(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２入力２出力の第１の光合波器の２つの出力ポートと、２入力２出力の第２の光合波器の２つの入力ポートとをそれぞれ接続する２つの光経路に２次の光非線形媒質を挿入した非線形マッハツェンダ干渉計を備え、
前記第１の光合波器の２つの入力ポートに信号光および励起光をそれぞれ入力し、前記第２の光合波器の２つの出力ポートの一方から信号光および波長変換光を出力し、他方から励起光を出力する構成である
ことを特徴とする光パラメトリック回路。
【請求項２】
請求項１に記載の光パラメトリック回路において、
前記２次の光非線形媒質は光導波路により構成されることを特徴とする光パラメトリック回路。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光パラメトリック回路において、
前記２つの光経路に挿入される２次の光非線形媒質は、同一の光非線形媒質基板に形成された２つの光導波路により構成されることを特徴とする光パラメトリック回路。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の光パラメトリック回路において、
前記２次の光非線形媒質は疑似位相整合が図られていることを特徴とする光パラメトリック回路。
【請求項５】
請求項１に記載の光パラメトリック回路において、
前記非線形マッハツェンダ干渉計は、２次の光非線形媒質基板上に形成された光導波路により構成されることを特徴とする光パラメトリック回路。
【請求項６】
請求項５に記載の光パラメトリック回路において、
前記２次の光非線形媒質基板上に形成された光導波路の全体または一部が疑似位相整合光導波路であることを特徴とする光パラメトリック回路。
【請求項７】
請求項１に記載の光パラメトリック回路において、
前記非線形マッハツェンダ干渉計に入力する信号光と励起光の波長差が  １００ｎｍ以内であることを特徴とする光パラメトリック回路。
【請求項８】
請求項１に記載の光パラメトリック回路において、
前記非線形マッハツェンダ干渉計に入力する励起光を発生する励起光源を含む構成であることを特徴とする光パラメトリック回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光非線形媒質の２次の光パラメトリック効果を利用して入力信号光の波長変換を行い、また入力信号光に対する波長変換光の増幅を可能にする光パラメトリック回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の波長変換には、光信号を電気信号に変換することなく、光のままで波長変換を行う素子が開発されている。このような素子には、半導体光増幅器や光ファイバの四光波混合を用いるものや、半導体光増幅器のクロスゲイン変調やクロスフェイズ変調を用いたものなどがある。
【０００３】
半導体光増幅器を用いた四光波混合では、図８（ａ）  に示すように、光非線形媒質である半導体光増幅器９１に信号光と励起光を入力し、励起光波長に対して信号光波長と対称な波長の波長変換光（四光波混合光）を発生させ、光フィルタ９２で信号光および励起光から分離して取り出す。
【０００４】
半導体光増幅器のクロスゲイン変調では、図８（ｂ）  に示すように、波長λｐ  の励起光を入力して利得飽和状態にした半導体光増幅器９３に、異なる波長λｓ  の信号光を入力すると、信号光強度が強いときに励起光波長λｐ  に対する利得が低下する。これにより、波長λｐ  の励起光は信号光の反転論理で出力され、光フィルタ９４で波長λｓ  の信号光から分離して波長変換光として出力される。
【０００５】
半導体光増幅器のクロスフェイズ変調は、図８（ｃ）  に示すように、波長λｐ  の励起光を光カプラ９５−１で２分岐して２つの半導体光増幅器９６−１，９６−２に入力し、波長λｓ  の信号光を光カプラ９５−２を介して反対方向から一方の半導体光増幅器９６−１に入力し、２つの半導体光増幅器９６−１，９６−２の出力光を光カプラ９５−３で合波する構成である。半導体光増幅器９６−１に信号光を入力すると屈折率が変化し、通過する励起光の位相が変化する。そのため、２つの半導体光増幅器９６−１，９６−２の出力端に取り出される各励起光の位相が異なり、光カプラ９５−３で結合すると、位相変化が強度変化となって現れる。したがって、光カプラ９５−３の出力端には、波長λｓ  の信号光と同じ論理の波長λｐ  の励起光が波長変換光として出力される。
【０００６】
以上の半導体光増幅器を用いた構成は、いずれも使用する半導体素子の応答速度に限界があり、４０Ｇｂｉｔ／ｓ  以上の高速信号を処理するには、技術的な困難さと経済的な負担が大きい。これらの限界を打破する手段として、光ファイバ等の光カー媒質中における四光波混合が検討されているが、光ファイバ素子は小型化に不利であり、また十分な変換効率を得ることも難しい。
【０００７】
また、高速信号の波長変換を手軽に実現する手段として、光非線形媒質中での光パラメトリックダウン変換を用いる方法も検討されているが、励起光として信号光波長の２倍波を用意する必要があり、新たな励起光源の開発のために負担が大きい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような問題に対して、光非線形媒質中での光カスケーディングを用いた波長変換が検討されている。光カスケーディングとは、信号光と同じ波長帯の励起光を光非線形媒質に入力し、光非線形媒質中での光パラメトリックアップ変換により励起光の２倍波を発生させた後に、再び信号光との光パラメトリックダウン変換により波長変換光を得る方法である。この光カスケーディングでは、励起光の波長が光源技術の進んでいる信号光波長帯と同一になり、高出力で高品質の励起光を得ることが容易となる。これにより、小型の光非線形媒質で効率の高い波長変換が可能になっている（参考文献：Ｍ．Ｈ．Ｃｈｏ  他、フォトニクスレター誌、１１号、６５３  頁、１９９９年）。
【０００９】
しかし、信号光波長と励起光波長の帯域が同じであるので、光非線形媒質の出力側で励起光を遮断する高性能の光フィルタが不可欠となる。また、高性能の光フィルタを不要とするには、励起光の波長付近に信号光波長を設定しないようにするガードバンドが必要となり、光ネットワークの波長設定の大きな制限要因となる。
【００１０】
本発明は、光フィルタを用いずに信号光および波長変換光と励起光とを分離して取り出すことができ、波長変換素子として波長空間を効率よく利用することができる光パラメトリック回路を提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明は、波長変換と物理的に同じプロセスで、入力信号光に対して増幅された波長変換光を出力する光パラメトリック増幅器として利用できる光パラメトリック回路を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
図１は、本発明の光パラメトリック回路の基本構成を示す。
図において、本発明の光パラメトリック回路は、内部の２つの光経路に２次の光非線形媒質を有する非線形マッハツェンダ干渉計により構成される。２つの入力ポートからそれぞれ入力された励起光と信号光は光合波器１０で合波され、２つの光経路に分岐してそれぞれ光非線形媒質１１，１２に入力される。光非線形媒質１１，１２からそれぞれ出力される励起光、信号光、波長変換光は光合波器１３で合波され、２つの出力ポートに信号光および波長変換光と励起光とに分離して出力される。
【００１３】
信号光および励起光をＥｓ  ，Ｅｐ  、その光角周波数をωＳ  ，ωＰ  とすると、光合波器１０で合波して光非線形媒質１１，１２に入力される光Ｅ１  ，Ｅ２  は、
【００１４】
【数１】
0003545660.tif 000002
となる。この光が光非線形媒質１１，１２に入力されると、光カスケーディングにより波長変換光が発生し、それぞれの出力光Ｅ１′，Ｅ２′は、
【００１５】
【数２】
0003545660.tif 000003
となる。ここで、ηは光カスケーディングによる波長変換効率であり、真空誘電率をε０（Ｆｍ−２）  、励起光の光角周波数をωＰ（ｒａｄ／ｓ）、光速をｃ（ｍ／ｓ）、光非線形媒質の屈折率をｎ、有効長をＬ  （ｍ）  、有効断面積をＡ（ｍ２）、２次の非線形係数をｄ（ｍ／Ｖ）、励起光パワーをＰＰ  （Ｗ）とすると、
η＝（ωＰ２／ε０３ｃ３ｎ３Ａ）２ｄ４Ｌ４ＰＰ２／１６
＝η′×（Ｌ４ＰＰ２／１６）                        …（５）
となる。ここで、η′は材料パラメータである。また、ここでは単純化のために、信号光および励起光のエネルギーを不変としているが、厳密には光パラメトリック過程において信号光は増幅され、励起光は減衰することになる。
【００１６】
さらに、光非線形媒質１１，１２の出力光Ｅ１′，Ｅ２′を光合波器１３で合波すると、２つの出力ポートに取り出される出力光Ｅｓ′，Ｅｐ′は、
【００１７】
【数３】
0003545660.tif 000004
となる。ここで、（６）  式の第１項は信号光、第２項は波長変換光であり、（７）  式は励起光であり、信号光および波長変換光と励起光とが分離して取り出されることがわかる。そのため、励起光波長と信号光波長が極めて近接（例えば、波長差１００  ｎｍ以内（請求項７））していても、出力側では信号光および波長変換光に対する励起光の漏れ込みを抑えることができる。
【００１８】
また、（６）  式において、η＞＞１となるときは、入力信号光に対して波長変換光が増幅されることになり、本光パラメトリック回路は光パラメトリック増幅器として機能する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態：請求項１，７，８）
図２は、本発明の光パラメトリック回路の第１の実施形態を示す。なお、信号光の波長は光伝送において有利な１５５０ｎｍ帯とする。
【００２０】
図において、半導体レーザ光源２１は電源２２により駆動され、波長１５５０．５ｎｍで発振している。信号光と半導体レーザ光源２１から出力される励起光は、非線形マッハツェンダ干渉計２３の２つの入力ポートにそれぞれ入力される。非線形マッハツェンダ干渉計２３は、２入力２出力の光合波器２４，２５の間の２つの光経路に光非線形媒質２６，２７を挿入した構成である。なお、光非線形媒質は、２次の非線形屈折率を有する光パラメトリック結晶で構成される。
【００２１】
非線形マッハツェンダ干渉計２３の光合波器２４に入力された信号光および励起光は、（１），（２）  式で示される光となり、それぞれ対応する光非線形媒質２６，２７に入力される。光非線形媒質２６，２７では、励起光がパラメトリックアップ変換により倍周波の  ７８０ｎｍ帯に一度変換された後に、再び１５５０ｎｍ帯の信号光とパラメトリック過程を起こして波長変換光を発生させ、（３），（４）  式で示されるような光となって光合波器２５に入力される。光合波器２５の一方の出力ポートには  （６）式で示されるような信号光および波長変換光が出力され、他方の出力ポートには  （７）式で示されるような励起光が出力される。
【００２２】
ここで、光非線形媒質２６，２７としてＡＡＮＰ結晶を用いる。その有効断面積Ａ＝５０μｍ２  、２次の非線形係数ｄ＝８０ｐｍ／Ｖとすると、
η′＝３．６  ×１０−５（ｍＷ−２ｃｍ−４）
となる。励起光パワーＰＰ  ＝  ５００ｍＷ、光非線形媒質２６，２７の長さＬ＝  ０．５ｃｍとすると、（５）  式に示す波長変換効率ηは約０．０３５  となり、−１４．６ｄＢの変換効率が得られる。
【００２３】
なお、光非線形媒質２６，２７を構成する光パラメトリック結晶としては、ＡＡＮＰ結晶の他に同じ有機材料としてＭＭＡポリマやＤＡＮ結晶、無機結晶としてＬｉＮｂＯ３  、ＬｉＴａＯ３  、ＫＴＰ  （ＫＬｉＯＰＯ４）、ＫＤＰ  （ＫＨ２ＰＯ４）、ＫＮｂＯ３等を用いることができる。
【００２４】
（第２の実施形態：請求項２）
図３は、本発明の光パラメトリック回路の第２の実施形態を示す。本実施形態の特徴は、図２に示す第１の実施形態の光非線形媒質２６，２７が、異なる光パラメトリック結晶基板３１，３２に作りこまれた光導波路３３，３４によって構成されたところにある。
【００２５】
ここで、光導波路３３，３４を作りこむ光パラメトリック結晶基板３１，３２としてＬｉＮｂＯ３  結晶を用いる。その有効断面積Ａ＝５０μｍ２  、２次の非線形係数ｄ＝４０ｐｍ／Ｖとすると、
η′＝２．２５×１０−６（ｍＷ−２ｃｍ−４）
となる。励起光パワーＰＰ  ＝  ２５０ｍＷ、光導波路３３，３４の長さＬ＝  ０．５ｃｍとすると、−３２．６ｄＢの変換効率が得られる。なお、光導波路３３，３４を作りこむ光パラメトリック結晶基板３１，３２としては、ＬｉＴａＯ３  、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＫＮｂＯ３等を用いてもよい。
【００２６】
（第３の実施形態：請求項３）
図４は、本発明の光パラメトリック回路の第３の実施形態を示す。本実施形態の特徴は、図３に示す第２の実施形態の異なる光パラメトリック結晶基板３１，３２の光導波路３３，３４が、同一の光パラメトリック結晶基板３５上に作りこまれたところにある。特性的には、第２の実施形態と同じである。光導波路３３，３４を作りこむ光パラメトリック結晶基板３５としては、ＬｉＮｂＯ３  、ＬｉＴａＯ３  、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＫＮｂＯ３等を用いることができる。
【００２７】
（第４の実施形態：請求項４）
図５は、本発明の光パラメトリック回路の第４の実施形態を示す。本実施形態の特徴は、図４に示す第３の実施形態の光パラメトリック結晶基板３５に、疑似位相整合光導波路３６，３７を作りこむところにある。疑似位相整合は、プロトン注入によるドメイン反転により実現される。これにより、光導波路長を長くしても、励起光と信号光間の位相整合条件を満足させることができる。なお、図３に示す第２の実施形態の光パラメトリック結晶基板３１，３２に疑似位相整合光導波路３６，３７を作りこんでもよい。
【００２８】
ここで、疑似位相整合光導波路３６，３７を作りこむ光パラメトリック結晶基板３５（３１，３２）としてＬｉＮｂＯ３  結晶を用いる。その有効断面積Ａ＝５０μｍ２  、２次の非線形係数ｄ＝４０ｐｍ／Ｖとすると、
η′＝２．２５×１０−６（ｍＷ−２ｃｍ−４）
となる。励起光パワーＰＰ  ＝  ２５０ｍＷ、疑似位相整合光導波路３６，３７の長さＬ＝  １．７ｃｍとすると、−１１．３ｄＢの変換効率が得られる。なお、光パラメトリック結晶基板３５（３１，３２）としては、ＬｉＴａＯ３  、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＫＮｂＯ３等を用いてもよい。
【００２９】
（第５の実施形態：請求項５）
図６は、本発明の光パラメトリック回路の第５の実施形態を示す。本実施形態の特徴は、非線形マッハツェンダ干渉計２３全体が光パラメトリック結晶基板３８上の光導波路で構成されたところにあり、図４に示す第３の実施形態の光パラメトリック結晶基板３５上に作りこまれた光導波路３３，３４と同様の光導波路が形成される。なお、光合波器２４，２５も導波路型の光カプラで構成される。
【００３０】
ここで、光パラメトリック結晶基板３８としてＬｉＮｂＯ３  結晶を用い、光導波路３３，３４の長さＬ＝  ０．５ｃｍ、その有効断面積Ａ＝５０μｍ２  、２次の非線形係数ｄ＝４０ｐｍ／Ｖとし、励起光パワーＰＰ  ＝  ５００ｍＷとすると、−１４．５ｄＢの変換効率が得られる。なお、光パラメトリック結晶基板３８としては、ＬｉＴａＯ３  、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＫＮｂＯ３等を用いてもよい。
【００３１】
（第６の実施形態：請求項６）
図７は、本発明の光パラメトリック回路の第６の実施形態を示す。本実施形態の特徴は、図６に示す第５の実施形態の構成と図５に示す第４の実施形態を組み合わせたものであり、非線形マッハツェンダ干渉計を構成する光導波路の一部が疑似位相整合光導波路３６，３７になる。これにより、波長変換が可能な帯域幅の拡大が図れるとともに、導波路長が長くなることにより高い変換効率が得られる。この導波路長を６ｃｍ、励起光パワーＰＰ  ＝  ５００ｍＷとして導波路損失を無視すれば、波長変換光は入力信号光よりも１６．６ｄＢ増幅されたレベルで出力される。
【００３２】
ただし、実際には導波路損失が問題になり、ＬｉＮｂＯ３  導波路の損失は−０．８  ｄＢ／ｃｍであるので、導波路長６ｃｍで約５ｄＢの損失となる。したがって、実際には１２ｄＢ程度の変換効率となり、波長変換と同時に光パラメトリック増幅が可能となる。
【００３３】
なお、光パラメトリック結晶基板３８としては、ＬｉＴａＯ３  、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＫＮｂＯ３等を用いてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光パラメトリック回路は、非線形マッハツェンダ干渉計を用いることにより、信号光および波長変換光と励起光とを分離して取り出すことができる。これにより、光フィルタを用いなくても、信号光および波長変換光への励起光の漏れ込みを抑圧することができ、さらにフィルタリングに必要であったガードバンドが不要となり、与えられた波長空間を有効活用することができる。
【００３５】
また、励起光パワーや光非線形媒質の長さ等を適当に設定することにより、入力信号光に対する波長変換光の光パラメトリック増幅を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光パラメトリック回路の基本構成を示す図。
【図２】本発明の光パラメトリック回路の第１の実施形態を示す図。
【図３】本発明の光パラメトリック回路の第２の実施形態を示す図。
【図４】本発明の光パラメトリック回路の第３の実施形態を示す図。
【図５】本発明の光パラメトリック回路の第４の実施形態を示す図。
【図６】本発明の光パラメトリック回路の第５の実施形態を示す図。
【図７】本発明の光パラメトリック回路の第６の実施形態を示す図。
【図８】従来の波長変換素子の基本構成を示す図。
【符号の説明】
１０，１３  光合波器
１１，１２  光非線形媒質
２１  半導体レーザ光源
２２  電源
２３  非線形マッハツェンダ干渉計
２４，２５  光合波器
２６，２７  光非線形媒質
３１，３２，３５，３８  光パラメトリック結晶基板
３３，３４  光導波路
３６，３７  疑似位相整合光導波路
【図１】
0003545660.tif 000005
【図２】
0003545660.tif 000006
【図３】
0003545660.tif 000007
【図４】
0003545660.tif 000008
【図５】
0003545660.tif 000009
【図６】
0003545660.tif 000010
【図７】
0003545660.tif 000011
【図８】
0003545660.tif 000012