(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶材料に入射する信号光と、該信号光と異なる波長のポンプ光を同時に入射することにより、前記信号光とポンプ光のエネルギー差に対応する波長の変換光を得る波長変換デバイスにおいて、前記結晶材料が、ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３及び／又はＫ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３なる組成を有し、中心対称性を有する立方晶の結晶であり、前記結晶材料に電界を印加する電極を具備し、前記電極により前記結晶材料に電界を印加することにより２次の非線形光学効果を発現させることを特徴とする波長変換デバイス。
【請求項２】
前記結晶材料に印加する電界を変調することにより変換光を変調することを特徴とする請求項１に記載の波長変換デバイス。
【請求項３】
前記結晶材料に前記信号光とポンプ光の間に疑似位相整合条件が成立する電極幅を有する櫛形電極を具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換デバイス。
【請求項４】
前記電極において少なくとも２つ以上の異なる周期を有する電極を具備することを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の波長変換デバイス。
【請求項５】
前記結晶材料に印加する電界が、少なくとも２つの異なる方向に印加される電極構造を有することを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の波長変換デバイス。
【請求項６】
前記組成の異なるＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３及び／又はＫ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３で作製された屈折率の高いコアと屈折率の低いクラッドを具備することを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の波長変換デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光計測に用いられる波長変換デバイスに関し、より詳細には、高効率かつ低ノイズな波長変換が必要な光信号処理に利用可能である波長変換デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、波長可変レーザとして、高出力なレーザ光を種々の結晶や液体、気体媒質に照射することによって、レーザ光の発振していない波長域に変換したり、広い領域で波長可変の光源にすることができる。この技術は一般に非線形光学技術を言われている。この非線形光学技術として、２次の非線形光学効果を利用した波長変換素子の材料としては、無機結晶が多くの波長変換素子に使用されているのが現状である。
【０００３】
この種の波長変換素子を実現するには、材料の非線形光学定数を有効に利用するため、導波路型とする場合が多い。波長変換デバイスとしてこれまで提案されているものには、光半導体の相互利得変調や相互位相変調、四光波混合（３次の非線形分極を利用した光混合）がある。
【０００４】
また位相整合法は、無機材料ＫＴＰ、ＬｉＮｂＯ３で有効な方法とされており、基本波による非線形分極波と発生した伝搬高周波との打ち消しが生じない疑似位相整合を用いることも提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
現在、主に開発が進められている光半導体を用いる波長変換では、光半導体の自然放出光による雑音が大きく、キャリアの移動による速度制限があり、高速で低ノイズが必要とされる光通信や光計測分野では利用できない。また、高速・低ノイズ波長変換デバイスとしてＬｉＮｂＯ３の疑似位相整合デバイスが提案されているが、変換効率が十分ではなく、必要とする変換効率を得るためには５ｃｍ以上の相互作用長を必要とするという欠点があり、結晶の方位によって変換効率が大きく異なるという偏波依存性があるという問題点があった。
【０００６】
さらに、疑似位相整合のための分極反転には、高電圧をかけたポーリングを必要とされ、歩留まりが低いという問題もあった。さらに、ポーリングによって形成する分極反転は特定の波長に位相整合するよう形成されるため、ポンプ光の波長は固定する必要があった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高効率・低ノイズ波長変換を結晶のポーリングを行うことなく実現でき、変換光の電界によるスイッチングおよび変調を可能とする波長変換デバイスを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、結晶材料に入射する信号光と、該信号光と異なる波長のポンプ光を同時に入射することにより、前記信号光とポンプ光のエネルギー差に対応する波長の変換光を得る波長変換デバイスにおいて、前記結晶材料が、ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３及び／又はＫ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３なる組成を有し、中心対称性を有する立方晶の結晶であり、前記結晶材料に電界を印加する電極を具備し、前記電極により前記結晶材料に電界を印加することにより２次の非線形光学効果を発現させることを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記結晶材料に印加する電界を変調することにより変換光を変調することを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記結晶材料に前記信号光とポンプ光の間に疑似位相整合条件が成立する電極幅を有する櫛形電極を具備することを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかに記載の発明において、前記電極において少なくとも２つ以上の異なる周期を有する電極を具備することを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかに記載の発明において、前記結晶材料に印加する電界が、少なくとも２つの異なる方向に印加される電極構造を有することを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかに記載の発明において、前記組成の異なるＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３及び／又はＫ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３で作製された屈折率の高いコアと屈折率の低いクラッドを具備することを特徴とするものである。
【００１５】
つまり、本発明では、波長変換を実現する媒体としてＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３および／あるいはＫ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３なる組成を有する結晶を用いる。これらＫＴＮならびにＫＬＴＮ結晶は、使用温度域で立方晶であり、波長変換に不可欠な非線形光学効果を有していないが、電界を印加することで、２次の非線形効果を発現するという特徴を有している。
【００１６】
この非線形光学効果の効率は、印加する電界に比例して増加し、かつ実用的な印加電界の範囲で既存の非線形光学結晶であるＬｉＮｂＯ３の２倍以上の効率が実現できる。従って、既存のＬＮの波長変換デバイスと同じ相互作用長で有れば４倍以上の効率、同じ効率ならば１／２以下の相互作用長で波長変換を実現できる。さらに、電界を印加しない場合はＫＴＮおよびＫＬＴＮ結晶は、単なる透明媒質であり、信号光に何ら変化を与えない。すなわち、電界のＯＮ−ＯＦＦによって変換光をＯＮ−ＯＦＦできるという機能を持たせることが可能であり、さらに印加電界を変調すれば、変換光を変調できる。
【００１７】
また、ＬＮ結晶は三方晶であり、最も高い非線形効果を得るには、ｃ軸と入射光の偏光を合致させる必要があり、疑似位相整合もｃ軸方向の自発分極を反転させることで実現されている。したがって、ＬＮの波長変換デバイスでは、作製された疑似位相整合の方向で変換可能な光の偏波方向が規定され、その他の偏光では変換されない。一方、ＫＴＮおよびＫＬＴＮは等方的な結晶であり、電界の印加方向に非線形性が発現するため、例えば電極を直交する２方向に電界がかかるような構成とすれば容易に偏波無依存の波長変換デバイスが実現できるという利点がある。
【００１８】
また、ＬＮで必要とする結晶のポーリングも不必要で、電極を形成で容易に疑似位相整合を実現できるという利点もある。これは、異なる周期の電極を数種類、結晶表面上に形成しておけば、その周期に応じたポンプ光の波長を選択することが可能であり、波長変換デバイスに機能を付与することが可能である。さらに、本発明で用いる波長変換の原理は、２次の非線形効果である差周波発生によるものであり、ＴＨｚ以上の高速性と原理的にノイズフリーという利点もあり、光半導体を用いる波長変換では実現できない性能を実現できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【００２０】
［実施例１］
本実施例では、ＫＬＴＮ結晶材料を用いて第２次高調波を発生させることにより、ＫＬＴＮ結晶材料の波長変換能力を確認する。
【００２１】
図１は、ＫＬＴＮ結晶を用いた第２次高調波発生の構成例を示す図で、ＫＬＴＮ結晶は、両面を光学研磨した０．５ｍｍ厚の板であり、入射面内に金を蒸着した電極を有しており、電極から銅線を用いて直流電源に接続している。また、この結晶材料は、ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３及び／又はＫ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３なる組成を有する結晶である。
【００２２】
基本波発生装置１により発生された基本波は、Ｎｄ：ＹＡＧのＱスイッチレーザとエキシマレーザの差周波による１．５５μｍ光を用い、偏光子２により電界と平行な方向に偏波を制御し、レンズ３を介して回転ステージ５に搭載されたＫＬＴＮ結晶４の電極間に入射している。ＫＬＴＮ結晶４は、電界の方向を軸に回転し、発生したＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）光を、レンズ６を介して偏光子７を通し、さらにフィルタ８を介して入射光と同じ偏光方向の光のみを光電子増倍管８に入射している。
【００２３】
この方法により、発生するＳＨＧ光の入射角依存性を測定した。同様のセットアップで、Ｘ−ｃｕｔのＬＮのＺ軸方向に基本波を入射し、ＳＨＧ光を測定し、ＫＬＴＮのＳＨＧ光強度と比較した。その結果は図２に示されている。図中ａは、実施例１のＫＬＴＮ結晶からの第２次高調波、ｂは標準試料として用いたＬＮからの第２次高調波を各々示している。この図２に示すように、電界を印加したＫＬＴＮ結晶から明らかにＳＨＧ光ａが発生し、この結晶が電界の印加により波長変換機能を有していることが明らかとなった。
【００２４】
この図２に示されているＳＨＧ光強度の角度依存性は、結晶の非線形性のコヒーレント長と基本波の相互作用長の関係によるものであり、そのピーク間隔から、ＫＬＴＮ内部に形成されている有効な電界の深さが推定できる。この場合は、約０．２ｍｍと推定できる。１ＫＶ／ｃｍの電界の印加により得られたＳＨＧ強度はＬＮの約１０倍であり、非線形定数に換算して約７９ｐｍ／Ｖに対応する。これは従来報告されている非線形光学結晶のうち、最も高い非線形定数である。
【００２５】
また、上述した測定で電極作製していない面に、上述した電極と直交するように電極を配置し、両面の電極に１ＫＶ／ｃｍの電界を印加し、基本波を垂直入射した。この場合、直交する２つの偏波に対して、同じ強度のＳＨＧ光が観測でき、ＫＬＴＮ結晶が、電界の印加方向により、任意の偏波を有する信号光の波長変換が可能であることを明らかにした。
【００２６】
さらに、図３に、電界のＯＮ−ＯＦＦして測定したＳＨＧ光強度の時間変化を示す。図３から明らかなように、電界の印加によりＳＨＧ光が発生し、ＯＦＦすることにより消失していることがわかる。従って、電界を印加しない場合、ＫＬＴＮ結晶は単なる透明な媒体として働き、電界のＯＮ−ＯＦＦで変換光をＯＮ−ＯＦＦできるスイッチとしての機能を有することがわかる。さらに非線形定数が印加電圧に比例して変化することから、単なるスイッチとしてではなく、電界で変換光強度を変調できることも明らかである。
【００２７】
［実施例２］
フォトリソグラフィーと液相エピタキシー技術を用いて、矩形の導波構造を作製した。作製したＫＬＴＮ導波路１３の屈折率差は２．５％であり、高次モードのカットオフ波長は０．６μｍである。これにより長波長は単一モード導波路として機能する。作製した導波路長は３ｃｍであり、導波路の損失は０．１５ｄＢ／ｃｍであった。
【００２８】
このようにして作製された波長変換デバイスを図４に示す。基板１５は導電性のあるＬａ添加のＳｒＴｉＯ３を用い、上部電極１４には金蒸着されている。電極のピッチは、０．７７５μｍをポンプ光として１．５５μｍ帯の波長変換するために必要な疑似位相整合を実現するグレーティングピッチに対応している。この場合、電極ピッチは１２μｍとなる。電極に１ＫＶ／ｃｍに対応する電圧を印加し、入射端から偏波保持ファイバを用いて、１．５４μｍの信号光と０．７７５μｍのポンプ光を同時に入射し、出射光を、光スペクトラムアナライザを用いて測定した。
【００２９】
図５は、波長変換後のスペクトルを示す図で、図中符号ｃは入力信号光、ｄはポンプ光の２次回折光、ｅは変換光を示している。この図５から明らかなように、差周波発生による波長変換が実現されていることが明らかである。さらに、信号光および変換光はパラメトリック増幅されており、入力信号光に対する変換光の利得は約１５ｄＢに達している。これは、従来のＬＮの波長変換デバイスでは実現できない、高い利得を示している。また、この場合の変換効率も印加電界の強度で変化させることが可能であり、電界をＯＦＦにすると信号光のみが出力される。さらに、ポンプ光強度を一定にし、入力信号光強度を変化させ、出力信号光強度をモニターしながら出力変換光強度が一定になるよう、電界を制御することも可能であった。
【００３０】
本実施例では、ＫＬＴＮを導波路に用いたが、ＫＴＮを導波路に用いても同様の波長変換が実現できた。ＫＴＮ導波路はＫＬＴＮ導波路に比べ、温度に対して敏感に効率が変化するという傾向があった。
【００３１】
［実施例３］
上述した実施例２で用いた波長変換デバイスに、図６に示すような電極を付加したデバイスを作製し、実施例２と同様の波長変換の実験を行った。図中符号１９はＫＬＴＮ導波路、２０はＴＭ偏波を変換するためのＴＭ偏波用上部電極、２１はＴＥ偏波を変換するためのＴＥ偏波用電極、２２は、ＴＭ偏波用下部電極および基板として用いたＬａ添加ＳｒＴｉＯ３である。今回は、ＴＥ−ＴＭ両偏波について、波長変換特性を測定した。
【００３２】
図９（ａ），（ｂ）は、各電極の導波路と垂直な断面図を示した図で、図（ａ）はＴＭ偏波用の電極配置、図（ｂ）はＴＥ偏波用の電極配置を各々示している。図中符号３１は基板、３２は導波路を示している。電界分布が電極構成により異なるため、ＴＥ−ＴＭで同じ変換効率を得るには、ＴＥ偏光はＴＭ偏光の約１．５倍の電界を必要とした。しかし、印加電界を調整することにより、容易に偏波無依存の波長変換が実現できた。また、電界のＯＮ−ＯＦＦにより、一方の偏波のみの波長変換を実現することも可能であった。
【００３３】
［実施例４］
上述した実施例３で使用したデバイスとほぼ同様の構成で、周期の異なる電極を４種類、導波路の長手方向に作製したデバイスを用いて波長変換の実験を行った。図７は、このようにして作製された波長変換デバイスの構成を示す図で、図中符号２３はＫＬＴＮ導波路、２４は上部電極、２５は下部電極および基板として用いたＬａ添加ＳｒＴｉＯ３である。
【００３４】
それぞれの周期で位相整合するポンプ波長は、０．７７０、０．７７２、０．７７４、０７７６μｍである。信号光として１．５３μｍの波長を選択した。この４波長のポンプ光および１波長の信号光を導波路に入射した。上述した４種類の電極に１ＫＶ／ｃｍに対応する電圧を順番に印加し、変換光をスペクトラムアナライザで測定した。その結果の波長変換スペクトルは図８に示されている。これによれば変換光は電圧を印加する電極を変えることにより、変換する波長が順次変化することがわかる。また、電気的に変換する波長を制御した波長変換でバイアスとして機能することがわかる。また、電圧を数種類の電極に印加することで、数種類の波長に同時に変換することが可能である。これはマルチキャスト等に使用する波長変換デバイスとして、利用が可能であることが明らかである。
【００３５】
なお、Ｅ１〜Ｅ４を全てＯＮにした場合、Ｅ１による変換で発生した１５５２ｎｍの光がさらにＥ２やＥ３で変換を受けて波長の異なる光が発生するが、図８に示した波長変換スペクトルでは、それら多重変換によって発生する光はフィルタによってカットした結果を示している。
【００３６】
［実施例５］
上述した実施例３で用いた波長変換デバイスを用い、１６０Ｇｂｉｔ／ｓに変調された信号光（１．５４３μｍ）と０．７７５μｍのポンプ光（ＣＷ光）を用いて波長変換を行い、雑音指数の測定を行った。光学的ならびに電気的に測定した雑音指数は０．５ｄＢ以下であり、波長変換による雑音の増加は認められなかった。このように、光半導体を用いる波長変換デバイスでは応答不可能は高速な信号に対しても応答可能で、かつノイズフリーな波長変換が実現出来ることが明らかになった。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、結晶材料に入射する信号光と、信号光と異なる波長のポンプ光を同時に入射することにより、信号光とポンプ光のエネルギー差に対応する波長の変換光を得る波長変換デバイスにおいて、結晶材料が、ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３及び／又はＫ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３なる組成を有し、中心対称性を有する立方晶の結晶であり、結晶材料に電界を印加する電極を具備し、電極により結晶材料に電界を印加することにより２次の非線形光学効果を発現させるようにしたので、従来では実現できなかった高効率・低ノイズ波長変換を結晶のポーリングを行うことなく実現でき、さらに変換光の電界によるスイッチングおよび変調を可能とした。
【００３８】
さらに、従来では実現できなかった偏波無依存の波長変換も可能とした。これにより、光通信分野に利用される光ルーティングに不可欠な光信号処理が可能となり、簡易で安価な構成でルーターを実現できる。この波長変換は雑音が無く、多段に波長変換を繰り返しても信号の劣化が生じないと言う特徴があり、信号処理を繰り返し行うルーターなどに利用できる。さらに、光計測の分野では、超高速の光信号を高効率でＤＥＭＵＸすることが可能になり、超高速光信号計測器が簡便な構成で作製できるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における第２次高調波発生に用いた装置の構成図である。
【図２】実施例１における第２次高調波の発生例を示す図である。
【図３】実施例１において、印加電界をＯＮ−ＯＦＦして得られた第２次高調波を示す図である。
【図４】実施例２で作製した波長変換デバイスの構成例を示す図である。
【図５】実施例２における波長変換後のスペクトルを示す図である。
【図６】実施例３で作製した波長変換デバイスの構成例を示す図である。
【図７】実施例４で作製した波長変換デバイスの構成例を示す図である。
【図８】実施例４における波長変換スペクトルを示す図である。
【図９】（ａ），（ｂ）は、各電極の導波路と垂直な断面図を示した図で、（ａ）はＴＭ偏波用の電極、（ｂ）はＴＥ偏波用の電極を各々示す図である。
【符号の説明】
１  基本波発生装置
２，７偏光子
３，６  レンズ
４  試料
５回転ステージ
８  フィルタ
９  光電子増倍管
１３  ＫＬＴＮ導波路
１４  上部電極
１５  下部電極ならびに基板として用いたＬａ添加ＳｒＴｉＯ３
１９  ＫＬＴＮ導波路
２０  ＴＭ偏波用上部電極
２１  ＴＥ偏波用電極
２２  ＴＭ偏波用下部電極および基板として用いたＬａ添加ＳｒＴｉＯ３
２３  ＫＬＴＮ導波路
２４  上部電極
２５  下部電極および基板として用いたＬａ添加ＳｒＴｉＯ３
３１  基板
３２  導波路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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