(57)【要約】【課題】波長変換素子の変換効率の帯域を拡大した場合に生ずる変換効率の変動を低減する。【解決手段】波長変換素子の非線形光学媒質は、非線形光学定数の符号が基本周期Λ0ごとに周期的に反転し、かつ基本周期Λ0ごとに連続的に反転の位相が変化する分極反転構造を有する。分極反転構造は、基本周期Λ0を複数周期束ねた断片から構成され、断片の一部分の非線形光学定数の符号を一方の符号に固定した複数の符号固定部分を含む。さらに、非線形光学媒質の両端に近づくにつれて、断片の中で符号固定部分が占める割合が大きくなるようにして、所与の評価関数が最小になるように、反転の位相を設定する。【選択図】図５
2011033727.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学媒質を備え、
【数１】
2011033727.tif 000008
を満足する何れか２つの波長の２つの励起光を前記非線形光学媒質に入射させ、前記非線形光学媒質中で生じる二次非線形光学効果により、式（１）を満足する前記励起光とは異なる波長の変換光を出力し、または波長λ１＝λ２の１つの励起光を前記非線形光学媒質に入射させ、前記非線形光学媒質中で生じる二次非線形光学効果により、波長λ３の変換光を出力する波長変換素子において、
前記非線形光学媒質は、非線形光学定数の符号が基本周期Λ0ごとに周期的に反転し、かつ前記基本周期Λ0ごとに連続的に反転の位相が変化する分極反転構造を有し、前記基本周期Λ0を複数周期束ねた断片から構成され、前記断片の一部分の非線形光学定数の符号を一方の符号に固定した複数の符号固定部分を含み、前記非線形光学媒質の両端に近づくにつれて前記断片の中で前記符号固定部分が占める割合が大きくなり、
式（１）の波長λ１、λ２、λ３に対する前記非線形光学媒質内の屈折率を、それぞれｎ１、ｎ２、ｎ３としたとき、
【数２】
2011033727.tif 000009
により表される位相不整合量Δβが、最大２π／Λ0となる近傍の、位相整合曲線中の平坦性を必要とする領域の下端ｌから上端ｍの領域において、位相不整合量Δβに対する変換効率η(Δβ)と目標する変換効率ηtargetについて、
【数３】
2011033727.tif 000010
で与えられる評価関数が最小になるように、前記分極反転構造の反転の位相を設定したことを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
非線形光学媒質を備え、
【数４】
2011033727.tif 000011
を満足する何れか２つの波長の２つの励起光を前記非線形光学媒質に入射させ、前記非線形光学媒質中で生じる二次非線形光学効果により、式（１）を満足する前記励起光とは異なる波長の変換光を出力し、または波長λ１＝λ２の１つの励起光を前記非線形光学媒質に入射させ、前記非線形光学媒質中で生じる二次非線形光学効果により、波長λ３の変換光を出力する波長変換素子において、
前記非線形光学媒質は、非線形光学定数の符号が連続的に反転し、かつ連続的に反転の周期が変化する分極反転構造を有し、前記基本周期Λ0を複数周期束ねた断片から構成され、前記断片の一部分の非線形光学定数の符号を一方の符号に固定した複数の符号固定部分を含み、前記非線形光学媒質の両端に近づくにつれて前記断片の中で前記符号固定部分が占める割合が大きくなり、
式（１）の波長λ１、λ２、λ３に対する前記非線形光学媒質内の屈折率を、それぞれｎ１、ｎ２、ｎ３としたとき、
【数５】
2011033727.tif 000012
により表される位相不整合量Δβが、最大２π／Λ0となる近傍の、位相整合曲線中の平坦性を必要とする領域の下端ｌから上端ｍの領域において、位相不整合量Δβに対する変換効率η(Δβ)と目標する変換効率ηtargetについて、
【数６】
2011033727.tif 000013
で与えられる評価関数が最小になるように、前記分極反転構造の反転の周期を設定したことを特徴とする波長変換素子。
【請求項３】
非線形光学媒質を備え、
【数７】
2011033727.tif 000014
を満足する何れか２つの波長の２つの励起光を前記非線形光学媒質に入射させ、前記非線形光学媒質中で生じる二次非線形光学効果により、式（１）を満足する前記励起光とは異なる波長の変換光を出力し、または波長λ１＝λ２の１つの励起光を前記非線形光学媒質に入射させ、前記非線形光学媒質中で生じる二次非線形光学効果により、波長λ３の変換光を出力する波長変換素子において、
前記非線形光学媒質は、非線形光学定数の符号が基本周期Λ0ごとに周期的に反転し、かつ前記基本周期Λ0ごとに連続的に反転の位相が変化する分極反転構造を有し、１周期の中で一方の非線形光学定数の符号が占める割合を、前記非線形光学媒質の両端に近づくにつれて変化させ、
式（１）の波長λ１、λ２、λ３に対する前記非線形光学媒質内の屈折率を、それぞれｎ１、ｎ２、ｎ３としたとき、
【数８】
2011033727.tif 000015
により表される位相不整合量Δβが、最大２π／Λ0となる近傍の、位相整合曲線中の平坦性を必要とする領域の下端ｌから上端ｍの領域において、位相不整合量Δβに対する変換効率η(Δβ)と目標する変換効率ηtargetについて、
【数９】
2011033727.tif 000016
で与えられる評価関数が最小になるように、前記分極反転構造の反転の位相を設定したことを特徴とする波長変換素子。
【請求項４】
非線形光学媒質を備え、
【数１０】
2011033727.tif 000017
を満足する何れか２つの波長の２つの励起光を前記非線形光学媒質に入射させ、前記非線形光学媒質中で生じる二次非線形光学効果により、式（１）を満足する前記励起光とは異なる波長の変換光を出力し、または波長λ１＝λ２の１つの励起光を前記非線形光学媒質に入射させ、前記非線形光学媒質中で生じる二次非線形光学効果により、波長λ３の変換光を出力する波長変換素子において、
前記非線形光学媒質は、非線形光学定数の符号が連続的に反転し、かつ連続的に反転の周期が変化する分極反転構造を有し、１周期の中で一方の非線形光学定数の符号が占める割合を、前記非線形光学媒質の両端に近づくにつれて変化させ、
式（１）の波長λ１、λ２、λ３に対する前記非線形光学媒質内の屈折率を、それぞれｎ１、ｎ２、ｎ３としたとき、
【数１１】
2011033727.tif 000018
により表される位相不整合量Δβが、最大２π／Λ0となる近傍の、位相整合曲線中の平坦性を必要とする領域の下端ｌから上端ｍの領域において、位相不整合量Δβに対する変換効率η(Δβ)と目標する変換効率ηtargetについて、
【数１２】
2011033727.tif 000019
で与えられる評価関数が最小になるように、前記分極反転構造の反転の周期を設定したことを特徴とする波長変換素子。
【請求項５】
１つまたは２つの半導体レーザと、
請求項１ないし４のいずれかに記載の波長変換素子とを備え、
前記半導体レーザから出射される励起光を前記波長変換素子に入射し、前記半導体レーザへの駆動電流を変化させて、前記波長変換素子から出射される変換光の強度または波長を変化させることを特徴とする波長変換光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ装置、光通信システムにおいて用いられる波長変換素子及び波長変換光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、種々の二次非線形光学効果を利用した波長変換装置が知られている。例えば、第二高調波発生では、入射光の半分の波長の第二高調波に波長変換することができる。また、和周波発生では、２つの異なる波長の光を両者の和の周波数に相当する波長の光に変換することができる。さらに、差周波発生では、２つの異なる波長の光を両者の差の周波数に相当する波長の光に変換することができる。同様の構成において、一方の光のパワーが十分に大きい場合には、差周波光を発生するだけでなく、パラメトリック効果により、入力光を増幅する増幅装置を構成することもできる。また、パラメトリック共振器を構成することにより波長可変光源を構成することもできる。
【０００３】
以下、波長変換装置の動作原理を、和周波発生を利用した従来例に従って簡単に説明する。非線形光学効果を利用した波長変換装置は、２つの励起光を入力し、異なる波長の変換光に変換する。第１の励起光波長をλ１、第２の励起光波長をλ２、変換光波長をλ３とすると、３つの波長の間には以下の関係がある。
【０００４】
【数１】
2011033727.tif 000003
【０００５】
非線形光学媒質としては、種々の材料が研究開発されている。例えば、非特許文献１に示されているように、ＬｉＮｂＯ3等の２次非線形光学材料を用いて、非線形光学定数を周期的に変調したいわゆる擬似位相整合型の構造が有望視されている。
【０００６】
図１に、従来の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す。二次非線形光学効果を利用して和周波発生を行う波長変換素子の構成である。波長変換素子は、第１の励起光（λ１）１３および第２の励起光（λ２）１４を合波する合波器１５と、ＬｉＮｂＯ3からなり周期変調構造を有する非線形光学媒質１１とを備えている。非線形光学媒質１１は、第１の励起光（λ１）１３および第２の励起光（λ２）１４を入射すると、変換光（λ３）１６を出力する。
【０００７】
周期変調構造を形成するには、非線形光学定数の符号を交互に反転するか、非線形光学定数が大きい部分と小さい部分をほぼ交互に配置する方法が考えられる。ＬｉＮｂＯ3のような強誘電体結晶では、非線形光学定数（ｄ定数）の正負は自発分極の極性に対応している。そこで、自発分極を反転することにより非線形光学定数の符号を周期的に反転することができる（以下、分極反転構造ともいう）。図１の例では、非線形光学媒質１１に作成した光導波路１２を用いて、ＬｉＮｂＯ3の自発分極を、変調周期（Λ0）７．９μｍで周期的に反転することにより、非線形光学定数に変調を加えている。図１の例では、０．９８μｍ帯と１．３μｍの励起光を導波路へ入射し、０．５６μｍ帯の変換光を発生することができる。
【０００８】
図１の例では、第１の励起光波長λ１における屈折率をｎ１、第２の励起光波長λ２における屈折率をｎ２、変換光波長λ３における屈折率をｎ３、非線形光学定数の変調周期をΛ0とすると、位相不整合量Δβは、
【０００９】
【数２】
2011033727.tif 000004
【００１０】
で与えられ、変換効率ηは、この位相不整合量Δβを用いて、
【００１１】
【数３】
2011033727.tif 000005
【００１２】
で与えられる。ここでＬは、非線形光学媒質１１の長さである。
【００１３】
すなわち変換効率は、位相不整合量Δβが２π／Λ0の時最大となる。例えば、第１の励起光波長λ１を固定して考えると、式（２）で与えられる位相不整合量Δβが２π／Λ0となる条件、いわゆる擬似位相整合条件を満たす第２の励起光波長λ２は、非線形材料の屈折率の波長分散に依存する。従って、第２の励起光波長λ２は、変調周期Λ0を決定すると実質的に一意に決定される。第２の励起波長λ２を、擬似位相整合条件を満たす擬似位相整合波長から変化させると、式（２）および（３）に従って変換効率が減少してしまう。
【００１４】
図２は、非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を説明するための図である。図２は、変換効率の最大値を１として規格化してある。図１に示したＬｉＮｂＯ3の非線形光学媒質１１の光導波路１２の長さを３０ｍｍとすると、図２の変換効率が最大値の半分となる位相不整合量の帯域は、１．３μｍ帯の第２の励起波長に換算すると、約０．２ｎｍ程度と非常に狭い。また、この位相不整合量の帯域を、ＬｉＮｂＯ3の温度に対する分散からその温度許容幅に換算すると、約１℃程度と非常に狭い。このため、温度変化などにより位相整合条件が変化すると、波長変換効率が著しく劣化してしまうという問題があった。
【００１５】
励起光の光源として半導体レーザ用い、注入電流の変調により光源の強度を変調した場合、強度によって半導体レーザの波長が動的に変動し、その波長変動によって変換効率が著しく変動してしまうといった問題があった。また、第２の励起光の光源を、波長を掃引できるような波長可変光源とすると、波長変換の帯域が狭いために、変換光として得られる波長が極めて狭い範囲に限定されてしまうといった問題もあった。同様に、従来の単一周期の周期変調構造を用いた場合、第二高調波発生、和周波発生、差周波発生を行う際に、励起光の波長に対する位相整合の帯域が狭いため、励起光の波長および波長変換素子の温度を高精度に制御しないと安定した波長変換が行えないという問題もあった。
【００１６】
波長に対する許容範囲の拡張が可能な波長変換素子を構成するために、例えば、非特許文献２に開示されているように、周期変調構造の周期を、光の伝播方向に線形に変化（線形チャープ）させる方法が提案されている。この方法を用いた場合の位相整合曲線を図３に示す。波長変換素子の長さが同じで、線形チャープを行った場合を実線で、線形チャープを行わない場合を点線（効率は１／１０にして表示）で示す。図３に示したように、線形チャープにより、波長帯域が拡大されていることがわかる。しかしながら、周期変調構造の周期を変化させる方法では、図３に示されるように帯域内の変換効率の変化（以下、リップルと呼ぶ）が大きいという課題があった。これにより、例えば、波長を掃引した場合には、変換光の出力強度の変動が大きくなってしまう。変換光の出力強度が一定になるように、特殊な装置を用いることもできるが、技術的にもコスト的にも困難を伴う。また、変動の下限を基準にして、出力強度を一定となるようにするので、変換効率が低下してしまうという問題もある。
【００１７】
このような問題を解決する技術として、例えば、非特許文献３に示されているように、非線形光学定数の反転周期における二つの符号のうち、一方の符号の部分の割合（以下、デューティと呼ぶ）を変化させる。変換効率を優先するならば、デューティを５０％に設定しておくと良い。変換効率を多少犠牲にする代わりに、リップルを低減するために、波長変換素子の端に近づくほどデューティを小さくする。素子の端部において波長変換の効率に寄与する割合が小さい部分（以下、冗長部分という）を設けることによって、アポダイズを実現する。この方法によれば、波長変換素子の素子長が長くなってしまうが、特に強誘電体の分極反転周期がある程度大きい場合には有効な方法である。しかし、可視光を発生するような周期の短い短波長用の素子においては、非常に微細な周期変調構造を形成することが必要になり、作製精度の問題から実現が困難となるといった問題がある。
【００１８】
このような問題を解決する方法として、例えば、非特許文献４に示されているようなアポダイズを実現する方法がある。非線形光学定数の符号の周期的な反転構造を一定区間ごとに区切り、それぞれの区間の一部の非線形光学定数の符号を一方の符号のみにし、非線形光学媒質の両端に近づくにつれて、非線形光学定数の符号を一方の符号とする割合を大きくする。この方法では、短い周期中のデューティを変化させることなくアポダイズによるリップルの低減が可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】M.H.Chou et. al., “1.5μm-band wavelength conversion based on difference-frequency generation in LiNbO3 waveguides with integrated coupling structure,” Optics Letters vol.23, pp.1004-1006, 1998
【非特許文献２】T.Suhara et. al., “Theoretical Analysis of Waveguide Second-Harmonic Generation Phase Matched with Uniform and Chirped Grating,” IEEE J. of Quantum Electronics, Vol.26, No.7, pp.1265-1276, 1990
【非特許文献３】T. Umeki et. al. “Widely tunable 3.4μm band difference frequency generation using apodized x(2) grating,” Optics Letters, Vol. 32, No.9, pp.1129-1131, 2007
【非特許文献４】J. Huang, et. al, “Amplitude Modulation of QPM Interaction and Tuning Curve Side-lobe Suppression in PPLN Waveguides,” in Conference on Lasers and Electro-Optics Technical Digest  2006, paper JThC45.pdf
【非特許文献５】Y. Nishida, et. al., “Direct-bonded QPM-LN ridge waveguide with high damage resistance at room temperature,” Electronics Letters. Vol.39, p. 609, 2003
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、上述した従来技術による波長変換素子では以下に述べるような問題点がある。  
図４に、チャープ量を変化させた場合の変換効率の位相不整合量依存性を示す。図４（ａ）は、非線形光学媒質の周期変調構造を示す。周期変調構造の周期を一定とし、分極が反転する位相を変化させる。非線形光学媒質の長さ方向の両端に対して、位相を０から−１４ラジアンまで対称に変化させる。図４（ｂ）は、変換効率の位相不整合量依存性を示す。規格化された変換効率は、図３と比較すると、位相整合曲線の変換効率の変動は減っているものの、依然として変換効率の変動が残っている。
【００２１】
例えば、このような波長変換素子と半導体レーザを組み合わせて第二高調波発生、和周波発生による可視波長域の光源を構成する場合を考える。通常、半導体レーザの波長は電流を増大させることにより長波長側へシフトしてゆく傾向を有している。従って、図４のように、変換効率が励起波長に対して変動するような特性を持っていると、半導体レーザの駆動電流に対して可視光出力が単調増加とならない部分が発生してしまう。このような波長変換素子を有する光源では、半導体レーザの電流を変調することにより、出力光を変調しようとすると、変調電流波形には存在しない雑音が出力光に発生するという問題を生じる。
【００２２】
可視波長域の出力光の一部をモニターし、出力強度が常に一定となるように半導体レーザの駆動電流にフィードバックして安定化する場合を考える。上述したように、駆動電流に対して出力強度が単調増加とならない場合、フィードバックがうまく動作せず、出力強度の変動が増大してしまうといった問題がある。
【００２３】
このような問題を、従来のアポダイズ技術で解決するためには、波長変換素子の端部の冗長部分を長くしなければならず、リップルの低減は原理的に可能なものの波長変換素子の素子長が長くなってしまう。限りある素子長でリップルの低減を実現しようとすると、波長変換素子の変換効率を大幅に犠牲にすることになる。
【００２４】
本発明の目的は、上記のような従来技術の課題を解決し、非線形光学定数の符号の周期変調構造に変調を加えて、変換効率の帯域を拡大した場合に生ずる変換効率の変動を低減する。これにより、波長変換素子の長さを変更したり、変換効率を大幅に低減させることなく、帯域が広く変換効率の変動の少ない波長変換素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明は、このような目的を達成するために、波長変換素子の一実施態様は、非線形光学媒質を備え、式（１）を満足する何れか２つの波長の２つの励起光を前記非線形光学媒質に入射させ、前記非線形光学媒質中で生じる二次非線形光学効果により、式（１）を満足する前記励起光とは異なる波長の変換光を出力し、または波長λ１＝λ２の１つの励起光を前記非線形光学媒質に入射させ、前記非線形光学媒質中で生じる二次非線形光学効果により、波長λ３の変換光を出力する波長変換素子において、前記非線形光学媒質は、非線形光学定数の符号が基本周期Λ0ごとに周期的に反転し、かつ前記基本周期Λ0ごとに連続的に反転の位相が変化する分極反転構造を有し、前記基本周期Λ0を複数周期束ねた断片から構成され、前記断片の一部分の非線形光学定数の符号を一方の符号に固定した複数の符号固定部分を含み、前記非線形光学媒質の両端に近づくにつれて前記断片の中で前記符号固定部分が占める割合が大きくなり、式（１）の波長λ１、λ２、λ３に対する前記非線形光学媒質内の屈折率を、それぞれｎ１、ｎ２、ｎ３としたとき、式（２）により表される位相不整合量Δβが、最大２π／Λ0となる近傍の、位相整合曲線中の平坦性を必要とする領域の下端ｌから上端ｍの領域において、位相不整合量Δβに対する変換効率η(Δβ)と目標する変換効率ηtargetについて、式（５）で与えられる評価関数が最小になるように、前記分極反転構造の反転の位相を設定したことを特徴とする。
【００２６】
前記非線形光学媒質は、非線形光学定数の符号が連続的に反転し、かつ連続的に反転の周期が変化する分極反転構造を有することとし、評価関数が最小になるように、前記分極反転構造の反転の周期を設定してもよい。
【００２７】
前記非線形光学媒質は、１周期の中で一方の非線形光学定数の符号が占める割合を、前記非線形光学媒質の両端に近づくにつれて変化させ、評価関数が最小になるように、前記分極反転構造の反転の位相または反転の周期を設定してもよい。
【００２８】
波長変換光源の一実施態様は、１つまたは２つの半導体レーザと、前記波長変換素子とを備え、前記半導体レーザから出射される励起光を前記波長変換素子に入射し、前記半導体レーザへの駆動電流を変化させて、前記波長変換素子から出射される変換光の強度または波長を変化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように、本発明によれば、波長変換素子の長さを変更したり、変換効率を大幅に低減させることなく、変換効率の帯域を拡大した場合に生ずる変換効率の変動を低減することが可能となる。すなわち、変換効率の変動の少ない広帯域で高効率な波長変換素子を実現することができる。
【００３０】
また、半導体レーザと本発明の波長変換素子とを組み合わせて波長変換光源を構成すると、半導体レーザの変調による波長変動が生じても変換効率の変動が少ないために、電流変調による出力光の変調が可能な光源を実現することができる。これにより、電流の変化に対する出力光強度の増加が単調増加となる特性を得られるので、出力光のフィードバックによって、光源の出力を安定化することが可能になる。さらに、波長変換素子の温度変化、励起光の光源の温度変化に対する許容幅が拡大し、温度変化による変換効率の変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す図である。
【図２】非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を説明するための図である。
【図３】線形チャープさせた非線形光学媒質における変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。
【図４】チャープ量を変化させた場合の変換効率の位相不整合量依存性を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかるチャープ構造と位相整合曲線を示す図である。
【図６】実施例１にかかる分極反転構造の素子端部付近の構造を示す図である。
【図７】実施例１にかかる分極反転構造のアポダイズの構成法を示す図である。
【図８】実施例１にかかる波長変換素子の変換効率を示す図である。
【図９】実施例２にかかる分極反転構造の素子端部付近の構造を示す図である。
【図１０】実施例３にかかる波長変換素子の注入電流に対する第二高調波の出力の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。  
発明者らは、従来技術の周期変調構造のチャーピングによって発生する変換効率のリップルを、波長変換素子の端部の冗長部分を増やすことなく低減し、平坦性の良い広帯域波長変換素子を実現する方法について様々な素子構造を検討した。その結果、周期変調構造にアポダイズを施すとともに、自発分極を反転による位相変調、周期変調によって構成されるチャープ構造を最適化することにより、変換効率のリップルをさらに低減できることを見出した。以下、位相変調によるチャープ構造を最適化した場合を例にして説明する。
【００３３】
図１に示したような波長変換素子において、光の伝播方向の光軸上の位置ｚにおける非線形光学定数をｄ（ｚ）とする。非線形光学媒質１１がｚ＝０からｚ＝Ｌまで存在しているとすると、非線形光学媒質１１の光導波路１２を、２つの励起光が伝播した後（ｚ＝Ｌ）の変換効率は、位相不整合量Δβに対して次式で与えられる。
【００３４】
【数４】
2011033727.tif 000006
【００３５】
式（４）から非線形光学定数の空間的な変化ｄ（ｚ）を与え、フーリエ変換を行うことにより位相不整合量Δβに対する変換効率の変化を計算することができる。
【００３６】
従来技術では、チャーピングによる広い帯域を得るために、自発分極の反転周期を線形的にチャープさせるか、または同様の効果が得られる２次関数的な位相変調を施していた。このように非線形光学定数の符号を周期的に反転する分極反転構造にアポダイズを加えると、図４（ｂ）に示したような位相整合曲線が得られる。発明者らは、従来技術に対して、位相整合曲線のうち平坦な変換効率を必要とする領域を決定し、その領域の変換効率の目標効率を決定した。次に、アポダイズを施した状態での分極反転構造単位ごとの位相変調曲線を変化させては、非線形光学定数の空間変化ｄ（ｚ）を計算した。そして、フーリエ変換を行って、所望の領域における変換効率を求めて、以下に与える評価関数Ｔを計算し、その値が最小になるように逐次計算を行って最適化することを試みた。
【００３７】
【数５】
2011033727.tif 000007
【００３８】
ここでｌ，ｍは、位相整合曲線中の平坦性を必要とする領域の下端と上端における位相不整合量であり（図４（ｂ）参照）、ηtargetは目標とする変換効率である。
【００３９】
図５に、本発明の一実施形態にかかるチャープ構造と位相整合曲線を示す。図５（ａ）は、チャープ構造を示し、周期変調構造の周期（Λ0）を一定とし、分極が反転する位相を変化させている。図５（ｂ）は、変換効率の位相不整合量依存性を示す。図４（ｂ）と比較すると分かるように、最適化計算の結果、位相変調曲線をわずかに変更することにより、位相整合曲線上のリップルを大きく低減できることが分かる。
【００４０】
発明者らは同様の方法により、様々な帯域を有するチャープ構造の最適化を試みた結果、アポダイズのみを施した場合に比べて、波長変換素子の冗長性を増やすことなく、リップルの低減が可能であることを見出した。なお、ここでは位相変調を施した場合を例にとり説明したが、非線形光学定数の変調周期を変化させるチャーピングを施した場合であっても、同様の効果を得ることができる。
【実施例１】
【００４１】
以下、図面に基づいて本発明の実施例を具体的に説明する。実施例１では、波長１．０６μｍ帯の第１の励起光を非線形光学媒質に入射して、第二高調波発生を利用して、波長０．５３μｍ帯の変換光へ変換できる波長変換素子を構成した。次に、波長変換素子の詳細について説明する。非線形光学媒質は、例えば、非特許文献５に示されたウエハ接合法によって作製される。
【００４２】
非線形光学媒質の光導波路のコアには、ＬｉＮｂＯ3のＺ板（Ｚ軸に垂直な面となるように切り出された基板）を用い、クラッドにはＬｉＴａＯ3を用いて、ドライエッチングにより光導波路を形成してある。ＬｉＮｂＯ3の分極反転構造により、位相整合特性すなわち波長変換可能な波長帯域特性が決定される。
【００４３】
以下、分極反転構造と位相整合特性の詳細を説明する。実施例１では、ＬｉＮｂＯ3基板を電界印可法により周期（Λ0）約６μｍで分極反転した。自発分極の反転周期が比較的短いので、分極反転の基本周期中のデューティを変化させず、基本周期である６μｍよりも広い範囲で、部分的に一方の分極方向となる構造を付与する。
【００４４】
実施例１では、基本周期（Λ0）を複数周期束ねた断片を構成し、断片の一部分を、一方の分極方向（非線形光学定数の符号）とする。この部分の割合を変化させることにより、アポダイズを施した。波長変換素子の素子長は約１０ｍｍであり、基本周期（Λ0）の１０倍である６０μｍごとに分割して、１６６個の断片からなる分極反転構造を構成する。それぞれの６０μｍごとに分割された断片内では、分極反転の位相は同じであり、それぞれの分割された断片ごとの位相を変調することによりチャーピングを施している。なお、分割された断片内の位相は、１周期ごとに変えても良い。
【００４５】
図６に、実施例１にかかる分極反転構造の素子端部付近の構造を示す。６０μｍごとに分割された断片のうち、分極反転構造の素子端部から８個の断片が示されている。それぞれの分割された断片内では、周期６μｍの反転構造が１０周期配置されており、その一部は、アポダイズに必要な分だけ一方の分極方向（非線形光学定数の符号）に固定されている（以下、符号固定部分という）。
【００４６】
例えば、３番目と４番目の断片では、周期６μｍの反転構造を２周期有し、残りの８周期が符号固定部分であり、符号＋の分極方向に固定されている。素子端部に近づくほど、分割された断片の中で、符号＋の分極方向に固定されている符号固定部分の占める割合を大きくすることにより、擬似的にデューティを変化させたのと同じ効果を得ている。１０周期の全てが反転構造を有している場合、デューティは５０％であることに相当する。１０周期中２周期が反転構造を有し、残りの８周期が固定されている場合は、デューティは１０％であることに相当する。
【００４７】
図７に、実施例１にかかる分極反転構造のアポダイズの構成法を示す。素子の長さ方向に対して、アポダイズを実現にするのに用いた実質的なデューティの分布を表している。分割された断片内で、アポダイズに必要な分だけ一方の分極方向に固定することにより、図５（ａ）に示したチャープ構造を近似している。
【００４８】
図８に、実施例１にかかる波長変換素子の変換効率を示す。同じ素子長でチャーピングを施さない場合の位相整合帯域は、１．０６μｍ帯の波長に換算すると０．２ｎｍ程度であった。これに対して実施例１では、約２ｎｍ程度の領域に渡って平坦な変換効率が得られている。すなわち、波長変換素子の温度許容幅、入射するレーザ光の波長変動に対する許容幅を大幅に拡大しながら、出力の変動を大きく抑えることが可能になっている。
【実施例２】
【００４９】
図９に、実施例２にかかる分極反転構造の素子端部付近の構造を示す。実施例２では、波長１．０６μｍ帯の第１の励起光と、波長１．５５μｍ帯の第２の励起光とを非線形光学媒質に入射して、差周波発生を利用して、波長３．３５μｍ帯の変換光へ変換できる波長変換素子を構成した。このとき、第２の励起光の波長を掃引して、広い波長範囲で波長変換が可能なように、分極反転構造にチャーピングを加えてある。
【００５０】
以下、分極反転構造と位相整合特性の詳細を説明する。実施例２では、ＬｉＮｂＯ3基板を電界印可法により基本周期（Λ0）約２８μｍで分極反転した。実施例１では、反転構造１０周期を１断片として、断片内の一部の周期に対して、アポダイズに必要な分だけ一方の分極方向に固定した。実施例２では、分極反転の基本周期中のデューティを変化させる。
【００５１】
図９には、分極反転構造の素子端部から２０周期の反転構造が示されている。例えば、５番目の断片では、デューティ５０％の基本周期を４周期含み、２番目の断片では、デューティ２０％の基本周期を４周期含んでいる。素子端部に近づくほど、デューティを小さくして、擬似的にデューティを変化させたのと同じ効果を得ている。断片をいくつに設定するか、断片内で同じデューティの基本周期をいくつか含むかは、実施例１と同様に、式（５）の評価関数Ｔを計算して、最適化する。
【実施例３】
【００５２】
実施例３では、実施例１の波長変換素子と半導体レーザを用いて、０．５３μｍ帯の緑色の可視光を発生する光源を構成した。実施例３では、１．０６４μｍで発振するＤＦＢ−ＬＤを用いた。本レーザは、注入電流を６００ｍＡとすると、２１２ｍＷの出力光が得られる。この出力光を、実施例１の波長変換素子（ＬｉＮｂＯ3基板、素子長１０ｍｍ、基本周期Λ0＝６μｍ）に７０％の結合効率で入射する。実施例３で用いた半導体レーザは、電流を２５〜６００ｍＡまで変化させると、電流の増大にともなって出力の波長が１．２ｎｍほど長波長側へとシフトする。
【００５３】
チャーピングを施さない場合の位相整合帯域は、１．０６μｍ帯の波長に換算すると０．２ｎｍ程度なので、励起波長の変動幅が従来の波長変換素子の帯域を越えてしまい、電流を変調することができない。一方、実施例２では、波長変換素子の帯域が２ｎｍ程度あり、かつ変換帯域中のリップルが低減されているために、電流を変調しても励起光の波長変動による変換効率の変動を抑えることができる。
【００５４】
図１０に、実施例３にかかる波長変換素子の注入電流に対する第二高調波の出力の変化を示す。波長変換帯域内のリップルが十分に抑えられているため、注入電流に対して出力は、単調増加を示す特性となる。このため電流の変調による可視光出力の変調を滑らかに行うことが可能となる。また、出力光の一部をフォトダイオードで検出し、光強度に応じて注入電流にフィードバックすることにより、可視光出力を一定に制御した場合であっても、フィードバックによる不安定性を生じない。
【００５５】
（応用例）
本実施形態では、チャーピングを行う方法として位相変調を施す方法を用いたが、非線形光学定数の変調周期を変調してチャーピングを行い、周期変調の関数を最適化しても同様の効果が得られる。
【００５６】
本実施形態では、第二高調波発生を利用したが、和周波発生、差周波発生、パラメトリック増幅・発振等を用いても波長変換効率の波長、温度依存性におけるリップルを低減することにより、同様の効果を得ることができる。
【００５７】
本実施形態では、非線形光学材料としてＬｉＮｂＯ3を用いたが、この他にも非線形光学定数の反転、または変調が可能な２次非線形光学材料として、例えば、ＬｉＴａＯ3，ＫＮｂＯ3，ＫＴａＯ3，ＬｉxＫ1-xＴａyＮｂ1-yＯ3，ＫＴＰ等の酸化物結晶、ＡｌＧａＡｓ等の半導体等を用いても本発明を適用することができる。
【００５８】
ここでは光の閉じ込めを強くし、長い相互作用長が得られ、高効率化に有利な非線形光学媒質として光導波路型の形態を取り上げた。本発明の適用はこれに限定されるものではなく、例えば高パワーのレーザ波長を変換するような場合においては、バルク型の形態においても同様の方法で波長変換素子を構成することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１１  非線形光学媒質
１２  光導波路
１３  第１の励起光（λ１）
１４  第２の励起光（λ２）
１５  合波器
１６  変換光（λ３）
【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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【図１０】
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