(57)【要約】    【課題】任意の多波長入力信号光を一括して任意の多波長変換光に変換可能な多波長一括波長変換器を提供すること。    【解決手段】二次高調波光発生効率が極大となる光周波数としてν1，ν2，……νNを含む二次光非線形媒質１３に合波手段１４を介して、光周波数２ν1−νP1，２ν2−νP1，……２νN−νP1の多波長入力信号光と光周波数νP1の第１の励起光と光周波数νP2の第２の励起光とを入力し、多波長入力信号光と第１の励起光との間で和周波光発生過程により光周波数２ν1，２ν2，……２νNの和周波光を発生させ、該和周波光と第２の励起光との間で差周波光発生過程により２ν1−νP2，２ν2−νP2，……２νN−νP2の多波長変換光を発生させる。【選択図】図１
2005114897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２以上の整数Ｎに対して、任意の光周波数２ν1−νP1，２ν2−νP1，……２νN−νP1の多波長入力信号光をそれぞれ任意の光周波数２ν1−νP2，２ν2−νP2，……２νN−νP2の多波長変換光に変換する多波長一括波長変換器であって、
光周波数νP1の第１の励起光源と、
光周波数νP2の第２の励起光源と、
二次高調波光発生効率が極大となる光周波数としてν1，ν2，……νNを含む二次光非線形媒質と、
多波長入力信号光と前記第１の励起光源からの出力光と前記第２の励起光源からの出力光とを合波し、前記二次光非線形媒質へ入力する合波手段とを有する
ことを特徴とする多波長一括波長変換器。
【請求項２】
２以上の整数Ｎに対して、任意の光周波数２ν1−νP1，２ν2−νP1，……２νN−νP1の多波長入力信号光をそれぞれ任意の光周波数２ν1−νP2，２ν2−νP2，……２νN−νP2の多波長変換光に変換する多波長一括波長変換器であって、
光周波数νP1の第１の励起光源と、
光周波数νP2の第２の励起光源と、
二次高調波光発生効率が極大となる光周波数としてν1，ν2，……νNを含む第１及び第２の二次光非線形媒質と、
多波長入力信号光と前記第１の励起光源からの出力光とを合波し、前記第１の二次光非線形媒質へ入力する第１の合波手段と、
前記第１の二次光非線形媒質からの出力光と前記第２の励起光源からの出力光とを合波し、前記第２の二次光非線形媒質へ入力する第２の合波手段とを有する
ことを特徴とする多波長一括波長変換器。
【請求項３】
請求項２記載の多波長一括波長変換器において、
前記第１の二次光非線形媒質と第２の合波手段との間に、光周波数２ν1，２ν2，……２νNの光のみを透過する光フィルタを設けた
ことを特徴とする多波長一括波長変換器。
【請求項４】
２以上の整数Ｎに対して、任意の光周波数２ν1−νP1，２ν2−νP1，……２νN−νP1の多波長入力信号光をそれぞれ任意の光周波数２ν1−νP2，２ν2−νP2，……２νN−νP2の多波長変換光に変換する多波長一括波長変換器であって、
光周波数νP1の第１の励起光源と、
光周波数νP2の第２の励起光源と、
二次高調波光発生効率が極大となる光周波数としてν1，ν2，……νNを含む二次光非線形媒質と、
多波長入力信号光と前記第１の励起光源からの出力光とを合波し、前記二次光非線形媒質へ入力する第１の合波手段と、
前記二次光非線形媒質からの出力光を前記第２の励起光源からの出力光と合波し、前記二次光非線形媒質に再び入力する第２の合波手段とを有する
ことを特徴とする多波長一括波長変換器。
【請求項５】
請求項４記載の多波長一括波長変換器において、
前記二次光非線形媒質からの出力光のうち光周波数２ν1，２ν2，……２νNの光のみを第２の励起光源からの出力光と合波し、前記二次光非線形媒質に再び入力する第２の合波手段を有する
ことを特徴とする多波長一括波長変換器。
【請求項６】
２以上の整数Ｎに対して、任意の光周波数２ν1−νP1，２ν2−νP1，……２νN−νP1の多波長入力信号光をそれぞれ任意の光周波数２ν1−νP2，２ν2−νP2，……２νN−νP2の多波長変換光に変換する多波長一括波長変換器であって、
光周波数νP1の第１の励起光源と、
光周波数νP2の第２の励起光源と、
二次高調波光発生効率が極大となる光周波数としてν1，ν2，……νNを含む第１及び第２の二次光非線形媒質と、
多波長入力信号光を直交する２つの偏波に分離し、そのうちの一方を前記第１の励起光源からの出力光の一部と合波して前記第１の二次光非線形媒質の一端へ入力し、他方を前記第１の励起光源からの出力光の一部と合波して前記第２の二次光非線形媒質の一端へ入力する、もしくは多波長入力信号光と前記第１の励起光源からの出力光とを合波するとともに直交する２つの偏波に分離し、そのうちの一方を前記第１の二次光非線形媒質の一端へ入力し、他方を前記第２の二次光非線形媒質の一端へ入力する第１の合分波手段と、
前記第１の二次光非線形媒質の他端からの出力光と前記第２の励起光源からの出力光の一部とを合波して前記第２の二次光非線形媒質の他端へ入力し、前記第２の二次光非線形媒質の他端からの出力光と前記第２の励起光源からの出力光の一部とを合波して前記第１の二次光非線形媒質の他端へ入力する第２の合分波手段とを有する
ことを特徴とする多波長一括波長変換器。
【請求項７】
請求項６記載の多波長一括波長変換器において、
前記第１の二次光非線形媒質の他端からの出力光のうち光周波数２ν1，２ν2，……２νNの光のみを前記第２の励起光源からの出力光の一部と合波して前記第２の二次光非線形媒質の他端へ入力し、前記第２の二次光非線形媒質の他端からの出力光のうち光周波数２ν1，２ν2，……２νNの光のみを前記第２の励起光源からの出力光の一部と合波して前記第１の二次光非線形媒質の他端へ入力する第２の合分波手段を有する
ことを特徴とする多波長一括波長変換器。
【請求項８】
請求項４乃至７いずれか記載の多波長一括波長変換器において、
多波長入力信号光と多波長変換光とが互いに逆方向に伝搬する部分に、伝搬方向に応じて光を２つの方路に分離する光非可逆回路を挿入した
ことを特徴とする多波長一括波長変換器。
【請求項９】
請求項１乃至８いずれか記載の多波長一括波長変換器において、
多波長変換光の出力光路に、光周波数ν1，ν2，……νN付近にカットオフ光周波数を有する長波長帯透過フィルタ又は光周波数ν1，ν2，……νN付近にカットオフ光周波数を有する短波長帯透過フィルタを挿入した
ことを特徴とする多波長一括波長変換器。
【請求項１０】
２以上の整数Ｎに対して、任意の光周波数２ν1−νP1，２ν2−νP1，……２νN−νP1の多波長入力信号光をそれぞれ任意の光周波数２ν1−νP2，２ν2−νP2，……２νN−νP2の多波長変換光に変換する多波長一括波長変換方法であって、
光周波数νP1の第１の励起光源と、
光周波数νP2の第２の励起光源と、
二次高調波光発生効率が極大となる光周波数としてν1，ν2，……νNを含む二次光非線形媒質とを用い、
多波長入力信号光と前記第１の励起光源からの出力光と前記第２の励起光源からの出力光とを合波し、前記二次光非線形媒質へ入力する
ことを特徴とする多波長一括波長変換方法。
【請求項１１】
２以上の整数Ｎに対して、任意の光周波数２ν1−νP1，２ν2−νP1，……２νN−νP1の多波長入力信号光をそれぞれ任意の光周波数２ν1−νP2，２ν2−νP2，……２νN−νP2の多波長変換光に変換する多波長一括波長変換方法であって、
光周波数νP1の第１の励起光源と、
光周波数νP2の第２の励起光源と、
二次高調波光発生効率が極大となる光周波数としてν1，ν2，……νNを含む第１及び第２の二次光非線形媒質とを用い、
多波長入力信号光と前記第１の励起光源からの出力光とを合波し、前記第１の二次光非線形媒質へ入力し、
前記第１の二次光非線形媒質からの出力光と前記第２の励起光源からの出力光とを合波し、前記第２の二次光非線形媒質へ入力する
ことを特徴とする多波長一括波長変換方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の多波長一括波長変換方法において、
前記第１の二次光非線形媒質からの出力光のうち光周波数２ν1，２ν2，……２νNの光のみを前記第２の励起光源からの出力光と合波し、前記第２の二次光非線形媒質へ入力する
ことを特徴とする多波長一括波長変換方法。
【請求項１３】
２以上の整数Ｎに対して、任意の光周波数２ν1−νP1，２ν2−νP1，……２νN−νP1の多波長入力信号光をそれぞれ任意の光周波数２ν1−νP2，２ν2−νP2，……２νN−νP2の多波長変換光に変換する多波長一括波長変換方法であって、
光周波数νP1の第１の励起光源と、
光周波数νP2の第２の励起光源と、
二次高調波光発生効率が極大となる光周波数としてν1，ν2，……νNを含む二次光非線形媒質とを用い、
多波長入力信号光と前記第１の励起光源からの出力光とを合波し、前記二次光非線形媒質へ入力し、
前記二次光非線形媒質からの出力光を前記第２の励起光源からの出力光と合波し、前記二次光非線形媒質に再び入力する
ことを特徴とする多波長一括波長変換方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の多波長一括波長変換方法において、
前記二次光非線形媒質からの出力光のうち光周波数２ν1，２ν2，……２νNの光のみ第２の励起光源からの出力光と合波し、前記二次光非線形媒質に再び入力する
ことを特徴とする多波長一括波長変換方法。
【請求項１５】
２以上の整数Ｎに対して、任意の光周波数２ν1−νP1，２ν2−νP1，……２νN−νP1の多波長入力信号光をそれぞれ任意の光周波数２ν1−νP2，２ν2−νP2，……２νN−νP2の多波長変換光に変換する多波長一括波長変換方法であって、
光周波数νP1の第１の励起光源と、
光周波数νP2の第２の励起光源と、
二次高調波光発生効率が極大となる光周波数としてν1，ν2，……νNを含む第１及び第２の二次光非線形媒質とを用い、
多波長入力信号光を直交する２つの偏波に分離し、そのうちの一方を前記第１の励起光源からの出力光の一部と合波して前記第１の二次光非線形媒質の一端へ入力し、他方を前記第１の励起光源からの出力光の一部と合波して前記第２の二次光非線形媒質の一端へ入力し、もしくは多波長入力信号光と前記第１の励起光源からの出力光とを合波するとともに直交する２つの偏波に分離し、そのうちの一方を前記第１の二次光非線形媒質の一端へ入力し、他方を前記第２の二次光非線形媒質の一端へ入力し、
前記第１の二次光非線形媒質の他端からの出力光と前記第２の励起光源からの出力光の一部とを合波して前記第２の二次光非線形媒質の他端へ入力し、前記第２の二次光非線形媒質の他端からの出力光と前記第２の励起光源からの出力光の一部とを合波して前記第１の二次光非線形媒質の他端へ入力する
ことを特徴とする多波長一括波長変換方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の多波長一括波長変換方法において、
前記第１の二次光非線形媒質の他端からの出力光のうち光周波数２ν1，２ν2，……２νNの光のみを前記第２の励起光源からの出力光の一部と合波して前記第２の二次光非線形媒質の他端へ入力し、前記第２の二次光非線形媒質の他端からの出力光のうち光周波数２ν1，２ν2，……２νNの光のみを前記第２の励起光源からの出力光の一部と合波して前記第１の二次光非線形媒質の他端へ入力する
ことを特徴とする多波長一括波長変換方法。
【請求項１７】
請求項１３乃至１６いずれか記載の多波長一括波長変換方法において、
伝搬方向に応じて光を２つの方路に分離する光非可逆回路を用いて、互いに逆方向に伝搬する多波長入力信号光と多波長変換光とを分離する
ことを特徴とする多波長一括波長変換方法。
【請求項１８】
請求項９乃至１７いずれか記載の多波長一括波長変換方法において、
光周波数ν1，ν2，……νN付近にカットオフ光周波数を有する長波長帯透過フィルタ又は光周波数ν1，ν2，……νN付近にカットオフ光周波数を有する短波長帯透過フィルタを用いて、多波長変換光の出力光路から多波長変換光のみを取り出す
ことを特徴とする多波長一括波長変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長分割多重技術を基盤とする光ネットワークにおける光ノード等において用いられる波長変換器及び波長変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長変換法としては、（１）変換において光位相情報を保持でき、（２）信号変調速度に依存せず、（３）多波長入力信号光を一括して変換可能である、などの長所を有する光非線形媒質を利用したパラメトリック波長変換法が活発に研究されている（非特許文献１，２，３参照）。
【０００３】
パラメトリック波長変換法としては、光ファイバ、光半導体増幅器などにおける三次光非線形効果を利用する方法と、光非線形結晶などにおける二次光非線形効果を利用する方法がある。後者は、変換効率が高い、コンパクト、集積化の可能性、多波長入力信号光間のクロストークが小さいなどの長所を有しており、有望な方法である（非特許文献４，５参照）。
【０００４】
二次光非線形効果を利用した波長変換においては、入力される信号光と励起光との和周波光発生／差周波光発生過程を利用する。通常、信号光や励起光の光周波数帯と比較して、それらによって発生する和周波光の光周波数帯は、光周波数が２倍程度異なるために、両帯域における光の位相速度の相違は大きい。このために、両帯域の光同士の有効な相互作用距離は通信波長帯域（１．５μｍ帯）においては数十μｍ程度と非常に短くなり、高効率な変換ができない。差周波光発生過程においても同様である。
【０００５】
そこで、一般に、二次光非線形効果を用いる場合には、有効な相互作用距離を拡大するために、周期的に二次光非線形結晶の光学軸を反転する擬似位相整合（ＱＰＭ）技術が利用される。これによって、二次光非線形媒質における和周波光／差周波光発生の発生効率が向上し、高い変換効率が実現される。
【非特許文献１】S. J. B. Yoo, "Wavelength conversion technologies for WDM network applications," J. Lightwave Technol., Vol.14, No.6, 1996, pp.955-966
【非特許文献２】K. Inoue, "Tunable and selective wavelength conversion using fiber four-wave mixing with two pumps," IEEE Photonics Technology Letters, Vol.6, No.12, 1994
【非特許文献３】M. H. Chou, I. Brener, M. M. Fejer, E. E. Chaban, and S. B. Christman, "1.5μm-band wavelength conversion based on cascaded second-order nonlinearity in LiNbO3 waveguides," IEEE Photonics Technol. Letters, Vol.11, No.6, June 1999
【非特許文献４】M. Asobe, O. Tadanaga, T. Yamagawa, H. Itoh, and H. Suzuki, "Reducing photorefractive effect in periodically poled ZnO- and MgO- doped LiNbO3 wavelength converters," Applied Physics Letters, Vol.78, No.21, May 2001
【非特許文献５】川口竜生、吉野隆文、今枝美能留、水内公典、北岡康夫、山本和久「貼合せ・リッジ構造ＬＮ光導波路を用いたＱＰＭ−ＳＨＧデバイス」電子情報通信学会信学技報、ＬＱＥ２００２−８、２００２、ｐ．２９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
擬似位相整合技術を用いた和周波光発生においては、二次光非線形結晶の光学軸の反転周期によって一意に決定される光周波数２ν0の和周波光が発生する場合にのみ、有効な相互作用距離が拡大し、高効率な和周波光発生が可能である。差周波光発生においても同様であり、光周波数２ν0の光と光周波数ν0付近の光との差周波光発生の場合においてのみ、高効率な差周波光発生が可能になる。
【０００７】
このような条件で、変換先波長を任意に制御可能な任意波長変換を実現する方法として、２つの励起光を用いる方法が提案されている。そこでは、光周波数νs＝２ν0−νP1の信号光に対して、光周波数νP1の第１の励起光を用いることで、光周波数２ν0の和周波光を発生させ、さらに、その和周波光と光周波数νP2の第２の励起光との差周波光発生によって２ν0−νP2＝νcに信号光を変換する。従って、高効率な和周波光発生／差周波光発生が可能であり、励起光の光周波数νP1及びνP2を制御することで、高い変換効率を維持したまま任意の光周波数の入力光を任意の光周波数の出力光に変換可能である。
【０００８】
この方法を入力信号光が多波長光である場合に適用しようとすると、複数の和周波光を発生させる必要がある。しかし、ＱＰＭ二次光非線形媒質では１つの光周波数２ν0のみに対して高効率な和周波光発生が可能であるために、多波長入力信号光の一括任意波長変換が不可能であるという課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、任意の波長（光周波数）の多波長入力信号光を一括して任意の波長（光周波数）の多波長変換光に変換可能な多波長一括波長変換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するため、本発明では、次のような特徴的な構成を採用している。
【００１１】
即ち、請求項１及び１０では、図１に示すように、２以上の整数Ｎに対して、任意の光周波数２ν1−νP1，２ν2−νP1，……２νN−νP1の多波長入力信号光をそれぞれ任意の光周波数２ν1−νP2，２ν2−νP2，……２νN−νP2の多波長変換光に変換する多波長一括波長変換器であって、光周波数νP1の第１の励起光源１１と、光周波数νP2の第２の励起光源１２と、二次高調波光発生効率が極大となる光周波数（ＱＰＭ光周波数）としてν1，ν2，……νNを含む二次光非線形媒質１３と、多波長入力信号光と前記第１の励起光源からの出力光と前記第２の励起光源からの出力光とを合波し、前記二次光非線形媒質へ入力する合波手段１４とを有する多波長一括波長変換器及びその多波長一括波長変換方法をもって解決手段とする。
【００１２】
請求項１及び１０の構成では、和周波光発生過程と差周波光発生過程とを同一の二次光非線形媒質１３で行う。即ち、二次光非線形媒質１３に入力された光周波数２ν1−νP1，２ν2−νP1，……２νN−νP1の多波長入力信号光と光周波数νP1の第１の励起光との間で和周波光発生過程により光周波数２ν1，２ν2，……２νNの和周波光が発生し、該和周波光と同じく二次光非線形媒質１３に入力された光周波数νP2の第２の励起光との間で差周波光発生過程により２ν1−νP2，２ν2−νP2，……２νN−νP2の多波長変換光を得る。
【００１３】
また、請求項２及び１１では、図２に示すように、２以上の整数Ｎに対して、任意の光周波数２ν1−νP1，２ν2−νP1，……２νN−νP1の多波長入力信号光をそれぞれ任意の光周波数２ν1−νP2，２ν2−νP2，……２νN−νP2の多波長変換光に変換する多波長一括波長変換器であって、光周波数νP1の第１の励起光源１１と、光周波数νP2の第２の励起光源１２と、二次高調波光発生効率が極大となる光周波数としてν1，ν2，……νNを含む第１及び第２の二次光非線形媒質２１及び２２と、多波長入力信号光と前記第１の励起光源からの出力光とを合波し、前記第１の二次光非線形媒質へ入力する第１の合波手段２３と、前記第１の二次光非線形媒質からの出力光と前記第２の励起光源からの出力光とを合波し、前記第２の二次光非線形媒質へ入力する第２の合波手段２４とを有する多波長一括波長変換器及びその多波長一括波長変換方法をもって解決手段とする。
【００１４】
請求項２及び１１の構成では、和周波光発生過程と差周波光発生過程とを、同一のＱＰＭ光周波数を有する２つの別々の二次光非線形媒質２１，２２で行う。即ち、前段の二次光非線形媒質２１には多波長入力信号光と第１の励起光が入力され、和周波光発生過程により和周波光が発生し、後段の二次光非線形媒質２２には該和周波光と第２の励起光が入力され、差周波光発生過程により多波長変換光を得る。
【００１５】
ところで、請求項１、２、１０及び１１の構成では、実際には、最終段から多波長変換光とともに多波長入力信号光、第１、第２の励起光及び和周波光が出力される。光ネットワークに用いる波長変換器では、出力光に励起光や入力信号光が混入しないようにすることが重要であるため、波長可変バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）などの波長可変フィルタを利用して変換光のみを出力するようにする必要がある。
【００１６】
この点を考慮し、請求項３及び１２では、図３に示すように、請求項２記載の多波長一括波長変換器及び請求項１１記載の多波長一括波長変換方法において、前記第１の二次光非線形媒質２１と第２の合波手段２４との間に、光周波数２ν1，２ν2，……２νNの光のみを透過する光フィルタ３１を設けた多波長一括波長変換器及びその多波長一括波長変換方法をもって解決手段とする。
【００１７】
請求項３及び１２の構成では、前段の二次光非線形媒質２１の後に、和周波光の波長帯域付近（例えば７８０ｎｍ付近）の光を透過させ、入力信号光や励起光の波長帯域（例えば１５５０ｎｍ帯域）の光を遮断する波長特性を有するダイクロイックミラーなどの光フィルタ３１を用いることで、後段の二次光非線形媒質２２には和周波光及び第２の励起光のみを入力することができる。入力信号光及び第１の励起光が光フィルタ３１によって遮断され、変換光に混入しないことがメリットとして挙げられる。但し、第２の励起光及び和周波光は変換光に混入するため、請求項１、２、１０及び１１の構成と同様、後段の二次光非線形媒質２２の後に波長可変フィルタを設けて遮断する必要がある。
【００１８】
また、請求項４及び１３では、図４に示すように、２以上の整数Ｎに対して、任意の光周波数２ν1−νP1，２ν2−νP1，……２νN−νP1の多波長入力信号光をそれぞれ任意の光周波数２ν1−νP2，２ν2−νP2，……２νN−νP2の多波長変換光に変換する多波長一括波長変換器であって、光周波数νP1の第１の励起光源１１と、光周波数νP2の第２の励起光源１２と、二次高調波光発生効率が極大となる光周波数としてν1，ν2，……νNを含む二次光非線形媒質１３と、多波長入力信号光と前記第１の励起光源からの出力光とを合波し、前記二次光非線形媒質へ入力する第１の合波手段４１と、前記二次光非線形媒質からの出力光を前記第２の励起光源からの出力光と合波し、前記二次光非線形媒質に再び入力する第２の合波手段４２とを有する多波長一括波長変換器及びその多波長一括波長変換方法をもって解決手段とする。
【００１９】
請求項４及び１３の構成では、請求項２及び１１の構成において前段／後段の二次光非線形媒質での和周波／差周波光発生過程を、それぞれ、１つの二次光非線形媒質１３の往路／復路を用いて行う。即ち、二次光非線形媒質１３に多波長入力信号光と第１の励起光が入力され、和周波光発生過程により和周波光が発生し、二次光非線形媒質１３から出力され、該和周波光と第２の励起光が二次光非線形媒質１３に再び入力され、差周波光発生過程により多波長変換光を得る。
【００２０】
また、請求項４及び１３の構成では、請求項１、２、１０及び１１の構成と同様、最終的に出力される多波長変換光には多波長入力信号光、第１、第２の励起光及び和周波光が混入しているため、第１の合波手段４１の前段に、波長可変フィルタを設けて変換光のみを出力するようにする必要がある。
【００２１】
この点を考慮し、請求項５及び１４では、図４に示すように、請求項４記載の多波長一括波長変換器及び請求項１３記載の多波長一括波長変換方法において、前記二次光非線形媒質からの出力光のうち光周波数２ν1，２ν2，……２νNの光のみを第２の励起光源からの出力光と合波し、前記二次光非線形媒質に再び入力する第２の合波手段４２’を有する多波長一括波長変換器及びその多波長一括波長変換方法をもって解決手段とする。
【００２２】
請求項５及び１４の構成では、第２の合波手段４２’により二次光非線形媒質１３から出力される和周波光、多波長入力信号光及び第１の励起光のうち、多波長入力信号光及び第１の励起光はそのまま外部へ放出し、和周波光のみを第２の励起光とともに二次光非線形媒質１３に再び入力する。但し、第２の励起光及び和周波光は変換光に混入するため、前記同様、第１の合波手段４１の前段に波長可変フィルタを設けて遮断する必要がある。
【００２３】
また、請求項６及び１５では、図５に示すように、２以上の整数Ｎに対して、任意の光周波数２ν1−νP1，２ν2−νP1，……２νN−νP1の多波長入力信号光をそれぞれ任意の光周波数２ν1−νP2，２ν2−νP2，……２νN−νP2の多波長変換光に変換する多波長一括波長変換器であって、光周波数νP1の第１の励起光源１１と、光周波数νP2の第２の励起光源１２と、二次高調波光発生効率が極大となる光周波数としてν1，ν2，……νNを含む第１及び第２の二次光非線形媒質２１及び２２と、多波長入力信号光を直交する２つの偏波に分離し、そのうちの一方を前記第１の励起光源からの出力光の一部と合波して前記第１の二次光非線形媒質の一端へ入力し、他方を前記第１の励起光源からの出力光の一部と合波して前記第２の二次光非線形媒質の一端へ入力する、もしくは多波長入力信号光と前記第１の励起光源からの出力光とを合波するとともに直交する２つの偏波に分離し、そのうちの一方を前記第１の二次光非線形媒質の一端へ入力し、他方を前記第２の二次光非線形媒質の一端へ入力する第１の合分波手段５１と、前記第１の二次光非線形媒質の他端からの出力光と前記第２の励起光源からの出力光の一部とを合波して前記第２の二次光非線形媒質の他端へ入力し、前記第２の二次光非線形媒質の他端からの出力光と前記第２の励起光源からの出力光の一部とを合波して前記第１の二次光非線形媒質の他端へ入力する第２の合分波手段５２とを有する多波長一括波長変換器及びその多波長一括波長変換方法をもって解決手段とする。
【００２４】
請求項６及び１５の構成では、和周波光／差周波光発生過程を、入力信号光を直交する２つの偏波に分離した状態で、それぞれ第１及び第２の二次光非線形媒質２１及び２２の往路／復路を用いて行う。即ち、第１の二次光非線形媒質２１に多波長入力信号光の一方の偏波成分と第１の励起光が入力され、また、第２の二次光非線形媒質２２に多波長入力信号光の他方の偏波成分と第１の励起光が入力され、それぞれ和周波光発生過程により和周波光が発生し、第１の二次光非線形媒質２１で発生した和周波光と第２の励起光が第２の二次光非線形媒質２２に再び入力され、また、第２の二次光非線形媒質２２で発生した和周波光と第２の励起光が第１の二次光非線形媒質２１に再び入力され、それぞれ差周波光発生過程により多波長変換光を得て、これらが合波される。変換光の光パワーが入力信号光の偏波状態に依存せず、一定の変換効率が保持される。
【００２５】
また、請求項６及び１５の構成では、請求項１、２、４、１０、１１及び１３の構成と同様、最終的に出力される多波長変換光には多波長入力信号光、第１、第２の励起光及び和周波光が混入しているため、第１の合分波手段５１の前段に、波長可変フィルタを設けて変換光のみを出力するようにする必要がある。
【００２６】
この点を考慮し、請求項７及び１６では、図５に示すように、請求項６記載の多波長一括波長変換器及び請求項１５記載の多波長一括波長変換方法において、前記第１の二次光非線形媒質の他端からの出力光のうち光周波数２ν1，２ν2，……２νNの光のみを前記第２の励起光源からの出力光の一部と合波して前記第２の二次光非線形媒質の他端へ入力し、前記第２の二次光非線形媒質の他端からの出力光のうち光周波数２ν1，２ν2，……２νNの光のみを前記第２の励起光源からの出力光の一部と合波して前記第１の二次光非線形媒質の他端へ入力する第２の合分波手段５２’を有する多波長一括波長変換器及びその多波長一括波長変換方法をもって解決手段とする。
【００２７】
請求項７及び１６の構成では、第２の合分波手段５２’により第１及び第２の二次光非線形媒質２１及び２２から出力される和周波光、多波長入力信号光及び第１の励起光のうち、多波長入力信号光及び第１の励起光はそのまま外部へ放出し、和周波光のみを第２の励起光とともに第１及び第２の二次光非線形媒質２１及び２２に再び入力する。但し、第２の励起光及び和周波光は変換光に混入するため、前記同様、第１の合分波手段５１の前段に波長可変フィルタを設けて遮断する必要がある。
【００２８】
なお、請求項４乃至７並びに１３乃至１６の構成では、多波長変換光が多波長入力信号光の入力光路上を逆方向に伝搬するため、そのままでは多波長変換光を使用できない。
【００２９】
この点を考慮し、請求項８及び１７では、図６に示すように、請求項４乃至７いずれか記載（図では請求項４又は５記載）の多波長一括波長変換器及び請求項１３乃至１６いずれか記載（図では請求項１３又は１４記載）の多波長一括波長変換方法において、多波長入力信号光と多波長変換光とが互いに逆方向に伝搬する部分に、伝搬方向に応じて光を２つの方路に分離する光非可逆回路６１を挿入した多波長一括波長変換器及びその多波長一括波長変換方法をもって解決手段とする。
【００３０】
請求項８及び１７の構成では、ポートＡから入力された光はポートＢのみへ出力し、ポートＢから入力された光はポートＣのみへ出力し、ポートＣから入力された光はポートＡのみへ出力する光サーキュレータなどの光非可逆回路６１により、多波長変換光を多波長入力信号光から分離して取り出す。
【００３１】
なお、図６では、第１の合波回路４１と二次光非線形媒質１３との間に光非可逆回路６１を設けたが、第１の合波回路４１の前段に設けても良い。
【００３２】
変換光の光周波数を変化させる際には、第２の励起光の光周波数を変化させると同時に、波長可変フィルタの透過波長も必要な変換光のみを出力するように制御する必要があるため、構成の複雑化、波長可変フィルタの動作速度による変換先波長切換速度の制限などの問題がある。
【００３３】
この点を考慮し、請求項９及び１８では、図７に示すように、請求項１乃至８いずれか記載（図では請求項５＋請求項８記載）の多波長一括波長変換器及び請求項１０乃至１７いずれか記載（図では請求項１４＋請求項１７記載）の多波長一括波長変換方法において、多波長変換光の出力光路に、光周波数ν1，ν2，……νN付近にカットオフ光周波数を有する長波長帯透過フィルタ７１又は光周波数ν1，ν2，……νN付近にカットオフ光周波数を有する短波長帯透過フィルタ７１を挿入した多波長一括波長変換器及びその多波長一括波長変換方法をもって解決手段とする。
【００３４】
請求項９及び１８の構成では、例えば図８に示すようなＱＰＭ光周波数（ν1，ν2，……νN）付近にそのカットオフ光周波数を有する長波長帯透過光フィルタ７１を多波長変換光の出力光路に挿入する。図７に示す構成における基本動作は請求項５＋請求項８の構成及び請求項１４＋請求項１７の構成と同様であり、往路／復路でそれぞれ和周波光／差周波光発生を行う。多波長入力信号光及び第１の励起光は第２の合波手段により外部へ放出されるが、第２の励起光及び和周波光は光非可逆回路６１から出力される変換光に混入する。これを図８に示す波長特性の光フィルタ７１を用いて取り除くことができ、多波長変換光のみを出力することができる。但し、この例では、変換先波長は二次光非線形媒質のＱＰＭ波長より長波長側に制限される。
【００３５】
なお、変換先波長が二次光非線形媒質のＱＰＭ波長より短波長側の場合は、ＱＰＭ光周波数（ν1，ν2，……νN）付近にそのカットオフ光周波数を有する短波長帯透過光フィルタを用いる。
【発明の効果】
【００３６】
以上に説明したように、本発明の多波長一括波長変換器を用いることで、任意の波長の多波長入力信号光を一括して任意の波長の多波長変換光へ変換することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図９は本発明の多波長一括波長変換器の第１の実施の形態、ここでは請求項１及び１０に対応する実施の形態を示すもので、波長変換器への入力信号光として、変調速度１０Ｇｂｐｓ、波長多重数が４波、多重光周波数間隔Δν＝１００ＧＨｚ、各波長の信号光中心光周波数νS1，νS2，νS3，νS4の波長多重信号光を仮定し、この多波長入力信号光を一括でそれぞれ光周波数νC1，νC2，νC3，νC4に変換する場合を想定する。
【００３８】
図中、１０１は光周波数νP1の第１の励起光源、１０２は光周波数νP2の第２の励起光源、１０３は二次光非線形媒質、１０４，１０５はエルビウムドープ光ファイバアンプ（ＥＤＦＡ）、１０６，１０７は方向性結合器、１０８は波長可変バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）である。
【００３９】
前記構成において、第１の励起光源１０１及び第２の励起光源１０２からの励起光は、ＥＤＦＡ１０４及び１０５にて増幅された後、方向性結合器１０６及び１０７を介して多波長入力信号光と合波され、二次光非線形媒質１０３に入力される。二次光非線形媒質１０３における和周波光発生過程と差周波光発生過程により発生した多波長変換光は、波長可変ＢＰＦ１０８を透過して出力される。
【００４０】
図１０は多波長入力信号光及び二次光非線形媒質の光周波数の配置の一例を示すものである。
【００４１】
ここでは二次光非線形媒質１０３として、図１０に示すように、二次高調波光発生効率が最大となる擬似位相整合光周波数を、光周波数間隔Δν／２＝５０ＧＨｚで光周波数ν1，ν2，ν3，ν4に４本有するマルチ擬似位相整合ニオブ酸リチウム導波路（マルチ擬似位相整合ＬＮＷＧ）を利用する。
【００４２】
通常、擬似位相整合光周波数は１つのみであるが、近年、複数本の位相整合光周波数を実現する手法が提案され、実際に作製されている（例えば、参考文献：M.Asobe, et.al., Optics Letters, Vol.558-561, 2003）。以下にその製法例を示す。
【００４３】
マルチ擬似位相整合（ＱＰＭ）素子は、電界印加によって分極反転構造を形成したニオブ酸リチウム基板に光導波路を形成することにより作製できる。マルチＱＰＭ素子を実現するための分極反転構造としては、前記参考文献に述べられているように周期分極反転構造に連続的な位相変調を施し、その構造を別の周期で繰り返すことにより実現できる。以下に素子の作製手順の例を示す。
【００４４】
本実施の形態では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、分極反転部を電界印加法により基本周期１５．５μｍで分極反転した。分極反転した基板にＳｉＯ2をフォトリソグラフィ技術を用いてパターン化し、温度約１８０度で安息香酸中に浸漬したのちに、酸素雰囲気中で熱処理してプロトン交換導波路を形成した。本実施の形態では４つの励起波長に対応できるように装置を構成した。分極反転部の詳細を以下に述べる。
【００４５】
１．５５μｍで第二次高調波発生（ＳＨＧ）を行った場合の位相整合ピークの周波数間隔が５０ＧＨｚとなるように位相変調周期を２８．５２μｍとし、分極反転部の全体の長さを５７．０４μｍとして位相変調パターンが２周期分繰り返すようにした。位相変調パターン１周期当たりに配置される分極反転構造は１８４０周期となる。本実施の形態ではこの周期１５．５μｍの分極反転構造を４周期ごとを単位として、位相変調周期を４６０分割してそれぞれの分極反転構造単位ごとの位相を最適化して４つの励起波長において最大の変換効率が得られる構造とした。
【００４６】
本実施の形態に用いた分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ3基板の作成方法を簡単に説明する。ＬｉＮｂＯ3基板の＋Ｚ面にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いてパターン化し、電極を蒸着し、基板の両側に電解液を接触させて、電界を印加してレジストのない電極が基板に直接触れている部分の分極を反転する。
【００４７】
上記のような製法にて作製されたマルチＱＰＭ−ＬＮＷＧを用いることで、多波長入力信号光に対しても任意波長変換が可能になる。原理の詳細を示す。
【００４８】
ＱＰＭ−ＬＮＷＧにおける第１の励起光と多波長入力信号光の各光周波数νS1〜νS4の光との和周波光発生効率ηは、比例係数ｃを用いて近似的に式（１）のように表される。
【００４９】
【数１】
2005114897.tif 000003
【００５０】
ここで、β（νSn）は各信号光の伝搬定数、β（νP1）は第１の励起光の伝搬定数、β（νSk＋νP1）は両者の和周波光の伝搬定数、ＬはＱＰＭ−ＬＮＷＧ１０３の導波路長である。また、Δβn0は光学軸反転周期により一意に決定される定数であり、次式のように表される。
【００５１】
【数２】
2005114897.tif 000004
【００５２】
ここで、多波長入力信号光の光周波数間隔はＱＰＭ−ＬＮＷＧ１０３の擬似位相整合光周波数間隔の２倍であるため、任意のｎに対してνSn＋νP1＝２νnを満たすように、第１の励起光の光周波数νP1を設定することが可能である。
【００５３】
これを用いて、式（１）を式（３）のように変形できる。
【００５４】
【数３】
2005114897.tif 000005
【００５５】
さらに、νSnはνn近傍の光周波数（｜νSn／νn−１｜≪１）であると仮定し、β（ν）をνn近傍で展開し、高次の項を無視することで、式（３）は式（４）のように変形できる。
【００５６】
【数４】
2005114897.tif 000006
【００５７】
従って、νSnが十分にνn近傍（｜νSn／νn−１｜≪１）である場合、光周波数νP1の第１の励起光を用いることで、任意の光周波数νSnの信号光に対して高効率な和周波発生が可能であることが分かる。
【００５８】
図１１は和周波光発生及び差周波光発生のようすを示すものである。
【００５９】
図１１（ａ）に示すように、和周波光発生により各光周波数νSnの信号光はそれぞれ光周波数２νnの信号光に変換される。さらに、それぞれの和周波光と第２の励起光の差周波光発生によって、変換光を得る。第２の励起光の光周波数νP2として、任意のｎに対してνCn＋νP2＝２νnを満たすようにνP2を設定することが可態であり、この過程においても上記と同様な原理により、擬似位相整合が満たされ、高効率な差周波光発生が実現する（図１１（ｂ））。
【００６０】
また、変換先光周波数はνP2を変化させることで制御可能であるが、νP2に無関係に擬似位相整合が満たされるため、任意のνP2に対して高い和周波／差周波光発生効率が維持され、変換先光周波数を変化させても変換光のパワーが変動することは無い。また、ここでは、擬似位相整合光周波数を多重光周波数間隔Δνの半分としたが、整数分の１でも良い。
【００６１】
図１２は本発明の多波長一括波長変換器の第２の実施の形態、ここでは請求項７に対応する実施の形態を示すもので、図中、１１１は第１の励起光源、１１２は第２の励起光源、１１３は第１の二次光非線形媒質（ＱＰＭ−ＬＮＷＧ）、１１４は第２の二次光非線形媒質（ＱＰＭ−ＬＮＷＧ）、１１５，１１６はＥＤＦＡ、１１７は合波器、１１８は偏光依存型ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、１１９は偏光回転子、１２０はビームスプリッタ、１２１は７８０ｎｍ帯の光を反射し、１５５０ｎｍ帯の光を透過するミラーである。
【００６２】
ここで、合波器１１７、ＰＢＳ１１８及び偏光回転子１１９が請求項でいう第１の合分波手段を構成し、ビームスプリッタ１２０及びミラー１２１が請求項でいう第２の合分波手段を構成する。
【００６３】
前記構成において、多波長入力信号光は、第１の励起光源１１１で発生し、ＥＤＦＡ１１５で増幅された第１の励起光と合波器１１７で合波された後、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１８により２つの直交偏波に分離される。一方の偏波成分はそのままＱＰＭ−ＬＮＷＧ１１３に入力され、他方の偏波成分は偏光回転子１１９により９０度回転されてＱＰＭ−ＬＮＷＧ１１４に入力され、それぞれ和周波光発生を起こす。
【００６４】
それぞれのＱＰＭ−ＬＮＷＧ１１３，１１４からの出力光のうち、和周波光のみがミラー１２１により反射され、互いに他方のＱＰＭ−ＬＮＷＧ１１４，１１３に入力される。この際、第２の励起光源１１２で発生し、ＥＤＦＡ１１６で増幅され、ビームスプリッタ１２０で等しく分波された第２の励起光と合波される。
【００６５】
それぞれのＱＰＭ−ＬＮＷＧ１１３，１１４において、入力された和周波光と第２の励起光は、和周波光発生過程とは反対方向に伝搬し、差周波光発生を起こす。発生した差周波光はＰＢＳ１１８により合波され、多波長変換光となってＰＢＳ１１８の入力信号光入力ポートから出力される。その後、図示しない光非可逆回路により入力光路から分離され、出力される。
【００６６】
この構成では、入力信号光は直交する２つの偏波に分離され、個々に波長変換された後に合波されるため、任意の偏波状態に対して一定の変換効率を保持できる。
【００６７】
なお、光非可逆回路の挿入位置はＰＢＳ１１８と合波器１１７との間、合波器１１７の前段のいずれでも良い。また、図１２では多波長入力信号光を第１の励起光と合波した後に直交する２つの偏波に分離しているが、多波長入力信号光のみを直交する２つの偏波に分離し、その後、それぞれに対して第１の励起光を合波するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】請求項１の多波長一括波長変換器の概要を示す構成図
【図２】請求項２の多波長一括波長変換器の概要を示す構成図
【図３】請求項３の多波長一括波長変換器の概要を示す構成図
【図４】請求項４，５の多波長一括波長変換器の概要を示す構成図
【図５】請求項６，７の多波長一括波長変換器の概要を示す構成図
【図６】請求項８の多波長一括波長変換器の概要を示す構成図
【図７】請求項９の多波長一括波長変換器の概要を示す構成図
【図８】波長固定フィルタの周波数特性の一例を示す特性図
【図９】本発明の多波長一括波長変換器の第１の実施の形態を示す構成図
【図１０】多波長入力信号光及び二次光非線形媒質の光周波数の配置の一例を示す特性図
【図１１】和周波光発生及び差周波光発生のようすを示す説明図
【図１２】本発明の多波長一括波長変換器の第２の実施の形態を示す構成図
【符号の説明】
【００６９】
１１，１０１，１１１：第１の励起光源、１２，１０２，１１２：第２の励起光源、１３，２１，２２，１１３，１１４：二次光非線形媒質、１４、２３，２４、４１，４２，４２’：合波手段、３１：光フィルタ、５１，５２，５２’：合分波手段、６１：光非可逆回路、７１：波長固定フィルタ、１０３：マルチ擬似位相整合ＬＮＷＧ、１０４，１０５，１１５，１１６：ＥＤＦＡ、１０６，１０７：方向性結合器、１０８：波長可変ＢＰＦ、１１７：合波器、１１８：ＰＢＳ、１１９：偏光回転子、１２０：ビームスプリッタ、１２１：ミラー。
【図１】
2005114897.tif 000007
【図２】
2005114897.tif 000008
【図３】
2005114897.tif 000009
【図４】
2005114897.tif 000010
【図５】
2005114897.tif 000011
【図６】
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【図７】
2005114897.tif 000013
【図８】
2005114897.tif 000014
【図９】
2005114897.tif 000015
【図１０】
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【図１１】
2005114897.tif 000017
【図１２】
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