を備え、前記制御手段は、前記温度調整手段によって複数の異なる温度の設定を行うようにし、前記複数の設定された温度それぞれに対応して設定される前記調整パラメータにおいて、最も小さな調整パラメータに対応する温度を、前記温度調整手段が前記非線形光学素子の温度を調節する際の目標温度に設定することを特徴とする。
　上記構成によれば、波長変換装置において、非線形光学素子を適切な温度で動作させ、その出力光を安定化することができる。
本発明の実施形態に係る波長変換装置の構成を示す図である。 (ａ)非線形光学デバイス１０３の第二高調波の波長依存性のグラフを示す。（ｂ）は、光パワー調整機構１０２のパワーのモニタ結果および設定温度Ｔの再設定を説明する図である。 本発明の実施例１に係る波長変換装置を示す図である。 （ａ）本発明の実施例１に係る波長変換装置の駆動方法を示す図である。（ｂ）ＰＰＬＮ導波路の温度と、ＥＤＦＡの電流値との関係を示す図である。 本発明の実施例２に係る波長変換装置を示す図である。 本発明の実施例２に係る波長変換装置の駆動方法を示す図である。 本発明の実施例３に係る波長変換装置を示す図である。 （ａ）パラメトリック増幅過程（ｂ）ＳＨＧ過程（ｃ）基本波光を示す図である。 本発明の実施例４に係る波長変換装置を示す図である。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に本発明の実施形態に係る波長変換器および光パラメトリック増幅器を備えた波長変換装置１００の基本構成が示される。この波長変換装置１００は、二次の非線形光学デバイス（素子）１０３と、温度調整器１０４と，光パワー調整機構１０２と、制御信号生成器１０９と、光分岐カプラ１０５と，モニタ光を検出する光強度検出器１０６と，ＰＩＤ制御コントローラ（帰還回路）１０７と、を備えている。なお、図において、実線の接続線が光学的な接続を、破線が電気的に接続を、それぞれ示している。これ以後に説明する波長変換装置に関する図面についても同様である。光パワー調整機構１０２は、後述の具体的実施例において説明されるように、光増幅器（ＥＤＦＡ）、可変光減衰器（ＶＯＡ）、光分波器、光検出器のいずれか、又はそれらの組み合わせで構築される。非線形光学デバイス１０３には、その入力端に基本波の波長帯の光を入射する基本波入射ポートと、非線形光学デバイス１０３の出力端に基本波の半分の波長帯の光を出射する二次高調波出射ポートと、が備えられる。
　図１に示す構成において、非線形光学デバイス１０３からの出力光である二次高調波をモニタ光として光パワー調整機構１０２にフィードバックし、光パワー調整機構１０２は非線形光学デバイス１０３からの出力が一定になるように、非線形光学デバイス１０３に入力する光のパワー（強度）を調整する（第一の制御）共に、その温度制御に関して、光パワー調整機構１０２は第二高調波発生の光パワーの波長特性を最適化する制御を行う（第二の制御）。
　図２(ａ)は、非線形光学デバイス１０３の第二高調波の波長依存性のグラフを示している。第二高調波の波長特性は波長に応じてSinc関数で変化し所定波長で最大値をとる。そして、波長特性は、非線形光学デバイス１０３の温度が変化すると（T-2ΔT～T+2ΔT）、波長方向にシフトする波長依存性を有している。
　第一の制御は、非線形光学デバイス１０３からの出力が一定になるように、出力の一部を分岐し、そのパワーをモニタしてＰＩＤ制御コントローラ１０７を介して、光パワー調整機構１０２にフィードバックを行う。そして、光パワー調整機構１０２は、環境温度等の変化に伴う光結合の変動を補償すべく非線形光学デバイス１０３からの出力が一定になるようにする。本発明の実施形態は、この第一の制御によって、非線形光学デバイス１０３の出力が一定ならないことはない。しかし、温度も合わせて最適値にしないと、励起光率が悪くなってしまうことと、あまりにも励起光率が悪い場合には光パワー調整機構の守備範囲から外れてしまう可能性がある。第一の制御にのみでは非線形光学デバイス１０３からの出力の安定化は困難となる。
　本発明の実施形態は、第一の制御に加えて第二の制御を行う。この制御は、入力励起光波長に対して非線形光学デバイス１０３の第二高調波の波長特性を最適化するものである。これは、入力励起光波長が図２（ａ）の波長特性の最大値をとる波長に設定するものである。
　このような、波長特性の最大値をとるような制御は、ＰＤＨ法（Ｐｏｕｎｄ－Ｄｒｅｖｅｒ－Ｈａｌｌ法）が一般的に用いられる。ＰＤＨ法は，システム内にディザ信号を生成し，応答信号に対してディザ信号で復調することで、応答関数を微分した関数を獲得する。そして、この微分関数を誤差関数として用いることで，微分関数がゼロになる点，すなわち応答関数が最大値をとる点を設定することができる。しかし、ＰＤＨ法を用いる場合、ディザ信号を用いて本来安定させたい出力光を微小に変動させることを行っているため、特定の周波数成分のみによる変動ではあるものの、出力の安定性の劣化を招く恐れがある。また、ディザ信号による出力光の変動を極めて小さいレベルに抑えたとしても、第一の制御との併用が困難である。すなわち、第一の制御は出力光パワーが一定になるように制御するために、第二の制御のディザ信号による変動が読み取れなくなる。
　本発明の実施形態は、上記問題を解消し、第一の制御と第二の制御を共に実施する。図１において、制御信号生成器１０９は、温度調整器１０４に対し、温度をT-2ΔT～T+2ΔTの範囲で、ΔT間隔で順次温度を変化させるよう命令する。ここで、Ｔは非線形光学デバイス１０３の設定温度であり、ΔＴは温度変化の量である。このとき、図２（ａ）にて上述したように、第二高調波の波長特性は波長方向においてシフトする。このため、第二高調波の出力光のパワーは温度に応じて変動する。一方で、第二高調波の出力光をモニタしたパワー（強度）は上述した第一の制御によって一定値に安定化されているので、第二高調波の温度変化に応じた変動を検出することができない。そこで、本発明の実施形態では、フィードバックによって非線形光学デバイス１０３における温度変動の影響を含む、光パワー調整機構１０２のパワーをモニタすることによって、非線形光学デバイス１０３の設定温度Ｔを再設定する。そして、温度調整器１０４はこの設定温度Ｔを目標値として非線形光学デバイス１０３の温度制御を行う。
　図２（ｂ）は、光パワー調整機構１０２のパワーのモニタ結果および設定温度Ｔの再設定を説明する図である。上述したように、温度調整器１０４によって、そのときの目標温度Ｔと、それより低い温度T-2ΔT、T-ΔT、目標温度Ｔより高い温度T+ΔT、T+2ΔTの５つの温度を設定し、そのときの非線形光学デバイス１０３の温度に応じた光パワー調整機構１０２のモニタパワーの値を取得する。ここで、第二高調波の発生効率が最も高い温度で、光パワー調整機構１０２のモニタパワーは最低値をとる。すなわち、最も励起光率が良くなる。制御信号生成器１０９は、このモニタパワーが最低値となる温度を新たな設定温度Ｔとする。図２（ｂ）に示す例では、温度T+ΔTが新たな設定温度Ｔに設定される。そして、制御信号生成器１０９は温度調整器１０４に対して新たに設定した温度Ｔで温度制御を行うようにする。これにより、波長変換装置を常に最適温度で動作させ、その光出力光を安定化させることができる。
　以下では、上述した本発明の実施形態に基づく、いくつかの具体的実施例を説明する。
(実施例１)
　図３は、本発明の第１の実施例に係る波長変換器および光パラメトリック増幅器を含む波長変換装置３００の構成を示すブロック図である。この実施例１の波長変換器および光パラメトリック増幅器を含む波長変換装置３００は、基本波励起用の光源１０１ａ、光増幅器（ＥＤＦＡ）１０２ａ、非線形光学デバイス１０３、温度調整器１０４、光分岐カプラ１０５、光強度検出器、比例・積分・微分(Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ－Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ: ＰＩＤ)コントローラ１０７、電流制御器１０８ａ、および制御信号生成器１０９と、を有して構成される。
　この波長変換器および光パラメトリック増幅器において、非線形光学デバイス１０３は、基本波励起光を分波するダイクロイックミラー型分波器を備えており、入力される基本波励起光、および出力される第二高調波励起光の間で擬似位相整合を満たす周期分極反転構造を有するＰＰＬＮ導波路を備えている。つまり、基本波励起光・第二高調波励起光の導波路中の実効屈折率をそれぞれｎｆ・ｎｐとして
ｎｐ／λｐ－２ｎｆ／λｆ＝１／Λ　（式１）
を満たす反転周期Λの分極反転構造が備えられる。
　非線形光学デバイス１０３のＰＰＬＮ導波路は式１を満たすように、温度調整器１０４によって温度が制御されている。
　波長変換装置３００の動作が説明される。本実施形態では、電流制御器１０８ａは、ＥＤＦＡ１０２ａを駆動するための励起光源用の電流値（調整パラメータ）を制御し、これにより、ＰＰＬＮ導波路への基本波励起光の入力パワーを調整し、ＰＰＬＮ導波路から光ファイバへ出力される第二高調波励起光のパワーを安定化させている。基本波励起用の光源１０１ａから出力された基本波励起光はＥＤＦＡ１０２ａによって増幅されたのちに、非線形光学素子（ＰＰＬＮ導波路）１０３へ入力される。ＰＰＬＮ導波路内部で発生した第二高調波励起光と基本波励起光の残渣成分がＰＰＬＮ導波路から出力され、ダイクロイックミラー型分波器によって分波され、第二高調波励起光を出力ファイバに結合している。第二高調波励起光の一部は光分岐カプラ１０５によって分岐され、光強度検出器１０６によって光強度に比例した電気信号に変換される。電気信号はＰＩＤ制御コントローラ１０７を介してＥＤＦＡ１０２ａを駆動するための電流制御器１０８ａにフィードバックされる。これにより、第二高調波励起光の出力パワーが設定した目標値となるように制御されている。この出力パワーに関し、図４（ａ）および（ｂ）にて後述されるように、ＰＰＬＮ導波路の温度をT-2ΔT～T＋2ΔTの範囲で、ΔT間隔で変化させてＥＤＦＡ１０２ａの電流値（調整パラメータ）をモニタし、設定温度Ｔを設定する処理を行う。なお、温度調整器１０４によるＰＰＬＮ導波路の温度制御の周期に対し、ＥＤＦＡ１０２ａへの電流値制御の周期は十分に短く設定する必要がある。これは電流値制御の周期が十分に短くないと、ＰＰＬＮ導波路の温度変動に伴う第二高調波の出力パワー変動の影響を受けてしまうためである。
　図４（ａ）および（ｂ）は、光パワー調整機構として機能するＥＤＦＡ１０２ａを駆動する電流値（調整パラメータ）をモニタし、温度調整器１０４による温度調節の目標とする設定温度Ｔsetを求める（設定する）処理を説明する図である。この処理は、ＥＤＦＡ１０２ａと温度調整器１０４とに電気的に接続する制御信号生成器１０９を用いて実行される。制御信号生成器１０９は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを有して構成されるマイクロコンピュータの形態とすることができる。
　この処理は、図４（ａ）に示すステップＳ４１で、ＰＰＬＮ導波路の温度をTset‐2ΔTに設定し、その温度において、電流制御器１０８ａがＥＤＦＡ１０２ａを駆動する電流値を取得する。以下同様に順次、ＰＰＬＮ導波路の温度をTset‐ΔTに設定して、ＥＤＦＡの電流値を取得し（Ｓ４２）、次に、ＰＰＬＮ導波路の温度をTsetに設定して、ＥＤＦＡの電流値を取得し（Ｓ４３）、さらにＰＰＬＮ導波路の温度をTset+ΔTに設定して、ＥＤＦＡの電流値を取得し（Ｓ４４）、さらにＰＰＬＮ導波路の温度をTset+2ΔTに設定して、ＥＤＦＡの電流値を取得し（Ｓ４５）する。
　そして、ステップＳ４６で、図４（ｂ）に示すように、それぞれ設定した温度でのＥＤＦＡ１０２ａのモニタした電流値を比較し、電流値が最低値をとる温度を新たな設定（目標）温度Tsetとする。このように、ＥＤＦＡ１０２ａの電流値が最低値をとる温度が、データを取得した中で最も励起効率が良い非線形光学デバイス（ＰＰＬＮ導波路）１０３の温度となる。以上の制御を実行することにより、ＰＰＬＮ導波路の温度を常に適した温度に調整することが可能になる。
　実際に、図３に示す構成で第二高調波の出力パワーが一定に制御できるかを試みた。ＰＰＬＮ導波路の温度の変更までの時間は、温度の応答時間を考慮して２秒間隔とし、ここではΔＴは０．１ ℃として、設定温度から±０．２ ℃までの５点分動かす制御を実施した。なお、ＥＤＦＡ１０２ａへの電流値のフィードバックは０．１秒間隔で実施しており、温度の変動と比べて十分に早い速度での制御を実施しており、温度変動に伴う出力変動が起こらないように調整している。第二高調波励起光の出力パワーの目標値を２７ｄＢｍに設定し、１０時間の連続動作を実施したところ、２７±０．１ｄＢでの動作安定化に成功がされた。
　なお、本実施例ではＰＰＬＮ導波路の温度制御時に温度を０．１ ℃ずつ動かしたがこの値に限定されるものではない。また、０．１ ℃ずつ５点分温度を動かしたが、この取得点数も５点に限定されるものではなく、任意の点数としてよい。
　また、本実施例ではＥＤＦＡ１０２ａの電流値（調整パラメータ）をモニタしてＰＰＬＮ導波路の最適温度の制御をしたが、ＥＤＦＡ１０２ａの出力パワーをモニタし、そのモニタパワーが最低値をとる温度にＰＰＬＮ導波路の温度を更新していく制御としてもよい。
　本実施例では制御信号生成器１０９としてマイクロコンピュータを用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、ＦＰＧＡ等の制御回路を用いてもよい。
　制御時間に関しては、温度変更時間を２ 秒間隔、ＥＤＦＡ１０２ａの電流値制御間隔を０．１ 秒としたが、この値に限定されるものではなく、ＥＤＦＡ１０２ａの電流値制御間隔がＰＰＬＮ導波路の温度変更の間隔と比べて十分に短ければよい。
　本実施例では非線形光学デバイス１０３として、周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）を用いているが、これに限定されるものではなく、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂ(x)Ｔａ(1-x)Ｏ3（０≦ｘ≦１）、または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有している非線形光学媒質を用いてよい。
(実施例２)
　図５に本発明の実施例２に係る波長変換器および光パラメトリック増幅器を含む波長変換装置５００の第２の実施例の構成を示すブロック図である。この実施の形態２の波長変換器および光パラメトリック増幅器は、基本波励起用の光源１０１ａと、光増幅器（ＥＤＦＡ）１０２ｂ、可変光減衰器（ＶＯＡ）１０２ｃ、第一の光強度検出器１０６ａ、非線形光学デバイス１０３と温度調整器１０４、第二の光分岐カプラ１０５ｂ、第二の光強度検出器１０６ｂ、比例・積分・微分（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ－Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ：ＰＩＤ）コントローラ１０７、電圧制御器１０８ｂ、および制御信号生成器１０９を備えている。
　実施例１との違いは、基本波励起光の入力パワーの制御をＥＤＦＡ１０２ｂではなく、後段のＶＯＡ１０２ｃで実施している点である。本実施例におけるＶＯＡ１０２ｃは電圧で光減衰量を制御しているが、このようなＶＯＡ１０２ｃとしては例えば、モータなどの手段によって光量減衰レベルに分布を有する光学フィルタを移動させる機械式のＶＯＡなどが知られている。基本的な制御動作は実施例１と同様であり、非線形光学デバイス１０３（ＰＰＬＮ導波路）の温度は、常時T-2ΔT～T＋2ΔTまでΔT間隔で離散的に掃引を続ける。
　出力パワーは一定値を保つように、第二の光強度検出器１０６ｂのモニタパワーをＶＯＡ１０２ｃを駆動する電圧制御器１０８ｂにフィードバックをかけている。ＰＰＬＮ導波路の最適温度はＶＯＡ１０２ｃの後段の第二の光強度検出器１０６ｂの光パワーが最低値となる温度、すなわちもっとも励起光率のよくなる温度を設定温度とするように、制御信号生成器１０９を介して温度調整器１０４にフィードバックをかけている。このような制御を行うことで、実施例1と同様に、ＰＰＬＮ導波路の温度を最適温度に保ちながら、第二高調波励起光の出力強度を一定値に制御することが可能となる。
　図６は、光パワー調整機構として機能するＶＯＡ１０２ｃを駆動する電圧値（調整パラメータ）をモニタし、温度調整器１０４による温度調節の目標とする設定温度Ｔsetを求める（設定する）処理を説明する図である。この処理は、ＶＯＡ１０２ｃと温度調整器１０４とに電気的に接続する制御信号生成器１０９を用いて実行される。制御信号生成器１０９は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを有して構成されるマイクロコンピュータの形態とすることができる。
　この処理は、図６に示すステップＳ６１で、ＰＰＬＮ導波路の温度をTset‐2ΔTに設定し、その温度において、電圧制御器１０８ｂがＶＯＡ１０２ｃを駆動する電圧値を取得する。以下同様に順次、ＰＰＬＮ導波路の温度をTset‐ΔTに設定して、ＥＤＦＡの電圧値を取得し（Ｓ６２）、次に、ＰＰＬＮ導波路の温度をTsetに設定して、ＥＤＦＡの電圧値を取得し（Ｓ６３）、さらにＰＰＬＮ導波路の温度をTset+ΔTに設定して、ＥＤＦＡの電圧値を取得し（Ｓ６４）、さらにＰＰＬＮ導波路の温度をTset+2ΔTに設定して、ＥＤＦＡの電圧値を取得し（Ｓ６５）する。
　そして、ステップＳ６６で、図６に示すように、それぞれ設定した温度でのＶＯＡ１０２ｃのモニタした電圧値を比較し、電圧値が最低値をとる温度を新たな設定（目標）温度Tsetとする。
　本実施例では、ＶＯＡ１０２ｃからの出力パワーをモニタしてＰＰＬＮ導波路の温度の最適化を行っているが、ＶＯＡ１０２ｃの駆動電圧をモニタすることで、ＰＰＬＮ導波路の温度の最適化を行ってもよい。
(実施例３)
　図７に本発明に係る実施例１の波長変換器および光パラメトリック増幅器を含む波長変換装置７００の構成を示すブロック図である。この実施の形態３の波長変換器および光パラメトリック増幅器は、基本波励起用の光源１０１ａと、光増幅器（ＥＤＦＡ）１０２ａ、第一のバンドパスフィルタ７０１ａ、第一の光分岐カプラ１０５ａ、非線形光学デバイス１０３と温度調整器１０４、第二の光分岐カプラ１０５ｂ、第二のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）７０１ｂ、光強度検出器、比例・積分・微分（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ－Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ：　ＰＩＤ）コントローラ１０７、電流制御器１０８ａ、および制御信号生成器１０９を備えている。基本波出射ポートと非線形光学デバイス１０３の間には基本波光の半分の波長を有する二倍波の波長帯の光と、基本波光の波長帯の光とを分離する波長合分波機構が配置される。
　実施例１，２では非線形光学デバイス１０３を用いた第二高調波発生過程を扱っていたが、本実施例では１つの非線形光学デバイス１０３中で第二高調波発生過程とパラメトリック増幅過程を両方引き起こすものである。つまり、基本波励起光を入力することで発生した第二高調波励起光をエネルギー源として、同時に入力している信号光のパラメトリック増幅を行う、多段の過程を用いている。本実施例ではパラメトリック増幅の出力光パワーの安定化とＰＰＬＮ導波路の温度の最適化を同時に行う方法を提示する。
　波長変換装置７００の波長変換器および光パラメトリック増幅器において、非線形光学デバイス１０３は、基本波励起光及び信号光と第二高調波励起光を分波するダイクロイックミラー型分波器を備えており、入力信号光、波長変換光、第二高調波励起光の間で擬似位相整合を満たす周期分極反転構造を有するＰＰＬＮ導波路を備えている。つまり、信号光・変換光・第二高調波励起光の導波路中の実効屈折率をそれぞれｎｓ・ｎｃ・ｎｐとして
ｎｐ／λｐ－ｎｓ／λｓ－ｎｃ／λｃ＝１／Λ　（式２）
を満たす反転周期Λの分極反転構造が備えられる。これはλｓ＝λｃ（＝λｆ）となる場合が（式１）に相当している。ＰＰＬＮ導波路は式２をみたすように、温度調整器１０４によって温度が制御されている。
　ここで、式（１）で表される第二高調波発生過程と、式（２）で表されるパラメトリック増幅過程の波長特性が図８に示される。基本波光は、単一のレーザ光源から出力された単一波長のレーザ光である（基本波光を示す図８（ｃ））。ＰＰＬＮ導波路の第二高調波に対する位相整合帯域は、パラエトリック増幅に対する位相整合帯域よりも狭いが、基本波光のレーザ光の線幅はよりは十分広い(ＳＨＧ過程を示す図８（ｂ）)。パラメトリック増幅過程においては、信号光波長を変化させても、周波数２ω０－ωｓの変換光と励起光との間で、式２を満たす限りは同じ変換効率が得られる。このとき、実効屈折率ｎｓおよびｎｃも変化するが、材料の分散によりｎｓが大きくなった分ｎｃが小さくなることで信号光波長を変えても（式２）を満たすことができ、パラメトリック増幅過程を示す図８（ａ）に示めすような広い波長変換帯域となり、２つのＰＰＬＮデバイスで異なる位相整合特性となる。
　第３の実施例の波長変換装置７００の動作が説明される。本実施例では、ＥＤＦＡ１０２ａを駆動するための基本波励起用の光源１０１ａの電流値（調整パラメータ）を制御し、これによりＰＰＬＮ導波路への基本波励起光の入力パワーを調整し、ＰＰＬＮ導波路から光ファイバへ出力される信号光及び波長変換光のパワーを安定化させている。基本波励起用の光源１０１ａから出力された基本波励起光はＥＤＦＡ１０２ａによって増幅されたのちに、バンドパスフィルタによって不要なＡＳＥ光が除去され、信号光と第一の光分岐カプラ１０５ａを通じて合波される。信号光と基本波励起光は非線形光学素子（ＰＰＬＮ導波路）へ入力され、ＰＰＬＮ導波路内部で基本波励起光により発生した第二高調波励起光と信号光とのパラメトリック増幅過程により、波長変換光が発生する。基本波励起光の残渣成分・信号光・変換光及びパラメトリック増幅過程で生成されたＡＳＥなどの基本波波長帯成分と、第二高調波励起光はＰＰＬＮ導波路から出力され、ダイクロイックミラー型分波器によって第二高調波励起光と、基本波波長帯成分とに分離される。基本波波長帯成分はその一部を第二の光分岐カプラ１０５ｂによって分岐され、第二のＢＰＦ７０１ｂによって基本波励起光を含まない、基本波励起光波長近傍の波長成分が取り出されたのち、光強度検出器１０６によって光強度に比例した電気信号に変換される。ここで、第二のＢＰＦ７０１ｂで基本波励起光近傍波長を取り出す理由が述べられる。非線形光学デバイス１０３のＰＰＬＮ導波路を用いた波長変換や光パラメトリック増幅を行う場合、信号光は基本波励起光の波長(縮退波長)とその近傍の波長を用いることができない。これは波長変換光が基本波励起光の波長を中心に折り返す形で現れるためであり、この波長近傍の信号光を入力した場合、変換光も同じ波長に出力されてしまうため、干渉してしまい、分離ができなくなるためである。このため、縮退波長近傍は本質的に利用することがないため、モニタ光として利用しても他の信号光に与える影響が少ない利点をもつ。次に、縮退波長近傍は温度に対する変換効率の変動がＳＨＧ効率の変動と同じ形になり、最適温度で変換効率の頂点を迎える形状となる。このため、非線形光学デバイス１０３と同様の方法で最適温度への制御が可能となる。ただし基本波励起光波長の残渣成分を含んでしまうと、基本波励起光は励起光率がよくなるほどに光パワーが減ってしまうため、今回の最大出力への安定化制御には適さない挙動となるためにＢＰＦは基本波励起光成分を含まない近傍波長に設定している。モニタ出力の電気信号はＰＩＤ制御コントローラ１０７を介してＥＤＦＡ１０２ａを駆動するための電流制御器１０８ａにフィードバックされ、これによりパラメトリック増幅後の出力パワーが設定した目標値となるように制御されている。この出力パワーに関し、ＰＰＬＮ導波路の温度をT-2ΔT～T＋2ΔTまでΔT間隔で変化させてＥＤＦＡ１０２ａの電流値（調整パラメータ）をモニタし、設定温度Ｔを設定する処理を行い、ＥＤＦＡ１０２ａの設定電流値をモニタして、電流値が最低となるようにＰＰＬＮ導波路の設定温度にフィードバックをかける制御は実施例１と同じである。このような制御を行うことで、ＰＰＬＮ導波路の温度を最適温度に保ちながら、パラメトリック増幅後の出力光の強度を一定値に制御することが可能となる。
(実施例４)
　図９に本発明の実施例の波長変換器および光パラメトリック増幅器を含む波長変換装置９００の構成が示される。この実施例の４の波長変換装置９００の波長変換器および光パラメトリック増幅器は、第二高調波励起用の光源１０１ｂと、可変光減衰器（ＶＯＡ）１０２ｃ、第一の光分岐カプラ１０５ａ、第一の光強度検出器１０６ａ、非線形光学デバイス１０３と温度調整器１０４、第二の光分岐カプラ１０５ｂ、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）７０１、第二の光強度検出器１０６ｂ、比例・積分・微分(Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ－Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ：ＰＩＤ)コントローラ１０７、電圧制御器１０８ｂ、および制御信号生成器１０９を備えている。非線形光学デバイス１０３の入力端に、信号光の概ね半分の波長を有する二倍波の波長帯の光と前記信号光の波長帯の光とを合波する第一の波長合分波機構が配置され、非線形光学デバイス１０３の入力端に信号光の波長帯の光を入射する入射ポートと、前記二倍波の波長帯の光を入射する入射ポートを有する。非線形光学デバイス１０３の出力端に、二倍波の波長帯の光と信号光の波長帯の光とを分波する第二の波長合分波機構が配置される。
　本実施例は、ＰＰＬＮ導波路に第二高調波励起光と信号光を入力してパラメトリック増幅過程を引き起こし、パラメトリック増幅の出力光パワーの安定化とＰＰＬＮ導波路の温度の最適化を同時に行う方法を提示するものである。
　ＰＰＬＮ導波路は入出力に信号光波長帯と第二高調波励起光を合分波するダイクロイックミラー型合分波器を備えており、入力信号光、波長変換光、第二高調波励起光の間で擬似位相整合を満たす周期分極反転構造を有するＰＰＬＮ導波路を備えている。すなわち、信号光・変換光・第二高調波励起光の導波路中の実効屈折率をそれぞれｎｓ・ｎｃ・ｎｐとして（式２）を満たす反転周期Λの分極反転構造が備えられる。
　第４の実施例の波長変換装置９００の動作が説明される。本実施例では、ＶＯＡ１０２ｃを駆動する電圧値（調整パラメータ）を制御することによってＰＰＬＮ導波路への第二高調波励起光の入力パワーを調整し、ＰＰＬＮ導波路から光ファイバへ出力される信号波長帯の出力光パワーを安定化させている。第二高調波励起用の光源１０１ｂから出力された光はＶＯＡ１０２ｃによってパワーを調整されたのちに、ＰＰＬＮ導波路へダイクロイックミラーを介して結合される。このとき、第二高調波励起光の一部は第一の光分岐カプラ１０５ａによって分離され、第一の光強度検出器によって、光強度に応じた電気信号に変換されている。ダイクロイックミラーのもう一方からは信号光が入力され、ＰＰＬＮ導波路へ結合される。ＰＰＬＮ導波路内部ではパラメトリック増幅過程により、増幅された信号光と新たに生成された波長変換光及びＡＳＥ光が第二高調波励起光の残渣成分とともにＰＰＬＮ導波路から出力され、ダイクロイックミラー型分波器によって分波される。信号光波長帯の一部は第二の光分岐カプラ１０５ｂによって分岐され、ＢＰＦ７０１によって第二高調波励起光の倍の波長成分、すなわち基本波励起光波長の近傍波長が切り出され、光強度検出器１０６によって光強度に比例した電気信号に変換される。電気信号はＰＩＤ制御コントローラ１０７を介してＶＯＡ１０２ｃを駆動するための電圧制御器１０８ｂにフィードバックされる。これにより、パラメトリック増幅後の信号波長帯の出力パワーが設定した目標値となるように制御されている。ＰＰＬＮ導波路の温度をT-2ΔT～T＋2ΔTの範囲で、ΔT間隔で変化させてＶＯＡ１０２ｃの電圧値（調整パラメータ）をモニタし、設定温度Ｔを設定する処理を行う。第一の光強度検出器１０６ａからの電気信号の値が最低値となるように、制御信号生成器１０９を介して温度調整器１０４にフィードバックされている。このような制御をすることで、ＰＰＬＮ導波路の温度を常時最適な温度に調整し、パラメトリック増幅後の出力パワーを安定化させることが可能になる。
　本実施例ではＶＯＡ１０２ｃを用いて光強度を調整しているが、第二高調波励起用の光源１０１ｂを駆動する電気信号にフィードバックをかけて、パラメトリック増幅後の出力光パワーの安定化をし、駆動する電気信号をモニタして、ＰＰＬＮ導波路の温度の最適制御をかけてもよい。
　第二高調波励起用の光源１０１ｂは、直接第二高調波励起光波長を出力できるレーザダイオードを用いてもよいが、基本波励起光波長の光を出力する光源とその第二高調波を発生させる非線形光学デバイスとの組み合わせでもよい。
　二倍波光源の実現手段としては、二倍波の波長を出力するレーザを準備するか、基本波の波長を出力するレーザの第二高調波をとるかの２通りがある。
　二倍波光源は、信号光の概ね半分の波長の光を出力するレーザダイオードと、レーザダイオードの駆動用の電流制御器、ＶＯＡ、光分波器、光検出器のいずれか、又はそれらの組み合わせで構築される。
　又は、二倍波光源は、信号光の波長帯の波長の光を出力するレーザダイオードとレーザダイオードの駆動用の電圧制御器１０８ｂと光増幅器１０２ｂと非線形光学デバイス、ＶＯＡ１０２c、第二の光分岐カプラ１０５ｂの光分波器、第一の光強度検出器１０６ａのいずれか、もしくはそれらの組み合わせで構築される。

Claims (8)

  1. 　非線形光学素子を有して波長変換を行う波長変換装置であって、
    　前記非線形光学素子に入力する光のパワーを調整する光パワー調整手段と、
    　前記非線形光学素子の出力からの出力光を電気信号に変換し前記光パワー調整手段にフィードバックするためのモニタ光検出手段と、
    　前記非線形光学素子から出力する光のパワーが一定値となるように、前記光パワー調整手段が調整する光パワーに対応した調整パラメータを設定する制御手段と、
    　前記非線形光学素子の温度を調節する温度調整手段と、
    を備え、
    　前記制御手段は、前記温度調整手段によって複数の異なる温度の設定を行うようにし、前記複数の設定された温度それぞれに対応して設定される前記調整パラメータにおいて、最も小さな調整パラメータに対応する温度を、前記温度調整手段が前記非線形光学素子の温度を調節する際の目標温度に設定することを特徴とする波長変換装置。
  2. 　非線形光学効果を用いて波長変換を行う装置であって、
    　基本波光から波長の異なる変換光を発生させる二次非線形光学素子と、前記非線形光学素子の入力端に基本波の波長帯の光を入射する基本波入射ポートと、前記非線形光学素子の出力端から前記基本波の半分の波長帯の光を出射する二次高調波出射ポートと、前記二次非線形光学素子の温度を調整する温度調整機構を備えた波長変換装置であって、
    　前記二次非線形光学素子の基本波入射ポート側に、モニタ出力を備えた前記基本波光のパワー調整機構と、
    　前記二次非線形光学素子の前記二次高調波出射ポート側に、前記二次高調波を分離する分波器と、前記二次高調波の光強度を検出する光検出器と、
    　前記二次高調波の光検出器からの信号をもとに、前記パワー調整機構を制御し、前記二次高調波の出力を一定値に保つ帰還回路と、
    　前記二次非線形光学素子の温度調整機構の設定温度を微小量変動させ、前記パワー調整機構のモニタ出力をもとに、前記二次非線形光学素子の温度の最適値からの誤差を取得し、二次高調波が最も効率よく出力される最適温度に前記温度調整機構を制御する制御器と、
    　を備えることを特徴とする波長変換装置。
  3. 　前記基本波入射ポートの前段に信号光を合波する合波器を有し、基本波出射ポートと前記非線形光学素子の間には前記基本波光の半分の波長を有する二倍波の波長帯の光と、前記基本波光の波長帯の光とを分離する波長合分波機構が配置され、
    　前記非線形光学素子の出力端から基本波の波長帯の光を出射するポートを備えており、
    　前記分波器と前記光検出器は、前記基本波の波長帯の出射ポートの後段に配置され、
    　前記分波器と前記光検出器の間に光バンドパスフィルタを有し、
    前記帰還回路は前記光検出器からの信号を元に、前記パワー調整機構を制御し、信号光出力を一定値に保つことを特徴とする請求項２に記載の波長変換装置。
  4. 　前記光パワー調整機構は、光増幅器、可変光減衰器、光分波器、光検出器のいずれか、又はそれらの組み合わせで構築されることを特徴とする、請求項２に記載の波長変換装置。
  5. 　非線形光学効果を用いて波長変換を行う装置であって、
    　二次高調波光を励起光として信号光と波長の異なる変換光を発生させる二次非線形光学素子と、
    　前記二次非線形光学素子の入力端に、前記信号光の概ね半分の波長を有する二倍波の波長帯の光と前記信号光の波長帯の光とを合波する第一の波長合分波機構が配置され、
    　前記非線形光学素子の入力端に信号光の波長帯の光を入射する入射ポートと、前記二倍波の波長帯の光を入射する入射ポートを有し、
    　前記二次非線形光学素子の出力端に、前記二倍波の波長帯の光と前記信号光の波長帯の光とを分波する第二の波長合分波機構が配置され、
    　前記二次非線形光学素子の出力端に信号光の波長帯の光を出射する出射ポートと、前記二倍波の波長帯の光を出射する出射ポートを有し、
    　前記二次非線形光学素子の温度を調整する温度調整機構を備えた波長変換装置であって、
    　前記二次非線形光学素子の二倍波入射ポート側に、モニタ出力を備え、パワー調整機構を有し二倍波光源を有し、
    　前記二次非線形光学素子の前記信号光波長帯の出射ポート側に、信号波長帯の光を分離する分波器と、前記信号波長帯の光の光強度を検出する光検出器を有し、
    　前記分波器と前記光検出器の間に光バンドパスフィルタを有し、
    　前記信号波長帯の光の光検出器からの信号をもとに、前記二倍波光源のパワー調整機構を制御し、前記信号光波長帯の変換光出力を一定値に保つ帰還回路を有し、
    　前記二次非線形光学素子の温度調整機構の設定温度を微小量変動させ、前記パワー調整機構のモニタ出力をもとに、前記二次非線形光学素子の温度の最適値からの誤差を取得し、前記信号光波長帯の変換光が最も効率よく出力される最適温度に前記温度調整機構を制御する制御器を備えることを特徴とする波長変換装置。
  6. 　前記二倍波光源は、前記信号光の概ね半分の波長の光を出力するレーザダイオードと前記レーザダイオードの駆動用の前記制御器である電流制御器、可変光減衰器、光分波器、前記光検出器のいずれか、又はそれらの組み合わせで構築される、又は、
    　前記二倍波光源は、前記信号光の波長帯の波長の光を出力するレーザダイオードと前記レーザダイオードの駆動用の前記制御器である電流制御器と光増幅器と前記二次非線形光学素子、可変光減衰器、光分波器、前記光検出器のいずれか、もしくはそれらの組み合わせで構築される請求項５に記載の波長変換装置。
  7. 　前記非線形光学素子が、ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、又はＬｉＮｂ(x) Ｔａ(1-x) Ｏ3 （０≦ｘ≦１）又は、それらのうち一にＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする請求項1乃至６いずれか一項に記載の波長変換装置。
  8. 　非線形光学素子を有して波長変換を行う波長変換装置の駆動方法であって、
    　前記非線形光学素子に入力する光のパワーを調整するステップと、
    　前記非線形光学素子の出力からの出力光を電気信号に変換し光パワー調整手段にフィードバックするためのステップと、
    　前記非線形光学素子から出力する光のパワーが一定値となるように、前記光パワー調整手段が調整する光パワーに対応した調整パラメータを設定するステップと、
    　前記非線形光学素子の温度を調節するステップと、
    を備え、
    　前記調整パラメータの設定は、前記温度の調整によって複数の異なる温度の設定を行うようにし、前記複数の設定された温度それぞれに対応して設定される前記調整パラメータにおいて、最も小さな調整パラメータに対応する温度を、前記温度の調整が前記非線形光学素子の温度を調節する際の目標温度に設定することを特徴とする波長変換装置の駆動方法。
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