(57)【要約】【課題】  周囲環境の温度変動等が生じても、短時間にその変動を補償する。【解決手段】  二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する光導波路を含む波長変換素子において、光導波路２２に分極反転構造の分極の方向と同じ方向の電界を誘起するための電極２４ａ，２４ｂを備え、電極２４ａ，２４ｂに印加された電圧による一次電気光学効果により、光導波路２２の屈折率を変化させて、擬似位相整合波長と制御光波長とを一致させ、差周波光の出力変動を補償する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する光導波路を含む波長変換素子において、
前記光導波路に前記分極反転構造の分極の方向と同じ方向の電界を誘起するための電極と、
前記光導波路の屈折率を変化させて、擬似位相整合波長の波長と制御光の波長とを一致させ、差周波光の変動を補償するように、前記電極に電圧を印加する電圧発生器と
を備えたことを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記電極は、前記分極反転構造の反転する２つの分極の方向のうち、いずれか一方の方向にある光導波路にのみ、電界を誘起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】
前記電極と、前記導波路が形成された基板との間にバッファ層を有することを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する光導波路を含む波長変換素子において、
前記導波路を所定の温度に設定する薄膜ヒータと、
前記光導波路の屈折率を変化させて、擬似位相整合波長の波長と制御光の波長とを一致させ、差周波光の変動を補償するように、前記薄膜ヒータに電流を供給する電流発生器と
を備えたことを特徴とする波長変換素子。
【請求項５】
前記薄膜ヒータと、前記導波路が形成された基板との間にバッファ層を有す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】
前記二次非線形光学効果を有する材料は、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１）、Ｋ（ｙ）Ｌｉ（１−ｙ）Ｎｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項７】
二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する光導波路を含む波長変換素子の制御方法において、
前記光導波路に前記分極反転構造の分極の方向と同じ方向の電界を誘起するために形成された電極に周波数ｆの交流電圧を印加し、
前記波長変換素子から出力された差周波光の周波数ｆ成分が０となるように、前記交流電圧に重畳する直流電圧を制御し、前記光導波路の屈折率を変化させて、擬似位相整合波長の波長と制御光の波長とを一致させ、差周波光の変動を補償する
ことを特徴とする波長変換素子の制御方法。
【請求項８】
前記波長変換素子に熱的に結合された温度制御素子を制御して、前記周波数ｆ成分の絶対値が最小となるように、前記直流電圧を制御することを特徴とする請求項７に記載の波長変換素子の制御方法。
【請求項９】
二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する光導波路を含む波長変換素子の制御方法において、
前記導波路を所定の温度に設定する薄膜ヒータに周波数ｆの交流電流を印加し、
前記波長変換素子から出力された差周波光の周波数ｆ成分が０となるように、前記交流電流に重畳する直流電流を制御し、前記光導波路の屈折率を変化させて、擬似位相整合波長の波長と制御光の波長とを一致させ、差周波光の変動を補償する
ことを特徴とする波長変換素子の制御方法。
【請求項１０】
前記波長変換素子に熱的に結合された温度制御素子を制御して、前記周波数ｆ成分の絶対値が最小となるように、前記直流電流を制御することを特徴とする請求項９に記載の波長変換素子の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換素子およびその制御方法に関し、より詳細には、非線形光学媒質中で生じる差周波発生効果を用いて信号光の波長を異なる波長に変換する波長変換素子およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信システムの通信容量の増大を図るために、波長の異なる複数の光を多重化して伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）通信システムが積極的に導入されている。このようなＷＤＭ通信システムにおいては、限られた波長数を有効に利用するために、信号波長を任意の信号波長に変換する波長変換素子の実用化が求められている。
【０００３】
従来、光の波長を変換する波長変換素子として、半導体光増幅器を応用した素子、四光波混合を利用する素子等が知られている。しかしながら、これら波長変換素子は、システムにおいて求められる、高効率、高速、広帯域、低ノイズ、偏波無依存などの条件を満足させることができなかった。
【０００４】
一方、ニオブ酸リチウムなどの非線形光学結晶基板に周期分極反転構造を作製し、二次非線形効果の一種である擬似位相整合による差周波発生を利用した波長変換素子が知られている。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。波長変換素子は、比較的小さな光強度を有する信号光Ａと、比較的大きな光強度を有する制御光Ｂとを合波する合波器１１と、分極反転構造を有する非線形光学結晶からなる導波路１２と、差周波光Ｃと制御光Ｂとを分離するに分波器１３とから構成されている。信号光Ａは、導波路１２において、別の波長を有する差周波光Ｃへと変換され、制御光Ｂと共に出射される。例えば、制御光Ｂの波長λ１＝０．７７μｍとした場合、波長λ２＝１．５５μｍの信号光Ａは、波長λ３＝１．５３μｍの差周波光Ｃに変換される。
【０００５】
ここで、制御光Ｂの波長は、主として、屈折率の材料分散、すなわち分極反転構造の周期で決定される擬似位相整合波長であり、その帯域幅は、例えば１ｃｍの長さの素子において１ｎｍ程度である。一方、屈折率は温度により変化するため、ペルチェ素子やヒータなどの温度制御素子１４により、波長変換素子が一定温度となるように温度制御を行っていた（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
【非特許文献１】遊部他、「擬似位相整合ＬｉＮｂＯ３導波路を用いた１．５５μｍ帯波長変換素子」信学技報EMD2002-33, CPM2002-75, OPE2002-55, LQE2002-110, 2002
【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、波長変換素子全体をペルチェ素子やヒータなどの温度制御素子により制御すると、制御時定数が非常に長く、通常、十数秒から数分を要する。このため、環境変化による擬似位相整合波長のずれに対応することが難しく、差周波光の出力変動が大きくなってしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、周囲環境の温度変動等が生じても、短時間に差周波光の出力変動を補償することができる波長変換素子およびその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する光導波路を含む波長変換素子において、前記光導波路に前記分極反転構造の分極の方向と同じ方向の電界を誘起するための電極と、前記光導波路の屈折率を変化させて、擬似位相整合波長の波長と制御光の波長とを一致させ、差周波光の変動を補償するように、前記電極に電圧を印加する電圧発生器とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記電極は、前記分極反転構造の反転する２つの分極の方向のうち、いずれか一方の方向にある光導波路にのみ、電界を誘起することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記電極と、前記導波路が形成された基板との間にバッファ層を有することを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する光導波路を含む波長変換素子において、前記導波路を所定の温度に設定する薄膜ヒータと、前記光導波路の屈折率を変化させて、擬似位相整合波長の波長と制御光の波長とを一致させ、差周波光の変動を補償するように、前記薄膜ヒータに電流を供給する電流発生器とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の前記薄膜ヒータと、前記導波路が形成された基板との間にバッファ層を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の前記二次非線形光学効果を有する材料は、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１）、Ｋ（ｙ）Ｌｉ（１−ｙ）Ｎｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する光導波路を含む波長変換素子の制御方法において、前記光導波路に前記分極反転構造の分極の方向と同じ方向の電界を誘起するために形成された電極に周波数ｆの交流電圧を印加し、前記波長変換素子から出力された差周波光の周波数ｆ成分が０となるように、前記交流電圧に重畳する直流電圧を制御し、前記光導波路の屈折率を変化させて、擬似位相整合波長の波長と制御光の波長とを一致させ、差周波光の変動を補償することを特徴とする。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の波長変換素子の制御方法において、前記波長変換素子に熱的に結合された温度制御素子を制御して、前記周波数ｆ成分の絶対値が最小となるように、前記直流電圧を制御することを特徴とする。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する光導波路を含む波長変換素子の制御方法において、前記導波路を所定の温度に設定する薄膜ヒータに周波数ｆの交流電流を印加し、前記波長変換素子から出力された差周波光の周波数ｆ成分が０となるように、前記交流電流に重畳する直流電流を制御し、前記光導波路の屈折率を変化させて、擬似位相整合波長の波長と制御光の波長とを一致させ、差周波光の変動を補償することを特徴とする。
【００１８】
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の波長変換素子の制御方法において、前記波長変換素子に熱的に結合された温度制御素子を制御して、前記周波数ｆ成分の絶対値が最小となるように、前記直流電流を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、擬似位相整合波長と制御光との波長が一致しない場合でも、電気光学効果または熱光学効果により、短時間に差周波光の出力変動を補償することができるので、周囲環境の変動等に追従して常に最適な波長変換を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。  
図２に、本発明の第１の実施形態にかかる波長変換素子の構成を示す図である。図２（ａ）は、波長変換素子の斜視図である。波長変換素子は、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶からなる基板２１に、導波路２２が形成されている。基板２１は、ｚカットＬｉＮｂＯ３基板であり、プロトン交換方により導波路２２を形成する。基板２１上面には、バッファ層２３を介して金属電極２４を形成する。バッファ層２３は、金属電極２４による導波光の吸収損失を低減する目的で設けられている。なお、図２（ａ）ではバッファ層２３を省略している。
【００２１】
ここで、基板２１の分極の方向が図の下向きの部分をＡ面とし、上向の部分をＢ面とする。金属電極２４は、Ａ面に形成されている導波路２２に電圧を印加する金属電極２４ａと、Ｂ面に形成されている導波路２２に電圧を印加する金属電極２４ｂとから構成されている。金属電極２４ａと金属電極２４ｂとの間に、直流電圧発生器２５から直流電圧が印加される。
【００２２】
図２（ｂ）は、Ａ面における波長変換素子の断面図である。Ａ面における導波路２２には、分極の方向と同じ向き、すなわち下向きの電界が誘起される。図２（ｃ）は、Ｂ面における波長変換素子の断面図である。Ｂ面における導波路２２には、分極の方向と同じ向き、すなわち上向きの電界が誘起される。印加する電圧に応じて屈折率が変化するため、実効的な分極反転構造の周期が変化し、擬似位相整合波長を調整することができる。
【００２３】
図３に、本発明の第１の実施形態にかかる波長変換素子の制御方法を示す。図２に示した波長変換素子３１に、信号光Ａおよび制御光Ｂを入射し、発生した差周波光Ｃの一部をカプラ等で分岐する。光検出器３２は、差周波光Ｃの一部の光強度を計測する。波長変換素子３１の金属電極２４には、電圧加算器３３を介して直流電圧発生器３４が接続されている。電圧加算器３３には交流電圧発生器３５が接続され、直流電圧が重畳された交流電圧を、金属電極２４に印加することができる。
【００２４】
波長変換素子３１の温度は、予めペルチェ素子またはヒータによって、擬似位相整合波長が制御光Ｂの波長と一致するように設定しておく。ここで、交流電圧発生器３５から金属電極２４に周波数ｆの交流電圧を印可する。このとき、光検出器３２の出力の周波数ｆ成分を、ロックイン検波器３６により検波する。図４に示したように、擬似位相整合波長が制御光Ｂの波長と一致している場合には、差周波光Ｃの一部には、ＤＣ成分と周波数２ｆの成分が主となり、周波数ｆの成分は理想的には０となる。
【００２５】
一方、周囲環境の変動等により、擬似位相整合波長が制御光Ｂの波長と一致していない場合に、周波数ｆの交流電圧を印可すると、図５に示したように、ＤＣ成分と周波数２ｆの成分の他に、周波数ｆの成分が発生する。ロックイン検波器３６は、この周波数ｆの成分の大きさおよび位相の検出を行い、直流電圧発生器３４から、周波数ｆ成分の大きさに比例し、かつ逆位相となるような直流電圧ΔＶｃを発生させ、交流電圧に重畳させる。このようにして、擬似位相整合波長の波長と制御光Ｂの波長とを一致させ、差周波光Ｃの変動を補償することができる。
【００２６】
本実施形態によれば、変動の補償は、電気光学効果を用いているため、屈折率の変化速度は十分に速く、μ秒のオーダで動作する。このようにして、周囲環境の変動に追従して、短時間に擬似位相整合波長を変化させることができるので、常に最適な波長変換を行うことができる。また、ゆっくりとした変動には、周波数ｆの成分の絶対値が最小となるように、波長変換素子に取り付けられたペルチェ素子またはヒータなどの温度制御素子を制御するようにしてもよい。
【００２７】
図６に、本発明の第２の実施形態にかかる波長変換素子の構成を示す。波長変換素子は、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶からなる基板２１に、導波路２２が形成されている。基板２１上面には、バッファ層２３を介して金属電極２６を形成する。金属電極２６は、Ａ面に形成されている導波路２２に電圧を印加する金属電極２６ａと、そのリターン電極となる金属電極２６ｂとから構成されている。金属電極２６ａと金属電極２６ｂとの間に、直流電圧発生器２５から直流電圧が印加される。
【００２８】
Ａ面における導波路２２には、分極の方向と同じ向き、すなわち下向きの電界が誘起される。第１の実施形態との相違は、Ａ面の導波路２２に電界を誘起するのみで、Ｂ面の導波路２２には電界を誘起させない点である。しかしながら、図３に示した制御方法と同様の方法により、第１の実施形態とおなじく、周囲環境の変動に追従して、常に最適な波長変換を行うことができる。
【００２９】
図７に、本発明の第３の実施形態にかかる波長変換素子の構成を示す。波長変換素子は、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶からなる基板２１に、導波路２２が形成されている。基板２１は、ｚカットＬｉＮｂＯ３基板であり、プロトン交換方により導波路２２を形成する。基板２１の導波路２２上面には、バッファ層２３を介して薄膜ヒータ２７を形成する。バッファ層２３は、薄膜ヒータ２７による導波光の吸収損失を低減する目的で設けられている。なお、図７ではバッファ層２３を省略している。導波路２２の温度に応じて屈折率が変化するため、実効的な分極反転構造の周期が変化し、擬似位相整合波長を調整することができる。
【００３０】
図８に、本発明の第３の実施形態にかかる波長変換素子の制御方法を示す。図７に示した波長変換素子３１に、信号光Ａおよび制御光Ｂを入射し、発生した差周波光Ｃの一部をカプラ等で分岐する。光検出器３２は、差周波光Ｃの一部の光強度を計測する。波長変換素子３１の薄膜ヒータ２７には、電流加算器３７を介して直流電流発生器３８が接続されている。電流加算器３７には交流電流発生器３９が接続され、直流電流が重畳された交流電流を、薄膜ヒータ２７に印加することができる。
【００３１】
波長変換素子３１の温度は、予めペルチェ素子またはヒータによって、擬似位相整合波長が制御光Ｂの波長と一致するように設定しておく。ここで、交流電流発生器３９から薄膜ヒータ２７に周波数ｆの交流電流を印可する。このとき、光検出器３２の出力の周波数ｆ成分を、ロックイン検波器３６により検波する。図４に示したように、擬似位相整合波長が制御光Ｂの波長と一致している場合には、差周波光Ｃの一部には、ＤＣ成分と周波数２ｆの成分が主となり、周波数ｆの成分は理想的には０となる。なお、薄膜ヒータ２７では温度を下げることはできないため、予め薄膜ヒータ２７には僅かに通電しておき、波長変換素子３１全体の温度より、例えば５℃だけ高めに設定する。
【００３２】
一方、周囲環境の変動等により、擬似位相整合波長が制御光Ｂの波長と一致していない場合に、周波数ｆの交流電流を印可すると、図５に示したように、ＤＣ成分と周波数２ｆの成分の他に、周波数ｆの成分が発生する。ロックイン検波器３６は、この周波数ｆの成分の大きさおよび位相の検出を行い、直流電流発生器３８から、周波数ｆ成分の大きさに比例し、かつ逆位相となるような直流電流ΔＩｃを発生させ、交流電流に重畳させる。このようにして、擬似位相整合波長の波長と制御光Ｂの波長とを一致させ、差周波光Ｃの変動を補償することができる。
【００３３】
本実施形態によれば、変動の補償は、熱光学効果を用いているため、屈折率の変化速度は比較的に速く、ｍ秒のオーダで動作する。このようにして、周囲環境の変動に追従して、短時間に擬似位相整合波長を変化させることができるので、常に最適な波長変換を行うことができる。また、ゆっくりとした変動には、周波数ｆの成分の絶対値が最小となるように、波長変換素子に取り付けられたペルチェ素子またはヒータなどの温度制御素子を制御するようにしてもよい。
【００３４】
図９に、本発明の第４の実施形態にかかる波長変換素子の構成を示す図である。波長変換素子は、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶からなる基板２１に、導波路２２が形成されている。基板２１上面には、バッファ層２３を介して薄膜ヒータ２９を形成する。導波路２２近傍の温度に応じて屈折率が変化するため、実効的な分極反転構造の周期が変化し、擬似位相整合波長を調整することができる。従って、第３の実施形態とおなじく、周囲環境の変動に追従して、常に最適な波長変換を行うことができる。
【００３５】
なお、基板としてｚカットＬｉＴａＯ３基板を用いた場合においても、上述した実施形態と同様の方法によって波長変換素子を作製することができる。このほか、基板として、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１）、Ｋ（ｙ）Ｌｉ（１−ｙ）Ｎｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）のいずれかを用いることができ、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有した基板を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【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斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかる波長変換素子の構成を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる波長変換素子の制御方法を説明するためのブロック図である。
【図４】擬似位相整合波長と制御光Ｂの波長とが一致している場合に、周波数ｆの交流電圧を印可したときの差周波光の出力を示す図である。
【図５】擬似位相整合波長と制御光Ｂの波長とが一致していない場合に、周波数ｆの交流電圧を印可したときの差周波光の出力を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる波長変換素子の構成を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態にかかる波長変換素子の構成を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態にかかる波長変換素子の制御方法を説明するためのブロック図である。
【図９】本発明の第４の実施形態にかかる波長変換素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１１    合波器
１２，２２    導波路
１３    分波器
１４    温度制御素子
２１    基板
２３    バッファ層
２４，２６    金属電極
２５，３４    直流電圧発生器
２７，２９    薄膜ヒータ
３１    波長変換素子
３２    光検出器
３３    電圧加算器
３５    交流電圧発生器
３６    ロックイン検波器
【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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