(57)【要約】【課題】従来技術のＰＰＬＮ−ＷＧを利用した波長変換素子では、入力光および素子内で発生したＳＨＧ光による和周波光の波長５２０ｎｍ帯光が間接的に発生し、ＳＨＧ過程を用いた波長変換装置では、素子内で５２０ｎｍの発振が起こる。ＰＰＬＮ−ＷＧでは強い入力パワーにより屈折率変化を生じ波長変換特性が劣化する光損傷も生じる。これらを回避する温度制御手段の大型化により、波長変換装置は大型化し消費電力が増えていた。コア側に温度調節機構を追加するため、波長変換素子の製造コストも増えていた。【解決手段】本発明の波長変換素子は、導波路の端面を含む基板端面上に、入力光および波長変換光から生じる第２の波長変換光に対し、反射を防止する特性を持ったＡＲ膜を備える。高入力パワーの通信波長の信号光などをＰＰＬＮ−ＷＧに入射してＳＨＧ光を発生させる際に生じる周波数３ωの和周波光に着目し、導波路の両端面上に、３ωの周波数帯の光に対して反射を防止し、和周波光に起因する発熱を抑制するＡＲ膜を形成する。【選択図】図８
2019113623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次非線形光学材料を用いた導波路と、
前記導波路の端面の上に形成され、
第１の入力光、
第２の入力光により発生する第１の波長変換光、並びに、
前記第１の入力光および前記第１の波長変換光により発生する第２の波長変換光
の各波長帯において光の反射を抑制する反射防止膜と
を備えたことを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記第２の波長変換光の波長帯は、Ｏバンド、Ｅバンド、Ｓバンド、Ｃバンド、Ｌバンドを含む通信波長で使用される信号光の３倍の周波数帯に対応することを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
２次非線形光学材料を用いた導波路と、
前記導波路の端面の上に形成され、
通信波長帯の入力光、
前記入力光に対して差周波数を生成しまたは位相感応増幅するための励起光、並びに、
前記入力光および前記励起光により発生し、前記入力光の３倍の周波数帯に属する波長変換光
の各波長帯において光の反射を抑制する反射防止膜と
を備えたことを特徴とする波長変換素子。
【請求項４】
前記２次非線形光学材料を用いた前記導波路は、周期分極反転ニオブ酸リチウム導波路であ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素子。
【請求項５】
前記導波路のコアは、ＺｎＯまたはＭｇＯをドープされていることを特徴とする請求項４に記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記２次非線形光学材料を用いた前記導波路は、直接接合により作製された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素子。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、波長変換素子に関する。具体的には、光通信で使用される波長帯域の光を出力する波長変換素子に関する。
【０００２】
光学材料中の非線形光学効果を用いた波長変換技術や、パラメトリック増幅技術は、様々な応用分野があり、多くの組織、機関で研究開発が活発に行われている。また、光信号を電気信号に一度も変換することなく、光のままで信号処理を行う波長変換技術も、高速大容量の光通信のキー技術となっている。波長変換素子は、光通信分野へ波長変換技術を適用した低雑音増幅やＷＤＭ信号の波長帯の一括変換などの検討が活発に行われており、通信用素子として重要視されている。中でも周期分極反転ニオブ酸リチウム導波路（ＰＰＬＮ−ＷＧ：Periodically Poled Lithium Niobate - Wave Guide）を用いた波長変換素子は、導波路化によって光パワー密度を大きくすることで光強度の増大を実現し、疑似位相整合技術を使用することで、より高い波長変換効率が実現可能である。ＰＰＬＮ−ＷＧを用いた波長変換素子は、次世代光ファイバ通信分野や量子コンピューティングの分野で重要な役割を担うデバイスとして注目されている。
【０００３】
例えば、低雑音な光増幅が可能な位相感応光増幅器（ＰＳＡ：Phase Sensitive Amplifier）ではパラメトリック増幅素子または励起光発生素子として使用され、高利得・低雑音な光増幅器が提案されている。また量子コンピューティングの分野においては、ＰＰＬＮ−ＷＧをファイバリング共振器内に挿入しパラメトリック発振素子として使用して、これまでの計算機に比べて極めて超高速・大容量な計算の実証が報告されている。これらの波長変換素子を適用した技術をさらに高性能化するためには、より高い波長変換効率の素子を実現することが重要となっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】T. Inagaki, et al. "A coherent Ising machine for 2000-node optimization problems," Science 354, p. 603-606, ２０１６年
【非特許文献２】T. Umeki，et al.，“Phase sensitive degenerate parametric amplification using directly-bonded PPLN ridge waveguides”，Optics Express，２０１１年，Vol.19，No. 7，pp.6326-6332
【非特許文献３】K. Enbutsu, et al. "PPLN-Based Low-Noise In-Line Phase Sensitive Amplifier with Highly Sensitive Carrier-Recovery System,” IEICE Transactions on Communications, vol. E99.B (２０１６年) No. 8 pp.1727-1733
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−２１５５０１号  公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
２次非線形光学効果を用いた波長変換素子は、波長（周波数）変換や光増幅などの様々な作用などを実現できる。例えば、周波数ωの光を入力して２倍の周波数２ωの光を発生したり、入力周波数ω１、 ω２の２つの光を入力して、それらの和波数ω１＋ω２または差周波数ω１−ω２の周波数の光を発生させたりすることができる。また、励起光として強い光を入射して、入力光を増幅することも可能である。
【０００７】
図１は、従来技術のＰＰＬＮ−ＷＧを用いた波長変換素子の構成を示す図である。図１において、波長変換素子１００は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶などの基板１０１に作製された周期分極反転構造を有する導波路コア１０２を備えている。導波路コア１０２の基板端には、低損失に光を入出力するため平滑に加工した端面１０３を有する。
【０００８】
図２は、従来技術のＰＰＬＮ−ＷＧを用いた波長変換素子を含む波長変換装置の構成を示す図である。図２の波長変換装置２００は、図１に示した波長変換素子１００を含んでおり、波長変換素子の導波路断面を含む基板端面１０３上には、戻り光による悪影響を抑制するために入力光および波長変換光の波長帯で反射率を抑制した反射防止（ＡＲ：Anti-Reflection）膜２０４ａ、２０４ｂを形成する。２つの入力光２１１、２１２は、合波手段２０１により合波し波長変換素子に入力される。また、波長変換素子から出力される波長変換光を含んだ出力光は、分波手段２０２により２つの出力光２１３、２１４および波長変換光２１５に分離される。入力光２１１と出力光２１３、入力光２１２と出力光２１４は、それぞれ対応関係にある。上述の各入力光の波長関係によって、実現される作用が異なってくる。
【０００９】
図３は、第２高調波光発生過程を用いた波長変換装置の入出力光の関係を示す図である。第２高調波光発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）過程は、波長変換素子において利用される最も基本的な波長変換過程である。図３の波長変換装置３００における波長変換素子は図１の波長変換素子１００と同様のものであり、導波路の２つの端面上にそれぞれＡＲ膜３０４ａ、３０４ｂが形成されている。ＳＨＧ過程を利用する波長変換では、入力光として周波数ω１の入力光３１１が１つのみである点で、図２の波長変換装置の一般構成と相違している。出力の分波手段２０２からは、周波数ω１の出力光２１３と、周波数２ω１の第２高調波２１４とが出力される。
【００１０】
図４は、従来技術の波長変換素子におけるＡＲ膜の特性例を示す図である。入力光として通信波長帯である１５５０ｎｍの信号光を入力する場合に使用するＡＲ膜の波長−反射率特性を示す。横軸に波長（ｎｍ）を示し、縦軸に反射率（％）を示す。図４に示したように、波長変換素子におけるＡＲ膜は、入力光の波長である１５５０ｎｍ帯に加えてその半分の波長７７５ｎｍの波長帯においても低い反射特性を示す。
【００１１】
図５は、ＳＨＧ過程を利用した波長変換装置の位相整合曲線を示す図である。入力光の入力パワーが３ｍＷの場合の位相整合曲線を示す。疑似位相整合技術を適用することにより所望の波長（１５５２．４ｎｍ）において高いＳＨＧ出力を示している。
【００１２】
波長変換素子では、入力光のパワーを大きくしてゆくと、入力光による直接的な波長変換現象と、発生した波長変換光と入力光による間接的な波長変換現象とが同時に発生する。以下簡単のため、間接的な波長変換の過程についてＳＨＧ過程を用いて説明する。
【００１３】
図６は、ＳＨＧ過程を用いた波長変換動作時の動作を模式的に示した図である。波長変換装置６００の構成は、図３で示したＳＨＧ過程を用いた波長変換装置３００のものと同一であるが、波長変換素子の出力として第３の出力光３１５が含まれる点で、図３で説明した動作と相違している。図６の波長変換装置６００において、周波数ω１の入力光３１１のパワーを大きくしてゆくと、波長変換素子内において発生した周波数２ω１のＳＨＧ光２１４と、周波数ω１の入力光３１１とによって、周波数ω１＋２ω１＝３ω１を持つ和周波光３１５が間接的に発生する。このような和周波光の発生は、ＰＰＬＮ−ＷＧなどによる導波路化および位相整合技術を適用して、波長変換効率を高めた波長変換素子において、より顕著に生じる。例えばＰＰＬＮ−ＷＧなどの高効率素子に、入力光３１１として１５５０ｎｍ帯の通信波長帯の光を用いた場合、入力光３１１および素子内で発生したＳＨＧ光による和周波光として波長５２０ｎｍ帯の光が間接的に発生する。ＳＨＧ過程を用いた波長変換装置では、図６に示したように和周波光の波長５２０ｎｍ帯の光は内部反射を繰り返して、最悪の場合には素子内において波長５２０ｎｍで発振が起こってしまう。
【００１４】
ＰＰＬＮ−ＷＧでは、強い入力パワーにより屈折率変化を生じ、波長変換特性が劣化する光損傷の問題が生じる。ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）結晶は、比較的弱い可視レーザー光の照射でさえ、光誘起屈折率変化いわゆる光損傷が起こることが知られている。光損傷を避けるため、多くのＰＰＬＮ−ＷＧではＭｇＯ、ＺｎＯを数ｍｏｌ／％ドープしたＬＮを周期分極反転させて、コアとして用いている。しかしながらＭｇＯ、ＺｎＯをドープしたＬＮ結晶は、ドープしないＬＮ結晶に比べ、可視光における光吸収の影響を無視できなくなる。波長変換素子においては、上述の可視光である緑色に対応する波長５２０ｎｍ帯の光を吸収、発熱し、素子内に温度分布が生じてしまう。熱光学を通じて屈折率に空間分布が発生し、所望の波長において位相整合が取れず、位相整合波長がずれてしまう。利用したいＳＨＧ光の出力が低下して、波長変換素子の性能が低下する原因となっていた。
【００１５】
図７は、高光入力レベルのために位相整合条件がずれた場合の位相整合特性の例を示した図である。入力光３１１として波長１５５０ｎｍで入力パワー１Ｗの光を入射した場合の位相整合特性を評価した。図５と対比すれば、第２高調波出力レベルは著しく低下し、波長変換素子の変換効率が低下していることは明らかである。この波長５２０ｎｍ帯の緑光の吸収による温度分布発生の問題に対しては、温度分布を均一にするため大型のペルチェ素子等の温度制御手段を用いて波長変換素子に温度分布が生じるのを抑制し、回避する方法がとられてきた。しかしながら、温度制御手段の大型化に伴い、波長変換素子を含む波長変換装置全体が大型化し、装置の消費電力の増大することが避けられなかった。
【００１６】
より効率的に素子の温度を制御する方法として、コア側に温度調節機構を設置して温度分布を均一化する技術も提案されている（特許文献１）。しかしながら、コアを温度調節する方法ではコア上に金属膜を蒸着する必要があり、波長変換素子の製造コストが上昇する問題があった。
【００１７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、波長変換素子の性能低下を防止しながら構成の簡略化、低消費電力化、低コスト化を実現する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
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、２次非線形光学材料を用いた導波路と、前記導波路の端面の上に形成され、入力光、前記入力光により発生する第１の波長変換光、並びに、前記入力光および前記第１の波長変換光により発生する第２の波長変換光の各波長帯において光の反射を抑制する反射防止膜とを備えたことを特徴とする波長変換素子である。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、請求項１の波長変換素子であって、前記第２の波長変換光の波長帯は、Ｏバンド、Ｅバンド、Ｓバンド、Ｃバンド、Ｌバンドを含む通信波長で使用される信号光の３倍の周波数帯に対応することを特徴とする。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、２次非線形光学材料を用いた導波路と、前記導波路の端面の上に形成され、通信波長帯の入力光、前記入力光に対して差周波数を生成しまたは位相感応増幅するための励起光、並びに、前記入力光および前記励起光により発生し、前記入力光の３倍の周波数帯に属する波長変換光の各波長帯において光の反射を抑制する反射防止膜とを備えたことを特徴とする波長変換素子である。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかの波長変換素子であって、前記２次非線形光学材料を用いた前記導波路は、周期分極反転ニオブ酸リチウム導波路であることを特徴とする。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、請求項４の波長変換素子であって、前記導波路のコアは、ＺｎＯまたはＭｇＯをドープされていることを特徴とする。
【００２３】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかの波長変換素子であって、前記２次非線形光学材料を用いた前記導波路は、直接接合により作製されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように本発明により、波長変換素子および波長変換装置の構成の簡略化、低消費電力化、低コスト化を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は従来技術のＰＰＬＮ−ＷＧ波長変換素子構成を示した図である。
【図２】図２はＰＰＬＮ−ＷＧ波長変換素子を含む波長変換装置を示した図である。
【図３】図３は第２高調波光発生過程を用いた装置の入出力関係を示した図である。
【図４】図４は従来技術の波長変換素子におけるＡＲ膜の特性例を示した図である。
【図５】図５はＳＨＧ過程を用いた波長変換装置の位相整合曲線を示した図である。
【図６】図６はＳＨＧ過程を用いた波長変換時の動作を模式的に示した図である。
【図７】図７は高光入力で位相整合条件がずれた位相整合特性を示した図である。
【図８】図８は本発明の第１の実施形態の波長変換素子の構成を示した図である。
【図９】図９は第１の実施形態波長変換素子のＡＲ膜反射特性を示した図である。
【図１０】図１０は第１の実施形態のＳＨＧ光の位相整合特性を示した図である。
【図１１】図１１は第２の実施形態の波長変換素子の構成を示した図である。
【図１２】図１２は第３の実施形態の波長変換素子の構成を示した図である。
【図１３】図１３は第４の実施形態の波長変換素子の構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の波長変換素子は、導波路の端面を含む基板端面上に、入力光および波長変換光から生じる第２の波長変換光に対して、反射を防止する特性を持つＡＲ膜を備える。図２でも示したように従来技術の光学素子の入出力端面には、波長変換素子への入力信号光などの、使用される光周波数帯の反射戻り光による悪影響を抑制するため、誘電体多層膜などで形成されるＡＲ膜を施されている。例えば、波長変換に用いるＰＰＬＮ−ＷＧにおいてＳＨＧ過程を使用する場合、入力される信号光の周波数（基本波周波数）ωおよびＳＨＧ光の周波数２ωの２つの周波数帯に対するＡＲ膜を形成していた。発明者らは、高い入力パワーの通信波長の信号光などをＰＰＬＮ−ＷＧに入射してＳＨＧ光を発生させる際に生じる和周波光の周波数３ωの光に着目した。周波数３ωの光に起因する発熱を抑制するため３ωの周波数帯の光に対しても反射を防止する特性を持つＡＲ膜を導波路の端面に施すことにより、ＰＰＬＮ−ＷＧ内で生じる発振や発熱が抑制され、波長変換効率の低下を避けられることを見出した。
【００２７】
ＡＲ膜に新たに反射を防止する特性を付与する上述の３ωの周波数帯の光は、概ね光通信に使用される周波数帯域の３倍の周波数に対応している（波長では１／３となる）。したがって、Ｏバンド、Ｅバンド、Ｓバンド、Ｃバンド、Ｌバンドを含む通信波長で使用される信号光周波数の３倍の周波数帯に対応する。以下の説明では、Ｃバンド（１５５０ｎｍ帯）の信号光およびその３倍波の緑光の反射を防止する例について説明するが、本発明はＣバンドの信号光の構成だけに限定されない。
【００２８】
従来技術で検討されてきた大型の温度制御装置を使用したり、コア側に温度調節機構を設置したりするような煩雑で高コストな温度制御技術の適用なしに、従来技術で使用されている誘電体多層膜の設計を変更するだけの簡便な方法で、和周波光が間接的に発生することによる波長変換効率低下の問題を解決できる。
【００２９】
以下、図面および詳細な実施例とともに、本発明の光変変換素子およびこれを使用した様々な構成・機能の波長変換装置について説明する。
【００３０】
[第１の実施形態]
以下に示す本発明の各実施形態では、波長変換素子としては直接接合リッジ型ＰＰＬＮ−ＷＧを用いる。直接接合法は、まず初めに化学薬品を用いて表面処理を行ったウエハ同士を重ね合わせることで、表面間引力により接合する方法である。接合は常温で行われるが、このときのウエハの接合強度は小さいため、接合強度を向上させるため高温での熱処理を行う。接着剤等を用いずに基板同士を強固に接合することのできる直接接合の技術は、高い光損傷耐性、長期の信頼性、デバイス設計の容易さ等の特徴を持つ。加えて、例えば差周波数生成（ＤＦＧ：Differential Frequency Generation）機構による中赤外域の光発生において、不純物の混入や接着剤等の吸収を回避できる点からも有望視されている。
【００３１】
図８は、本発明の第１の実施形態の波長変換素子の構成を示す図である。図８の波長変換素子を含む波長変換装置８００は、波長変換素子によりＰＳＡに必要な励起光を発生させるよう動作させ、波長１５５０ｎｍ（ω１）の基本波光である入力光３１２からＳＨＧ光を発生する。ＰＳＡ動作に必要な波長７７５ｎｍの励起光を生成するため、ＰＰＬＮ−ＷＧ１０２への通信波長帯の光である波長１５５０ｎｍ（ω１）で入力パワー２Ｗの基本波光３１２を入力する。基本波光３１２は、ＰＰＬＮ−ＷＧ１０２内においてＳＨＧ光（２ω１）を生成し、分波手段２０２からは、残留基本波光２１３（ω１）およびＳＨＧ光２１４（２ω１）が出力される。本発明の波長変換素子では、高効率かつ安定してＳＨＧ光を発生させるため、１０１基板の入出力端面にＡＲ膜８０４ａ、８０４ｂを形成した。
【００３２】
図９は、第１の実施形態の波長変換素子のＡＲ膜の反射特性を示す図である。図８におけるＡＲ膜８０４ａ、８０４ｂは、入力基本波光の１５５０ｎｍおよびＳＨＧ光の７７５ｎｍに加えて、入力光およびＳＨＧ光の和周波光の波長５１７ｎｍ近傍においても低い反射特性を有している。すなわち、導波路の端面の上に形成され、入力光（基本波光３１２）により発生する第１の波長変換光（ＳＨＧ光２１４）、並びに、入力光および前記第１の波長変換光により発生する第２の波長変換光（和周波光）の各波長帯において光の反射を抑制するＡＲ膜を備える。ＡＲ膜８０４ａ、８０４ｂを備えることによって、ＰＰＬＮ−ＷＧ１０２内において、入力光３１２（ω１）および第１の波長変換光であるＳＨＧ光（２ω１）から、さらに和周波光である波長３ω１を持つ第２の波長変換光が発生しても、分波手段２０２から出力光３１５として波長変換素子の外部に出力される。したがって、２Ｗもの高いパワーの基本波光を入力し高出力な波長変換光を生成する本実施形態の構成でも、緑色に対応する波長５１７ｎｍ（３ω１）近傍の光のレベルは著しく低下し、２次非線形光学材料によるＰＰＬＮ−ＷＧ１０２における吸収も生じない。波長５１７ｎｍ（３ω１）近傍の光による発熱が生じないため。波長変換素子の温度分布の変化も生じない。
【００３３】
図１０は、第１の実施形態の波長変換素子におけるＳＨＧ光の位相整合特性を示す図である。導波路の端面上に、図９で示したような３つの波長帯で低い反射特性を有するＡＲ膜８０４ａ、８０４ｂを形成することにより、ＰＰＬＮ−ＷＧ１０２内での５１７ｎｍの残留成分が低減され、従来技術で必要だった温度制御手段、温度調節機構なしで、高いＳＨＧ出力を安定して生成できた。すなわち、従来技術の波長変換素子の外部の温度制御手段やコアに作製された温度調節機構が無くても、ＡＲ膜８０４ａ、８０４ｂを備えるだけで、従来技術を越える高いレベルのＳＨＧ出力を得られた。具体的には、従来技術の温度制御手段、温度調節機構付きの波長変換素子では、１５０ｍＷ程度のＳＨＧ出力に留まっていたのに対し、本発明では、５００ｍＷのＳＨＧ出力が得られた。
【００３４】
[第２の実施形態]
本発明の波長変換素子は、波長変換素子を用いる様々な形態・機能の波長変換装置に対して利用できる。以下、第１の実施形態とは異なる波長変換素子の利用形態の例について説明する。第２の実施形態では、ＰＳＡでの光パラメトリック増幅（ＯＰＡ：Optical Parametric Amplifier）部に適用した例を示す。
【００３５】
図１１は、本発明の第２の実施形態の波長変換素子の構成を示す図である。本発明の波長変換素子を利用した波長変換装置は、ＰＰＬＮ−ＷＧ１０２を用いたＰＳＡにおけるパラメトリック増幅部１１００にＡＲ膜を適用した例である。パラメトリック増幅部１１００では、波長変換素子で波長１５５２ｎｍの信号光をパラメトリック相互作用により低雑音に増幅するよう動作する。合波手段２０１への入力光１１１１として、通信波長帯の波長１５５０ｎｍで入力パワー１５ｄＢｍの信号光と、波長７７６ｎｍの励起光１１１２を入力する。波長変換素子のＰＰＬＮ−ＷＧ１０２にて、パラメトリック増幅により信号光１１１１を低雑音に増幅した。
【００３６】
位相感応増幅器で高い増幅利得を得るには、高いレベルの励起光１１１２をＰＰＬＮ−ＷＧ１０２に入力する必要がある。このとき、図６でも説明したように、信号光１１１１の増幅作用に加えて波長変換素子内では信号光１１１１（ω１）および励起光１１１２（ω２）の和周波光（ω１＋ω２）が生じる。そのため、波長１５５２ｎｍおよび７７６ｎｍの光の他に、５１７ｎｍの緑光が発生して、波長変換素子内で発振・発熱が生じる。本実施形態のパラメトリック増幅部１１００では、パラメトリック増幅に使用するＰＰＬＮ−ＷＧ１０２の入出力端に、信号光１１１１、励起光１１１２およびこれらの和周波光に対して低い反射特性を有するＡＲ膜１１０４ａ、１１０４ｂを形成した。すなわち、通信波長帯の入力光（信号光１１１１）、入力光に対して差周波数を生成しまたは位相感応増幅するための励起光（励起光１１１２）、並びに、前記入力光および前記励起光により発生し、前記入力光の３倍の周波数帯に属する波長変換光（出力光１１１５に対応）の各波長帯において光の反射を抑制するＡＲ膜を備えた。
【００３７】
分波手段２０２からは、増幅された信号光として出力光１１１３、および、励起光として出力光１１１４が出力される。さらに、ＡＲ膜１１０４ａ、１１０４ｂを備えたことによって、ＰＰＬＮ−ＷＧ１０２内で発生した５１７ｎｍの緑光は、波長変換素子内に留まることなく出力光１１１５として外部に出力される。ＡＲ膜１１０４ａ、１１０４ｂを形成したことにより、従来技術で必要だった温度制御手段、温度調節機構なしで、１Ｗの励起光１１１２を入力し利得２５ｄＢの高いＰＳＡ利得を安定して実現可能であった。
【００３８】
[第３の実施形態]
図１２は、本発明の第３の実施形態の波長変換素子の構成を示す図である。本発明の波長変換素子を利用した波長変換装置は、ＰＰＬＮ−ＷＧ１０２を用いてＢＰＳＫ信号を低雑音に中継増幅するインライン型ＰＳＡ（非特許文献３）において、搬送波抽出部１２００にＡＲ膜を適用した例である。インライン型ＰＳＡの搬送波抽出部１２００は、合波手段２０１への入力光としてＰＰＬＮ−ＷＧ１０２へ、波長１５３６ｎｍの信号光１２１１（ω１）の一部と、波長１５３４ｎｍの局部発振光（以下、局発光）１２１２（ω２）とを入力し、波長１５３８ｎｍの搬送波を抽出する。より詳細には、１つのＰＰＬＮ−ＷＧ１０２内で生じるＳＨＧ機構および差周波数生成（ＤＦＧ）機構のカスケード波長変換動作により、ＢＰＳＫ変調信号１２１１から波長１５３８ｎｍの搬送波１２１３を抽出する。
【００３９】
搬送波抽出部１２００で搬送波の抽出感度を高めるには、高いレベルの局発光１２１２を入力することが必要となり、１０ｄＢｍの光を入力する。この場合ＳＨＧ・ＤＦＧカスケード波長変換で生じる局発光のＳＨＧ光および信号光の差周波光１２１４の他に、局発光のＳＨＧ光および信号光の和周波光１２１５（２ω２＋ω１）や、局発光およびＳＨＧ光の和周波光１２１５（３ω２）が発生してしまう。そのため、波長１５３６ｎｍおよび７７６ｎｍの他に、５１２ｎｍの緑光が発生し、波長変換素子内において発振・発熱する。
【００４０】
本実施形態の波長変換装置である搬送波抽出部１２００では、パラメトリック増幅に使用するＰＰＬＮ−ＷＧ１０２の入出力端に、波長１５３６ｎｍおよび７６７ｎｍに加え、５１２ｎｍの波長帯に対して低い反射特性を有するＡＲ膜１２０４ａ、１２０４ｂを形成した。すなわち、導波路の端面の上に形成され、第１の入力光（信号光１２１１）、第２の入力光（局発光１２１２）により発生する第１の波長変換光（ＳＨＧ光）、並びに、前記第１の入力光および前記第１の波長変換光により発生する第２の波長変換光（和周波光１２１５）の各波長帯において光の反射を抑制するＡＲ膜を備えた。このＡＲ膜によって、ＰＰＬＮ−ＷＧ１０２内で発生した５１２ｎｍの緑光は、波長変換素子内に留まることなく出力光１２１５として外部に出力される。これによって、従来技術で必要だった温度制御手段、温度調節機構なしで、高感度かつ安定してＢＰＳＫ信号の搬送波を抽出できた。
【００４１】
[第４の実施形態]
図１３は、本発明の第４の実施形態の波長変換素子の構成を示す図である。本発明の波長変換素子を利用した波長変換装置は、ＰＰＬＮ−ＷＧ１０２を用いたＢＰＳＫ信号を低雑音に中継増幅するインライン型ＰＳＡにおける励起光生成部１３００に、ＡＲ膜を適用した例である。インライン型ＰＳＡの励起光生成部１３００では、合波手段２０１への入力として、ＢＰＳＫ信号から抽出した波長１５３８ｎｍの搬送波光１３１１（ω１）および波長１５３４ｎｍの局発光１３１２（ω２）の和周波光（波長１５３６ｎｍ）を発生しパラメトリック増幅部へエネルギーを供給する。
【００４２】
この和周波光を発生するには、抽出した搬送波光および局発光のいずれも、高いレベルでＰＰＬＮ−ＷＧ１０２へ入力する必要がある。このため、励起光生成部１３００では波長１５３６ｎｍの和周波光の他に、搬送波の３倍波、局発光の３倍波、さらに搬送波のＳＨＧ光および局発光の和周波光、搬送波および局発光のＳＨＧ光の和周波光である波長５１２ｎｍ帯の光１３１６まで発生する。
【００４３】
本実施形態の波長変換装置である励起光生成部１３００では、パラメトリック増幅に使用するＰＰＬＮ−ＷＧ１０２の入出力端に、波長１５３６ｎｍおよび７６７ｎｍに加え、５１２ｎｍの波長帯で低い反射率を有するＡＲ膜１３０４ａ、１３０４ｂを形成した。すなわち、導波路の端面の上に形成され、第１の入力光（搬送波光１３１１）、第２の入力光（局発光）により発生する第１の波長変換光（ＳＨＧ光）、並びに、前記第１の入力光および前記第１の波長変換光により発生する第２の波長変換光（和周波光）の各波長帯において光の反射を抑制するＡＲ膜を備えた。このＡＲ膜によって、ＰＰＬＮ−ＷＧ１０２内で発生した５１２ｎｍの緑光は、波長変換素子内に留まることなく出力光１３１６として波長変換素子の外部に出力される。これによって、ＰＰＬＮ−ＷＧ１０２において発生する搬送波のＳＨＧ光および局発光の和周波光、搬送波および局発光のＳＨＧ光の和周波光である波長５１２ｎｍ帯の光による素子の発熱を抑制する。励起光生成部１３００においてＡＲ膜１３０４ａ、１３０４ｂを備えることで、従来技術で必要だった温度制御手段、温度調節機構なしで、高い和周波変換を実現し、中継増幅利得して１６ｄＢの高利得化を実現できた。
【００４４】
以上詳細に説明したように本発明の波長変換素子により、従来技術で用いられていたＡＲ膜（誘電体多層膜）の設計を変更するだけで、大型の温度制御装置を使用したり、コア側に温度調節機構を設置したりするなど煩雑で高コストな温度制御技術の適用なしに、和周波光が間接的に発生して波長変換素子性能が低下する問題を回避できる。温度制御装置、温度調節機構を省略できるため、波長変換素子や波長変換装置の簡略化、低コスト化を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの光通信装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１００  波長変換素子
１０１  基板
１０２  導波路コア（ＰＰＬＮ−ＷＧ）
１０３  端面
１０４ａ、１０４ｂ、８０４ａ、８０４ｂ、１１０４ａ、１１０４ｂ、１２０４ａ、１２０４ｂ、１３０４ａ、１３０４ｂ  反射防止膜
２００、３００、６００、８００、１１００、１２００、１３００  波長変換装置
２０１  波長合波手段
２０２  波長分波手段
【図１】
2019113623.tif 000003
【図２】
2019113623.tif 000004
【図３】
2019113623.tif 000005
【図４】
2019113623.tif 000006
【図５】
2019113623.tif 000007
【図６】
2019113623.tif 000008
【図７】
2019113623.tif 000009
【図８】
2019113623.tif 000010
【図９】
2019113623.tif 000011
【図１０】
2019113623.tif 000012
【図１１】
2019113623.tif 000013
【図１２】
2019113623.tif 000014
【図１３】
2019113623.tif 000015