(57)【要約】【課題】擬似位相整合を実現して波長変換を行う、擬似位相整合型波長変換素子について、群速度を一致させると共に、同一偏光を用いることで、非線形光学テンソルの成分の中で最大のものを用いる。【解決手段】基板１０と、基板に形成された導波路２０であって、伝播軸２１に沿った第１の方向に、周期的に分極反転された導波路２０とを備え、非線形光学定数ｄ３３を利用できる。導波路は、伝播軸に直交する第２の方向に２以上の領域に分割されて、第２の方向に隣接する領域間で、分極方向が反転している。【選択図】図１
2006251696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板に形成された導波路であって、伝播軸に沿った第１の方向に、周期的に分極反転された当該導波路と
を備え、非線形光学定数ｄ３３を利用できる波長変換素子であって、
前記導波路は、前記伝播軸に直交する第２の方向に２以上の領域に分割されて、前記第２の方向に隣接する領域間で、分極方向が反転している
ことを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記導波路は、前記伝播軸に直交する第２の方向に３つの領域に分割されて、前記第２の方向に隣接する領域間で、分極方向が反転している
ことを特徴とする波長変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、波長多重光通信等に利用される波長変換素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットの普及等により通信需要が急速に増大している。それに対応して光ファイバ等を用いた高速でかつ大容量の光ネットワークが整備されつつある。このような光ネットワークでは、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方法が注目されている。ＷＤＭ光通信ネットワークを実現するためには、波長変換装置が必要とされる。例えば、光クロスコネクトノードに波長変換装置を採用すると、チャンネル間の衝突の回避や、波長の再利用が可能となる等の利点があるからである。
【０００３】
波長変換には様々な方法があるが、非線形光学結晶を用いて、信号光とポンプ光との差周波を発生させ、この結果得られる差周波光を変換光として出力する方法が通例となっている。一般的に、異なる波長間では非線形光学結晶の屈折率が異なっているため、ポンプ光と、信号光との間に伝播定数の差が生じる。この伝播定数の差に起因する位相差が、ポンプ光、及び信号光の伝播距離と共に変化するので、差周波発生の変換効率を高めることは困難である。
【０００４】
差周波発生の変換効率を高めるために、波長変換装置を構成する波長変換素子として、周期的ドメイン反転構造が形成された光導波路によって、擬似位相整合（ＱＰＭ：Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ  Ｍａｔｃｈｉｎｇ）を実現して波長変換を行う、擬似位相整合型波長変換素子（以下、ＱＰＭ型波長変換素子と称することもある。）が開発されている。
【０００５】
しかし、ＱＰＭ型波長変換素子では、最適化された反転周期に対応した波長では変換効率が高いものの、その波長からずれると、急速に変換効率が低下してしまう欠点を有していた。この変換効率の低減の程度は、ポンプ光と変換光の群速度の逆数の差に比例し、また、ポンプ光のパルス速度と変換光のパルス速度の差にも対応する。ポンプ光にパルスを使用した場合には、発生した変換光との間にパルス速度の速度差があるため、ある伝播距離では、二つの光の重なりがなくなり、変換効率が低下したり、また、パルス形状が劣化したりするとの報告がある。
【０００６】
これらの問題を解決する方法としてＱＰＭとともに、ポンプ光と変換光の偏光を異なるものにして、異なる波長間での群速度を一致させるものがある（例えば、特許文献１参照）。また、群速度差を補償するために、複数の経路を用意しておいて、波長毎に別の経路をとらせるものがある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−３７２７３１号公報
【特許文献２】米国特許第６６８７０４２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非線形光学テンソルの成分（非線形光学定数）の中で最大のｄ３３は、２つの光の偏光方向が一致している場合に利用できるものであるので、特許文献１に開示されているように、ポンプ光と変換光の偏光を異なるものにする場合には、使用することができない。また、特許文献２に開示されているように、波長毎に別の経路をとる場合には、構造が複雑になる。
【０００８】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、群速度を一致させると共に、同一偏光を用いることで、非線形光学テンソルの成分の中で最大のものを用いる波長変換素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した目的を達成するために、この発明の非線形光学定数ｄ３３を利用できる波長変換素子は、基板と、基板に形成された導波路とを備えている。導波路は、伝播軸に沿った第１の方向に、周期的に分極反転されていると共に、伝播軸に直交する第２の方向に２以上の領域に分割されて、第２の方向に隣接する領域間で、分極方向が反転した構成となっている。
【００１０】
上述した波長変換素子の実施にあたり、導波路は、伝播軸に直交する第２の方向に３つの領域に分割されているのが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
この発明の波長変換素子によれば、伝播軸に直交する方向に沿って、分極方向が反転しているので、０次の伝播モードの信号光及び変換光に対し、波長が短いポンプ光の伝播モードを高次にモード変換され、波長の短いポンプ光に対する、等価屈折率を小さくすることができる。これは、同じ伝播モードでの、屈折率の波長依存性と反対の傾向であるので、変換光及び信号光と、ポンプ光との群速度差を補償できる。
【００１２】
また、同一偏光を用いるので、最大の非線形光学定数であるｄ３３を用いることができ、従って、変換光率の高い波長変換素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の構成および配置関係についてはこの発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成の組成（材質）および数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００１４】
図１を参照して、この発明の波長変換素子につき説明する。図１は、波長変換素子を説明するための概略的な模式図である。
【００１５】
波長変換素子１００は、基板１０に導波路２０を設け、さらに基板１０及び基板１０の導波路２０の部分に分極反転構造を作りつけたＱＰＭ型波長変換素子である。分極反転構造は、第１ドメイン３２と第２ドメイン３４とから構成されている。なお、図１では、図を明確にするために、第２ドメイン３４にハッチングを付している。第１ドメイン３２と第２ドメイン３４とは、基板１０の素材である強誘電体結晶の自発分極の向きが互いに１８０度の関係となっている。基板１０を構成する素材には、例えばｚカットされたＬｉＮｂＯ3基板が使われる。以後の説明において、特に断らない限り、強誘電体結晶基板としてｚカットされたＬｉＮｂＯ3基板を対象として取り上げることとする。
【００１６】
図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照して基板１０の分極反転について説明する。図２（Ａ）は、分極反転する前の状態を示す側面図であり、また、図２（Ｂ）は、分極反転された後の状態を示す側面図である。
【００１７】
ｚカットされたＬｉＮｂＯ3基板は、その表面に直交する方向に自発分極の向きが揃えられているシングルドメイン結晶基板である。ここでは、自発分極ベクトルの終端側の面を＋ｚ面１２、自発分極ベクトルの初端側の面を−ｚ面１４としている（図２（Ａ））。
【００１８】
このＬｉＮｂＯ3基板で周期的に分極を反転させて、分極反転領域（第２ドメイン）３４を形成する。従って、分極反転構造は、シングルドメイン結晶基板としての自発分極が保たれている領域（第１ドメイン）３２と自発分極の方向が反転された第２ドメイン３４とで構成される。すなわち、第１ドメイン３２の自発分極の向きは、−ｚ面から＋ｚ面に向かう方向であるのに対して、第２ドメイン３４の自発分極の向きは、＋ｚ面から−ｚ面に向かう方向である（図２（Ｂ））。
【００１９】
自発分極が反転している領域の形成は、ｚカットされたＬｉＮｂＯ3基板の自発分極の方向を反転させる領域に、Ｔｉを高温熱拡散するか或いは高電圧を印加することで行えることが知られている。Ｔｉを高温熱拡散するには第２ドメイン３４が形成される部分に、真空蒸着法等でＴｉ薄膜を５０ｎｍの厚さに形成し、約１０００℃で１０時間程度熱拡散すれば良い。高電圧を印加して自発分極の方向を反転させるには、第２ドメイン３４が形成される部分に電極を形成して高電圧を瞬間的に印加すれば良い。
【００２０】
続いて、ｚカットされたＬｉＮｂＯ3基板１０に光導波路２０を形成する。光導波路２０は、安息香酸を交換源としたＨ+−Ｌｉ+イオン交換法（プロトン交換法とも呼ばれる。）によって形成できることが知られている。例えば、光導波路２０を形成する領域のみを空けてその他の領域を金属マスクで覆った状態で、２００℃の安息香酸中に２時間浸して、金属マスク及び安息香酸を除去し、３５０℃のＡｒ雰囲気中で６時間アニール処理することで形成される。
【００２１】
図１を参照して、分極反転構造のパターンについて説明する。基板１０のｚ面（図２（Ａ）及び（Ｂ）では、符号１２を付した部分）上に、導波路２０が形成される第１の方向、すなわち、伝播軸２１に沿って周期的に第１領域１６及び第２領域１８を設定する。この周期はＱＰＭを実現するために適したＱＰＭ周期Λにするのが良い。また、ＱＰＭ型波長変換素子では、デューティ比を１：１にすることによって、波長変換効率を最大にすることができる。ここでは、第１領域１６の導波路２０の伝播方向に沿った長さｄ１と、第２領域１８の導波路２０の伝播方向に沿った長さｄ２を、ともにΛ／２とするのが好適である。
【００２２】
導波路２０は、第１の方向である伝播軸２１に対して直交する第２の方向に３分割されて、中央部２２と、中央部２２の両側の２つの周辺部２４となる。第１領域１６の部分であって、導波路２０の中央部２２に属する領域を第３領域２６とし、第２領域１８の部分であって、導波路２０の中央部２２に属する領域を第４領域２８とする。この例では、第３領域２６を除いた第１領域１６の部分、及び第４領域２８を第１ドメイン３２とし、第４領域２８を除いた第２領域１８の部分、及び第３領域２６を第２ドメイン３４とする。
【００２３】
ここでは、主に差周波発生または和周波発生を考える。差周波発生の場合、周波数ωsの信号光と、信号光に比べて短波長の、周波数ωpのポンプ光を同時に入力すると、非線形光学効果により、周波数ωcの変換光を発生する。このとき、各周波数は、ωc＋ωs＝ωpの関係を満たす。通信波長帯１．５５μｍで使用する素子であれば、周波数ωsに対応する信号光の波長λs、及び、周波数ωcに対応する変換光の波長λcは、１．５５μｍ近傍の値となり、一方、周波数ωpに対応する、ポンプ光の波長λpは、０．７７５μｍ近傍の値となる。
【００２４】
また、ポンプ光、信号光、及び変換光のそれぞれの波数ｋp、ｋs、及びｋc間の波数差をΔｋ（＝ｋp−ｋs−ｋc）とすると、波長変換素子を伝播した各光の位相差は、ΔｋＬとなる。ここで、Ｌは波長変換素子の素子長である。従って、伝播中に位相差が生じないためにはΔｋ＝０とする必要がある。
【００２５】
ｎを周波数ωでの屈折率、ｃを光速度としたときに、波数ｋは、ｋ＝ｎω／ｃで表される。この関係を用いると、Δｋ＝（ｎpωp−ｎsωs−ｎcωc）／ｃが得られる。屈折率が光の周波数に依存して変化しないならば、ωc＋ωs＝ωpであるので、常に、Δｋ＝０となる。しかし、実際には、屈折率は周波数依存性を有しており、Δｋは０とはならない。これを補償するために、分極反転構造が形成されたＱＰＭ型波長変換素子が使用される。この分極反転構造の周期をΛとすると、波数間の関係は、Δｋ＝ｋp−ｋs−ｋc−２π／Λとなる。ここで、ポンプ光の特定の波長λp0に対して、ｋp0−ｋs0−ｋc0＝２π／ΛとなるようにΛを設定すると、この特定のポンプ光の波長λp0では、Δｋ＝０となり、大きな変換効率が得られる。
【００２６】
この場合、ポンプ光の波長λpが特定の波長λp0からずれると、Δｋ＝０とはならず、Δｋ＝ｋp0−ｋs0−ｋc0−２π／Λ＋（ｄｋp／ｄωp）Δωp−（ｄｋs／ｄωs）Δωs−（ｄｋc／ｄωc）Δωcとなる。なお、Δωp、Δωs、及びΔωcは、それぞれポンプ光、信号光、及び変換光のＱＰＭ条件からの周波数ずれを示している。ＱＰＭ条件では、ｋp0−ｋs0−ｋc0＝２π／Λとなるので、Δｋ＝（ｄｋp／ｄωp）Δωp−（ｄｋs／ｄωs）Δωs−（ｄｋc／ｄωc）Δωcである。光の群速度をＶgとすると、ｄｋ／ｄω＝１／Ｖgであるので、位相差は光周波数間の群速度差に対応付けられていることがわかる。差周波発生による波長変換では、ωp＝ωc＋ωsの関係があるため、Δωp＝Δωs＋Δωcとなる。従って、Δｋ＝（１／Ｖgp−１／Ｖgc）Δωp＋（１／Ｖgc−１／Ｖgs）Δωsとなる。ここで、Ｖgp、Ｖgs、及びＶgcはそれぞれ、ポンプ光、信号光、及び変換光の群速度を示す。従って、ポンプ光と変換光の群速度差、及び、変換光と信号光の群速度差を小さくすれば、それだけ広い周波数範囲、すなわち、広い波長範囲で位相差を小さく抑えることが可能となり、広帯域での変換効率が高くなる。
【００２７】
図３は、群速度の逆数の波長依存性を示す図である。図３は、横軸に波長（μｍ）をとり、縦軸に群速度の逆数１／Ｖgをとって示している。群速度の逆数１／Ｖgは、１／Ｖg＝ｄｋ／ｄω＝ｄ（ｎω／ｃ）／ｄω＝（ｎ＋ωｄｎ／ｄω）／ｃで表されるので、屈折率の周波数、すなわち波長依存性による。ここで、屈折率は短波長側で大きくなり、従って、短波長側では群速度の逆数が大きくなる。このことから、波長λcが１．５５μｍ付近の変換光に対して、ポンプ光の波長λpが０．７７μｍ程度の場合、ポンプ光と変換光の間の群速度差が大きくなり、その結果、変換効率を低下させてしまう。
【００２８】
図４は、伝播モードの分散曲線を示す図である。図４は、横軸に規格化周波数Ｖ＝（ω／ｃ）［（ｎs＋Δｎ）2−ｎs2］1/2をとり、縦軸に規格化伝播定数ｂをとっている。ここで、Δｎは、導波路を構成するコア層とクラッド層の屈折率差であり、ｎsはクラッド層の屈折率である。尚、コア層及びクラッド層を単にコア及びクラッドとも称する。この場合、等価屈折率ｎefはｎef＝ｎs＋Δｎｂで表すことができる。規格化伝播定数ｂは、伝播モードの次数毎に異なっている。曲線Ｉ、ＩＩ及びＩＩＩは、それぞれ、０次、１次及び２次の伝播モードを示している。伝播モードの次数が高くなると、規格化伝播定数ｂは小さくなり、規格化伝播定数ｂに従って、等価屈折率ｎefも小さくなる傾向がある。
【００２９】
規格化周波数Ｖは各光の周波数にほぼ比例し、例えば、ポンプ光の規格化周波数Ｖpは、変換光の規格化周波数Ｖcの約２倍である。信号光及び変換光の伝播モードを０次とし、ポンプ光の伝播モードを２次とすると、変換光の規格化伝播定数ｂcに対して、ポンプ光の規格化伝播定数はｂpとなり、周波数の大きいポンプ光は、等価屈折率が小さくなる。これは、同じ伝播モードでの、屈折率の波長依存性と反対の傾向であるので、変換光及び信号光と、ポンプ光との群速度差を補償できる。従って、同一方向の偏光を利用できるので、非線形光学定数として、非線形光学テンソルの成分で最大のものであるｄ３３を用いることが可能となる。
【００３０】
導波路構造における群速度の逆数１／Ｖgは、１／Ｖg＝（ｎs＋ωｄｎs／ｄω＋Δｎｂ＋ωｄΔｎｂ／ｄω）／ｃ＝［ｎs＋ωｄｎs／ｄω＋Δｎ（ｂ＋ωｄｂ／ｄω）］／ｃとなる。ポンプ光と変換光の群速度差を０にするためには、１／Ｖgp−１／Ｖgc＝［ｎsp＋ωpｄｎsp／ｄω＋Δｎ（ｂp＋ωpｄｂp／ｄω）］／ｃ−［ｎsc＋ωcｄｎsc／ｄω＋Δｎ（ｂc＋ωcｄｂc／ｄω）］／ｃ＝０より、Δｎ＝（ｎsp＋ωpｄｎsp／ｄω−ｎsc−ωcｄｎsc／ｄω）／（ｂp＋ωpｄｂp／ｄω−ｂc−ωcｄｂc／ｄω）となる。
【００３１】
異なる伝播モード間で波長変換をするときに問題になるのは、互いのモードの重なり部分から規定される変換効率である。変換効率は、ポンプ光、信号光、変換光の規格化された光強度の振幅分布と、非線形光学定数（非線形光学テンソルの成分）を掛け合わせたものを導波路断面方向で積分したもので決められる。
【００３２】
図５を参照して、導波路の伝播軸と直交する断面方向の位置に対する、光電場の振幅分布と分極分布について説明する。図５（Ａ）は、０次の伝播モードと２次の伝播モードの光電場の振幅分布を示す図である。横軸に、導波路の伝播軸と直交する断面方向の位置ｘを取って示し、及び、縦軸に、光電場の振幅分布をとって示している。曲線ＩＶは、０次の伝播モードを示し、曲線Ｖは、２次の伝播モードを示している。導波路の断面方向で均一な非線形光学定数（非線形光学テンソルの成分）を用いると、２次の伝播モードは、光電場の振幅分布の符号が反転している部分の影響で、導波路断面方向で積分された変換効率が極めて小さくなる。
【００３３】
図５（Ｂ）は、図１を参照して説明した分極反転構造での分極分布を示す図である。横軸に、導波路の伝播軸と直交する断面方向の位置ｘを取って示し、及び、縦軸に、分極分布をとって示している。第２領域１８では、分極方向が反転、すなわち、負の分極を示し、第４領域２８では、分極方向が非反転、すなわち、正の分極を示している。このように、導波路２０の中央部２２と周辺部２４とで、分極方向を反転させると２次の伝播モードの光電場の振幅分布の符号が反転している部分も積分中で正の値にすることができ、変換効率を大きくすることができる。
【００３４】
なお、ここでは、０次の伝播モードと２次の伝播モードについて説明したが、モードの組合せについては、波長の短いものをより高次の伝播モードに変換するのであれば、伝播モードの次数は問わない。なお、伝播モードを異ならせる場合は、伝播軸２１に直交する第２の方向の分割数を変えることで、分極反転パターンを換えれば良い。
【００３５】
図６及び図７を参照して、変換効率及び屈折率差について説明する。
【００３６】
図６は、０次の伝播モードと１次の伝播モードを組み合わせた場合を示している。図６（Ａ）は横軸に変換光の規格化周波数Ｖcをとって示し、縦軸に変換効率をとって示している。曲線ＶＩは、導波路外に分極反転領域が存在する場合の変換効率を示し、曲線ＶＩＩは、導波路外に分極反転領域が存在しない場合の変換効率を示している。また、図６（Ｂ）は、コアとクラッドの屈折率差Δｎを示している。
【００３７】
図７は、０次の伝播モードと２次の伝播モードを組み合わせた場合を示している。図７（Ａ）は横軸に変換光の規格化周波数Ｖcをとって示し、縦軸に変換効率をとって示している。曲線ＶＩＩＩは、導波路外に分極反転領域が存在する場合の変換効率を示し、曲線ＩＸは、導波路外に分極反転領域が存在しない場合の変換効率を示している。また、図７（Ｂ）は、コアとクラッドの屈折率差Δｎを示している。
【００３８】
導波路内にしか分極反転領域が存在しない場合（図６（Ａ）の曲線ＶＩＩ及び図７（Ａ）の曲線ＩＸ）は、導波路外に染み出す光を波長変換に利用できないため、導波路外にも分極反転領域が存在する場合（図６（Ａ）の曲線ＶＩ及び図７（Ａ）の曲線ＶＩＩＩ）に比べて変換効率が下がってしまう。従って、導波路外にも分極反転領域が形成されるのが望ましい。しかしながら、大きな屈折率差Δｎを得ることができる導波路の作成方法によっては、導波路外に分極反転領域を形成することができない場合がある。なお、導波路外に分極反転領域を形成できない場合であっても、例えば、導波路長を長くすることで変換効率を高めることは可能である。
【００３９】
図８を参照して、変換光の伝播モードが０次であり、ポンプ光の伝播モードが２次である場合の、ポンプ光の波長の最適ポンプ波長からのずれに対する変換効率について説明する。図８は、横軸に最適ポンプ波長からのずれ（ｎｍ）をとって示し、縦軸に変換効率をとって示している。
【００４０】
ここでは、変換光の規格化周波数Ｖｃとして、図７（Ａ）の曲線ＶＩＩＩが示すように、変換効率が充分大きい場合の１．７を採用している。この場合、変換光の規格化周波数Ｖｃが１．７のときの、最適な屈折率差Δｎの値は、図７（Ｂ）に示されるように０．６である。
【００４１】
曲線Ｘは、屈折率差Δｎが０．６の場合の変換効率を示し、曲線ＸＩは、屈折率差Δｎが０．４の場合の変換効率を示し、曲線ＸＩＩは、従来例での変換効率を示している。ここで、従来例とは、導波路内で、伝播軸に直交する方向の分極方向が一様な場合を示している。なお、図８では、それぞれの場合について、ポンプ光の波長が最適ポンプ波長に一致している場合の変換効率を１に規格化している。
【００４２】
従来例では、ポンプ光の波長が０．１５ｎｍ程度ずれると変換効率が５０％程度に低下する（曲線ＸＩＩ）が、本発明の最適条件であるΔｎが０．６の場合には、ポンプ光の波長が１ｎｍ程度ずれても変換効率はほとんど低下しない（曲線Ｘ）。すなわち、最適ポンプ波長のずれについて、一桁程度またはそれ以上の広帯域化が可能になる。
【００４３】
また、屈折率差Δｎが最適条件ではなく、０．４の場合でも、変換効率が５０％程度に低下するのは、ポンプ光の波長が０．４ｎｍ程度ずれたときであるので、従来例に対して３倍程度の帯域が確保される（曲線ＸＩ）。なお、屈折率差Δｎが０．８の場合は、Δｎが０．４の場合と同様の特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】この発明の波長変換素子を説明するための概略的な模式図である。
【図２】基板の分極反転を説明するための模式図である。
【図３】群速度の逆数と波長依存性を示す図である。
【図４】０〜２次の伝播モードに対する規格化伝播定数を示す図である。
【図５】導波路断面方向の位置に対する光電場の振幅分布及び分極分布を示す図である。
【図６】０次及び１次の組み合わせ時の変換効率及び屈折率差を説明するための図である。
【図７】０次及び２次の組み合わせ時の変換効率及び屈折率差を説明するための図である。
【図８】最適ポンプ波長からのずれに対する変換効率を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０    基板
１２    ＋ｚ面
１４    −ｚ面
１６    第１領域
１８    第２領域
２０    導波路
２２    中央部
２４    周辺部
２６    第３領域
２８    第４領域
３２    第１ドメイン
３４    第２ドメイン
１００    波長変換素子
【図１】
2006251696.tif 000003
【図２】
2006251696.tif 000004
【図３】
2006251696.tif 000005
【図４】
2006251696.tif 000006
【図５】
2006251696.tif 000007
【図６】
2006251696.tif 000008
【図７】
2006251696.tif 000009
【図８】
2006251696.tif 000010