(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに波長の異なる波長λ１の励起光と波長λ２の信号光とを入力し、波長λ３の変換光を発生させる波長変換モジュールにおいて、
屈折率ｎ１の下部クラッドと、屈折率ｎ２のコアと、屈折率ｎ３の上部クラッドとからなる導波路構造が形成された非線形光学結晶であって、前記信号光、前記励起光および前記変換光のいずれの波長λにおいても、
【数１】
0004526489.tif 000007
の少なくとも一方を満たし、ここでｄはコアの厚さであり、ｗはコアの幅であり、ｎｃはｎ１またはｎ３のうち大きい方の値である非線形光学結晶と、
前記導波路と光学的に結合され、前記信号光および前記励起光を前記導波路の入力端において同一のモード径で入射する入力用フォトニック結晶ファイバと
を備えたことを特徴とする波長変換モジュール。
【請求項２】
前記導波路と光学的に結合され、前記変換光を前記導波路から出射する出力用フォトニック結晶ファイバを備えたことを特徴とする請求項１に記載の波長変換モジュール。
【請求項３】
前記入力用フォトニック結晶ファイバは、レンズを介して前記導波路と光学的に結合され、前記入力用フォトニック結晶ファイバのモード径をレンズにより変換したビーム径と、前記導波路のモード径とを等しくすることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換モジュール。
【請求項４】
前記入力用フォトニック結晶ファイバは、前記導波路と直接対向させることにより、光学的に結合され、前記入力用フォトニック結晶ファイバのモード径と、前記導波路のモード径とを等しくすることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換モジュール。
【請求項５】
前記フォトニック結晶ファイバは、偏波保持型であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の波長変換モジュール。
【請求項６】
前記下部クラッドはＬｉＴａＯ３からなり、前記コアは周期的に分極が反転されたＺｎが添加されたＬｉＮｂＯ３からなり、前記上部クラッドは空気からなるリッジ型の導波路構造であ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モジュール。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載された波長変換モジュールと、
前記入力用フォトニック結晶ファイバに接続された合波器と、
前記合波器の一方の入力に接続され、前記信号光を出力する光源と、
前記合波器の他方の入力に接続され、前記励起光を出力する光源と
を備えたことを特徴とする波長変換光源。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれかに記載された波長変換モジュールと、
前記入力用フォトニック結晶ファイバに接続された合波器と、
前記合波器の一方の入力端に接続され、前記励起光を出力する光源とを備え、
前記波長変換モジュールは、前記合波器の他方の入力端に入力された前記信号光を、和周波発生により波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの変換光を出力することを特徴とする波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換モジュール、波長変換光源および波長変換装置に関し、より詳細には、和周波発生、差周波発生を用いて、入力された光の波長を変換して出力する波長変換モジュール、波長変換光源および波長変換装置に関する。
【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。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、二次非線形光学効果の一種である第二高調波発生、和周波発生、差周波発生を利用した波長変換素子等が知られている（例えば、特許文献１参照）。二次非線形光学効果を用いた波長変換は、既存のレーザ光源の波長を、他の様々な波長に変換することができるので、上述した通信分野だけにとどまらず、様々な産業分野への応用を目指して研究が進められている。
【０００３】
二次非線形光学効果の中でも第二高調波発生は、二次非線形光学効果を有する非線形光学媒質に、１種類の励起光を入射することにより、励起光の半分の波長の光を得ることができる。第二高調波発生は、励起光に用いるレーザの波長によって波長が一意に決まってしまうため、得られる波長範囲が制限される。一方、和周波発生または差周波発生は、２種類の励起光（以下、区別するために信号光と励起光という）を合波して非線形光学媒質に入射すると、信号光の光周波数と励起光の光周波数の和または差の光周波数に相当する波長の光を発生する。従って、信号光と励起光の波長の組み合わせにより、様々な波長の光を発生することができる。
【０００４】
和周波発生または差周波発生を利用する場合、２つの波長の異なるレーザ光源から出力された信号光と励起光とを合波して、非線形光学媒質に入射する。入射するパワーが比較的小さい場合でも高い変換効率を得るために、非線形光学媒質に導波路が形成されていることが望ましい。導波路が形成された非線形光学媒質を用いて波長変換を行う場合に、例えば、２つのレーザ光源から出力されたレーザ光の空間ビームを、ダイクロイックミラー等の光学部品で合波し、レンズ等で集光して導波路に結合させる。しかしながら、このような光学部品からなる光学系を用いると、装置の光学的な調整が複雑になり実用性に欠ける。そこで、光ファイバを介して、入射光を入射するような波長変換モジュールを構成することが行われている。波長変換モジュールは、波長変換に必要な位相整合を得るために、非線形光学媒質の温度を調整する機能を有している。
【０００５】
一方、励起光として半導体レーザを用いる場合には、光通信用に開発された０．８５μｍ、１．３μｍ、１．５５μｍ帯または０．９４〜１．０６μｍ帯の半導体レーザを利用して、様々な波長の光を発生することができる。これらのレーザ光源の多くは、ピッグテイルと呼ばれる光ファイバが取り付けられた光モジュールとして構成されているため、光源としての取り扱いが容易である。そこで、２つのレーザ光源からのピッグテイルを、光ファイバカプラ等のファイバ部品からなる光合波器に接続し、１本の光ファイバから非線形光学媒質の導波路に信号光と励起光とを入射して波長変換を行う方法が知られている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１４０２１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このとき、波長の異なる２つの信号光と励起光とを、１つの光ファイバから光導波路に入射することになる。しかしながら、光ファイバにおけるモード径が波長によって異なるために、信号光の波長と励起光の波長とにおいて高い結合効率を両立させることが難しいという問題があった。
【０００８】
光合波器と波長変換モジュールとを接続する光ファイバは、実装上の観点から光ファイバを曲げた場合にも導波モードが変化しないことが必要となる。すなわち、信号光の波長と励起光の波長とにおいて、シングルモード伝播を満たす必要がある。例えば、波長０．９８μｍと１．５５μｍの光を入射する場合、両者の波長でシングルモード伝播を実現するためには、高次モードのカットオフ波長が０．９８μｍよりも短い波長となるシングルモードファイバを用いる必要がある。例えば、０．９８μｍ用のシングルモード光ファイバを用いた場合、相対的に長波長である１．５５μｍにおいてシングルモード伝播は保証される。しかしながら、長波長になるほど光ファイバのモード径は大きくなり、例えば、波長０．９８μｍのモード径６．６μｍに対して、波長１．５５μｍのモード径１２μｍと、約２倍の大きさとなる。
【０００９】
例えば、２つのレンズを用いてモード径の大きさを変換したとしても、光ファイバのモード径の比率と導波路のモード径の比率とが等しくなければ、高い結合効率を得ることができない。このような、光ファイバと導波路の組み合わせを得ることは極めて難しいという問題もあった。また、光ファイバの端面と導波路の端面とを直接接続して、結合を得る場合であっても、２つの異なる波長において高い結合効率を両立することは困難である。
【００１０】
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、２つの異なる波長を有する信号光と励起光とを、効率よく非線形光学媒質の導波路に結合するための波長変換モジュール、波長変換光源および波長変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、互いに波長の異なる波長λ１の励起光と波長λ２の信号光とを入力し、波長λ３の変換光を発生させる波長変換モジュールにおいて、屈折率ｎ１の下部クラッドと、屈折率ｎ２のコアと、屈折率ｎ３の上部クラッドとからなる導波路構造が形成された非線形光学結晶であって、前記信号光、前記励起光および前記変換光のいずれの波長λにおいても、
【００１２】
【数１】
0004526489.tif 000002
【００１３】
の少なくとも一方を満たし、ここでｄはコアの厚さであり、ｗはコアの幅であり、ｎｃはｎ１またはｎ３のうち大きい方の値である非線形光学結晶と、前記導波路と光学的に結合され、前記信号光および前記励起光を前記導波路の入力端において同一のモード径で入射する入力用フォトニック結晶ファイバとを備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の波長変換モジュールにおいて、前記導波路と光学的に結合され、前記変換光を前記導波路から出射する出力用フォトニック結晶ファイバをさらに備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記入力用フォトニック結晶ファイバは、レンズを介して前記導波路と光学的に結合され、前記入力用フォトニック結晶ファイバのモード径をレンズにより変換したビーム径と、前記導波路のモード径とを等しくすることを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記入力用フォトニック結晶ファイバは、前記導波路と直接対向させることにより、光学的に結合され、前記入力用フォトニック結晶ファイバのモード径と、前記導波路のモード径とを等しくすることを特徴とする。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の前記フォトニック結晶ファイバは、偏波保持型であることを特徴とする。
【００１８】
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波長変換モジュールにおいて、前記下部クラッドはＬｉＴａＯ３からなり、前記コアは周期的に分極が反転されたＺｎが添加されたＬｉＮｂＯ３からなり、前記上部クラッドは空気からなるリッジ型の導波路構造であることを特徴とする。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載された波長変換モジュールと、前記入力用フォトニック結晶ファイバに接続された合波器と、前記合波器の一方の入力に接続され、前記信号光を出力する光源と、前記合波器の他方の入力に接続され、前記励起光を出力する光源とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
請求項８に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載された波長変換モジュールと、前記入力用フォトニック結晶ファイバに接続された合波器と、前記合波器の一方の入力端に接続され、前記励起光を出力する光源とを備え、前記波長変換モジュールは、前記合波器の他方の入力端に入力された前記信号光を、和周波発生により波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの変換光を出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明によれば、波長変換に関わる信号光、励起光および変換光の波長において、規格化周波数Ｖ＞４と設定することにより、信号光の波長と励起光の波長における導波路のモード径をほぼ等しくすることができ、効率よく非線形光学媒質の導波路に結合するが可能となる。
【００２２】
また、本発明によれば、励起光、変換光の波長においてモード径をほぼ等しくできるフォトニック結晶ファイバを介して、信号光、励起光を入射することにより、より効率よく非線形光学媒質の導波路に結合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】
【００２３】
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。上述したように、波長変換素子と結合する光ファイバと非線形光学媒質の導波路とにおけるモード径の違いを小さく抑えることが必要である。近年、フォトニック結晶ファイバ、またはホーリーファイバと呼ばれる光ファイバが開発されている（例えば、非特許文献１，２参照）。フォトニック結晶ファイバは、断面内に多数の空孔を設けることにより導波構造が形成されており、空孔の配置を変えることにより、様々な特性を制御することができる。例えば、通常の光ファイバでは実現できない１．３μｍよりも短波長において零分散を実現したり、非線形効果を大きくするために極めて小さなモード径のシングルモードファイバを実現したり、または非線形効果を小さくし、大きなパワーを伝送するためにコア径の大きなシングルモードファイバを実現することができる。
【００２４】
非特許文献１に記載されたフォトニック結晶ファイバは、波長が大きく変わってもシングルモード伝播を得ることができる。また、非特許文献２に記載されたフォトニック結晶ファイバは、モード径の波長依存性が通常の光ファイバに比べて小さい。このようなフォトニック結晶ファイバを用いて、上述の波長０．９８μｍと１．５５μｍの光を、シングルモードで伝播させ、両者の波長におけるモード径をほぼ同等にすることができる。
【００２５】
本実施形態では、一例として、代表的な２次非線形光学結晶であるＬｉＮｂＯ３を用いた波長変換素子を考える。ＬｉＮｂＯ３からなる非線形光学媒質に導波路を形成する方法は、プロトン交換法、Ｔｉ拡散を用いた方法が知られている。しかしながら、これらの方法は元素の拡散による屈折率変化を利用しているため、作製された導波路のコア部分の屈折率は、クラッドの屈折率との境界が緩やかに変化するグレーデッドインデックス型となる。グレーデッドインデックス型の導波路に波長の異なる２つの光を入射すると、光の閉じ込め効果が弱いために、長波長の光は、クラッドの屈折率の影響を受け、短波長の光に比べてモード径が大きくなる。
【００２６】
一方、非特許文献３に記載された直接接合方法によれば、コアとクラッドの境界の屈折率が急峻に変化するいわゆるステップインデックス型の導波路を形成することができる。例えば、ＬｉＮｂＯ３よりも屈折率の低いＬｉＴａＯ３をクラッド基板として用い、この基板上にＬｉＮｂＯ３基板を直接接合する。導波路の形成に必要な厚さまで、ＬｉＮｂＯ３基板を研磨等して導波層を形成し、ドライエッチングまたはダイシング等によりリッジ状に加工することによりコアを形成する。本実施形態では、このようなステップインデックス型導波路におけるモード径の波長依存性を小さくしたことを特徴とする。
【００２７】
図１に、本発明の第１の実施形態にかかるリッジ型導波路を示す。議論を簡単にするために、導波路のコア１２の幅と厚みが同じＴとし、下部クラッド１１の屈折率をｎ１、コア１２の屈折率をｎ２とする。コア１２の周りの上部クラッド１３は、屈折率１の空気で覆われている。波長λにおける依存性を一般化して議論するために、導波路の規格化周波数Ｖを以下のように定義する。  
【００２８】
【数２】
0004526489.tif 000003
【００２９】
非線形光学媒質に入射する波長λが長波長化することは、規格化周波数Ｖが小さくなることに対応する。さらに、導波モードの等価屈折率をｎｅｑとしたときの規格化屈折率Ｂを以下のように定義する。  
【００３０】
【数３】
0004526489.tif 000004
【００３１】
ここで、等価屈折率ｎｅｑがクラッドの屈折率ｎ１と等しくなると、規格化屈折率Ｂは０となる。このことは、コアを伝搬する光がクラッドへ漏れ出してゆくことを示し、光が導波路を導波するモードが存在しないことを表す。
【００３２】
図２に、規格化周波数Ｖを変化させたときの基底モード（０次モード）と１次モードの規格化屈折率Ｂの変化を示す。図２によれば、高次モードのないシングルモード導波路とするためにはＶ値をおよそ６以下、基底モードの導波路とするためにはＶ値をおよそ４以上とする必要がある。図３は、導波路の縦方向の電界が最大値の１／ｅ（ｅは自然対数）となるコアの全幅をコアの厚みＴで規格化した値が、規格化周波数Ｖに対してどのように変化するかを示している。
【００３３】
次にモード径の波長依存性を調べるために、規格化周波数Ｖを変化させたときの基底モードの電界分布を計算した。図４に、基底モードにおいて、規格化周波数Ｖを変化させたときの導波路の縦方向の電界分布を示し、図５に、横方向の電界分布を示す。
【００３４】
図３〜５によれば、リッジ型導波路においては、コア１２と空気である上部クラッド１３との間の急峻な屈折率差によって、導波路の横方向の光閉じ込め効果が大きい。従って、規格化周波数Ｖが変化、すなわち波長が変化しても、横方向のモード径が変化しない。一方、導波路の縦方向においては、規格化周波数Ｖの変化によってモード径が若干変化する。しかしながら、基底モードが存在しうる規格化周波数Ｖが４以上の場合においては、モード径の変化は、非常に小さく抑えられていることが分かる。
【００３５】
このようにリッジ型導波路においては、モード径の波長依存性を小さくすることができるので、波長変換に関わる信号光、励起光および変換光の波長において、伝播モードが存在しうるように規格化周波数Ｖを設定することができる。これらの波長において、Ｖ＞４と設定することにより、信号光の波長と励起光の波長における導波路のモード径をほぼ等しくすることができる。
【００３６】
和周波発生を利用する場合、変換光の波長は、信号光の波長および励起光の波長よりも短波長となるため、信号光または励起光のうち波長の長い光において、Ｖ＞４となるように設定する。差周波発生を利用する場合、変換光の波長は、信号光の波長および励起光の波長よりも長波長となるため、変換光の波長においてＶ＞４となるように設定する。このようにして、非線形光学媒質の導波路に、すべての光が導波可能になるとともに、信号光と励起光の導波モードの相違を小さく抑えることができる。
【００３７】
このようにモード径の波長依存性が小さいリッジ型導波路とフォトニック結晶ファイバとを結合して、異なる波長の信号光と励起光とを入射すれば、高効率に信号光および励起光を入射することができる。フォトニック結晶ファイバと導波路との結合は、モード径がほぼ等しい場合には、光軸を一致させて直接対向させることにより、光学的に結合させる、いわゆるバットジョイントを行うことができる。また、フォトニック結晶ファイバと導波路のモード径が異なる場合には、レンズ等を介して光学的に結合させ、フォトニック結晶ファイバのモード径をレンズにより変換したビーム径と、導波路のモード径とを等しくすることにより高効率に結合することができる。
【００３８】
また、導波路のパラメータと波長の組み合わせによっては、信号光または励起光の波長においてＶ＞６となり、マルチモードの導波路となる場合がある。このような場合でも、フォトニック結晶ファイバと導波路のモード径をほぼ等しくして結合することにより、基底モードへの高い結合効率を得ることができる。非線形光学媒質の導波路は、自在に曲げて使用することはないので、入力端において基底モードを励振すれば、マルチモードの導波路であっても高次モードへの結合は生じない。
【００３９】
図６に、本発明の第２の実施形態にかかる埋め込み型導波路を示す。導波路のコア２２の幅と厚みが同じＴとし、下部クラッド２１の屈折率をｎ１、コア２２の屈折率をｎ２とする。コア２２の周りの上部クラッド２３は、下部クラッド２１と同じ屈折率ｎ１で覆われている。規格化周波数Ｖと規格化屈折率Ｂは、上述の式１、式２を用いる。
【００４０】
図７に、規格化周波数Ｖを変化させたときの基底モード（０次モード）と１次モードの規格化屈折率Ｂの変化を示す。図７によれば、高次モードのないシングルモード導波路とするためにはＶ値をおよそ４．２以下、基底モードの導波路とするためにはＶ値をおよそ２以上とする必要がある。図８は、導波路の縦方向の電界が最大値の１／ｅ（ｅは自然対数）となるコアの全幅をコアの厚みＴで規格化した値が、規格化周波数Ｖに対してどのように変化するかを示している。
【００４１】
次にモード径の波長依存性を調べるために、規格化周波数Ｖを変化させたときの基底モードの電界分布を計算した。図９に、基底モードにおいて、規格化周波数Ｖを変化させたときの導波路の縦方向の電界分布を示す。なお、電界分布は、埋め込み型導波路の場合、縦方向と横方向の屈折率分布がほぼ等しいので、縦方向と横方向の電界分布もほぼ等しくなる。
【００４２】
図８，９によれば、埋め込み型導波路においては、基底モードが存在しうる規格化周波数Ｖの変化によって、モード径が大きく変化することが分かる。しかしながら、図８によれば、規格化周波数Ｖを４以上とすると、モード径の変化を小さく抑えられることが分かる。このような条件により、埋め込み型導波路においても、モード径の波長依存性を小さくするこができ、波長変換に関わる信号光、励起光および変換光の波長において、モード径をほぼ等しくすることができる。
【００４３】
和周波発生を利用する場合、変換光の波長は、信号光の波長および励起光の波長よりも短波長となるため、信号光または励起光のうち波長の長い光において、Ｖ＞４となるように設定する。差周波発生を利用する場合、変換光の波長は、信号光の波長および励起光の波長よりも長波長となるため、変換光の波長においてＶ＞２となるように設定し、かつ信号光または励起光のうち波長の長い光において、Ｖ＞４となるように設定する。このようにして、非線形光学媒質の導波路に、すべての光が導波可能になるとともに、信号光と励起光の導波モードの相違を小さく抑えることができる。
【００４４】
このようにモード径の波長依存性が小さい埋め込み型導波路とフォトニック結晶ファイバとを結合して、異なる波長の信号光と励起光とを入射すれば、高効率に信号光および励起光を入射することができる。フォトニック結晶ファイバと導波路との結合は、モード径がほぼ等しい場合には、光軸を一致させて直接近接させる、いわゆるバットジョイントを行うことができる。また、フォトニック結晶ファイバと導波路のモード径が異なる場合には、レンズ等を介してモード径を変換することにより高効率に結合することができる。
【００４５】
埋め込み型導波路の場合、信号光または励起光の波長においてＶ＞４とすると、図７に示したように、マルチモードの導波路となる。このような場合でも、フォトニック結晶ファイバと導波路のモード径をほぼ等しくして結合することにより、基底モードへの高い結合効率を得ることができる。
【００４６】
図１０に、本発明の第３の実施形態にかかる埋め込み型導波路を示す。導波路のコア３２の幅と厚みが同じＴとし、下部クラッド３１の屈折率をｎ１、コア３２の屈折率をｎ２とする。コア３２の周りの上部クラッド３３は、屈折率ｎ３で覆われている。波長λにおける依存性を一般化して議論するために、導波路の規格化周波数Ｖを以下のように定義する。  
【００４７】
【数４】
0004526489.tif 000005
【００４８】
ここで、ｎｃはｎ１またはｎ３のうち大きい方の値である。第１の実施形態のリッジ型導波路は、上部クラッドの屈折率が１であるので、第３の実施形態のような非対称な導波路の極端な例である。上部クラッドの屈折率が、下部クラッドの屈折率と空気の屈折率である１との中間的な値である場合には、等価屈折率およびモード径の規格化周波数に対する依存性は、リッジ型導波路と埋め込み型導波路との中間的な性質を示すことになる。
【００４９】
上部クラッド３３とコア３２の屈折率差が大きい場合には、実質的にリッジ型導波路と同じ性質を示すことになる。上部クラッド３３の屈折率が下部クラッド３１の屈折率よりも大きい場合には、導波モードの等価屈折率が上部クラッドの屈折率と同じとなると、光が導波するモードが存在しない。上部クラッドと下部クラッドの光学的役割は、実質的に同等であるので、非対称な導波路の場合には、導波路の規格化周波数Ｖを式３のように定義すれば、リッジ型導波路、埋め込み型導波路と同様に取り扱うことができる。
【００５０】
一例として、ｎ２＞ｎ１＞ｎ３であって、ｎ２−ｎ１がｎ２−ｎ３の２．３倍の等価屈折率を有する埋め込み型導波路について説明する。図１１に、規格化周波数Ｖを変化させたときの基底モード（０次モード）と１次モードの規格化屈折率Ｂの変化を示す。図１１によれば、非対称な導波路の場合は、図２に示したリッジ型導波路と図７に示した埋め込み型導波路の中間的な性質を示し、クラッドの屈折率の大きさにより導波モードの形状は変化する。
【００５１】
図１２は、導波路の縦方向の電界が最大値の１／ｅ（ｅは自然対数）となるコアの全幅をコアの厚みＴで規格化した値が、規格化周波数Ｖに対してどのように変化するかを示している。図３に示したリッジ型導波路と図８に示した埋め込み型導波路の中間的な振る舞いとなるため、規格化周波数Ｖを４以上とするとモード径の変化を小さく抑えることができる。このような条件により、非対称な埋め込み型型導波路においても、モード径の波長依存性を小さくするこができ、波長変換に関わる信号光、励起光および変換光の波長において、モード径をほぼ等しくすることができる。
【００５２】
和周波発生および差周波発生を利用する場合、信号光または励起光のうち波長の長い光において、Ｖ＞４となるように設定する。このようにして、非線形光学媒質の導波路に、すべての光が導波可能になるとともに、信号光と励起光の導波モードの相違を小さく抑えることができる。さらに、モード径の波長依存性が小さい埋め込み型導波路とフォトニック結晶ファイバとを結合して、異なる波長の信号光と励起光とを入射すれば、高効率に信号光および励起光を入射することができる。フォトニック結晶ファイバと導波路との結合は、モード径がほぼ等しい場合には、光軸を一致させて直接近接させる、いわゆるバットジョイントを行うことができる。また、フォトニック結晶ファイバと導波路のモード径が異なる場合には、レンズ等を介してモード径を変換することにより高効率に結合することができる。
【００５３】
非対称な埋め込み型導波路の場合、波長の組み合わせによっては、信号光または励起光の波長においてＶ＞４とすると、マルチモードの導波路となる。このような場合でも、フォトニック結晶ファイバと導波路のモード径をほぼ等しくして結合することにより、基底モードへの高い結合効率を得ることができる。
【００５４】
なお、上述した実師形態では、コアの厚みとコアの幅とを同じＴとしたが、厚みと幅の比が１以外であっても、モード径の大きさの規格化周波数Ｖに対する傾向は大きく変わらない。従って、コアの厚さをｄとし、コアの幅をｗとすれば、
【００５５】
【数５】
0004526489.tif 000006
【００５６】
の少なくとも一方、望ましくは双方を満たせばよい。
【００５７】
以上述べたように、本実施形態によれば、信号光および励起光の入射に用いる光ファイバと、波長変換を行う光導波路のモード径の波長依存性を小さく抑えることができる。従って、波長の異なる信号光および励起光を、効率的に光導波路に入射することができ、効率の良い波長変換装置を実現することができる。また、波長の異なる２つのレーザ光源と、２つのレーザ光を合波する合波器と、レーザ光を波長変換素子に入射するためのフォトニック結晶ファイバと、光導波路構造を有する波長変換素子とを備えることにより、和周波発生または差周波発生を用いて、可視域などの短波長の光源、近赤外、中赤外などの長波長の光源を発生する波長変換光源を構成することができる。また、波長変換光源を構成する際に用いる光ファイバ、フォトニック結晶ファイバは、波長変換を安定的に行うために、偏波保存型であることが望ましい。
【００５８】
波長変換を行う光導波路は、位相整合または擬似位相整合により２次の非線形光学効果を用いて、波長変換を行うことができる素子であればよい。例えば、コアに用いられる材料としては、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）、ＬｉｘＫ１−ｘＴａｙＮｂ１−ｙＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４などの酸化物強誘電体または、これらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎなどの元素を添加したものがある。また、擬似位相整合を用いる場合には、分極が周期的に反転した分極反転構造を利用できる。
【００５９】
クラッドに用いられる材料としては、コアの材料よりも屈折率が小さいものであれば良いが、光導波路を形成する観点からは、コアの材料と熱膨張係数が近いものが望ましい。導波路の形成法は、特に限定はされないが、例えば、下部クラッドの形成にはウエハ接合法などを利用することができ、上部クラッドの形成にはスパッタ法、蒸着法などを利用することができる。
【００６０】
また、本実施形態によれば、信号光、励起光および変換光の波長において、Ｖ＞４となるように設定した場合には、入出力において３つの波長のモード径がほぼ一致する。従って、波長変換素子の出力側にも、フォトニック結晶ファイバを結合することにより変換光を取り出すことができる。
【００６１】
本実施形態によれば、比較的パワーの低い信号光と比較的パワーの高い励起光との和周波発生を用いて、短波長への波長変換（アップコンバージョン）を行う場合に、入力光の損失を小さく抑えることができる。従って、信号光を効率良く短波長の光に変換することができる。この性質は、単に出力光のパワーを大きくできるだけにとどまらず、以下のような効果を奏することができる。
【００６２】
例えば、通信波長帯である１．３μｍ−１．５５μｍ帯の光を検出する場合、ＩｎＧａＡｓからなるフォトディテクタを使用する。ＩｎＧａＡｓからなるフォトディテクタは、１μｍ以下の波長で用いられるＳｉからなるフォトディテクタに比べて量子効率が低い。従って、非常に微弱な光を検出するフォトンカウンティング、高い検出感度を必要な量子暗号通信に用いることができないという問題がある。１．３μｍ−１．５５μｍ帯の微弱な信号光の損失を抑えながら、本実施形態にかかる波長変換を適用して、和周波発生によりＳｉからなるフォトディテクタの波長帯域に波長変換（アップコンバージョン）する。このような応用例においては、励起光のパワーを大きくしても、入力される信号光のフォトン数以上の変換光は発生しないので、信号光の損失を抑えられる性質を有効に利用することができる。
【実施例１】
【００６３】
図１３に、本発明の実施例１にかかる波長変換モジュールの構成を示す。波長変換モジュール１０１は、波長変換素子１１１と、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ１０２と波長変換素子１１１とを光学的に結合するレンズ１１２と、変換光のみを分離して出力するダイクロイックミラー１１３とを含む。波長変換素子１１１は、導波路１２２が形成されたＬｉＮｂＯ３からなる非線形光学媒質１２１と、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ１０２と光学的に結合するレンズ１２３と、導波路１２２から出力された光をコリメート化するレンズ１２４とを含む。実施例１は、波長１．５５μｍの信号光と０．９８μｍの励起光から、和周波発生により６００ｎｍの変換光を出力する波長変換モジュールである。
【００６４】
波長変換素子１１１は、１つのキャリア上に載せられ、キャリア全体はペルチェ素子とサーミスタにより温度制御がなされている。フォトニック結晶ファイバ１０２の出射端面と導波路１２２の入射端面には、波長１５５０ｎｍと９８０ｎｍにおける反射防止コートが施されており、導波路１２２の出射端面には、波長６００ｎｍにおける反射防止コートが施されている。
【００６５】
非線形光学媒質１２１の導波路１２２の詳細について説明する。非線形光学媒質１２１は、非特許文献３に記載された直接接合方法によって作製されている。図１４に、非線形光学媒質１２１の断面図を示す。下部クラッド１３１は、ＬｉＴａＯ３からなるＺカットの基板であり、導波路のコア１３２は、Ｚｎが添加されたＬｉＮｂＯ３からなるＺカットの基板から形成されている。コア１３２は、ダイシングによりリッジ型の光導波路が形成されている。コア１３２の厚みは８μｍ、幅は８μｍである。Ｚｎが添加されたＬｉＮｂＯ３は、周期９．９５μｍで分極反転構造が形成されている。導波路の長さは２０ｍｍであり、規格化ＳＦＧ変換効率は２９００％／Ｗである。
【００６６】
ここでは、ＬｉＮｂＯ３のｄ３３の非線形定数を利用しているため、入射される光はすべてＴＭモードであり、変換光もＴＭモードで出射される。ＴＭモードでの屈折率、すなわちＬｉＮｂＯ３における異常光偏波でのコア１３２の屈折率は約２．１である。コア１３２と下部クラッド１３１の屈折率差は、波長１５５０ｎｍにおいて０．６％、９８０ｎｍにおいて０．８％、６００ｎｍにおいて１．０％である。上部クラッド１３３は、屈折率１の空気である。
【００６７】
式３において波長変換に関わる３つの波長における規格化周波数Ｖは、波長１５５０ｎｍにおいてＶ＝７．７、波長９８０ｎｍにおいてＶ＝１３．９、波長６００ｎｍにおいてＶ＝２６となる。図１５に、各波長における導波路の縦方向の電界分布を示し、図１６に、横方向の電界分布を示す。実施例１のリッジ型導波路構造は、すべての波長においてＶ＞４とすることにより、各々の波長におけるモード径がほぼ等しいことが分かる。光強度がピークの１／ｅ２になる全幅は、波長１５５０ｎｍにおいて縦方向７．０μｍ、横方向６．４μｍであり、波長９８０ｎｍにおいて縦方向６．５μｍ、横方向６．４μｍ、波長６００ｎｍにおいて縦方向６．０μｍ、横方向６．４μｍである。
【００６８】
図１７に、ガウシアンビームにより、波長１５５０ｎｍと９８０ｎｍの光を導波路１２２に入射したときの、入射ビーム径に対する結合効率の変化を示す。波長１５５０ｎｍおよび９８０ｎｍにおいて、入射モード径を６μｍ程度にすることにより、両波長を効率良く入射することができる。実施例１に用いた偏波保持型フォトニック結晶ファイバ１０２のモード径は、波長１５５０ｎｍおよび９８０ｎｍにおいて７μｍである。そこで、レンズ１１２，１２３を用いてビーム径の変換を行い、導波路１２２への結合効率が最大となる６μｍに変換する。この結果、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ１０２と導波路１２２の結合効率は、波長１５５０ｎｍで９７％、９８０ｎｍにおいて９７％と高い結合効率を示す。偏波保持型フォトニック結晶ファイバ１０２の入力側から見た波長変換モジュール１０１全体の変換効率は、２２００％／Ｗとなる。波長９８０ｎｍの励起光を１００ｍＷ、波長１５５０ｎｍの信号光を１ｍＷ、波長変換モジュール１０１に入射することにより、波長６００ｎｍの変換光を２．２ｍＷ得ることができる。このことは、波長１５５０ｎｍの入射光を、８８％の効率で、波長６００ｎｍの光へ変換できたことに相当する。
【００６９】
比較参考のために、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ１０２の代わりに、通常の９８０ｎｍ用偏波保持ファイバを用いて、図１３に記載の波長変換モジュールを構成する。９８０ｎｍ用偏波保持ファイバは、波長１５５０ｎｍにおけるモード径が１２μｍ、波長９８０ｎｍにおけるモード径が６．６μｍである。図１７を参照すると、波長１５５０ｎｍにおけるモード径が１２μｍのとき、結合効率が６３％程度まで低下してしまう。Ｓｉからなるフォトディテクタの波長帯域にアップコンバージョンする場合に、波長１．５５μｍの信号光の結合効率が低いと、波長９８０ｎｍの励起光のパワーを大きくしても、信号光のパワーは上がらないので、受光感度を下げることになる。
【００７０】
実施例１によれば、信号光の結合効率の低下を抑えることにより、波長１５５０ｎｍの信号光を波長６００ｎｍの変換光に効率良く変換することができる。
【実施例２】
【００７１】
図１８に、本発明の実施例２にかかる波長変換モジュールの構成を示す。波長１５５０ｎｍの光源と波長９８０ｎｍの光源の出力は、９８０ｎｍ用偏波保存ファイバで作製されたファイバカップラ２０５で合波され、９８０ｎｍ用偏波保存ファイバ２０４に出力される。さらに、９８０ｎｍ用偏波保存ファイバ２０４に融着接続された偏波保持型フォトニック結晶ファイバ２０２を介して、波長変換モジュール２０１に入力される。波長変換モジュール２０１は、波長変換素子２１１と、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ２０２と波長変換素子２１１とを光学的に結合するレンズ２１２と、変換光のみを分離して出力するダイクロイックミラー２１３と、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ２０３と波長変換素子２１１とを光学的に結合するレンズ２１４とを含む。波長変換素子２１１は、導波路２２２が形成されたＬｉＮｂＯ３からなる非線形光学媒質２２１と、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ２０２と光学的に結合するレンズ２２３と、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ２０３と波長変換素子２１１とを光学的に結合するレンズ２２４とを含む。実施例２は、波長１．５５μｍの信号光と０．９８μｍの励起光から、和周波発生により６００ｎｍの変換光を出力する波長変換モジュールである。
【００７２】
波長変換素子２１１は、１つのキャリア上に載せられ、キャリア全体はペルチェ素子とサーミスタにより温度制御がなされている。フォトニック結晶ファイバ２０２の出射端面と導波路２２２の入射端面には、波長１５５０ｎｍと９８０ｎｍにおける反射防止コートが施されており、導波路２２２の出射端面には、波長６００ｎｍにおける反射防止コートが施されている。非線形光学媒質２２１は、ＬｉＮｂＯ３からなり、分極反転構造が形成されている。その作製法、導波路の構造は、実施例１と同じである。また、偏波保持型フォトニック結晶ファイバも実施例１と同じである。
【００７３】
実施例２では、９８０ｎｍ用偏波保存ファイバで作製されたファイバカップラ２０５を用いているため、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ２０３との間でモード径の相違が生じる。しかしながら、ファイバ間の結合は、融着接続を行うため、接続部における両ファイバ間のモード径は連続に変化する。従って、ファイバ間のモード径が異なるにも関わらず、接続部における接続損失は、比較的小さく抑えることができる。実施例２におけるファイバカップラ２０５出力の９８０ｎｍ用偏波保存ファイバ２０４と偏波保持型フォトニック結晶ファイバ２０３との間の融着接続による損失は、波長１５５０ｎｍにおいて０．６ｄＢ、波長９８０ｎｍにおいて０．３ｄＢである。
非線形光学媒質２２１は、ＬｉＮｂＯ３からなり、分極反転構造が形成されている。その作製法、導波路の構造は、実施例１と同じである。また、偏波保持型フォトニック結晶ファイバも実施例１と同じである。
【００７４】
実施例２では、非線形光学媒質２２１の導波路２２２の構造と偏波保持型フォトニック結晶ファイバ２０２とは、実施例１と同じものを用いている。図１５，１６に示したように、波長６００ｎｍの変換光の導波路におけるモード径は、波長１５５０ｎｍおよび９８０ｎｍとほぼ同等である。偏波保持型フォトニック結晶ファイバの波長６００ｎｍにおけるモード径も、波長１５５０ｎｍおよび９８０ｎｍとほぼ同等であることから、出射側にも入射側と同様のレンズと偏波保持型フォトニック結晶ファイバとを用いて、変換光を取り出すことができる。
【００７５】
実施例２によれば、導波路２２２と偏波保持型フォトニック結晶ファイバ２０３との間の結合効率を、９１％という高い効率とすることができる。また、変換光を光ファイバで取り出しているため、出力の取り扱いが容易であり、かつ入射側と同様の部品で実現できることから、部品の種類を増やすことなく、製造できるという利点がある。
【００７６】
実施例２において、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ２０２の入力側から見た波長変換モジュール全体の変換効率は、２０００％／Ｗとなる。波長９８０ｎｍの励起光を１００ｍＷ、波長１５５０ｎｍの信号光を１ｍＷ、波長変換モジュール２０１に入射することにより、波長６００ｎｍの変換光を２０ｍＷ得ることができる。これは、波長１５５０ｎｍの入射光を、８０％の効率で、波長６００ｎｍの光へ変換できたことに相当する。
【実施例３】
【００７７】
図１９に、本発明の実施例３にかかる波長変換モジュールを示す。波長１３０７ｎｍの光源３０８と波長９８０ｎｍの光源３０９の出力は、合波器３０５で合波され、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ３０２を介して、波長変換モジュール３０１に入力される。波長変換モジュール３０１は、波長変換素子３１１と、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ３０２と波長変換素子３１１とを光学的に結合するレンズ３１２と、変換光のみを分離して出力するダイクロイックミラー３１３とを含む。波長変換素子３１１は、導波路３２２が形成されたＬｉＮｂＯ３からなる非線形光学媒質３２１と、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ３０２と光学的に結合するレンズ３２３と、導波路３２２から出力された光をコリメート化するレンズ３２４とを含む。実施例３は、波長１３０７ｎｍの信号光と９８０ｎｍの励起光から、和周波発生により５６０ｎｍの変換光を出力する波長変換モジュールである。
【００７８】
波長１３０７ｎｍの光源３０８は、ＤＦＢ−ＬＤを用い、波長９８０ｎｍの光源３０９は、ファイバグレーティング３０６を用いて波長を安定化させたファブリペロー型のＬＤ（ＦＰ−ＬＤ）を用いる。光源３０８の出力は、１．３μｍ帯用偏波保存ファイバ３０７に出力され、光源３０９の出力は、０．９８μｍ用偏波保存ファイバ３０６に出力される。合波器３０５は、レンズとダイクロイックミラーとにより構成されている。合波器３０５は、１．３μｍ帯用偏波保存ファイバ３０７と０．９８μｍ用偏波保存ファイバ３０６とから入力された光を、それぞれ焦点距離の異なるレンズを用いて、ビーム径がほぼ等しくなるようにコリメート化した後、ダイクロイックミラーにより合波する。合波された光は、集光用レンズにより偏波保持型フォトニック結晶ファイバ３０２へ集光され出力される。
【００７９】
波長変換素子３１１は、１つのキャリア上に載せられ、キャリア全体はペルチェ素子とサーミスタにより温度制御がなされている。フォトニック結晶ファイバ３０２の出射端面と導波路３２２の入射端面には、波長１３０７ｎｍと９８０ｎｍにおける反射防止コートが施されており、導波路３２２の出射端面には、波長５６０ｎｍにおける反射防止コートが施されている。非線形光学媒質３２１は、ＬｉＮｂＯ３からなり、分極反転構造が形成されている。また、偏波保持型フォトニック結晶ファイバは実施例１，２と同じである。
【００８０】
非線形光学媒質３２１の導波路３２２の詳細について説明する。非線形光学媒質３２１は、非特許文献３に記載された直接接合方法によって作製されている。図２０に、非線形光学媒質３２１の断面図を示す。下部クラッド３３１は、ＬｉＴａＯ３からなるＺカットの基板であり、導波路のコア３３２は、Ｚｎが添加されたＬｉＮｂＯ３からなるＺカットの基板から形成されている。コア３３２は、ドライエッチングによりリッジ型の光導波路が形成されている。コア３３２と下部クラッド３３１とを覆うように、Ｔａ２Ｏ５からなる上部クラッド３３３を、スパッタにより堆積し、埋め込み型導波路を形成する。コアの厚みは７μｍ、幅は７μｍである。Ｚｎが添加されたＬｉＮｂＯ３は、周期７．８５μｍで分極反転が形成されている。導波路の長さは２０ｍｍであり、規格化ＳＦＧ変換効率は３９００％／Ｗである。
【００８１】
ここでは、ＬｉＮｂＯ３のｄ３３の非線形定数を利用しているため、入射される光はすべてＴＭモードであり、変換光もＴＭモードで出射される。ＴＭモードでの屈折率、すなわちＬｉＮｂＯ３における異常光偏波でのコア１３２の屈折率は約２．１である。コア３３２と下部クラッド３３１の屈折率差は、波長１３０７ｎｍにおいて０．７％、９８０ｎｍにおいて０．８％、５６０ｎｍにおいて１．１％である。上部クラッド３３３は、下部クラッド３３１よりも屈折率はやや小さく、コア３３２と上部クラッド３３３の屈折率差は、波長１３０７ｎｍにおいて１．７％、９８０ｎｍにおいて１．８％、５６０ｎｍにおいて１．９％である。
【００８２】
式３において波長変換に関わる３つの波長における規格化周波数Ｖは、波長１３０７ｎｍにおいてＶ＝８．４、波長９８０ｎｍにおいてＶ＝１１．９、波長５６０ｎｍにおいてＶ＝２６．４となる。図２１に、各波長における導波路の縦方向の電界分布を示し、図２２に、横方向の電界分布を示す。実施例３の埋め込み型導波路構造は、すべての波長においてＶ＞４とすることにより、それぞれの波長におけるモード径が非常に近くなっていることが分かる。光強度がピークの１／ｅ２になる全幅は、波長１３０７ｎｍにおいて縦方法６．３μｍ、横方向６．１μｍであり、波長９８０ｎｍにおいて縦方法６．１μｍ、横方向６．１μｍである。
【００８３】
波長１３０７ｎｍおよび９８０ｎｍにおいて、入射モード径を６．１μｍ程度にすることにより、両波長を効率良く入射することができる。実施例３に用いた偏波保持型フォトニック結晶ファイバ３０２のモード径は、波長１３０７０ｎｍおよび９８０ｎｍにおいて７μｍである。そこで、レンズ３１２，３２３を用いてビーム径の変換を行い、導波路３２２への結合効率が最大となる６．１μｍに変換する。この結果、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ３０２と導波路３２２との結合効率は、波長１３０７ｎｍで９８％、９８０ｎｍにおいて９８％と高い結合効率を示す。偏波保持型フォトニック結晶ファイバ３０２の入力側から見た波長変換モジュール３０１全体の変換効率は、３０００％／Ｗとなる。波長９８０ｎｍの励起光を３０ｍＷ、波長１３０７ｎｍの信号光を３０ｍＷ、波長変換モジュール３０１に入射することにより、波長５６０ｎｍの変換光２５ｍＷ得ることができる。
【００８４】
実施例３によれば、励起光および信号光の結合損失を小さく抑えることができるので、所望の変換光の出力を得るのに必要な励起光のパワーが小さくできる。その結果、光源の消費電力が小さくてすみ、レーザの寿命が長くなるなどの効果を得ることができる。実施例３では、上部クラッドと下部のクラッドの屈折率が異なる非対称の埋め込み型導波路を用いたが、上部クラッドと下部のクラッドとが同じ屈折率を有する対称の埋め込み型導波路を用いても同様の効果を得ることができる。
【実施例４】
【００８５】
図２３に、本発明の実施例４にかかる波長変換モジュールを示す。１．３μｍ帯の光源４０８と１．０２μｍ帯の光源４０９の出力は、合波器４０５で合波され、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ４０２を介して、波長変換モジュール４０１に入力される。波長変換モジュール４０１は、波長変換素子４１１と、変換光のみを分離して出力するダイクロイックミラー４１３とを含む。波長変換素子４１１は、導波路４２２が形成されたＬｉＮｂＯ３からなる非線形光学媒質４２１と、導波路４２２から出力された光をコリメート化するレンズ４２４とを含む。実施例４は、１．３μｍ帯の信号光と１．０２μｍ帯の励起光から、差周波発生により４５００ｎｍ帯の変換光を出力する波長変換モジュールである。
【００８６】
１．３μｍ帯の光源４０８は、ＤＦＢ−ＬＤを用い、１．０２μｍ帯の光源４０９は、ファイバグレーティング４０６を用いて波長を安定化させたファブリペロー型のＬＤ（ＦＰ−ＬＤ）を用いる。光源４０８の出力は、１．３μｍ帯用偏波保存ファイバ４０７に出力され、光源４０９の出力は、０．９８μｍ用偏波保存ファイバ４０６に出力される。合波器４０５は、レンズとダイクロイックミラーとにより構成されている。合波器４０５は、１．３μｍ帯用偏波保存ファイバ４０７と０．９８μｍ用偏波保存ファイバ４０６とから入力された光を、それぞれ焦点距離の異なるレンズを用いて、ビーム径がほぼ等しくなるようにコリメート化した後、ダイクロイックミラーにより合波する。合波された光は、集光用レンズにより偏波保持型フォトニック結晶ファイバ４０２へ集光され出力される。
【００８７】
波長変換素子４１１は、１つのキャリア上に載せられ、キャリア全体はペルチェ素子とサーミスタにより温度制御がなされている。偏波保持型フォトニック結晶ファイバ４０２と非線形光学媒質４２１の光導波路４２２とは、バットジョイントにより直接結合されている。フォトニック結晶ファイバ４０２の出射端面と導波路４２２の入射端面には、波長１．３μｍと０．９８μｍにおける反射防止コートが施されており、導波路４２２の出射端面には、波長４５００ｎｍにおける反射防止コートが施されている。非線形光学媒質３２１は、ＬｉＮｂＯ３からなり、分極反転構造が形成されている。また、偏波保持型フォトニック結晶ファイバは実施例１〜３と同じである。
【００８８】
非線形光学媒質４２１の導波路４２２の詳細について説明する。非線形光学媒質４２１は、非特許文献３に記載された直接接合方法によって作製されている。下部クラッドは、ＬｉＴａＯ３からなるＺカットの基板であり、導波路のコアは、Ｚｎが添加されたＬｉＮｂＯ３からなるＺカットの基板から形成されている。コアは、ダイシングによりリッジ型の光導波路が形成されている。上部クラッドは、屈折率１の空気である。コアの厚みは１４μｍ、幅は１７μｍである。Ｚｎが添加されたＬｉＮｂＯ３は、周期２５．１５μｍで分極反転が形成されている。導波路の長さは６０ｍｍであり、規格化ＳＦＧ変換効率は１２５％／Ｗである。
【００８９】
ここでは、ＬｉＮｂＯ３のｄ３３の非線形定数を利用しているため、入射される光はすべてＴＭモードであり、変換光もＴＭモードで出射される。ＴＭモードでの屈折率、すなわちＬｉＮｂＯ３における異常光偏波でのコア１３２の屈折率は約２．１である。コアと下部クラッドの屈折率差は、波長１３２５ｎｍにおいて０．６６％、１０２４ｎｍにおいて０．７２％、４５００ｎｍにおいて０．９６％である。
【００９０】
式３において波長変換に関わる３つの波長における規格化周波数Ｖは、波長１３２５ｎｍにおいてＶ＝１６．５、波長１０２４ｎｍにおいてＶ＝２２．２、波長４５００ｎｍにおいてＶ＝５．５となる。コアの幅を用いると、波長１３２５ｎｍにおいてＶ＝２２．４、波長１０２４ｎｍにおいてＶ＝３０．１、波長４５００ｎｍにおいてＶ＝７．４６と計算される。図２４に、各波長における導波路の縦方向の電界分布を示し、図２５に、横方向の電界分布を示す。実施例４のリッジ型導波路構造は、すべての波長においてＶ＞４とすることにより、特に、信号光波長と励起光波長のＶ値が非常に大きいために、それぞれの波長におけるモード径が非常に近くなっていることが分かる。光強度がピークの１／ｅ２になる全幅は、波長１３２５ｎｍにおいて縦方法１２．５μｍ、横方向１３．１μｍであり、波長１０２４ｎｍにおいて縦方法１２．４μｍ、横方向１３．５μｍである。
【００９１】
波長１３２５ｎｍおよび１０２４ｎｍにおいて、入射モード径を１２μｍ程度にすることにより、両波長を効率良く入射することができる。実施例４に用いた偏波保持型のフォトニック結晶ファイバ４０２のモード径は、波長１３２５ｎｍおよび１０２４ｎｍにおいて１２μｍであることから、偏波保持型のフォトニック結晶ファイバ４０２と導波路４２２とを直接結合して入射する。この結果、偏波保持型のフォトニック結晶ファイバ４０１と導波路４２２との結合効率は、波長１３２５ｎｍで９８％、１０２４ｎｍにおいて９７％と高い結合効率を示す。偏波保持型のフォトニック結晶ファイバ４０２から見た波長変換モジュール４０１全体の変換効率は、１００％／Ｗとなる。波長１０２４ｎｍの励起光を１００ｍＷ、波長１３２５ｎｍの信号光を５０ｍＷ、波長変換モジュール４０１に入射することにより、波長４５００ｎｍの変換光５ｍＷを得ることができる。
【００９２】
比較参考のために、偏波保持型フォトニック結晶ファイバ４０２の代わりに、通常の９８０ｎｍ用偏波保持ファイバを用いて、図２３に記載の波長変換モジュールを構成する。９８０ｎｍ用偏波保持ファイバは、波長１３２５ｎｍにおけるモード径が１０μｍ、波長９８０ｎｍにおけるモード径は６．８μｍである。波長１３２５ｎｍにおける結合効率は、６８％まで低下してしまう。実施例４によれば、信号光および励起光の結合効率の低下を抑えることにより、波長１３２５ｎｍの信号光を波長４５００ｎｍの変換光に効率良く変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかるリッジ型導波路を示す断面図である。
【図２】規格化周波数Ｖを変化させたときの基底モード（０次モード）と１次モードの規格化屈折率Ｂの変化を示す図である。
【図３】導波路の縦方向の電界が最大値の１／ｅとなるコアの全幅をコアの厚みＴで規格化した値を示す図である。
【図４】規格化周波数Ｖを変化させたときの導波路の縦方向の電界分布を示す図である。
【図５】規格化周波数Ｖを変化させたときの導波路の横方向の電界分布を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる埋め込み型導波路を示す断面図である。
【図７】規格化周波数Ｖを変化させたときの基底モード（０次モード）と１次モードの規格化屈折率Ｂの変化を示す図である。
【図８】導波路の縦方向の電界が最大値の１／ｅとなるコアの全幅をコアの厚みＴで規格化した値を示す図である。
【図９】規格化周波数Ｖを変化させたときの導波路の縦方向の電界分布を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態にかかる埋め込み型導波路を示す断面図である。
【図１１】規格化周波数Ｖを変化させたときの基底モード（０次モード）と１次モードの規格化屈折率Ｂの変化を示す図である。
【図１２】導波路の縦方向の電界が最大値の１／ｅとなるコアの全幅をコアの厚みＴで規格化した値を示す図である。
【図１３】本発明の実施例１にかかる波長変換モジュールを示す図である。
【図１４】実施例１の非線形光学媒質を示す断面図である。
【図１５】各波長における導波路の縦方向の電界分布を示す図である。
【図１６】各波長における導波路の横方向の電界分布を示す図である。
【図１７】ガウシアンビームの光を導波路に入射したときの、入射ビーム径に対する結合効率の変化を示す図である。
【図１８】本発明の実施例２にかかる波長変換モジュールを示す図である。
【図１９】本発明の実施例３にかかる波長変換モジュールを示す図である。
【図２０】実施例３の非線形光学媒質を示す断面図である。
【図２１】各波長における導波路の縦方向の電界分布を示す図である。
【図２２】各波長における導波路の横方向の電界分布を示す図である。
【図２３】本発明の実施例４にかかる波長変換モジュールを示す図である。
【図２４】各波長における導波路の縦方向の電界分布を示す図である。
【図２５】各波長における導波路の横方向の電界分布を示す図である。
【符号の説明】
【００９４】
１１，２１，３１，１３１，３３１  下部クラッド
１２，２２，３２，１３２，３３２  コア
１３，２３，３３，１３３，３３３  上部クラッド
１０１，２０１，３０１，４０１  波長変換モジュール
１０２，２０２，２０３，３０２，４０２  偏波保持型フォトニック結晶ファイバ
１１１，２１１，３１１，４１１  波長変換素子
１１２，１２３，１２４，２１２，２１４，２２３，２２４，３１２，３２３，３２４，４２４  レンズ
１１３，２１３，３１３，４１３  ダイクロイックミラー
１２１，２２１，３２１，４２１  非線形光学媒質
１２２，２２２，３２２，４２２  導波路
２０４，３０４，４０４  ９８０ｎｍ用偏波保存ファイバ
２０５  ファイバカップラ
３０５，４０５  合波器
３０６，４０６  ファイバグレーティング
３０７，４０７  １．３μｍ帯用偏波保存ファイバ
３０８，３０９，４０８，４０９  光源
【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】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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