(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元非線形光学効果を有し、非線形定数を周期的に変調した非線形光学媒質からなる非線形光導波路と、信号光を入力する信号光入力導波路と、制御光を入力する制御光入力導波路と、前記信号光入力導波路と前記制御光入力導波路に結合し信号光と制御光を合波して前記非線形光導波路に入力する導波路光カプラと、前記非線形光導波路から出力される波長変換光とそれ以外の光とを分離する光分離手段とを具備する光波長変換装置であって、前記非線形光導波路は、前記信号光の一つの偏波について最低次モードのみを導波し、前記制御光の前記信号光の一つの偏波については多モードを導波する構成を有し、制御光入力導波路は、前記制御光の一つの偏波、前記制御光の１つの偏波と直交する別の偏波については最低次モードのみを導波し、前記別の偏波の最低次モードの制御光を位相板を用いて前記一つの偏波の最低次モードの制御光に変換する構成を有し、前記非線形光導波路に伝搬する制御光を前記偏波の最低次モードのみとすることを特徴とする光波長変換装置。
【請求項２】
前記制御光入力導波路がコアが亜鉛（Ｚｎ）を添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からなり、クラッドがマグネシウム（Ｍｇ）を添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からなり、ニオブ酸リチウムのＺ軸方向に垂直な偏波方向に対する前記コア部と前記クラッド部の屈折率の差が、Ｚ軸方向に平行な偏波方向に対する屈折率の差よりも小さくなるように、亜鉛とマグネシウムの添加量を調整することを特徴とする請求項１に記載の光波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光波長変換装置に関し、特に、光通信、光情報処理の分野において、信号光の波長を別の波長に変換する光駆動型の光波長変換装置に適用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、二次元非線形光学効果を有する非線形光学媒質で構成された光導波路中で生じる差周波発生効果を利用した光波長変換装置が知られている。図４は、この種の光波長変換装置を示すものであり、情報を持った信号光の波長を制御光によって別の波長へと変換する。
【０００３】
以下、差周波発生効果を利用した光波長変換装置の場合について説明する。図４に示すように、従来の差周波発生効果を利用した光波長変換装置は、信号光Ａを入力する信号光入力導波路１１と、制御光Ｂを入力する制御光入力導波路１２と、信号光Ａと制御光Ｂとを合波する導波路光カプラ１３と、二次の非線形効果を有する非線形光導波路１４と、制御光Ｂと差周波光Ｃとを分散する分波器１５とで構成されている。
【０００４】
前記信号光入力導波路１１を伝搬する比較的小さな光強度を持つ信号光Ａと制御光入力導波路１２を伝搬する比較的大きな光強度を持つ制御光Ｂとを導波路光カプラ１３で合波し、非線形光導波路１４に入力する。これにより、非線形光導波路１４中で信号光Ａは別の波長を持つ差周波光Ｃへと変換され、制御光Ｂと共に非線形光導波路１４から出力される。差周波光Ｃと制御光Ｂは分波器１５により分離される。
【０００５】
差周波発生過程においては、信号光Ａの波長λＡと、制御光Ｂの波長λＢと、差周波光Ｃの波長λＣの間には、数１の式の関係がある。
【０００６】
【数１】１／λＡ＋１／λＣ＝１／λＢ
従って、例えば、信号光Ａの波長λＡ＝１．５５μｍを差周波光の波長λＣ＝１．５３μｍに変換する場合、制御光Ｂの波長λＢを０．７７μｍに設定すれば良い。
【０００７】
また、一般に、光学結晶で作られた導波路の非線形光学効果を利用する場合、非線形定数の方位依存性と位相整合条件から制御光、信号光の偏光方向をある一定方向をそろえる必要がある場合が多い。例えば、非線形材料としてよく知られているニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を例にとると、結晶のＺ軸に垂直な平面内（ｚ面）に導波路を形成した場合、波長変換を引き起こすためには信号光と制御光の偏光をＺ軸に平行（ＴＭモード）にする必要がある。
【０００８】
非線形光導波路中で非線形現象である波長変換を効率良く引き起こすためには、制御光の光導波路内での閉じ込めを強くして非線形効果を大きくするとともに、制御光と信号光の光導波路内における電界分布の重なりを良くして両光の相互作用を強める必要がある。従って、非線形光導波路中を伝搬する信号光と制御光はともに最低次モードであることが望ましい。
【０００９】
しかし、信号光と制御光を最低次モードとする上で、信号光と制御光の波長が大きく異なっていることが問題となる。例えば、通信波長領域である波長１．５μｍ帯における波長変換を考えると、信号光が波長１．５μｍ帯にあるのに対し、制御光の波長は０．７７μｍの近傍になる。通常の導波路では、波長１．５μｍ帯で最低次モードのみが伝搬するように設定すると波長０．７７μｍでは必ず複数のモ−ド（多モ−ド）が伝搬するようになる。逆に、波長０．７７μｍで最低次モードを伝搬するように設定すると、波長１．５μｍ帯では光の閉じ込め機能がなくなり、光は伝搬できない。
【００１０】
従って、非線形光導波路としては、波長１．５μｍ帯で最低次モ−ドを伝搬し、波長０．７７μｍで多モードを伝搬するものが用いられる。ただ、制御光を多モード状態で伝搬させた場合には、非線形光導波路内での閉じ込めも信号光との電界分布の重なりも悪い。従って、効率良い波長変換を達成するためには、非線形光導波路へ制御光を選択的に最低次モードとして入力させる必要がある。
【００１１】
従来、制御光を最低次モードとして非線形光導波路に入力する方法として、制御光入力導波路としてテーパ状の周期的セグメント導波路を用いた入力方法が知られている。この入力方法は、例えば、０ｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ誌．２３巻（１９９８年）．１３号．１００４頁に公刊されている。
【００１２】
以下、この入力方法について簡単に説明する、図５にテーパ状の周期的セグメント導波路を用いた光波長変換装置の構成を示す。図５に示すように、光波長変換装置は、信号光入力導波路２１と、制御光が入力するテーパ状の周期的セグメント導波路２２と、導波路光カプラ２３と、非線形光導波路２４と分波器２５とで構成されている。制御光はテーパ状の周期的セグメント導波路２２において最低次モード化され、導波路光カプラ２３及び非線形光導波路２４中も最低次モードとして伝搬する。このように、テーパ状の周期的セグメント導波路を制御光入力導波路として用いることにより、非線形光導波路中での制御光の最低次モード伝搬が可能となっている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかるテーパ状の周期的セグメント導波路を用いる方法では、テーパ状の周期的セグメント導波路を精度良く作製することが難しいという問題があった。
【００１４】
導波路形状の設計値からのズレがモード電界分布のずれや結合損失に直接繋がり、結果として高効率光波長変換素子の歩留まりを向上することが難しい。
【００１５】
本発明の目的は、簡単な構成で歩留まりも良く、非線形光導波路中での制御光の基本モード伝搬が可能な光波長変換装置を提供することにある。
【００１６】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【００１８】
本発明は、二次元非線形光学効果を有し、非線形定数を周期的に変調した非線形光学媒質からなる非線形光導波路と、信号光を入力する信号光入力導波路と、制御光を入力する制御光入力導波路と、前記信号光入力導波路と前記制御光入力導波路に結合し信号光と制御光を合波して前記非線形光導波路に入力する導波路光カプラと、前記非線形光導波路から出力される波長変換光とそれ以外の光とを分離する光分離手段とを具備する光波長変換装置であって、前記非線形光導波路は、前記信号光の一つの偏波について最低次モードのみを導波し、前記制御光の前記信号光の一つの偏波については多モードを導波する構成を有し、制御光入力導波路は、前記制御光の一つの偏波、前記制御光の１つの偏波と直交する別の偏波については最低次モードのみを導波し、前記別の偏波の最低次モードの制御光を位相板を用いて前記一つの偏波の最低次モードの制御光に変換する構成を有し、前記非線形光導波路に伝搬する制御光を前記偏波の最低次モードのみとする。
【００１９】
また、前記制御光入力導波路がコアが亜鉛（Ｚｎ）を添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からなり、クラッドがマグネシウム（Ｍｇ）を添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からなり、ニオブ酸リチウムのＺ軸方向に垂直な偏波方向に対する前記コア部と前記クラッド部の屈折率の差が、Ｚ軸方向に平行な偏波方向に対する屈折率の差よりも小さくなるように、亜鉛とマグネシウムの添加量を調整する。
【００２０】
以下に、本発明について、本発明による実施形態（実施例）とともに図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明による実施形態の光波長変換装置は、二次元非線形光学効果を利用した非線形光導波路の構成材料としては、通常、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）等の光学結晶を用いられるが、これらの光学結晶は光学的異方性を有しており、これらの光学結晶で構成された光導波路の伝搬モードの状態は、伝搬する光の偏光方向によって異なる。また、光導波路を構成する光学結晶に異種の材料を添加することにより、この偏光方向ごとの伝搬モード特性を制御することが可能である。
【００２２】
ここで、光導波路のコアにＺｎを添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を用い、クラッドにマグネシウム（Ｍｇ）を添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を用いた場合を例にして、この伝搬モード特性の制御について述べる。
【００２３】
図１は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）にＺｎまたはＭｇを添加した場合の添加量に対する屈折率変化を図示したものであり、何も添加されていないニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）の屈折率を基準にした変化分を％表示として示している。ここで、ｎｏとｎｅはそれぞれＺ基板上に導波路を形成した場合の水平方向偏光（ＴＥモード）に対する屈折率変化分と垂直方向偏光（ＴＭモード）に対する屈折率変化分を示す。
【００２４】
図１からわかるように、ＺｎまたはＭｇの添加による屈折率変化はｎｏとｎｅで大きく異なる。例えば、コアにＺｎ、クラッドにＭｇを添加することを想定すると、特に、クラッドのＭｇの添加量が８モル（ｍｏｌ）％以下の場合ＴＭモードの屈折率変化の方がＴＥモードのそれを上回る。
【００２５】
一方、コアのＺｎの添加量が１０モル（ｍｏｌ）％以下の場合は、ＴＥモードの屈折率変化の方が、ＴＭモードよりも大きくなるが、添加量が１０モル（ｍｏｌ）％に近くなると、その差は小さくなって行く。このような性質を利用してＺｎ添加によるｎｅとｎｏの差よりもＭｇ添加による差が大きくなるように、各添加量を調整すると、ＴＭモードにおいては波長の長い信号光を閉じこめるのに十分なコア・クラッド間の屈折率差を確保しつつ、波長の短い励起光の入射のみに利用するＴＥモードにおけるコア・クラッド間の屈折率差をＴＭモードよりも小さくなるように、設定することができる。そのようにコアとクラッドの比屈折率差をＴＥモードとＴＭモードで大きく違え、ＴＥモードにおいてシングルモード伝搬となるように適当なコアの寸法を特定することにより、波長変換に用いられるＴＭモードにおいては多モードでありながら、ＴＥモードにおいては、シングルモード伝搬が可能な非線形光導波路を構成することができる。例えば、光導波路のコアのＺｎ添加量を１０モル（ｍｏｌ）％として、クラッドのＭｇ添加量を５モル（ｍｏｌ）％程度とした場合には、コアとクラッドの比屈折率差はＴＥモードに対して０．５％、ＴＭモードに対して０．８％となる。これに導波路の構造に応じてＴＥモードにおいてシングルモード伝搬が得られる適当なコアの寸法を設定することにより、制御光波長においては、ＴＭモードは多モードでありながら、ＴＥモードは最低次モードのみが伝搬する非線形光導波路を構成することができる。
【００２６】
次に、制御光の２つの直交する偏波成分間に半波長分の位相差を生じさせる位相板を制御光入力導波路の途中に位相板の複屈折の軸が制御光の偏光方向に対して４５度をなす角度で配置することにより、ＴＥの最低次モ−ドとして入力した制御光は、位相板によってＴＭの最低次モードに変換される、これにより、非線形光導波路内を制御光はＴＭの最低次モードとして伝搬することができる。
【００２７】
次に、上述した制御光のモード変換を用いた本発明による光波長変換装置の構成例を図２及び図３に基づいて説明する。
【００２８】
図２は、本発明による実施形態の光導波路の構造を示す断面図である。図２に示すように、本実施形態の光導波路は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）基板４１上には、Ｍｇが添加されたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からなる下部クラッド層４２、Ｚｎが添加されたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からなるコア層４３、Ｍｇが添加されたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からなる上部クラッド層４４が順次積層されている。
【００２９】
ここで、光導波路の作製方法について説明する、厚さ５００μｍのニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）基板４１上に、膜厚が３０μｍでＭｇが５モル（ｍｏｌ）％添加されたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からなる下部クラッド層４２、膜厚が２．４μｍでＺｎが１０モル（ｍｏｌ）％添加されたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からなるコア層４３をエピタキシャル成長により形成する。そして、イオンエッチングによリコア層の幅を２．４μｍに加工した後、膜厚が１０μｍでＭｇが５モル（ｍｏｌ）％添加されたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からなる上部クラッド層４４を再度エピタキシャル成長することにより光導波路を作製する。
【００３０】
これらの諸元で作製した光導波路では、制御光波長０．７７μｍにおいてＴＭモードとして２モードが、ＴＥモードとして最低次モードのみが伝搬可能である。また、信号光波長である１．５μｍ帯では、ＴＭモードとして最低次モードが伝搬可能であるが、ＴＥモードはほとんど伝搬機能を有しない。
【００３１】
図３は、本発明による実施形態の光波長変換装置の概略構を示す模式図であある。本実施形態の光波長変換装置は、図３に示すように、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）のＺ面基板５１上にエピタキシャル成長等によって作製された信号光を入力する信号光入力導波路５２と、制御光を入力する制御光入力導波路５３と、信号光入力導波路５２と制御光入力導波路５３に結合し信号光と制御光を合波する導波路光カプラ５４と、周期的分極反転構造を有する長さ３ｃｍの非線形光導波路５５と、非線形光導波路５５から出力される光の中から差周波光とそれ以外の光とを分離する分波器（ダイクロイックミラー）５６と、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）で作製され制御光波長０．７７μｍにおいて、二つの直交する偏波成分間に実質的に半波長分の位相差を生じさせる複屈折を有し制御光入力導波路の途中に複屈折の軸が制御光の偏光方向に対して実質的に４５度をなす角度で挿入された位相板５７によって構成される。信号光入力導波路５２から非線形光導波路５５までの各光導波路はすべて図２の光導波路構造を有し、基板５１上にモノリシックに作製されている。位相板５７は制御光入力導波路５３にダイシングソーを用いて掘られた溝に挿入されている。非線形光導波路５５の周期的分極反転構造は周期的電圧印加法により作製されている。作製した周期的分極反転の周期は１９μｍで、波長０．７７μｍの制御光において、波長１．５３５μｍの信号光を波長１．５５０μｍの差周波光に変換することができる。
【００３２】
次に、本実施形態の光波長変換装置の波長変換動作を図３を用いて説明する。
【００３３】
図３において、波長１．５３５μｍの信号光Ａは、ＴＭ最低次モードとして信号光入力導波路５２に入力し、導波路光カプラ５４を経て、非線形導波路５５内をＴＭ最低次モードとして伝搬する。一方、波長０．７７μｍの制御光ＢはＴＥ最低次モ−ドとして制御光入力導波路５３に入力し、途中の位相板５７で偏光方向が９０度回転させられＴＭ最低次モードに変換される。ＴＭ最低次モードに変換された制御光Ｂは、導波路光カプラ５４を経て、非線形光導波路５５内をＴＭ最低次モードとして伝搬する。非線形光導波路５５内を伝搬する信号光Ａは、制御光Ｂとの非線形相互作用によって差周波光Ｃに変換される。変換された差周波光Ｃはダイクロイックミラー５６を経て出力として取り出される。
【００３４】
前記本実施形態では、信号光を１ｍＷ、制御光Ｂを３５ｍＷ入射したところ、１ｍＷの差周波光Ｃが得られ、１００％という極めて高い波長変換効率が得られた。
【００３５】
なお、本実施形態では、位相板の材料としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を用いたが、他のポリイミド等の複屈折を有する材料を用いても同様の効果を得ることができる。
【００３６】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００３７】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【００３８】
本発明によれば、光導波路のモード制御と位相板を組み合わせた簡便な方法により、非線形光導波路内において制御光を基本モードで伝搬させることができ、信号光との強い非線形相互作用による高い波長変換効率を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）にＺｎまたはＭｇを添加した場合の添加量に対する屈折率変化を図示したものである。
【図２】本発明による実施形態の光導波路の構造を示す断面図である。
【図３】本発明による実施形態の光波長変換装置の概略構を示す模式図である。
【図４】従来の差周波発生効果を利用した光波長変換装置の構成を示す模式図である。
【図５】従来のテーパ状の周期的セグメント導波路を用いた光波長変換装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１１…信号光入力導波路、１２…制御光入力導波路、１３…導波路光カプラ、１４…非線形光導波路、１５…分波器、２１…信号光入力導波路、２２…テーパ状の周期的セグメント導波路、２３…導波路光カプラ、２４…非線形光導波路、２５…分波器、４１…基板、４２…下部クラッド層、４３…コア層、４４…上部クラッド層、５１…基板、５２…信号光入力導波路、５３…制御光入力導波路、５４…導波路光カプラ、５５…非線形光導波路、５６…分波器（ダイクロイックミラー）、５７…位相板、Ａ…信号光、Ｂ…制御光、Ｃ…差周波光。
【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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