(57)【要約】【課題】光パルスの時間波形を歪ませることなく、高い波長変換効率を実現する。【解決手段】中間生成光を吸収する中間生成光損失発生手段が光導波路に付随して設けられている。中間生成光を吸収する手段は、LiNbO3基板30に形成された光導波路32の両側に沿って、シリコン薄膜34を形成することによって実現される。光導波路の直上は、スリット状にシリコン薄膜を形成しない開口領域を設けてあり、このシリコン薄膜が形成されていないスリット状の開口34sの幅を調整することによって、中間生成光の吸収の度合いが決定される。また、シリコン薄膜の厚さを調整することによって、中間生成光に対する吸収波長帯域幅を制御でき、中間生成光に対する吸収波長帯域幅を広げるために、シリコン薄膜の形状を、光導波路と覆いかぶさる部分に段差部34tを設けたシリコン薄膜36として構成されている。【選択図】図5
2008089873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路と、該光導波路に設けられた周期的分極反転領域であって、擬似位相整合を実現するための周期的分極反転構造が形成された当該周期的分極反転領域とを具える波長変換素子において、
該光導波路は、前記分極反転構造の周期の方向に当該光導波路を光が伝播するように、設置されており、
前記光導波路は、該光導波路に、入力信号光と、第1ポンプ光及び第2ポンプ光とを同時に入力して、出力信号光を生成して該出力信号光を出力する構成とされており、
前記周期的分極反転構造の周期は、前記入力信号光と前記第1ポンプ光との和周波発生によって中間生成光を発生させ、かつ該中間生成光と前記第2ポンプ光との差周波発生によって前記出力信号光を発生させる条件を満足する値に設定されており、及び
前記光導波路に、前記中間生成光を減衰させる中間生成光損失発生手段が設けられている
ことを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
光導波路と、該光導波路に設けられた周期的分極反転領域であって、擬似位相整合を実現するための周期的分極反転構造が形成された当該周期的分極反転領域とを具える波長変換素子において、
該光導波路は、前記分極反転構造の周期の方向に当該光導波路を光が伝播するように、設置されており、
前記光導波路は、該光導波路に、入力信号光と、第1ポンプ光及び第2ポンプ光とを同時に入力して、出力信号光を生成して該出力信号光を出力する構成とされており、
前記周期的分極反転構造の周期は、前記入力信号光と前記第1ポンプ光との和周波発生によって中間生成光を発生させ、かつ該中間生成光と前記第2ポンプ光との差周波発生によって前記出力信号光を発生させる条件を満足する値に設定されており、及び
前記光導波路に、前記中間生成光を増幅する、中間生成光利得発生手段が設けられている
ことを特徴とする波長変換素子。
【請求項３】
光導波路と、該光導波路に設けられた周期的分極反転領域であって、擬似位相整合を実現するための周期的分極反転構造が形成された当該周期的分極反転領域とを具える波長変換素子において、
該光導波路は、前記分極反転構造の周期の方向に当該光導波路を光が伝播するように、設置されており、
前記光導波路は、該光導波路に、入力信号光と、第1ポンプ光及び第2ポンプ光とを同時に入力して、出力信号光を生成して該出力信号光を出力する構成とされており、
前記周期的分極反転構造の周期は、前記入力信号光と前記第1ポンプ光との和周波発生によって中間生成光を発生させ、かつ該中間生成光と前記第2ポンプ光との差周波発生によって前記出力信号光を発生させる条件を満足する値に設定されており、及び
前記光導波路に、前記入力信号光及び第2ポンプ光を増幅する、長波長光利得発生手段が設けられている
ことを特徴とする波長変換素子。
【請求項４】
前記光導波路がLiNbO3基板に形成されており、
前記中間生成光損失発生手段が、
前記光導波路の両側に沿って、該光導波路の両側の一部を覆うように形成されたシリコン薄膜である
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５】
前記光導波路がLiNbO3基板に形成されており、
前記中間生成光損失発生手段が、
前記光導波路の両側に沿って、該光導波路の両側の一部を覆うように形成されたシリコン薄膜であり、
前記シリコン薄膜の前記光導波路を覆う部分において、当該シリコン薄膜の厚みが、前記光導波路の両側から中央部に向って減少するように形成されている
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６】
光導波路と、該光導波路に設けられた周期的分極反転領域であって、擬似位相整合を実現するための周期的分極反転構造が形成された当該周期的分極反転領域とを具える単位波長変換素子を、前記光導波路を共通にして、直列に複数配置されて成る波長変換素子であって、
該光導波路は、前記分極反転構造の周期の方向に当該光導波路を光が伝播するように、設置されており、
前記光導波路は、該光導波路に、入力信号光と、第1ポンプ光及び第2ポンプ光とを同時に入力して、出力信号光を生成して該出力信号光を出力する構成とされており、
前記周期的分極反転構造の周期は、前記入力信号光と前記第1ポンプ光との和周波発生によって中間生成光を発生させ、かつ該中間生成光と前記第2ポンプ光との差周波発生によって前記出力信号光を発生させる条件を満足する値に設定されており、及び
隣接する前記単位波長変換素子の間に、前記中間生成光を吸収する中間生成光吸収体が設置されている
ことを特徴とする波長変換素子。
【請求項７】
光導波路と、該光導波路に設けられた周期的分極反転領域であって、擬似位相整合を実現するための周期的分極反転構造が形成された当該周期的分極反転領域とを具える単位波長変換素子を、波長選択性光反射部を介して並列に複数配置されて成る波長変換素子であって、
該光導波路は、前記分極反転構造の周期の方向に当該光導波路を光が伝播するように、設置されており、
前記光導波路は、該光導波路に、入力信号光と、第1ポンプ光及び第2ポンプ光とを同時に入力して、出力信号光を生成して該出力信号光を出力する構成とされており、
前記周期的分極反転構造の周期は、前記入力信号光と前記第1ポンプ光との和周波発生によって中間生成光を発生させ、かつ該中間生成光と前記第2ポンプ光との差周波発生によって前記出力信号光を発生させる条件を満足する値に設定されており、
前記波長選択性光反射部が、2入力2出力型の光カプラと、位相調整用光導波路と、前記中間生成光を透過し、前記入力信号光、前記第1ポンプ光、前記第2ポンプ光及び出力信号光を反射する波長選択性反射鏡とを具えている
ことを特徴とする波長変換素子。
【請求項８】
波長変換部と光パルス波形整形部とを具え、
該波長変換部は、
光導波路と、該光導波路に設けられた周期的分極反転領域であって、擬似位相整合を実現するための周期的分極反転構造が形成された当該周期的分極反転領域とを具え、
該光導波路は、前記分極反転構造の周期の方向に当該光導波路を光が伝播するように、設置されており、
前記光導波路は、該光導波路に、入力信号光と、第1ポンプ光及び第2ポンプ光とを同時に入力して、出力信号光を生成して該出力信号光を出力する構成とされており、
前記周期的分極反転構造の周期は、前記入力信号光と前記第1ポンプ光との和周波発生によって中間生成光を発生させ、かつ該中間生成光と前記第2ポンプ光との差周波発生によって前記出力信号光を発生させる条件を満足する値に設定されており、
前記光パルス波形整形部は、前記入力信号光を構成する光パルスを単峰性光パルスから双峰性光パルスに変換する機能を有している
ことをことを特徴とする波長変換素子。
【請求項９】
前記光導波路の一部分に、前記中間生成光を減衰させる中間生成光吸収部を具えていることをことを特徴とする請求項8に記載の波長変換素子。
【請求項１０】
前記光パルス波形整形部が、
前記入力光信号光の光パルスを、第1光パルスと第2光パルスとに分割する第1光カプラと、
前記第1光パルスに時間遅延を与え、第1遅延光パルスとして生成する遅延線と、
前記第1遅延光パルスと前記第2光パルスとを合波する第2光カプラと
を具えていることを特徴とする請求項8又は9に記載の波長変換素子。
【請求項１１】
前記遅延線が、前記第2光パルスに対する前記第1光パルスの位相を微調整するための位相調整部を具えていることを特徴とする請求項10に記載の波長変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、入力光の波長を変換して出力する波長変換素子に関し、特に、光通信における光通信信号の光搬送波の波長を変換するための波長変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
非線形光学効果（nonlinear-optical effect）を利用すれば、光通信信号の光搬送波（以後、単に「信号光」ということもある。）の波長変換を、光通信信号の伝送速度及び変調方式に依存せずに実現できる。また、波長の異なる複数の信号光に対して、一括して波長変換できる。このため、非線形光学効果を利用する波長変換素子が盛んに研究されている。
【０００３】
非線形光学効果を利用する波長変換素子として、もっとも盛んに研究されている素子は、擬似位相整合（QPM: Quasi-Phase Matching）条件を満足させることによって波長変換を実現させる方式が採用された素子である。以後の説明において、位相整合条件をQPM条件ということもある。QPM条件とは、波長変換素子に入力されてその波長が変換される光（「被変換光」と呼ばれることもある。）と、波長変換されて波長変換素子から出力される光（「変換光」呼ばれることもある。）との、波長変換素子内における位相を整合させるための条件である。
【０００４】
以後の説明において、QPM条件を満足させることによって波長変換を実現させる波長変換素子を、QPM波長変換素子と略記することもある。また、混乱が生じない範囲で、QPM波長変換素子を、単に波長変換素子ということもある。
【０００５】
QPM波長変換素子には、QPM条件を満足させる手段として、非線形光学係数の符号を周期的に反転させた構造が形成されている。非線形光学係数の符号が周期的に反転している構造は、自発分極（Spontaneous polarization）の方向が単一方向に揃っている、シングルドメイン（Single-domain）の強誘電体結晶（ferroelectric crystal）に形成することができる。すなわち、シングルドメインの強誘電体結晶の自発分極の方向を周期的に反転させ、周期的ドメイン反転（periodic domain inversion）構造を形成することによって、非線形光学係数の符号が周期的に反転する構造を形成できることが知られている。
【０００６】
例えば、シングルドメインの強誘電体結晶として、c軸カットされたLiNbO3（lithium niobate、以後「LN」と略記することもある。）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c軸カットされたLN基板を対象として取り上げることとする。ただし、強誘電体結晶基板としてc軸カットされたLN基板（以後、「c-LN基板」と略記する。）に限定されることはなく、同様の性質を有する、例えば、LiTaO3（lithium tantalate）基板等も同様に利用することが可能である。
【０００７】
ここで、c-LN基板とは、LN基板であって、LN基板の表面に対して垂直な方向に、自発分極の向きが揃えられたシングルドメイン結晶基板を指す。自発分極ベクトルの終点側の面を+c面、自発分極ベクトルの始点側の面を-c面と呼ぶこともある。c-LN基板の+c面に、周期的に自発分極の方向を反転させてQPM波長変換素子が形成される。c軸カットLN結晶であって、自発分極の方向を周期的に反転させた構造を有する結晶は、PPLN（Periodically poled lithium niobate）と呼ばれることもある。また、周期的に自発分極の方向を反転させて周期的分極反転構造が形成されている領域を周期的分極反転領域ということもある。
【０００８】
図1を参照して、c-LN基板を用いて形成された、代表的なQPM波長変換素子の構成及びその動作について説明する。図1は、QPM波長変換素子を斜め上方から見た概略的な斜視図である。この斜視図において、光導波路あるいはドメインの存在を表示するために、該当する箇所に斜線を施してある。したがってこの斜線は、立体的な構造物の断面形状を意味するものではない。また、周期的ドメイン反転構造の部分において、自発分極の向きを矢印によって示してある。
【０００９】
波長変換素子10は、光導波路22に周期的ドメイン反転構造20が作り付けられたQPM波長変換素子である。周期的ドメイン反転構造20は、c-LN基板12の+c面に形成されており、自発分極の方向が保たれている第1ドメイン16と、自発分極の方向が反転されて形成された第2ドメイン18とから構成されている。すなわち、第1ドメイン16及び第2ドメイン18のそれぞれの自発分極の向きは、互いに180°逆向きの関係となっている。第1ドメイン16の自発分極の向きは-c面から+c面に向かう方向であるのに対して、第2ドメイン18の自発分極の向きは+c面から-c面に向かう方向である。
【００１０】
第1ドメイン16と第2ドメイン18とで形成される周期構造の周期はΛである。第1ドメイン16の寸法d１と第2ドメイン18の寸法d２とを等しくとることによって、波長変換効率を最大にすることができる。すなわち、d１＝d２として、Λ＝d１+d２とするのが好適である。
【００１１】
自発分極の方向が反転している領域の形成は、c-LN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ある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18が形成される部分に、真空蒸着法等でTi薄膜を50 nmの厚さに形成し、1,000℃で10時間熱拡散すればよい。高電圧を印加して自発分極の方向を反転させるには、ドメイン18が形成される部分に、電極を形成して高電圧（20 kV/mm程度）を瞬間的に印加すればよい。
【００１２】
続いて、c軸カットLN基板に形成された周期的ドメイン反転構造の、自発分極ベクトルと直交するように光導波路22を形成する。光導波路は、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22を形成する領域のみを空けてその他の領域を金属（AlあるいはCr）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。この処理をすることで、Li+イオンと交換されたH+イオンがLN基板に拡散し、この拡散部分の屈折率が高くなることによって光導波路が形成される。
【００１３】
また、変換効率の高いQPM波長変換素子を製造するために、LN基板を貼り合わせる技術と、ダイシングあるいはドライエッチング技術とを組み合わせることによって、光導波路22を形成する方法も知られている。この方法は、次の工程によって実現される。
【００１４】
まず。周期的ドメイン反転構造を形成したLN基板と、このLN基板より低い屈折率の結晶基板とを、光学接着剤で張り合わせる。この結晶基板としては、MgドープのLN基板を利用することができる。
【００１５】
次に、張り合わされたMgドープのLN基板を数ミクロンメートルの厚さになるまで研磨する。その後、光導波路を挟んで、光が導波される方向に沿って平行な方向にダイシングソーで溝を形成することによって、チャンネル型の光導波路が形成される。すなわち、光導波路の両側面を、ダイシングソーで溝を形成することによって形成する。
【００１６】
この一連の処理によって、光導波路は、基板のLN結晶とMgドープのLN結晶（光導波路よりも屈折率が小さい。）とで上下方向に光を閉じ込めるクラッド層が形成される。一方、光導波路の左右（光導波路の両側面）はダイシングソーで形成された溝の側面として形成されているので、屈折率が1である空気によって、光を閉じ込める構造となる。従って、光導波路に光を効率よく閉じ込めることができるため、この光導波路を伝播する光の密度を大きくできる。そのため、変換効率の高いQPM波長変換素子が実現できる。また、LN基板を貼り合わせる方法によれば、H+-Li+イオン交換法を用いることなく光導波路を形成できる。
【００１７】
波長変換素子10の光導波路22に、入力信号光（被変換光）21と、連続波（CW：contineous wave）光である第1ポンプ光23を同時に光導波路22の出力端から入力すると、光導波路22において、和周波発生（SFG: sum-frequency generation）によって、入力信号光21より波長の短い中間生成光25が生成される。ここで、更に、中間生成光25と、光導波路22において、波長可変のCW光である第2ポンプ光27との差周波発生（DFG: deferential frequency generation）によって、波長変換された出力信号光（変換光）29が生成されて出力される。第2ポンプ光27の波長の変化に対応して、波長変換されて生成される出力信号光29の波長も変化する。
【００１８】
図1において、入力信号光21、第1ポンプ光23及び第2ポンプ光27は、光導波路22の図面の左側の入力端から入力される。また、出力信号光29は、光導波路22の図面の右側の出力端から出力される。
【００１９】
このようにして、入力信号光21の波長を変換して出力信号光29を生成する方法は、入力信号光21の強度が小さくても、第1ポンプ光23の強度が大きければ、高効率な波長変換が実現するという利点がある。また、第2ポンプ光27の波長と出力信号光29の波長とが近接するように、第1ポンプ光23及び第2ポンプ光27を設定すれば、広い波長範囲にわたって、第2ポンプ光27と出力信号光29とが位相整合可能となるので、出力信号光29の波長を広い範囲にわたって設定できるという利点がある。
【００２０】
図2(A)及び(B)を参照して、入力信号光21、第1ポンプ光23、中間生成光25、第2ポンプ光27及び出力信号光29の波長の相互関係について説明する。図2(A)は、入力信号光21、第1ポンプ光23、及びこれらのSFGに基づき生成される中間生成光25のそれぞれの波長スペクトルを示す図であり、図2(B)は、中間生成光25、第2ポンプ光27及びこれらのDFGに基づき生成される出力信号光29のそれぞれの波長スペクトルを示す図である。横軸に波長を任意スケールで示し、縦軸に光強度を任意スケールで示してある。
【００２１】
入力信号光21の波長スペクトルは、広い波長範囲の信号光の波長変換が可能ととなるように、広い波長帯域が設定されている。入力信号光21はパルス光であるので、光パルスの時間幅が狭くなることに対応して、その波長スペクトル帯域幅は広くなる。一方、第1ポンプ光23及び第2ポンプ光27は、CW光であるので、これらの波長スペクトル幅はきわめて狭い（理論上はδ関数で与えられる。）。
【００２２】
中間生成光25は、入力信号光21の信号が移されるため、中間生成光25の波長スペクトル帯域幅は広い領域を占める。また、出力信号光29にも、入力信号光21の信号が移されるため、出力信号光29の波長スペクトル帯域幅は広い領域を占める。例えば、160 GHzの光パルス信号であれば、3 nmの波長帯域を光信号による周波数成分として占めることが知られている。すなわち、160 GHzの光パルス信号の波長スペクトルの幅は、ほぼ3 nmである。
【００２３】
以上、入力信号光21の他に、CW光である第1ポンプ光23を用いて、これらのSFGを発現させることによって、中間生成光25を生成する方法を説明した。しかしながら、入力信号光21がそれ自身との相互作用（SHG: second harmonic generation）を発現させて、中間生成光25を生成してもよい。この場合には、中間生成光25と出力信号光29を構成する光パルスの時間波形は、入力信号光21を構成する光パルスの時間波形の2乗の関数で与えられ、その光パルス幅（時間波形の幅）が狭くなる。従って、中間生成光25と出力信号光29の波長スペクトル帯域幅は広くなるため、波長変換過程において、周波数の依存性が高くなり、光パルスの形状が歪むことが起こり得る。
【００２４】
また、上述の入力信号光21の波長を変換して出力信号光29を生成する方法は、SFGを発現させて生成される中間生成光25と、入力信号光21及び出力信号光29との波長差が大きい。そのため、両者の群速度差が大きくなり、ビットレートの高い入力信号光の波長を変換する際、以下に説明する問題点があった。
【００２５】
図3を参照して、この問題点について説明する。図3は、入力信号光21がQPM波長変換素子10の光導波路22に入力した初期の段階及び末期の段階での、入力信号光21、中間生成光25及び出力信号光29をそれぞれ構成する光パルスの伝播波形の様子を示す図である。初期の段階のそれぞれの光パルスの伝播波形を図3の左側に示してあり、末期の段階の光パルスの伝播波形を図3の右側に示してある。ここで、光導波路22に入力信号光21が入力した初期の段階とは、光導波路22の入力端の近傍における光パルスの伝播波形の様子を意味し、末期の段階とは、光導波路22の出力端の近傍における光パルスの伝播波形の様子を意味する。
【００２６】
光導波路22の入力端の近傍における、入力信号光21の光パルス31、中間生成光25の光パルス33及び出力信号光29となる信号光の光パルス37の時間波形は、図3の左側に示すような形状となっている。これら3種類の光パルスのピーク位置は、一致している。しかしながら、中間生成光25の波長は、入力信号光21及び出力信号光29の波長の半分程度である。そのため、中間生成光25の光パルス33の群速度は、入力信号光21の光パルス31及び出力信号光29の光パルス37の群速度と大幅に異なり、光導波路22を伝播する距離が長くなるにつれて、光パルス33は、光パルス31に対して遅れていく。
【００２７】
この結果、中間生成光25の光パルス33は、光導波路22の出力端の近傍に達すると、図3の右側に示すように、光パルス35として示すように、その時間波形が変形する。中間生成光25の光パルス33が光パルス35として示すように、その時間波形が変化することに伴って、出力信号光29の光パルス37も、光パルス39として示すように、その時間波形が変形する。
【００２８】
例えば、入力信号光21の波長が1550 nm、中間生成光25の波長が775 nmであって、入力信号光21のビットレート周波数が160 Hzである場合を想定すると、光導波路22を18 mm進むことで、中間生成光25の光パルス33及び出力信号光29の光パルス37は、完全に光パルスとしての形状を保てなくなる。
【００２９】
以上説明した様に、従来のQPM波長変換素子は、その全長が1 cm以下に制限される。すなわち、QPM波長変換素子の全長は、光パルス37の時間波形が光パルスとしての形状を保てなくなる長さ18 mmのほぼ半分の長さ10 mm（＝1 cm）程度に制限される。波長変換効率は、QPM波長変換素子の全長をLwとしたとき、Lw4に比例するので、全長Lwが1 cm以下に制限されることによって、その波長変換効率も全長Lwによって与えられる上限値を超えることができない。
【００３０】
そこで、波長変換効率を、向上させるために、入力信号光の光パルスと中間生成光の光パルスの群速度を合致させるための方法が開示されている（例えば、特許文献1参照）。
【００３１】
しかし、この方法によれば、波長変換素子に入力する変換光を、非線形光学係数の小さな偏光の状態に設定する必要がある。すなわち、非線形光学結晶の有する非線形光学テンソルの、小さなテンソル成分を波長変換に寄与させる構成としなければならず、結果として波長変換効率を向上させることが難しい。これは、波長変換効率が非線形光学テンソル成分の2乗に比例するためであり、非線形光学テンソル成分が小さければ、波長変換効率を大きくすることができないからである。
【００３２】
また、フォトニック結晶を利用する方法も検討されているが、いずれにしても、十分大きな波長変換効率を実現できるまでには至っていない。
【００３３】
波長変換効率を向上させるための別の方法として、群速度の異なる光パルス同士が、一旦時間軸上でずれた状態に達した時点で、両者を波長分離することで分離させて、一方の光パルスを、遅延線を導波させることによって、時間軸上でずれた状態を解消して、再び合波させる手法が開示されている（例えば、特許文献2参照）。しかしながら、一方の光パルスのピーク位置を合致させる他に、両光パルスの光搬送波としての位相も合致させる必要がある。そのため、波長分離合成するための波長フィルタと遅延線とを、波長変換素子に組み込むための構造が複雑になるという問題がある。
【００３４】
また、波長変換効率を向上させるための更なる別の方法として、QPM構造を工夫することによって、広帯域で波長変換を可能とし、広い波長成分を含む光パルスに対して波長変換を可能とする方法が開示されている（例えば、特許文献3参照）。しかしながら、この方法によっても、十分な波長変換効率が得られる素子を形成できるまでには至っていない。
【特許文献１】米国特許出願公開第2005/0063039号明細書
【特許文献２】米国特許第6,687,042号明細書
【特許文献３】米国特許第5,357,533号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
そこで、この発明は、光パルスの時間波形を歪ませることなく、高い波長変換効率が実現可能であ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】
【００３６】
上述の目的を達成するため、この発明の第1の波長変換素子は、光導波路と、この光導波路に、擬似位相整合を実現するための周期的な分極反転構造が形成された周期的分極反転領域を付随させることによって形成される波長変換素子であって、以下のとおりの構造上の特徴を有している。
【００３７】
光導波路は、擬似位相整合を実現するための分極反転構造の周期の方向に当該光導波路を光が伝播するように、分極反転領域を含んで設置されている。そして、光導波路に、入力信号光、第1ポンプ光及び第2ポンプ光が同時に入力されると、この光導波路内で出力信号光が生成されて、この出力信号光がこの光導波路から出力される。
【００３８】
周期的分極反転構造の周期は、入力信号光と第1ポンプ光とのSFGによって中間生成光を発生させ、かつこの中間生成光と第2ポンプ光とのDFGによって出力信号光を発生させる条件を満足する値に設定されている。
【００３９】
その上で、光導波路に、中間生成光を減衰させる、中間生成光損失発生手段、中間生成光を増幅する中間生成光利得発生手段、あるいは、入力信号光及び第2ポンプ光を増幅する長波長光利得発生手段の三通りの手段うち、何れか一通りの手段が設けられている。
【００４０】
中間生成光損失発生手段は、LN基板に形成された光導波路の両側に沿って、シリコン薄膜を形成することによって実現するのが好適である。
【００４１】
また、この中間生成光損失発生手段としてのシリコン薄膜は、光導波路の両側に沿って、この光導波路の両側の一部を覆うように形成し、シリコン薄膜が光導波路を覆う部分において、このシリコン薄膜の厚みが、光導波路の両側から中央部に向って減少するように形成して実現するのが良い。すなわち、LN基板に形成された光導波路の両側に沿ってシリコン薄膜を形成し、光導波路の直上には、スリット状にシリコン薄膜を形成しないで開口領域を設け、この開口領域の幅を調整することによって、中間生成光の吸収の度合いを決定する構成とするのが良い。
【００４２】
また、シリコン薄膜を、光導波路を覆う部分に段差部を設けた構成とすることによって、厚みが導波路の両側から中央部に向って減少するシリコン薄膜として構成するのが良い。
【００４３】
この発明の第2の波長変換素子は、直列構成の波長変換素子と、並列構成の波長変換素子である。
【００４４】
直列構成の波長変換素子は、擬似位相整合を実現するための周期的な分極反転構造が形成された周期的分極反転領域と、この周期的分極反転領域が付随する光導波路とを具える単位波長変換素子を、この光導波路を共通にして、直列に複数配置されてなる波長変換素子であって、以下のとおりの構造上の特徴を有している。
【００４５】
単位波長変換素子は、上述の第1の波長変換素子と同一の構造である。上述の第1の波長変換素子と、第2の波長変換素子である直列構成の波長変換素子との相違は、直列に複数配置された、隣接する単位波長変換素子の間に、中間生成光を吸収する中間生成光吸収体が設置されている点である。
【００４６】
並列構成の波長変換素子は、擬似位相整合を実現するための周期的な分極反転構造が形成された周期的分極反転領域と、この周期的分極反転領域が付随する光導波路とを具える単位波長変換素子を、波長選択性光反射部を介して並列に複数配置されてなる波長変換素子であって、以下のとおりの構造上の特徴を有している。
【００４７】
単位波長変換素子は、上述の第1の波長変換素子と同一の構造である。上述の第1の波長変換素子と、第2の波長変換素子である並列構成の波長変換素子との相違は、隣接する単位波長変換素子の光導波路同士が波長選択性光反射部を介して結合されている点である。そして、波長選択性光反射部は、2入力2出力型の光カプラと、位相調整用光導波路と、波長選択光反射鏡とを具えている。波長選択光反射鏡は、中間生成光を透過し、入力信号光、第1ポンプ光、第2ポンプ光及び出力信号光を反射する波長選択性を有している。
【００４８】
この発明の第3の波長変換素子は、波長変換部と光パルス波形整形部とを具えて構成される。波長変換部として、第1の波長変換素子をそのまま利用することができる。第3の波長変換素子の特徴は、入力信号光を構成する光パルスを単峰性光パルスから双峰性光パルスに変換する機能を有する光パルス波形整形部を具えていることにある。
【００４９】
第1の波長変換素子と同様に、波長変換部を構成する光導波路の一部分に中間生成光を減衰させる中間生成光吸収部を具えるのがよい。
【００５０】
また、光パルス波形整形部は、第1光カプラと、遅延線と、第2光カプラとを具えて構成することが好適である。第1光カプラは、入力光信号光の光パルスを、第1光パルスと第2光パルスとに分割する。遅延線は、第1光パルスに時間遅延を与え、第1遅延光パルスとして生成する。第2光カプラは、第1遅延光パルスと第2光パルスとを合波する。
【００５１】
更に、遅延線が、第2光パルスに対する第1光パルスの位相を微調整するための位相調整部を具えるのがよい。
【発明の効果】
【００５２】
この発明の第1の波長変換素子によれば、光導波路に、中間生成光を減衰させる中間生成光損失発生手段、中間生成光を増幅する中間生成光利得発生手段、あるいは、入力信号光及び第2ポンプ光を増幅する長波長光利得発生手段の三通りの手段うち、何れか一通りの手段が設けられているので、入力信号光の光パルスの時間波形を変形させることなく、入力光信号光を出力光信号光に、高い波長変換効率で波長変換することが可能となる。
【００５３】
LN基板に形成された光導波路の両側に沿って、シリコン薄膜を形成すれば、中間生成光を吸収させることができるので、中間生成光損失発生手段として、このシリコン薄膜を利用することができる。
【００５４】
LN基板に形成された光導波路の両側に沿ってシリコン薄膜を形成し、光導波路の直上には、スリット状に前記シリコン薄膜を形成しない開口領域を設け、この開口領域の幅を調整すれば、中間生成光の吸収の度合いを調整することができる。従って、中間生成光の吸収の度合いを調整できる中間生成光損失発生手段が実現される。
【００５５】
また、シリコン薄膜を、光導波路を覆う部分において、このシリコン薄膜の厚みが、前記光導波路の両側から中央部に向って減少するように形成することによって、中間生成光に対する吸収波長帯域幅を制御することが可能である中間生成光損失発生手段が実現される。
【００５６】
この発明の第2の波長変換素子である直列構成の波長変換素子によれば、直列に複数配置された、隣接する単位波長変換素子の間に、中間生成光を吸収する中間生成光吸収体が設置されているので、この中間生成光吸収体が、上述の第1の波長変換素子の中間生成光損失発生手段に相当する役割を果たす。従って、入力信号光の光パルスの時間波形を変形させることなく、入力信号光を出力信号光に、高い波長変換効率で波長変換することが可能となる。
【００５７】
また、この発明の第2の波長変換素子である並列構成の波長変換素子によれば、隣接する単位波長変換素子の光導波路同士が波長選択性光反射部を介して結合されており、この波長選択性光反射部によって、中間生成光が透過され、入力信号光、第1ポンプ光、第2ポンプ光及び出力信号光が反射される。中間生成光が透過されることによって、中間生成光に損失が発生するのと同一の効果がえられる。従って、入力信号光の光パルスの時間波形を変形させることなく、入力信号光を出力信号光に、高い波長変換効率で波長変換することが可能となる。しかも、上述の直列構成の波長変換素子と比べて、素子の全長を短くできるという利点もある。
【００５８】
この発明の第3の波長変換素子によれば、光パルス波形整形部において、入力信号光を構成する光パルスを単峰性光パルスから双峰性光パルスに変換される。詳細は後述するが、入力信号光を構成する光パルスを双峰性光パルスに変換してから、波長変換部に入力することによって、単峰性光パルスによって構成される出力信号光を生成して出力することができる。すなわち、入力信号光の光パルスの時間波形を変形させることなく、入力信号光を出力信号光に、高い波長変換効率で波長変換することが可能となる。
【００５９】
第1の波長変換素子と同様に、波長変換部を構成する光導波路の一部分に中間生成光を減衰させる中間生成光吸収部を具えることによって、入力信号光の光パルスの時間波形に発生する歪みを一層効果的に防止できる。
【００６０】
また、光パルス波形整形部を、第1光カプラと、遅延線と、第2光カプラとを具えて構成することによって、入力信号光を構成する光パルスを単峰性光パルスから双峰性光パルスに変換することが可能である。すなわち、第1光カプラで単峰性光パルスを2分割して生成される第1光パルスを第2光パルスに対して時間遅延を与え、第2光パルスに対して第1光パルスの位相を反転させることによって、双峰性光パルスを生成することができる。
【００６１】
遅延線が、位相調整部を具えることによって、第2光パルスに対する第1光パルスの位相を微調整することによって、第2光パルスに対して第1光パルスの位相を正確に反転させるために必要とされる時間遅延を、第1光パルスに発生させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６２】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、各図は、この発明に係る一構成例を図示するものであり、この発明が理解できる程度に各構成要素の断面形状や配置関係等を概略的に示しているに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の材料および条件等を用いることがあるが、これら材料および条件は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。
【００６３】
＜第1実施例＞
図1と、図4(A)及び(B)と、図5(A)及び(B)とを参照して、第1の波長変換素子の構成及びその動作について説明する。
【００６４】
第1の波長変換素子の構成は、光導波路に、中間生成光損失発生手段、中間生成光利得発生手段、あるいは、長波長光利得発生手段の三通りの手段うち、何れか一通りの手段が設けられていることが特徴であり、それ以外の構成部分は、図1に示した従来の波長変換素子と同一である。
【００６５】
図4(A)は、第1の波長変換素子において、入力信号光がQPM波長変換素子の光導波路に入力した初期の段階及び末期の段階での、入力信号光、中間生成光及び出力信号光をそれぞれ構成する光パルスの伝播波形の様子を示す図である。横軸は、光導波路の入力端から出力端に向って光パルスの伝播距離を任意スケールで示してある。縦軸は省略してあるが、縦軸方向に光強度を任意スケールで示してある。図4(B)は、入力信号光のエネルギーに対する出力信号光のエネルギー比として与えられる、波長変換効率を入力信号光の波長に対して示した図である。横軸は、入力信号光の波長を任意スケールで示してある。縦軸は省略してあるが、縦軸方向に光強度を任意スケールで示してある。
【００６６】
第1の波長変換素子は、中間生成光の光パルス43を減衰させる中間生成光損失発生手段が設けられていることが特徴である。この中間生成光損失発生手段によって、波長変換素子の光導波路の出力端に近づくにつれて、中間生成光が減衰し、その時間波形を歪ませる光パルス成分43が取り除かれ、時間波形が保持された光パルス41となる。その結果、出力信号光の光パルスも、その時間波形が入力信号光の光パルスから歪むことなく、光パルス45として生成されて出力されることになる。すなわち、入力信号光21のエネルギーは、中間生成光25を介して波長変換され、光導波路を伝播する距離の長さが長くなるにつれて、出力信号光29に変換されるエネルギーの大きさが大きくなることによって、出力信号光29の光パルス41は、その強度が大きくなる。
【００６７】
図4(B)に示す曲線(a)及び(b)は、それぞれ、従来及びこの発明の第1の波長変換素子の波長変換効率の、入力信号光の周波数依存性を示している。波長変換素子の全長を同一にし設定して、曲線(a)及び(b)を比較してある。曲線(a)で示すように、従来の波長変換素子によれば、狭い波長（周波数）範囲において高い変換効率が実現されている。このように、高い波長変換効率が得られる波長範囲が狭いことに起因して、波長変換されて得られる出力信号光を構成する光パルスの時間波形に歪みが生じる。
【００６８】
これに対してこの発明の第1の波長変換素子によれば、曲線(b)で示すように、広い波長（周波数）範囲にわたって、波長変換効率が一定である。このため、波長変換されて得られる出力信号光を構成する光パルスの時間波形に歪みの発生を抑圧できる。
【００６９】
図5(A)及び(B)を参照して、中間生成光損失発生手段の構成及びその動作について説明する。図5(A)は中間生成光損失発生手段である中間生成光を吸収する手段を示し、(B)は中間生成光損失発生手段である中間生成光を散乱によって減衰させる手段を示す図である。
【００７０】
まず、図5(A)を参照して、中間生成光損失発生手段である中間生成光を吸収する手段について説明する。図5(A)は、LN基板30に形成された光導波路32の導波方向に垂直に切断した垂直断面図であり、右側に、光導波路32の近傍について、その詳細図を示してある。
【００７１】
中間生成光を吸収する手段は、図5(A)に示すように、光導波路32の両側に沿って、シリコン薄膜34を形成することによって実現される。このシリコン薄膜34の厚さ、及び光導波路32に対して覆いかぶせる幅Tによって、中間生成光の吸収の度合いが決定される。すなわち、光導波路32の直上は、スリット状にシリコン薄膜34を形成しない開口34sを設けてあり、このシリコン薄膜34が形成されていない、スリット状の開口34sの幅を調整することによって、中間生成光の吸収の度合いが決定される。
【００７２】
入力信号光の波長が1550 nmである場合を例にして、中間生成光を吸収する手段について説明する。1550 nmの波長の光に対して、Siは透明であり、波長775 nmの中間生成光に対しては不透明である。従って、スリット状の開口34sの幅を調整することによって、波長775 nmの中間生成光に対する吸収量が調整でき、例えば、中間生成光が光導波路34を1〜2 mm伝播する間に吸収しきってしまうだけの吸収量を設定できる。
【００７３】
また、シリコン薄膜34の厚さを調整することによって、中間生成光に対する吸収波長帯域幅を制御できる。例えば、シリコン薄膜34の厚さが0.5μmでは、吸収波長帯域幅は、10 nmである。吸収波長帯域幅を広げるためには、シリコン薄膜34の形状を、図5(A)の右側の図に示すように、光導波路32に覆いかぶさる部分Tに段差部34tを設けたシリコン薄膜36として構成すればよい。又は、シリコン薄膜36の厚みを光導波路32の中心に向って、徐々に薄くする構成とすればよい。このように、シリコン薄膜36の厚みを光導波路32の中心に向って、薄くする構成とすることによって、吸収波長帯域幅を30 nm以上に広げることが可能であることをビーム伝播法（BPM: beam propagation method）によって確かめている。
【００７４】
LN基板を用いて構成される波長変換素子において、光導波路の波長775 nmの光に対する屈折率を2.4、光導波路の光導波方向に垂直な断面の縦横それぞれの寸法が7μｍ及び3μｍ、シリコン薄膜36の厚い部分の厚みを0.53μｍ、段差部34tの厚みを10 nmとして、中間生成光の吸収についてシミュレーションを行なった。
【００７５】
このシミュレーションの結果、スリット状の開口34sの幅を5〜6μｍにするのが好適であり、吸収係数を10〜20 dB/cmとすることができた。光導波路32の導波方向に沿って設けられるシリコン薄膜36の幅を10μｍとすると、入力信号光のシリコン薄膜36内部への洩れ込みによる光パワーの低下を防止することが可能である。ここで、シリコン薄膜36の幅Wとは、段差部34tの光導波路32の直上の終端34aから、光導波路32の直上から離れたシリコン薄膜36の終端34wまでの幅をいう。シリコン薄膜36は、LN基板30に直接形成する方法の他にも、別の結晶基板にシリコン薄膜36に相当するシリコン薄膜を形成して、この結晶基板を光導波路32が形成されているLN基板30に貼り合わせるという方法でも形成可能である。
【００７６】
次に、図5(B)を参照して、中間生成光を散乱させて減衰させる手段について説明する。図5(B)は、回折格子44をLN基板40に形成された光導波路42の上部に形成し、中間生成光を散乱させて減衰させる手段を示す図である。光導波路42を伝播する中間生成光53は、回折格子44によって回折光53sとして光導波路42外に外部散乱光として生成されて出力される。ここで、回折光53sの回折格子の波数をKg、光導波路42を伝播する伝播光の波数をKs、中間生成光の波数をβとすると、これら3定数の間には、位相整合条件ks・cos(Θ)+ Kg＝βを満足する関係に設定されている。Θは、図5(B)に示すように、中間生成光53の光導波路42を伝播する方向と回折格子44によって生成される回折光53sの伝播する方向とのなす角度である。
【００７７】
入力信号光21と出力信号光29に対しては、位相整合条件(ks/2)・cos(Θ')+Kg＝β/2が近似的に成立している。従って、cos(Θ)-cos(Θ')＝β/(2ks)が成立する。更に、βがKsとほぼ等しいことから、cos(Θ')＝2cos(Θ)-1となり、Θ＞90°であれば、cos(Θ')＜-1となって、cos(Θ')＝2cos(Θ)-1を満たすΘ'が存在しなくなる。従って、入力信号光21と出力信号光29、及び第1ポンプ光23と第2ポンプ光27は、回折格子44によって散乱されない。
【００７８】
例えば、160 GHzの光パルス信号の場合、この光パルス信号は、3 nm程度の周波数幅を有しているので、中間生成光25を散乱によって減衰させるためには、散乱波長帯域幅を、光パルス信号が有する3 nm程度の周波数幅をカバーする広さに確保する必要がある。このためには、回折格子44の光定数を光導波路42の導波方向に沿って、ランダムに変調するのが好適である。Θが90°である場合、回折格子44の光定数は、325 nmであるので、回折格子44の光定数に1.25 nmのランダムなゆらぎのを導入すれば、上述の散乱波長帯域幅を確保できる。なお、回折格子44は、ドライエッチング法等の周知の手法で形成することが可能である。
【００７９】
次に、波長変換の過程を、第1ポンプ光23、第2ポンプ光27及び入力信号光21のエネルギーが、中間生成光53及び出力信号光29に大量には移行しない条件で、検討する。この条件は、現実の波長変換素子の動作に即した条件であり、波長変換の過程の解析を見通しよく行なうことが可能であるので、広く採用される条件である。
【００８０】
以後の説明においては、図1に付した入力信号光21、第1ポンプ光23、中間生成光25、第2ポンプ光27、出力信号光29及び光導波路22を指示する番号、21、23、25、27、29及び22を、誤解を生じない範囲で省略して記載する。
【００８１】
入力信号光及び第1ポンプ光、及び入力信号光と第1ポンプ光とのSFGによって生成される中間生成光の振幅の関係は、式(1)で与えられる。ここで、入力信号光の振幅はAs、第1ポンプ光の振幅はAp、中間生成光の振幅はAiとしてある。また、ｚ及びｚ’は、光導波路を伝播する光の伝播方向、Ω及びΩ'は、それぞれ入力信号光及び第1ポンプ光の周波数成分を示す。αは、中間生成光の損失係数(吸収係数あるいは散乱係数)である。ΔkSGFは、SFGの位相不整合量を与え、式(4a)で与えられる。また添え字s、p及びiは、それぞれ入力信号光、第1ポンプ光、及び中間生成光を意味する。Kは、QPMの波数、βは伝播定数、Vgは群速度を意味する。式(1)で与えられる微分方程式の解は、式(2)で表される。
【００８２】
第2ポンプ光及び中間生成光、及び第2ポンプ光と中間生成光とのDFGによって生成される出力信号光の振幅の関係は、式(3)で与えられる。ここで、第2ポンプ光の振幅はAsp、出力信号光の振幅はAcとしてある。また、Ω"は、第2ポンプ光の周波数成分である。ΔkDFGは、DFGの位相不整合量を与え、式(4c)で与えられる。また添え字i、sp及びcは、それぞれ中間生成光、第2ポンプ光、及び出力信号光を意味する。
【００８３】
【数１】
2008089873.tif 000003
【００８４】
式(2)と(3)とから、SFGとDFGが同時に進行した結果得られる出力信号光の振幅Acが式(5)で与えられる。
【００８５】
【数２】
2008089873.tif 000004
【００８６】
ここで、第1及び第2ポンプ光が連続波光であるという条件を、数式上に反映させる。第1及び第2ポンプ光が連続波光であるという条件を課すには、第1及び第2ポンプ光を、それぞれδ関数を用いて、式(6a)及び式(6b)に示すように与えればよい。
【００８７】
【数３】
2008089873.tif 000005
【００８８】
式(5)は、整理すると式(7)の形になる。
【００８９】
【数４】
2008089873.tif 000006
【００９０】
更に、SFG及びDFGに対する位相整合条件が満足されているとすると、出力信号光の振幅は、式(8)で与えられる。ここで、Δci+Δisは、式(9)で与えられる。Vgc、Vgi及びVgsは、それぞれ、出力信号光、中間生成光及び入力信号光の群速度である。
【００９１】
【数５】
2008089873.tif 000007
【００９２】
ここで、波長変換素子の全長Lが十分に長いものとして、光吸収距離LαをLα＝1／αと定義すると、式(8)は、式(10)のように簡略化される。
【００９３】
【数６】
2008089873.tif 000008
【００９４】
入力信号光の周波数スペクトル帯域の範囲内で、αが、ΔisΩ、及びΔciΩに対して十分大きければ、この波長変換素子の周波数応答特性は、周波数依存性の小さな、いわゆるフラットな特性となる。このため、出力信号光の周波数成分には、入力信号光の周波数成分As(Ω)がそのまま反映される。すなわち、出力信号光を構成する光パルスは、入力信号光の光パルスと、その時間波形が同一の形状となる。
【００９５】
出力信号光の振幅は、L×Lαに比例し、素子の全長Lを増大させることに伴って、増大する。そして、波長変換のエネルギー変換効率ηは、（L×Lα）の2乗に比例する関係、すなわち、η＝(L×Lα)2で与えられる。
【００９６】
以上、中間生成光に損失を与えることによって、出力信号光を構成する光パルスの時間波形の形状を保存することについて説明した。次に中間生成光に損失を与える代わりに利得を与えた場合にどのようなるかについて検討する。
【００９７】
中間生成光に利得Gが与えられた場合の、出力信号光の振幅Acは、式(11)で与えられる。すなわち、式(11)は、G＝-α、LG＝1/Gとおいて、式(10)を変形して得られる式である。
【００９８】
【数７】
2008089873.tif 000009
【００９９】
この場合にも、入力信号光の周波数スペクトル帯域の範囲内で、Gが、ΔisΩ、及びΔciΩに対して十分大きければ、この波長変換素子の周波数応答特性は、フラットな特性となる。そして、同様に、出力信号光の周波数成分が、入力信号光の周波数成分As(Ω)をそのまま反映し、出力信号光を構成する光パルスは、入力信号光の光パルスと、その時間波形が同一の形状となる。
【０１００】
ただし、位相成分exp(ΔciΩL)によって、光パルスの時間軸上の位置ずれが発生する。出力信号光の振幅Acは、LGexp(GL)に比例して、素子の全長Lが長くなるに従って、急速に増大する。しかし、周波数Ωを分母に有する分散を与える項が2つ掛け算の形で含まれるので、損失αを与えることによって得られる出力信号光に対する場合よりも、周波数特性は劣化する。すなわち、生成されて出力される出力信号光を構成する光パルスの時間波形に多少の歪が発生する。
【０１０１】
中間生成光に利得を付与するには、波長変換素子をLN基板ではなく、化合物半導体基板を利用して構成して、光導波路に、p-n接合による電流注入による光利得の発生機構を作りつけることによって、実現できる。
【０１０２】
図6を参照して、出力信号光を構成する光パルスの時間波形が、中間生成光を減衰させることによって、入力信号光の光パルスの時間波形とどの程度変化するかについて、数値計算によって検証した結果について説明する。図6は、光パルスの時間波形を示す図であり、実線で示す曲線(a)は、入力信号光の光パルスの時間波形、破線で示す曲線(b)は、中間生成光を減衰させない場合の出力信号光の光パルスの時間波形、及び一点破線で示す曲線(c)は、中間生成光を減衰させた場合の出力信号光の光パルスの時間波形を示している。横軸は時間をps（ピコ秒）単位で目盛って示してあり、更に、左側の縦軸は、入力信号光（被変換光）の光パルスの強度を、及び右側の縦軸は、出力信号光（変換光）の光パルスの強度を、それぞれ任意スケールで示してある。
【０１０３】
このシミュレーションは、波長変換素子の基板をLN基板とし、入力信号光、第1及び第2ポンプ光、及び出力信号光の波長を1550 nm前後の近接した値であるとし、及び中間生成光の波長を、775 nm程度と仮定して行った。波長変換係数kを0.00004として、かつQPM構造を形成する周期Λは19μmとした。また、波長変換素子の全長Lを4 cmとした。
【０１０４】
中間生成光を減衰するための手段が設けられていない、従来の波長変換素素子によれば、出力信号光の光パルス(曲線b)の強度は強いが、光パルスの時間幅が広がっていることがわかる。これに対して、中間生成光を減衰するための手段が設けられている、この発明の第1の波長変換素子によれば、出力信号光の光パルス(曲線c)の強度は弱いが、光パルスの時間幅が広がらず、入力光信号の光パルスの時間波形と相似の形状となっていることがわかる。
【０１０５】
中間生成光を減衰するための手段が設けられていない、従来の波長変換素素子によっても、素子の全長Lを短く設定すれば、出力信号光の光パルスの時間幅の広がりを小さくすることが可能である。このことを、図7(A)及び(B)を参照して説明する。図7(A)は、素子の全長Lが0.8 cmである従来の波長変換素子によって生成される出力信号光の光パルスの時間波形を示す。また、図7(B)は、素子の全長Lが5 cmであって、中間生成光の光減衰率が15 dB/cmである、この発明の第1の波長変換素子によって生成される、出力信号光の光パルスの時間波形を示す。図7(A)及び(B)の横軸は、時間をps単位で目盛って示してある。また、左側の縦軸は、入力信号光の光パルスの強度を、及び右側の縦軸は、出力信号光の光パルスの強度を、それぞれ入力信号光の光パルス強度に対応させて示してある。また、図7(A)及び(B)において、入力信号光の光パルスの時間波形を実線で示し、及び出力信号光の光パルスの時間波形を一点破線で示してある。
【０１０６】
図7(A)に示す従来の波長変換素子に入力する入力信号光の光パルスの強度と、(B)に示す第１の波長変換素子に入力する入力信号光の光パルスの強度とを、等しく仮定してあり、その強度を1に規格化して示してある。図7(A)及び(B)に示す、出力信号光の光パルスの時間波形は、入力信号光の光パルスの時間波形から、いずれもその形状の変化がほとんど生じていない。しかしながら、その光パルスのピーク値は、異なっている。すなわち、図7(A)に示す、出力信号光の光パルスのピーク値は、0.0019程度であり、一方、図7(B)に示す、この発明の第1の波長変換素子によって生成される出力信号光の光パルスのピーク値は、0.032程度である。このように出力信号光のピーク値に違いが発生した理由は、この発明の第1の波長変換素子によれば、素子の全長Lを大きく設定しても、光パルスの時間波形の変形が発生しないため、従来の波長変換素子の全長Lに比べて長く設定できることにある。すなわち素子の全長Lを大きくすることによって、光パルスの時間波形の変形が発生を抑圧したまま、波長変換効率を向上させることが可能であることが証明された。
【０１０７】
次に、図8(A)及び(B)を参照して、中間生成光に利得を与えた場合について説明する。図8(A)は、左側に、光導波路の入力端の近傍における、入力信号光の光パルス31、中間生成光の光パルス33及び出力信号光の光パルス37の時間波形を示し、及び右側に、入力信号光の光パルス31、中間生成光の光パルス61及び出力信号光の光パルス63の時間波形を示す。図8(B)は、入力信号光の光パルス31と出力信号光の光パルス63の時間波形を示す。図8(B)の横軸は時間をps単位で目盛って示してあり、更に、左側の縦軸は、入力信号光の光パルスの強度を1に規格化して示してあり、及び右側の縦軸は、入力信号光の光パルスに対する出力信号光の光パルスの強度を入力信号光の光パルス強度に対応させて示してある。
【０１０８】
中間生成光に利得を与えた場合の、波長変換素子の動作は、光導波路を伝播する初期に発生した中間生成光の光パルス33が増幅されて、光導波路を伝播する末期において、光パルス61となり、これによって、出力信号光の光パルス63として生成される。光導波路の伝播する末期に発生した中間生成光の光パルス61が極めて大きくなることに伴って、生成される出力信号光の光パルス63の時間波形に歪が生じる。
【０１０９】
図8(B)に示す入力信号光の光パルス31と出力信号光の光パルス63の時間波形との関係は、式(11)に基づいてシミュレーションして得た結果である。このシミュレーションは、素子の全長Lを3 cm、利得Gを13 dB/cmとして行なわれている。生成される光パルス63の時間波形には、その時間幅が広がっており、時間波形の歪みが生じているとともに、そのピーク位置が-6 ps程度ずれていることがわかる。
【０１１０】
以上、中間生成光に損失あるいは利得を与えることによって、光パルスの時間波形を変形させることなく、高い波長変換効率が実現可能である波長変換素子を実現する方法について説明した。次に、入力信号光に利得を与えることによっても、光パルスの時間波形を変形させることなく、高い波長変換効率が実現可能である波長変換素子を実現することが可能であることについて説明する。入力信号光に損失を与えることは、実質的に素子の全長Lを短くすることに相当するので、ここでは、入力信号光に損失を与えることについては、その検討を行なわない。
【０１１１】
入力信号光に利得を与える具体的な方法は、ErドープされたLN基板を利用することによって、形成できる。光導波路には、Er原子を励起するためのポンプ光（波長は、1480 nmあるいは980 nmの何れかとする。）を、入力信号光と、第１及び第2ポンプ光とともに入力させればよい。Er原子を励起するためのポンプ光は、その波長が、入力信号光及び出力信号光の波長（1550 nm及び775 nm）と十分に離れたた波長であるので、入力信号光から出力信号光への波長変換の過程にはなんら影響を与えない。
【０１１２】
このほかの条件及び構成は、上述の、中間生成光に損失あるいは利得を与える方法を実行する場合と同様である。また、入力信号光に利得を与えることは、入力信号光と第1ポンプ光とのSFGの発現によって生成される中間生成光に対して損失を与えることと、出力信号光のパルス波形のひずみの抑圧という観点から、同等である。
【０１１３】
図9(A)及び(B)を参照して、入力信号光に利得を与えた場合について説明する。図9(A)は、左側に、光導波路の入力端の近傍における、入力信号光の光パルス31、中間生成光の光パルス33及び出力信号光の光パルス37の時間波形を示し、右側に、入力信号光の光パルス65、中間生成光の光パルス67及び出力信号光の光パルス69の時間波形を示す。図9(B)は、入力信号光の光パルス31と出力信号光の光パルス69の時間波形を示す。図9(B)の横軸は時間をps単位で目盛って示してあり、左側の縦軸は、入力信号光の光パルスの強度を1に規格化して示してあり、及び右側の縦軸は、入力信号光の光パルスに対する出力信号光の光パルスの強度を入力信号光の光パルス強度に対応させて示してある。
【０１１４】
入力信号光に利得を与えた場合の、波長変換素子の動作は、光導波路を伝播する初期に発生した入力信号光の光パルス33が増幅されて、光導波路を伝播する末期（光導波路の出力端の近傍）において、光パルス65となり、これによって、出力信号光の光パルス63として生成される。入力信号光に利得が与えられているので、入力信号光の光パルス65は、光導波路を伝播する初期の段階の光パルス31に比べて多大きくなっている。このため、SFGよって生成される中間生成光の光パルス67も、導波路を伝播する初期の段階の光パルス33と比べて大きくなっている。これは、相対的に、上述の、中間生成光に利得を与えた場合において、中間生成光の光パルス43を減衰させたのと同等の効果が得られる。従って、DFGによって生成される出力信号光の光パルス69は、入力信号光の光パルス31の時間波形と相似の形状となる。
【０１１５】
第2ポンプ光、出力信号光のみに利得を与え、入力信号光あるいは第1ポンプ光に利得を与えないという手法をとると、中間生成光の光パルスの歪みを防止することができないので、結果として、出力信号光の光パルスの時間波形の歪みを抑圧することができない。
【０１１６】
図9(B)に示す入力信号光の光パルス31と出力信号光の光パルス63の時間波形との関係は、式(12)で与えられる微分方程式の解である式（13）に基づいてシミュレーションして得た結果である。
【０１１７】
【数８】
2008089873.tif 000010
【０１１８】
第1及び第2ポンプ光を連続波光とし、均一な周期(Λ)を有するドメイン反転構造を仮定すると、式(14)によって、出力信号光の光パルス63の強度Ac(L, Ω)が与えられる。
【０１１９】
【数９】
2008089873.tif 000011
【０１２０】
素子の全長Lが十分に長いものとの近似を導入し、更に、LG＝1/Gとおくと、次式(15)が得られる。
【０１２１】
【数１０】
2008089873.tif 000012
【０１２２】
Δci+Δisは、十分小さいので、式(15)で与えられる出力信号光の光パルス63の強度Ac(L, Ω)のΩ依存性は、式(10)の場合と同様であり、Gの値がΔisΩに対して十分大きければ、入力信号光の振幅成分As(Ω)がそのまま反映された出力信号光の光パルス63を得ることが可能となる。出力信号光の光パルス63の強度は、exp(GL)に比例するので、素子の全長Lの増大に伴って、急激に増大する。
【０１２３】
式(12)及び(13)は、第2ポンプ光に利得を与えた場合にも成立するので、第2ポンプ光に利得を与えても、上述と同様の効果が得られる。
【０１２４】
図9(B)に入力信号光に利得を与えた場合に生成される出力信号光の光パルスの形状を示す。図9(B)を得るために実行したシミュレーションは、素子の全長Lを3 cm、利得Gを13 dB/cmとして行なわれている。生成される光パルス63の時間波形には、ほぼそのまま保存されており、そのピーク位置のずれは、-1.5 ps程度と小さい。また、光パルス63のピーク強度は、入力信号光の入力時点におけるピーク値の13.5倍程度と大変に大きくなっていることがわかる。すなわち、入力信号光に利得を与える手法は、光パルスの時間波形を変形させないだけでなく、生成される出力信号光の光パルス強度を大変大きくできる利点がある。
【０１２５】
＜第2実施例＞
［直列構成の波長変換素子］
図10(A)及び(B)を参照して、この発明の第2の波長変換素子である、直列構成の波長変換素子の構成及びその動作について説明する。図10(A)及び(B)は、直列構成の波長変換素子を斜め上方から見た概略的な斜視図である。図10(A)は、中間生成光吸収体としてシリコン薄膜が利用されて構成される波長変換素子の概略的構成図であり、図10(B)は、中間生成光吸収体として光波長フィルタが利用されて構成される波長変換素子の概略的構成図である。
【０１２６】
直列構成の第2の波長変換素子の構成は、単位波長変換素子を、光導波路を共通にして、直列に複数配置されてなる波長変換素子であって、以下のとおりの構造上の特徴を有している。
【０１２７】
単位波長変換素子は、上述の第1の波長変換素子と同一の構造である。上述の第1の波長変換素子と、第2の波長変換素子である直列構成の波長変換素子との相違は、直列に複数配置された、隣接する単位波長変換素子の間に、中間生成光を吸収する中間生成光吸収体が設置されている点である。
【０１２８】
図10(A)に示す、中間生成光吸収体としてシリコン薄膜が利用されて構成される波長変換素子は、単位波長変換素子114-1〜4が、光導波路106を共通にして直列に配置されて構成されている。隣接する単位波長変換素子の間には、中間生成光吸収体108a、108b及び108cが配置されている。すなわち、中間生成光吸収体108aは、単位波長変換素子114-1と114-2との間に、中間生成光吸収体108bは、単位波長変換素子114-2と114-3との間に、中間生成光吸収体108cは、単位波長変換素子114-3と114-4との間に配置されている。
【０１２９】
中間生成光吸収体108a、108b及び108cが配置される間隔は、中間生成光の光パルスの時間波形が、単一光パルスとしての形状を維持できる最大の間隔に設定される。すなわち、単位波長変換素子114-1〜4の素子の長さを、上述の中間生成光吸収体108a、108b及び108cが配置される間隔に等しく設定する。例えば、160 GHzの光パルス信号を想定した場合、中間生成光吸収体108a、108b及び108cが配置される間隔は、1 cm程度である。
【０１３０】
入力信号光、第1及び第2ポンプ光、及び出力信号光が1550 nmの波長帯域である場合、中間生成光の波長は775 nmとなる。この場合、中間生成光吸収体108a、108b及び108cは、1550 nmの波長帯域の光を透過し、波長が775 nmである光を吸収する特性を持つことが必要である。シリコン薄膜がこの吸収透過特性を有している。
【０１３１】
そこで、この発明の発明者らは、LN基板100に形成した深さ3μｍ、幅7μｍの光導波路106上に、中間生成光吸収体としてシリコン薄膜を形成して、光の吸収透過について検証した。その結果、厚さ100μｍのシリコン薄膜を形成することによって、波長が775 nmである光が吸収によって除去され、1550 nmの波長帯域の光に対しては、その損失は僅かであった。すなわち、厚さ100μｍのシリコン薄膜を、隣接する単位波長変換素子間に形成することによって、中間生成光吸収体を形成することが可能であることが確かめられた。
【０１３２】
図10(B)に示す、中間生成光吸収体として光波長フィルタが利用されて構成される波長変換素子は、単位波長変換素子116-1〜4が、光導波路106を共通にして直列に配置されて構成されている。隣接する単位波長変換素子の間には、光波長フィルタ設置溝112a、112b及び112cが形成されており、この溝のそれぞれに光波長フィルタ118a、118b、118cが挿入されている。すなわち、光波長フィルタ設置溝に光波長フィルタを挿入することによって、中間生成光吸収体が形成される。
【０１３３】
隣接する光波長フィルタの間隔は、上述の中間生成光吸収体108a、108b及び108cが配置される間隔と同一である。
【０１３４】
光波長フィルタは、誘電体多層膜によって形成できる。例えば、低屈折率材料としてSiO2、高屈折率材料としてTa2O5を使い、これらの材料を交互に真空蒸着法で薄膜多層膜として形成することによって、光波長フィルタを形成できる。光波長フィルタを、波長が775 nmである光を吸収し、かつ1550 nmの波長帯域の光を透過するように、構成することは、周知の設計手法を利用することで容易に実現される。また、光波長フィルタ設置溝112a、112b及び112cは、ダイシングソーを使って形成できる。光波長フィルタ設置溝112a、112b及び112cの幅は、数十ミクロンメータ以下にすることによって、光導波路が切断されることによる光損失量を1 dB以下にすることができる。
【０１３５】
光波長フィルタ設置溝112a、112b及び112cを、光導波路106の導波方向に対して90°から5°程度斜めに傾けて形成することによって、中間生成光を光導波路106外へ向けて反射させることが可能である。光導波路106内へ入力されるように中間生成光を反射する構成（光波長フィルタ設置溝を導波方向に対して90°の方向に形成された構成）とすると、隣接する光波長フィルタ間がファブリ・ペロ共振器として機能してしまい、出力信号光に混入する雑音発生の原因となる。
【０１３６】
図10(A)及び(B)に示すいずれの波長変換素子（第2の波長変換素子）においても、中間生成光吸収体を設けることによって発生する位相差、すなわち、入力信号光、第1及び第2ポンプ光、中間生成光、及び出力信号光間の位相差、の補償機構を設けることが良い。この位相差補償機構は、光の導波方向に中間生成光吸収体を挟んで電極を構成して、ポッケルス効果によって光導波路の実効屈折率を調整できるように構成することで実現できる。また、位相差の補償機構として、アモルファスシリコン薄膜を形成し、そのアモルファスシリコン薄膜の一部をYAGレーザによってトリミングすることによって、光導波路の実効屈折率を調整できるように構成することでも実現できる。
【０１３７】
［並列構成の波長変換素子］
図11を参照して、この発明の第2の波長変換素子である、並列構成の波長変換素子の構成及びその動作について説明する。図11は、並列構成の波長変換素子を斜め上方から見た概略的な斜視図である。
【０１３８】
並列構成の第2の波長変換素子の構成は、単位波長変換素子を、光導波路を共通にして、並列に複数配置されてなる波長変換素子であって、以下のとおりの構造上の特徴を有している。
【０１３９】
単位波長変換素子は、上述の第1の波長変換素子と同一の構造である。上述の第1の波長変換素子と、第2の波長変換素子である並列構成の波長変換素子との相違は、隣接する単位波長変換素子の光導波路同士が波長選択性光反射部1130-1〜5の何れかを介して結合されている点である。そして、波長選択性光反射部130-1〜5は、2入力2出力型の光カプラと、位相調整用光導波路と、選択反射鏡とを具えている。選択反射鏡は、中間生成光を透過し、かつ入力信号光と、第1及び第2ポンプ光と、出力信号光とを反射する波長選択性を有している。
【０１４０】
図11は、入力信号光121が入力され、出力信号光123が出力される様子を示している。図11において、黒く太い線で示す部分が光導波路であり、これら光導波路は、QPM光導波路138-1〜6を含んでいる。QPM光導波路138-1〜6の存在するそれぞれの部分が、単位波長変換素子である。
【０１４１】
選択反射鏡は、光波長フィルタを光送波路の出力端面に貼り付けることで形成できる。図11に示すように、波長選択性光反射部130-1〜5は、いずれも同様の構成であるので、波長選択性光反射部130-1を代表して、その構造を説明する。ここで、波長選択性光反射部130-1〜3が具える選択反射鏡は、選択反射鏡128bであり、波長選択性光反射部130-4及び130-5が具える選択反射鏡は、選択反射鏡128aである。
【０１４２】
波長選択性光反射部130-1は、QPM光導波路138-1から出力される、入力信号光と、中間生成光と、第1及び第2ポンプ光と、出力信号光とを入力する、2入力2出力型の光カプラ134を具えている。以後の説明において、入力信号光と、中間生成光と、第1及び第2ポンプ光と、出力信号光とをまとめて、信号光ということもある。
【０１４３】
QPM光導波路138-1から出力された信号光は、2入力2出力型の光カプラ134の入力ポート126-1から2入力2出力型の光カプラ134に入力される。2入力2出力型の光カプラ134は、入力された信号光を2分割して出力する。2分割された信号光の一方は、位相調整部132aを通って選択反射鏡128bに達し、かつ2分割された信号光のもう一方は、位相調整部132bを通って選択反射鏡128bに達する。これら2分割された信号光は、選択反射鏡128bで信号光の入力信号光、第1及び第2ポンプ光、及び出力信号光の波長（1550 nm）成分が反射され、中間生成光の波長（772 nm）成分は透過されて破棄される。
【０１４４】
選択反射鏡128bで反射された波長1550 nm成分は、再び2入力2出力型の光カプラ134に入力されて、2入力2出力型の光カプラ134の出力ポート126-2から出力されて、QPM光導波路138-2に入力される。
【０１４５】
位相調整部132a及び132bは、光導波路に電極を作りつけることによって、形成できる。この電極に電圧を印加することによって、光導波路の実効屈折率を変調することができ、この電極が形成されている部分を光が通過することによって、その光の位相を調整することが可能である。
【０１４６】
図12を参照して、直列構成の波長変換素子及び並列構成の波長変換素子の動作について説明する。図12は、第2の波長変換素子の動作説明に供する図である。図12は、単位波長変換素子が2つ具える波長変換素子について示してあるが、単位波長変換素子が3つ以上であっても、以下の説明は同様に成立する。図12に示す単位波長変換素子140-1及び140-2は、それぞれ上述の直列構成の波長変換素子にあっては、単位波長変換素子114-1、114-2あるいは116-1、116-2と対応し、また、並列構成の波長変換素子にあっては、QPM光導波路138-1、138-2の存在するそれぞれの部分と対応する。
【０１４７】
入力信号光の光パルス121と、第1及び第2ポンプ光とを単位波長変換素子140-1に入力すると、入力信号光と第1ポンプ光とのSFGが発現して中間生成光が生成される。そして、第2ポンプ光と中間生成光とのDFGが発現して出力信号光が生成されて出力される。中間生成光の波長は、これ以外の信号光の波長と比較してその差が十分大きいので、中間生成光とこれ以外の信号光の群速度は大きく異なる。従って、入力信号光の光パルス121及び出力信号光の光パルス127に対して中間生成光の光パルス123は、時間軸上でその位置がずれる。光波長フィルタ142によって、中間生成光の光パルス123を除去し、入力信号光の光パルス121、出力信号光の光パルス127、第1及び第2ポンプ光を透過させる。
【０１４８】
単位波長変換素子140-1の後段に設置されている単位波長変換素子140-2においては、同様に、入力信号光の光パルス121から中間生成光の光パルス123’が第1ポンプ光とのSFGによって生成される。そして、出力信号光の光パルス127’が、中間生成光の光パルス123’と第2ポンプ光とのSFGによって生成される。出力信号光の光パルス127’は、単位波長変換素子140-1から出力された出力信号光の光パルス127より、その強度が増大している。
【０１４９】
このような、出力信号光の光パルスの生成過程を繰り返すことによって、時間波形が大きく歪んでしまう前の中間生成光の光パルスを利用して、出力信号光の光パルスの強度を増大させることが可能となる。
【０１５０】
ここで、単位波長変換素子が、単位波長変換素子140-1から140-NまでのN段（Nは2以上の整数）つなげられて構成された波長変換素子から、出力される出力信号光の光パルスについて、定量的にその性質を検討する。
【０１５１】
単位波長変換素子140-mと単位波長変換素子140-(m+1)との間（mは1〜（N-1）までの整数である。）に設定された光波長フィルタ（「m段目の波長フィルタ」ということもある。）における、出力信号光の波長変換量Ecmは、式(16a)及び式(16b)によって与えられる。
【０１５２】
【数１１】
2008089873.tif 000013
【０１５３】
ここで、Ωは光パルス信号を構成する周波数成分を表し、Lは個々の単位波長変換素子140-1の素子の長さを表す。Nは、波長変換素子を構成する単位波長変換素子の総数である。βs、βp、βc、βspは、それぞれ入力信号光、第１ポンプ光、出力信号光、第2ポンプ光の伝播定数である。また、Δcsは中間生成光の群速度の逆数と入力信号光の群速度の逆数との差、Δicは中間生成光の群速度の逆数と出力信号光の群速度の逆数との差である。As(Ω)は、入力信号光の光パルスの周波数成分である。
【０１５４】
波長変換素子を構成する１段目から(m+1)段目までの全ての出力信号光の波長変換量を全て足し合わせると、式(17)で与えられる出力信号光の波長変換量Ecが求められる。分極反転構造の周期を与える波数Kには、次式（18-1）及び（18-2）で与えられる関係があることを考慮して、式(17)を整理すると、式(19)となる。
【０１５５】
【数１２】
2008089873.tif 000014
【０１５６】
入力信号光と出力信号光は両方とも1550 nmの波長帯域の光であり、両者の群速度の差は小さく、Δcsは0に近い。そこで、式(19)をこの条件で近似すると、式(20)が得られる。
【０１５７】
【数１３】
2008089873.tif 000015
【０１５８】
式(20)によれば、波長変換量Ecは、単位波長変換素子一つによる波長変換量Ac(L, Ω)を、N倍したものとなっている。すなわち、出力信号光の光パルスの時間波形の歪みは、単位波長変換素子一つ当たりで発生する量以上には大きくならないことがいえる。また、N段の単位波長変換素子で構成される波長変換素子から出力される出力信号光の光パルスの大きさは、式（20）で与えられるように、その振幅がN倍となるので、エネルギーに換算するとN2倍となる。
【０１５９】
このことから、単位波長変換素子の素子の長さLを短くして、連結する単位波長変換素子の数を増やすことによって、出力信号光の光パルスの時間波形の歪みは小さくできるとともに、そのエネルギーだけを増大させることが可能である。単位波長変換素子を連結して、波長変換素子の全長を5 cmとすると、図1を参照して説明した、従来の波長変換素子に比べて、20倍の強度の出力信号光の光パルスを生成して出力することが可能である。従って、第2の波長変換素子によれば、入力信号光の光パルスの時間波形を変形させることなく、入力光信号光を出力光信号光に、高い波長変換効率で波長変換することが可能となる。
【０１６０】
＜第3実施例＞
図13を参照して、この発明の第3の波長変換素子の構成及びその動作について説明する。図13は、第3の波長変換素子を斜め上方から見た概略的な斜視図である。第3の波長変換素子の特徴は、入力信号光の波長を変換する波長変換部200に、光パルス波形整形部210が設けられていることにある。波長変換部200には、第1の波長変換素子をそのまま利用することが可能である。光導波路222には、中間生成光を減衰させる中間生成光吸収部230が設けられている。
【０１６１】
中間生成光吸収部230は、上述した第1の波長変換素子に設けられた中間生成光損失発生手段と、同一の構成とすることができる。
【０１６２】
光パルス波形整形部210は、第1光カプラ238aと、遅延線234と、第2光カプラ238ｂとを具えて構成される。第1光カプラ238aは、入力信号光を構成する光パルス235aを第1光パルス235bと第2光パルス235cとに分割する。遅延線234は、第1光パルス235bに時間遅延を与え、第1遅延光パス235b'として生成する。第2光カプラ238ｂは、第1遅延光パルス235b'と第2光パルス235cとを合波する。
【０１６３】
第1遅延光パス235b'と第2光パルス235cと合波されると、整形光パルス235dとして生成されて光パルス波形整形部210から出力され、波長変換部200の光導波路222に入力される。
【０１６４】
遅延線234は、第1光パルス235bに時間遅延を与えるとともに、第2光パルス235cに対して、その位相を反転させるための必要な光路長に設定されている。
【０１６５】
第1遅延光パス235b'と第2光パルス235cとの間の遅延量をdTとし、入力光信号の中心光周波数をωsとして、ωs・dT＝π+2Mπとなるように、遅延線234の光路長が設定されている。ここで、Mは整数である。例えば、入力信号光の波長を1550 nmであるとすると、ωs＝1.215×1015sec-1である。入力信号光のビットレートを160 GHzとすると、遅延量は、光パルス幅の程度（10-12 sec程度）であるので、dTの値を実現可能な程度とするためには、Mの値を数千に設定する必要がある。
【０１６６】
第1遅延光パス235b'及び第2光パルス235cの群速度をVgsとすると、dT間に光りパルスが伝播する距離dLは、dL＝Vgs・dTで与えられる。すなわち、遅延線234の光路長を、第1光カプラ238aと第2光カプラ238bとの間を第2光パルス235cが伝播する導波路の光路長よりもdLだけ長く設定すればよい。ここで、Vgsは、132μm/psec程度の値であり、dLは200〜300μm程度の値である。
【０１６７】
また、遅延線234は、第1光パルス235bに時間遅延を与えるとともに、第2光パルス235cに対して、その位相を反転させる機能を有していなければならない。そこで、第2光パルス235cに対して、第1光パルス235bの位相を正確に反転させるために、遅延線234の光路長を微調整することが必要となる。そこで、この微調整のために、位相調整部242を設けるのが好ましい。位相調整部242は、遅延線234を構成する光導波路の一部に、電極を設けることで実現する。すなわち、この電極に電圧を印加することによって、ポッケルス効果を発現させて、実質的にこの電極が設けられている部分の光導波路の実効屈折率を調整することによって、第1光パルス235bの位相を正確に反転させるために必要な、時間遅延を発生できる。
【０１６８】
光パルス波形整形部210は、LiNbO3基板に形成するほか、石英基板240を用いて形成できる。例えば、石英基板240に火炎堆積法あるいはCVD（Chemical Vapor Deposition）法で、30μm程度の厚さの下部クラッド層を形成し、下部クラッド層の上面にGeドープの石英層を更に10μm程度形成する。次に、Geドープの石英層を光導波路として機能させる部分だけを残して、その他の部分はドライエッチング法によって除去する。この工程に続いて、20μm程度の厚さの上部クラッド層を形成する。このようにして、光パルス波形整形部210は、従来の周知の技術のみで形成できる。
【０１６９】
図14及び図15を参照して、入力光信号を構成する光パルスを双峰型の光パルスに整形して、波長変換部200に入力することによって、生成されて出力される出力信号光を構成する光パルスの波形に歪みが発生することを防止できるのかについて説明する。
【０１７０】
図14は、波長変換部200における、出力信号光を構成する光パルスの生成過程の説明に供する図である。図14は、波長変換部200に中間生成光を損失させるための機構が設けられていないものと仮定されて、光パルスの生成過程を示してある。横軸は、光パルスの伝播距離を示しており、図14の左側に示す光パルスは、波長変換部200の光導波路222に入力された直後の時間波形を示し、右側に示す光パルスは、光導波路222の出力端の近傍に達した時点でのの時間波形を示している。
【０１７１】
双峰型に整形された入力信号光の光パルス241と第1ポンプ光とのSFGによって、中間生成光の光パルス243が生成される。光パルス243も、光導波路222の入力端の近傍では双峰型の光パルスである。次に中間生成光の光パルス243と第2ポンプ光とのDFGによって、出力信号光の光パルス245が生成される。この光パルス245も光導波路222の入力端の近傍では双峰型の光パルスである。
【０１７２】
中間生成光の群速度と入力信号光の群速度とは大きく異なっているので、光導波路222の出力端近傍においては、光パルス241の先頭部分は、光パルス247として示す形状の中間生成光の光パルス成分に反映される。一方、光パルス241の後方部分は、光パルス247'として示す形状の中間生成光の光パルス成分に反映される。しかしながら、入力光信号の光パルス241は、その先頭部分と後方部分とでは、光搬送波としての位相が反転しているので、光パルス247と光パルス247'とは、光導波路222の出力端近傍においては、そのほとんどの部分が干渉して消滅し、中間生成光の光パルス249及び249'のみが残る。これに応じて出力信号光の光パルス生成される出力信号光の光パルス251及び251'のように、時間幅の狭い光パルスとなる。中間生成光の光パルス249及び249'が、出力信号光の光パルス251及び251'と共に伝播するので、出力信号光の光パルス251及び251'は、光導波路222の出力端に近くなるにつれて、その強度が増大していく。
【０１７３】
次に、図15を参照して、波長変換部200に中間生成光を損失させるための機構が設けられている場合における、出力信号光を構成する光パルスの生成過程を説明する。図15は、中間生成光を損失させるための機構が設けられている場合の、出力信号光を構成する光パルスの生成過程の説明に供する図である。
【０１７４】
中間生成光を損失させるための機構を設けることによって、図14を参照して説明した、中間生成光の光パルス249及び249'を排除できる。中間生成光が光導波路222を伝播するに従って、減衰していく場合を考えると、中間生成光の光パルスの遅延量は伝播距離に比例するので、遅延量の大きな光パルスほどその強度が低下する。入力信号光の光パルス241の先頭部分で生成される中間生成光の光パルスは、図15に破線で示す光パルス261のようになる。入力信号光の光パルス241の後半部分で生成される中間生成光の光パルスは、図15に破線で示す光パルス261'のようになる。光パルス261及び261'は、共に遅延量が増えるにしたがって、その強度が低下した形となる。
【０１７５】
この結果、光パルス261と光パルス261'との差として表される実際の中間生成光の光パルスの時間波形は、光パルス273'及び263として示すように、余分な光パルス273'の強度は、必要とされる光パルス263の強度に比較して小さくできる。したがって、光パルス273'及び263の光エネルギーが移行することによって成長する出力信号光の光パルス265'及び265についても、余分な光パルス265'は、必要とされる光パルス265の強度に比較して小さくできる。中間生成光を損失させるための機構が設けられているので、入力信号光の光パルス241の前半と後半のピークの高さP1とP2について、前半のピークの高さP1のほうが後半のピークの高さP2より大きくなるように設定する必要がある。
【０１７６】
図16を参照して、第3の波長変換素子の波長変換において、入力信号光の光パルスの形状と生成される出力信号光の光パルスの形状との関係について説明する。図16は、入力信号光の光パルスの時間波形と生成される出力信号光の光パルスの時間波形を示す図である。横軸は、時間をps単位で目盛って示してある。また、左側の縦軸は入力信号光の光パルスの強度を1に規格化して示してあり、及び右側の縦軸は、出力信号光の光パルスの強度を入力信号光の光パルスの強度と同一のスケールで目盛って示してある。
【０１７７】
入力信号光の光パルスを第1光パルスと第2光パルスとに、エネルギー比にして1：1.5の割合に分岐する。そして、第1光パルスに1.5 psの時間遅延を与えることによって、第1遅延光パルスとして生成し、第1遅延光パルスと第2光パルスとを合波して、整形光パルスを生成した。中間生成光を損失させるための機構によって中間生成光の光パルスの強度が1/e2にまで減衰する距離をLαとして、中間生成光の光パルスの時間遅延が無視できなくなる距離をLwとする。そして、Lw/Lα＝0.2となるように条件を設定した。これは、中間生成光の減衰量に換算して、2 dB/cmに相当する。
【０１７８】
周期的分極反転部分の周期（図1に示すΛ）を19μｍとし、周期的分極反転部分の周期を3000とした。すなわちQPM波長変換素子としての全長は、19μm×3000＝57 mmである。波長変換係数kは、2.5×10-7μm-1であると仮定した。
【０１７９】
図16には、入力光信号の光パルスの時間波形を実線の曲線(b)で示し、かつ出力信号光の光パルスの時間波形を一点破線の曲線(a)で示してある。この図から明らかなように、曲線(a)は、曲線(b)とその形状はほとんど変化していないことがわかる。すなわち、出力信号光の光パルスには、ほとんど歪みが生じていない。出力信号光の光パルスのピーク強度は0.9となっており、従来型の波長変換素子によって波長変換された場合におけるピーク値0.002と比べて45倍の強度であることがわかる。
【０１８０】
Lw/Lα（＝rm）を小さく設定しすぎると、不要な光パルス成分（出力信号光の光パルス251に相当する。）が発生する。また、パラメータrmを大きく設定しすぎると、双峰型の光パルスの打ち消し効果が小さくなって、出力される出力信号光の光りパルスが双峰型となってしまう。パラメータrmは、入力信号光の双峰型光パルスのピークパワー比（図15に示した、ピークP1の強度とピークP2の強度との比）Rpの関数であり、最適な値が存在する。Rpは、入力信号光の光パルスの時間幅をτとして、Rp＝exp(-4πrmｄT/τ)で与えられる。
【０１８１】
図17を参照して、出力信号光の光パルスのピーク強度の、周期的分極反転構造の周期数依存性について説明する。図17は、周期的分極反転構造の周期の数Nに対する出力信号光の光パルスのピーク強度の関係を示す図である。横軸は周期的分極反転構造の周期の数Nを対数目盛りで目盛って示してあり、縦軸は出力信号光の光パルスのピーク強度を対数目盛りで目盛って示してある。
【０１８２】
出力信号光の光パルスのピーク強度は、QPM波長変換素子の全長（周期的分極反転構造の周期×周期の数N）に対して、2.3乗依存性をもっている。図17には、パラメータrm＝0.1の場合を一点破線（a）で示してあり、パラメータrm＝0.2の場合を実線(b)で示してある。パラメータrm＝0.1の場合の方が、生成される光パルスのピーク強度を大きくできるが、この場合には、不要な出力信号光の光パルス成分である光パルス251が存在する。
【０１８３】
光パルス251と入力信号光の光パルスのうち次のビットを与える光パルスまでの時間間隔をdTpとし、入力信号光の光パルスのパルス幅をτとする。光パルス251と、入力信号光の光パルスのうち次のビットを与える光パルスとが干渉しないためには、光パルス251が、次のビットを与える光パルスが現れるまでの時点において、十分減衰している必要がある。中間生成光に対する吸収係数をαLpとすると、αLpとdTpとの関係は、αLp＝(2πrmdTp/τ)+ln(Rp)/2で与えられる。パラメータrmが0.2において、入力信号光の光パルスピーク強度と出力信号光の光パルスのピーク強度との強度比を20 dBに確保するには、dTp/τの値を1.5程度に設定する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【０１８４】
【図１】QPM波長変換素子を斜め上方から見た概略的な斜視図である。
【図２】入力信号光、第1ポンプ光、中間生成光、第2ポンプ光及び出力信号光の波長の相互関係についての説明に供する図である。(A)は、入力信号光、第1ポンプ光、及びこれらの和周波発生に基づき生成される中間生成光のそれぞれの波長スペクトルを示す図であり、(B)は、中間生成光、第2ポンプ光及びこれらの差周波発生に基づき生成される出力信号光のそれぞれの波長スペクトルを示す図である。
【図３】入力信号光がQPM波長変換素子の光導波路に入力した初期の段階及び末期の段階での、入力信号光、中間生成光及び出力信号光をそれぞれ構成する光パルスの伝播波形の様子を示す図である。
【図４】(A)は、第1の波長変換素子において、入力信号光がQPM波長変換素子の光導波路に入力した初期の段階及び末期の段階での、入力信号光、中間生成光及び出力信号光をそれぞれ構成する光パルスの伝播波形の様子を示す図である。(B)は、波長変換効率を入力信号光の波長に対して示した図である。
【図５】中間生成光損失発生手段を示す図であり、(A)は、中間生成光を吸収する手段を示し、(B)は、中間生成光を散乱によって減衰させる手段を示す図である。
【図６】実線で示す曲線(a)、破線で示す曲線(b)及び一点破線で示す曲線(c)は、それぞれ、入力信号光の光パルスの時間波形、中間生成光を減衰させない場合の出力信号光の光パルスの時間波形、及び中間生成光を減衰させた場合の出力信号光の光パルスの時間波形を示す図である。
【図７】従来の波長変換素素子及び第1の波長変換素子による、出力信号光の光パルスの時間波形を示す図である。(A)は従来の波長変換素子によって生成される出力信号光の光パルスの時間波形を示し、(B)は、この発明の第1の波長変換素子によって生成される出力信号光の光パルスの時間波形を示す。
【図８】中間生成光に利得を与えた場合に生成される出力信号光の光パルスの形状を示す図である。(A)は、入力信号光、第1ポンプ光、及びこれらの和周波発生に基づき生成される中間生成光のそれぞれの波長スペクトルを示す図であり、(B)は、入力信号光の光パルスと出力信号光の光パルスの時間波形を示す。
【図９】入力信号光に利得を与えた場合に生成される出力信号光の光パルスの形状を示す図である。(A)は、入力信号光、第1ポンプ光、及びこれらの和周波発生に基づき生成される中間生成光のそれぞれの波長スペクトルを示す図であり、(B)は、入力信号光の光パルスと出力信号光の光パルスの時間波形を示す。
【図１０】直列構成の波長変換素子を斜め上方から見た概略的な斜視図である。(A)は、中間生成光吸収体としてシリコン薄膜が利用されて構成される波長変換素子の概略的構成図であり、(B)は、中間生成光吸収体として光波長フィルタが利用されて構成される波長変換素子の概略的構成図である。
【図１１】並列構成の波長変換素子を斜め上方から見た概略的な斜視図である。
【図１２】第2の波長変換素子の動作説明に供する図である。
【図１３】第3の波長変換素子を斜め上方から見た概略的な斜視図である。
【図１４】中間生成光を損失させるための機構が設けられていない場合の、出力信号光を構成する光パルスの生成過程の説明に供する図である。
【図１５】中間生成光を損失させるための機構が設けられている場合の、出力信号光を構成する光パルスの生成過程の説明に供する図である。
【図１６】入力信号光の光パルスの時間波形と生成される出力信号光の光パルスの時間波形を示す図である。
【図１７】周期的分極反転構造の周期の数Nに対する出力信号光の光パルスの強度の関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１８５】
10：波長変換素子
12、30、40：c-LN基板
16：第1ドメイン
18：第2ドメイン
20：周期的ドメイン反転構造
21：入力信号光（被変換光）
22、32、42、106、222：光導波路
23：第1ポンプ光
25、53：中間生成光
27：第2ポンプ光
29：出力信号光（変換光）
31、65、121、235a、241：入力信号光の光パルス
33、41、43、61、67、123、123'、243、247、247'、249、249'、251、251'、261、261'、263、273'、：中間生成光の光パルス
34、36：シリコン薄膜
37、45、63、69、127、127'、245、251、251'、265'、265：出力信号光の光パルス
44：回折格子
108a、108b、108c：シリコン薄膜（中間生成光吸収体）
112a、112b、112c：光波長フィルタ設置溝
114-1〜4、116-1〜4、140-1、140-2：単位波長変換素子
118a、118b、118c、142：光波長フィルタ
126-1：入力ポート
126-2：出力ポート
128a、128b：選択反射鏡
130-1〜5：波長選択性光反射部
132a、132b、242：位相調整部
134：2入力2出力型の光カプラ
138-1〜6：QPM光導波路
200：波長変換部
210：光パルス波形整形部
230：中間生成光吸収部
234：遅延線
238a：第1光カプラ
238b：第2光カプラ
235b：第1光パルス
235b'：第1遅延光パルス
235c：第2光パルス
235d：整形光パルス
238b：第2光カプラ
240：石英基板
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2008089873.tif 000028
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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