(57)【要約】【課題】非線形光学結晶を用いた、波長変換装置及び波長変換方法において、ポンプ光の波長域を自由に選択可能にする。【解決手段】波長変換部２０とパラメトリック発生部３０とを備えている。波長変換部は、信号光とポンプ光から非線形光学効果により中間光を発生させて、当該中間光を出力させる。パラメトリック発生部は、パラメトリック発生により、中間光から、変換光及びアイドラー光を発生させて、変換光を出力光として出力させる。【選択図】図１
2007017484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光とポンプ光から非線形光学効果により中間光を発生させて、該中間光を出力させる波長変換部と、
前記中間光から、変換光及びアイドラー光を発生させて、前記変換光を出力光として出力させるパラメトリック発生部と
を備えることを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
前記波長変換部として、前記信号光と前記ポンプ光から和周波光を発生させて、該和周波光を前記中間光として出力させる、和周波発生部を備えることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記和周波発生部の出力部分に、前記信号光及び前記ポンプ光を遮断し、かつ、前記中間光を透過させる第１波長フィルタが設けられていることを特徴とする請求項２に記載の波長変換装置。
【請求項４】
前記パラメトリック発生部の出力部分に、前記中間光及び前記アイドラー光を遮断し、かつ、前記変換光を透過させる第２波長フィルタが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の波長変換装置。
【請求項５】
信号光とポンプ光から非線形光学効果により中間光を発生させて、該中間光を出力させる過程と、
該中間光から、パラメトリック発生により変換光及びアイドラー光を発生させて、前記変換光を出力光として出力させる過程と
を備えることを特徴とする波長変換方法。
【請求項６】
信号光とポンプ光から和周波光を発生させて、該和周波光を中間光として出力させる過程と、
該中間光から、パラメトリック発生により変換光及びアイドラー光を発生させて、前記変換光を出力光として出力させる過程と
を備えることを特徴とする波長変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、波長多重光通信等に利用される波長変換装置及び波長変換方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットの普及等により通信需要が急速に増大している。それに対応して光ファイバ等を用いた高速でかつ大容量の光ネットワークが整備されつつある。このような光ネットワークでは、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方法が注目されている。ＷＤＭ光通信ネットワークを実現するためには、波長変換装置が必要とされる。例えば、光クロスコネクトノードに波長変換装置を採用すると、チャンネル間の衝突の回避や、波長の再利用が可能となる等の利点があるからである。
【０００３】
波長変換には様々な方法があるが、非線形光学結晶を用いて、信号光とポンプ光との差周波光を発生させ、この結果得られる差周波光を変換光として出力する方法が通例となっている。この差周波光を用いる方法は、信号速度、信号のフォーマットなどによらず、同時に多波長の信号光に対して変換することができるという特徴を有している。差周波光を発生させるために用いられる非線形光学結晶では、一般的に、異なる波長の光に対して屈折率が異なっている。このため、ポンプ光と、信号光との間に伝播定数の差が生じる。この伝播定数の差に起因する位相差が、ポンプ光及び信号光の伝播距離と共に変化するので、差周波発生の変換効率を高めることは困難である。
【０００４】
差周波発生の変換効率を高めるために、波長変換装置を構成する波長変換素子として、周期的ドメイン反転構造が形成された光導波路によって、擬似位相整合（ＱＰＭ：Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ  Ｍａｔｃｈｉｎｇ）を実現して波長変換を行う、擬似位相整合型波長変換素子（以下、ＱＰＭ型波長変換素子と称することもある。）が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】栖原敏明著「擬似位相整合導波路を用いた非線形光学波長変換・信号処理デバイス」応用物理第７２巻第１１号、ｐｐ．１３８１―１３８６、２００３年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の従来例の波長変換装置では、周波数ωｓの信号光と、周波数ωｐのポンプ光との差周波発生により、周波数ωｃがωｃ＋ωｓ＝ωｐの関係を満たす、周波数ωｃの変換光が発生する。信号光と変換光のそれぞれの周波数が近い大きさの場合には、ポンプ光の周波数ωｐは、信号光の周波数ωｓの約２倍になり、例えば、信号光の波長λｓ（＝ｃ／ωｓ）が１．５５μｍの場合は、ポンプ光の波長λｐ（＝ｃ／ωｐ）は、０．７７５μｍ付近の値になる。ここで、ｃは光速を表す。
【０００６】
しかしながら、０．７７５μｍ付近の波長域は半導体レーザの作製が難しい波長域であり、高パワーのポンプ光を得ることが困難である。
【０００７】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、ポンプ光の波長選択の自由度を増すことで、高パワーのポンプ光源を利用できる波長変換装置及び波長変換方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するために、この発明の波長変換装置は、波長変換部とパラメトリック発生部とを備えている。波長変換部は、信号光とポンプ光から非線形光学効果により中間光を発生させて、当該中間光を出力させる。パラメトリック発生部は、中間光から、変換光及びアイドラー光を発生させて、変換光を出力光として出力させる。
【０００９】
この発明の波長変換装置の実施にあたり、波長変換部として和周波発生部を備えるのが好適である。和周波発生部は、信号光とポンプ光から和周波光を発生させて、和周波光を中間光として出力させる。上述した波長変換装置の実施にあたり、好ましくは、和周波発生部の出力部分に、信号光及びポンプ光を遮断し、かつ、中間光を透過させる波長フィルタが設けられているのが良い。また、パラメトリック発生部の出力部分に、中間光及びアイドラー光を遮断し、かつ、変換光を透過させる波長フィルタが設けられているのが良い。
【００１０】
また、この発明の波長変換方法は、以下の過程を備えている。先ず、信号光とポンプ光から非線形光学効果により中間光を発生させて、当該中間光を出力させる。次に、中間光から、変換光及びアイドラー光を発生させて、変換光を出力光として出力させる。
【００１１】
この発明の波長変換方法の実施に当たり、信号光とポンプ光から和周波光を発生させて、和周波光を中間光として出力するのが良い。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の波長変換装置及び波長変換方法によれば、信号光とポンプ光から非線形光学効果により中間光を発生させて出力させた後に、当該中間光からパラメトリック発生により発生する変換光を出力光として出力させるので、ポンプ光の波長選択の自由度を増すことが可能になる。
【００１３】
また、非線形光学効果として和周波発生を用いて、信号光とポンプ光との和周波発生により発生する和周波光を中間光として出力させると、ポンプ光の波長を長くできる。波長変換素子としてよく用いられる強誘電体結晶であるＬｉＮｂＯ３は、ポンプ光として波長の短い光を用いると、光損傷の影響を受けやすい、周期的ドメイン反転構造の周期が短くなるなどという欠点を有している。これに対し、ポンプ光の波長を長くすることで、これらの欠点を回避することが可能になる。
【００１４】
和周波発生部の出力部分に、第１波長フィルタを備えて、中間出力光に含まれる信号光及びポンプ光を遮断し、中間光のみを通過させると、不要な光信号である信号光及びポンプ光が後段のパラメトリック発生部に入力されず、信号光のノイズを少なくすることができる。また、パラメトリック発生部の出力部分に、第２波長フィルタを備えて、中間光及びアイドラー光を遮断し、変換光のみを通過させると、不要な光信号が波長変換装置から出力されず、信号光のノイズを少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係についてはこの発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の組成（材質）及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００１６】
図１及び図２を参照して、この発明の波長変換装置につき説明する。図１は、波長変換装置を説明するための概略図であって、波長変換装置を上面から見た平面図として示している。なお、図１では、図を明確にするために、一部にハッチングを付しているが、断面を示す意味ではない。図２は、波長変換方法を説明するための図である。図２（Ａ）は、波長変換装置の動作を説明するための模式図である。また、図２（Ｂ）は、変換光の発生の原理を説明するための図であり、縦方向に周波数の大きさを示している。
【００１７】
波長変換装置１０は、波長変換部２０と、パラメトリック発生部３０と、合波器４２と、波長フィルタ４４及び４６とを備えている。合波器４２として、例えば、任意好適な周知の光カプラを用いることができる。
【００１８】
波長変換装置１０には、波長がλｓの信号光（図中、矢印Ｓ１０１で示す。）、及び、波長がλｐのポンプ光（図中、矢印Ｓ１０３で示す。）が入力される。
【００１９】
信号光Ｓ１０１及びポンプ光Ｓ１０３は、合波器４２で合波され、入力光（図中、矢印Ｓ１０５で示す。）として、波長変換部２０に送られる。
【００２０】
波長変換部２０では、入力光Ｓ１０５に含まれる、信号光Ｓ１０１とポンプ光Ｓ１０３とから、非線形光学効果により、中間光（図中、矢印Ｓ１１１で示す。）を発生させる。ここで用いられる、非線形光学効果としては、例えば、和周波発生（ＳＦＧ：Ｓｕｍ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）及び差周波発生（ＤＦＧ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）がある。以下の説明では、非線形光学効果として和周波発生を用いる場合について説明する。この場合、波長変換装置１０は和周波発生部を、波長変換部２０として備えるので、和周波発生部にも符号２０を付して説明する。
【００２１】
和周波発生部２０は、和周波発生（ＳＦＧ）により、入力光Ｓ１０５に含まれる、信号光Ｓ１０１とポンプ光Ｓ１０３とから、波長がλｍの中間光Ｓ１１１を発生させる。
【００２２】
なお、この場合、和周波発生部２０の出力部分に、第１波長フィルタ４４を備えて、中間出力光Ｓ１０７に含まれる信号光Ｓ１０１及びポンプ光Ｓ１０３を遮断し、中間光Ｓ１１１のみを通過させると、不要な光信号である信号光Ｓ１０１及びポンプ光Ｓ１０３が後段のパラメトリック発生部３０に入力されないので好適である。
【００２３】
和周波発生部２０は、信号光Ｓ１０１から中間光Ｓ１１１への変換効率、すなわち、波長変換効率を高めるために、例えば、光導波路２２に周期的ドメイン反転構造２５を作りつけたＱＰＭ型波長変換素子で構成される。和周波発生部２０の周期的ドメイン反転構造２５は、周期的に設けられた第１ドメイン２６と第２ドメイン２８とから構成されていてその周期をΛａとしている。この周期Λａは、信号光Ｓ１０１、ポンプ光Ｓ１０３、及び中間光Ｓ１１１について擬似位相整合を実現するように設定されている。
【００２４】
信号光Ｓ１０１の周波数ωｓ（＝ｃ／λｓ）、及び、ポンプ光Ｓ１０３の周波数ωｐ（＝ｃ／λｐ）に対し、和周波発生により発生する中間光Ｓ１１１の周波数ωｍ（＝ｃ／λｍ）は、以下の式（１）で与えられる。
【００２５】
ωｍ＝ωｓ＋ωｐ     ・・・（１）
【００２６】
周期的ドメイン反転構造２５の周期Λａは、信号光Ｓ１０１、ポンプ光Ｓ１０３及び中間光Ｓ１１１のそれぞれの波数ｋｓ、ｋｐ及びｋｍから、従来周知のように、以下の式（２）で与えられる。
【００２７】
ｋｍ−ｋｓ−ｋｐ＝２π／Λａ       ・・・（２）
【００２８】
なお、一般に、波数ｋは、周波数ωの光に対する屈折率ｎ（ω）、及び、光速ｃから、ｋ＝ｎ（ω）×ω／ｃで表される。なお、和周波発生部２０の製造方法については後述する。
【００２９】
信号光Ｓ１０１、ポンプ光Ｓ１０３、及び中間光Ｓ１１１が合波された第１の中間出力光（図１中、矢印Ｓ１０７で示す。）は、パラメトリック発生部３０へ送られる。
【００３０】
パラメトリック発生部３０は、非線形光学効果であるパラメトリック発生（ＯＰＧ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）により、中間光Ｓ１１１から波長がλｃの変換光（図中、矢印Ｓ１１５で示す。）と波長がλｉのアイドラー光（図２中、矢印Ｓ１１７で示す。）とを発生させる。中間光Ｓ１１１、変換光Ｓ１１５及びアイドラー光Ｓ１１７が合波された第２の中間出力光（図１中、矢印Ｓ１１９で示す。）が、パラメトリック発生部３０から出力される。パラメトリック発生部３０は、中間光Ｓ１１１から変換光Ｓ１１５への変換効率、すなわち、波長変換効率を高めるために、例えば、光導波路３２に周期的ドメイン反転構造３５を作りつけたＱＰＭ型波長変換素子で構成される。パラメトリック発生部３０の周期的ドメイン反転構造３５は、周期的に設けられた第１ドメイン３６と第２ドメイン３８とから構成されていてその周期をΛｂとしている。この周期Λｂは、中間光Ｓ１１１、変換光Ｓ１１５、及びアイドラー光Ｓ１１７について擬似位相整合を実現するように設定されている。
【００３１】
中間光Ｓ１１１の周波数ωｍ（＝ｃ／λｍ）に対し、パラメトリック発生により発生する変換光Ｓ１１５の周波数ωｃ（＝ｃ／λｃ）、及び、アイドラー光Ｓ１１７の周波数ωｉ（＝ｃ／λｉ）は、以下の式（３）で与えられる。
【００３２】
ωｍ＝ωｃ＋ωｉ     ・・・（３）
【００３３】
周期的ドメイン反転構造３５の周期Λｂは、中間光Ｓ１１１、変換光Ｓ１１５及びアイドラー光Ｓ１１７のそれぞれの波数ｋｍ、ｋｃ及びｋｉから、従来周知のように、以下の式（４）で与えられる。
【００３４】
ｋｍ−ｋｃ−ｋｉ＝２π／Λｂ       ・・・（４）
【００３５】
なお、パラメトリック発生部３０の出力部分に、第２波長フィルタ４６を備えて、第２の中間出力光Ｓ１１９に含まれる中間光Ｓ１１１及びアイドラー光Ｓ１１７を遮断し、変換光Ｓ１１５のみを通過させると、不要な光信号が波長変換装置１０から出力されないので好適である。
【００３６】
ここで、波長変換装置の出力光として、変換光Ｓ１１５が用いられるが、アイドラー光Ｓ１１７は使用されない。従って、アイドラー光Ｓ１１５の周波数を変えることにより、中間光Ｓ１１１の周波数によらず、変換光Ｓ１１５の周波数を所望の値に設定することができる。この結果、中間光Ｓ１１１の周波数を、任意好適な値にすることができるので、ポンプ光Ｓ１０３の周波数の選択の自由度が増す。
【００３７】
パラメトリック発生部３０では、中間光の特定の周波数ωｍ０でＱＰＭ条件が成立していて、周波数ωｉ０のアイドラー光と周波数ωｃ０の変換光が発生しているとする。このとき、（４）式に対してｃ×ｋ＝ｎ×ωであることを利用すると、（５）式が得られる。
【００３８】
ｎｍ０ωｍ０−ｎｃ０ωｃ０−ｎｉ０ωｉ０＝２πｃ／Λｂ    ・・・（５）
【００３９】
ここで、ｎｍ０、ｎｃ０及びｎｉ０は、それぞれ周波数ωｍ０、ωｃ０及びωｉ０での屈折率である。（３）式から得られるωｉ＝ωｍ−ωｃを（５）式に代入すると、（６）式が得られる。
【００４０】
ｎｍ０ωｍ０−ｎｃ０ωｃ０−ｎｉ０（ωｍ０−ωｃ０）＝２πｃ／Λｂ 
・・・（６）
【００４１】
なお、中間光の周波数ωｍがωｉｍ０とは異なる値になっているとき、周波数ωｍに対してＱＰＭ条件が成立するアイドラー光ωｉと変換光ωｃが発生する。この場合（３）式及び（４）式から（７）式が得られる。
【００４２】
ｎｍωｍ−ｎｃωｃ−ｎｉ（ωｍ−ωｃ）＝２πｃ／Λｂ     ・・・（７）
【００４３】
（６）式及び（７）式からΛｂを消去すると、以下の（８）式が得られる。
【００４４】
｛（ｎｉ−ｎｃ）／（ｎｉ０−ｎｃ０）｝ωｃ−ωｃ０
＝［−｛（ｎｍ−ｎｉ）／（ｎｍ０−ｎｉ０）｝ωｍ＋ωｍ０］
×（ｎｍ０−ｎｉ０）／（ｎｍ０−ｎｃ０）
・・・（８）
【００４５】
ここで、中間光の周波数であるωｍとωｍ０とが近い値の場合は、変換光の周波数であるωｃとωｃ０とは近い値になり、及び、アイドラー光の周波数であるωｉとωｉ０も近い値になる。従って、周波数に依存する屈折率で与えられる、（ｎｉ−ｎｃ）／（ｎｉ０−ｎｃ０）及び（ｎｍ−ｎｉ）／（ｎｍ０−ｎｉ０）の値は１に近似できる。この結果、（９）式を得ることができる。
【００４６】
ωｃ−ωｃ０＝（−ωｍ＋ωｍ０）×（ｎｍ０−ｎｉ０）／（ｎｍ０−ｎｃ０）
・・・（９）
【００４７】
（９）式が示すように、中間光の周波数ωｍがωｍ０に等しい場合は、変換光の周波数ωｃはωｃ０になるが、中間光の周波数ωｍが周波数ωｍ０から変化すれば、変換光の周波数ωｃも周波数ωｃ０から変化する。ここで、中間光の周波数ωｍ０について、ＱＰＭ条件が成り立つ周波数ωｃ０及びωｉ０に対して、周波数ωｃ０を信号光の周波数ωｓに置き換え、また、周波数ωｉ０をポンプ光の周波数ωｐで置き換える。中間光の周波数ωｍ及びωｍ０は、（１）式から、それぞれ、ωｍ＝ωｓ＋ωｐ及びωｍ０＝ωｓ＋ωｐ０で与えることができるので、（１０）式が得られる。
【００４８】
ωｃ−ωｓ＝（−ωｐ＋ωｐ０）×（ｎｍ０−ｎｉ０）／（ｎｍ０−ｎｃ０）
・・・（１０）
【００４９】
従って、ポンプ光の周波数ωｐをωｐ０にすると、変換光の周波数ωｃは信号光の周波数ωｓに等しくなるが、ポンプ光の周波数ωｐをωｐ０から変化させれば、変換光の周波数ωｃもωｓから変化する。
【００５０】
図３を参照して、和周波発生部２０における、ポンプ光の波長と中間光の波長及びＱＰＭ周期の関係について説明する。図３は、ポンプ光の波長λｐと中間光の波長λｍの関係、及び、ポンプ光の波長λｐとＱＰＭ周期Λａの関係を示す特性図であって、横軸に、ポンプ光の波長λｐ（μｍ）を取って示し、及び、縦軸に、中間光の波長λｍ（μｍ）及びＱＰＭ周期Λａ（μｍ）を取って示している。
【００５１】
ここで、信号光Ｓ１０１の波長λｓ（＝ｃ／ωｓ）、ポンプ光Ｓ１０３の波長λｐ（＝ｃ／ωｐ）、及び、中間光Ｓ１１１の波長λｍ（＝ｃ／ωｍ）は、１／λｍ＝１／λｓ＋１／λｐの関係で与えられる。従って、ポンプ光の波長λｐを大きくしていくと、中間光の波長λｍ（図中、曲線Ｉで示す。）も大きくなる。例えば、信号光Ｓ１０１の波長λｓが１．５５μｍであるとき、ポンプ光Ｓ１０３の波長λｐを０．９８μｍとすると、中間光Ｓ１１１の波長λｍは、０．６０μｍになる。また、ポンプ光Ｓ１０３の波長λｐを１．４８μｍにすると、中間光Ｓ１１１の波長λｍは、０．７６μｍになる。このとき、アイドラー光Ｓ１１７の波長λｉを１．４８μｍに設定すれば、変換光Ｓ１１５の波長λｃは１．５５μｍになる。
【００５２】
ポンプ光の波長λｍを大きくしていくと、ＱＰＭ周期Λａ（図中、曲線ＩＩで示す。）も長くなる。例えば、ポンプ光の波長λｐが０．８５μｍの場合は、ＱＰＭ周期Λａは８μｍ程度であるが、ポンプ光の波長λｐが０．９８μｍの場合は、ＱＰＭ周期Λａは１０μｍ以上の値となり、また、ポンプ光の波長λｐが１．４８μｍの場合は、ＱＰＭ周期Λａは１８μｍ程度の値になる。このようにＱＰＭ周期Λａが長くなると、ＱＰＭ型波長変換素子の製造が容易になるので好適である。
【００５３】
また、和周波発生部２０では、波数間の関係は、Δｋ＝ｋｐ−ｋｓ−ｋｍ−２π／Λａとなる。ここで、ポンプ光の特定の波長λｐ０に対して、ｋｐ０−ｋｓ０−ｋｍ０＝２π／ΛａとなるようにΛａを設定すると、この特定のポンプ光の波長λｐ０では、Δｋ＝０となり、大きな変換効率が得られる。しかし、ポンプ光の波長λｐが特定の波長λｐ０からずれると、Δｋ＝０とはならず、Δｋ＝ｋｐ０−ｋｓ０−ｋｍ０−２π／Λ＋（ｄｋｐ／ｄωｐ）Δωｐ−（ｄｋｓ／ｄωｓ）Δωｓ−（ｄｋｍ／ｄωｍ）Δωｍとなる。なお、Δωｐ、Δωｓ、及びΔωｍは、それぞれポンプ光、信号光、及び中間光のＱＰＭ条件からの周波数ずれを示している。ＱＰＭ条件では、ｋｐ０−ｋｓ０−ｋｍ０＝２π／Λとなるので、Δｋ＝（ｄｋｐ／ｄωｐ）Δωｐ−（ｄｋｓ／ｄωｓ）Δωｓ−（ｄｋｍ／ｄωｍ）Δωｍである。光の群速度をＶｇとすると、ｄｋ／ｄω＝１／Ｖｇであるので、位相差は異なる周波数の光の間の群速度差に対応付けられていることがわかる。差周波発生による波長変換では、ωｐ＝ωＳ＋ωｍの関係があるため、Δωｐ＝Δωｓ＋Δωｍとなる。従って、Δｋ＝（１／Ｖｇｐ−１／Ｖｇｍ）Δωｐ＋（１／Ｖｇｍ−１／Ｖｇｓ）Δωｓとなる。ここで、Ｖｇｐ、Ｖｇｓ、及びＶｇｍはそれぞれ、ポンプ光、信号光、及び中間光の群速度を示す。つまり、ポンプ光と変換光の群速度差、及び、変換光と信号光の群速度差を小さくすれば、それだけ広い周波数範囲、すなわち、広い波長範囲で位相差を小さく抑えることが可能となり、広帯域での変換効率が高くなる。群速度の逆数１／Ｖｇは、１／Ｖｇ＝ｄｋ／ｄω＝ｄ（ｎω／ｃ）／ｄω＝（ｎ＋ωｄｎ／ｄω）／ｃで表されるので、屈折率は周波数に依存することになる。ここで、屈折率は短波長側で大きくなるので、短波長側では群速度の逆数が大きくなる。従って、ポンプ光の波長を長くすれば、群速度の逆数の値が小さくなり、また、ポンプ光と中間光の群速度差、及び、中間光と信号光の群速度差を小さくすることができる。
【００５４】
なお、位相整合する波長帯域が広いと、単色の中間光に対して位相整合条件からずれている場合であっても、変換効率が高いため、変換光の波長λｃとアイドラー光の波長λｉは、波長幅を持った分布を示すことになる。変換光を単色にするためには、変換光のピークの波長幅をできるだけ狭くするのが良い。非特許文献１の図２に示されているように、パラメトリック発生部３０の相互作用長、すなわち、パラメトリック発生部３０を構成するＱＰＭ型波長変換素子の素子長を長くすると、波長帯域が狭くなる。また、パラメトリック発生部３０の相互作用長を長くすると変換効率を向上させることができる。
【００５５】
また、ポンプ光及び中間光の波長が短く、特に、波長が０．８μｍよりも短くなると、強誘電体結晶であるＬｉＮｂＯ３は、光損傷の影響を受けやすいという欠点を有している。
【００５６】
一方、波長変換の結合係数は、非線形光学係数に比例するとともに周波数にも比例する。従って、波長変換効率はポンプ光及び中間光の波長が短いほど良くなる。また、ポンプ光の波長λｐが、信号光の波長λｓと離れていると、フィルタなどでの分離が容易になり、信号光のノイズを少なくする点では望ましい。
【００５７】
ここでは、和周波発生部２０について説明したが、１．５５μｍの波長帯域で波長変換を行う場合、信号光の波長λｓと変換光の波長λｃとは、ともに、１．５５μｍ付近の値であり、ほぼ等しくなる。この結果、上述した（１）式及び（３）式から明らかなように、ポンプ光の波長λｐとアイドラー光の波長λｉとが、ほぼ等しくなる。従って、和周波発生部２０における、ポンプ光の波長λｐをアイドラー光の波長λｉに置き換えて、さらに、ＱＰＭ周期ΛａをＱＰＭ周期Λｂに置き換えれば、パラメトリック発生部３０の、アイドラー光の波長λｉと中間光の波長λｍ及びＱＰＭ周期Λｂについての関係が得られる。
【００５８】
この発明の波長変換装置によれば、ポンプ光の波長を、使用の態様に応じて好適な波長にすることができる。従って、例えば、高強度の半導体レーザの入手が容易な０．９８μｍ及び１．４８μｍの波長を用いて、通信波長帯１．５５μｍでの波長変換が可能になる。
【００５９】
和周波発生部２０及びパラメトリック発生部３０を構成するＱＰＭ型波長変換素子の製造方法について説明する。ここで、和周波発生部２０とパラメトリック発生部３０とは、周期的ドメイン反転構造２５及び３５の周期が、互いに異なっている点を除けば同じ構成にすることができるので、ここでは、代表して、和周波発生部２０の製造方法について説明する。
【００６０】
第１ドメイン２６と、第２ドメイン２８とは、この和周波発生部２０を構成する素材である強誘電体結晶の自発分極の向きが互いに１８０度の関係となっている。和周波発生部２０を構成する素材には、例えばｚカットされたＬｉＮｂＯ３基板が使われる。ｚカットされたＬｉＮｂＯ３基板は、その表面に直交する方向に自発分極の向きが揃えられているシングルドメイン結晶基板である。自発分極ベクトルの終端側の面を＋ｚ面、自発分極ベクトルの初端側の面を−ｚ面と呼ぶこともある。
【００６１】
このＬｉＮｂＯ３基板の＋ｚ面に周期的にドメインを反転させて、ドメイン反転領域（第２ドメイン）２８を形成する。従って、周期的ドメイン反転構造２５は、シングルドメイン結晶基板としての自発分極が保たれているドメイン（第１ドメイン）２６と自発分極の方向が反転された第２ドメイン２８とで構成される。すなわち、第１ドメイン２６の自発分極の向きは、−ｚ面から＋ｚ面に向かう方向であるのに対して、第２ドメイン２８の自発分極の向きは、＋ｚ面から−ｚ面に向かう方向である。
【００６２】
ＱＰＭ型波長変換素子では、第１ドメインと第２ドメインの長さを等しく、すなわち、デューティ比を１：１にすることによって、波長変換効率を最大にすることができる。ここでは、和周波発生部２０の第１ドメイン２６及び第２ドメイン２８の長さを、ともにΛａ／２とするのが好適である。
【００６３】
自発分極が反転している領域の形成は、ｚカットされたＬｉＮｂＯ３基板に、Ｔｉを高温熱拡散するか或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２８が形成される部分に、真空蒸着法等でＴｉ薄膜を５０ｎｍの厚さに形成し、約１０００℃で１０時間程度熱拡散すれば良い。また、高電圧を印加して自発分極の方向を反転させるには、ＬｉＮｂＯ３基板の裏面全体に設けたアース電極と、第２ドメイン２８が形成される部分に設けた電極との間に高電圧を印加すれば良い。
【００６４】
続いて、ｚカットされたＬｉＮｂＯ３基板に形成された周期的ドメイン反転構造２５に交差するように光導波路２２を形成する。光導波路２２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露出させて、その他の領域を金属マスクで覆った状態で、例えば、安息香酸の沸点以下の温度である、２００℃の安息香酸中に２時間浸して、基板中のＬｉと安息香酸中のＨを交換する。金属マスク及び安息香酸を除去した後、４００℃のＡｒ雰囲気中で６時間熱処理することにより、Ｈをさらに基板深く浸透させ、光導波路２２を形成する。
【００６５】
また、化合物半導体では結晶軸を反転して成長させるプロセスを使用する。例えば、結晶の貼り付け技術を用いて、結晶軸を反転させた領域を設けることができる。この基板に半導体レーザと同様のエピタキシャルプロセスを行えば、周期的ドメイン反転構造を有する光導波路が形成される。
【００６６】
ここでは、和周波発生部及びパラメトリック発生部を有する波長変換装置について説明したがこの例に限定されない。
【００６７】
図４は、波長変換装置の他の例として、波長変換部として差周波発生部を用いた場合の、波長変換方法を説明するための図である。図４（Ａ）は、波長変換装置の動作を説明するための模式図である。また、図４（Ｂ）は、変換光の発生の原理を説明するための図であり、縦方向に周波数の大きさを示している。なお、波長変換部として差周波発生部を用いる点が、図１及び図２を参照して説明した波長変換装置と異なっており、それ以外の点は上述した波長変換装置と同様なので、重複する説明を省略する。
【００６８】
差周波発生部２１は、差周波発生（ＤＦＧ）により、信号光Ｓ１０１とポンプ光Ｓ１０４とから、中間光Ｓ１１２を発生させる。差周波発生部２１は、信号光Ｓ１０１から中間光Ｓ１１２への変換効率、すなわち、波長変換効率を高めるために、例えば、ＱＰＭ型波長変換素子で構成される。ＱＰＭ型波長変換素子に設けられた周期的ドメイン反転構造の周期Λｃは、信号光Ｓ１０１、ポンプ光Ｓ１０４、及び中間光Ｓ１１２について擬似位相整合を実現するように設定されている。このとき、周期的ドメイン反転構造の周期Λｃは、信号光Ｓ１０１、ポンプ光Ｓ１０４及び中間光Ｓ１１２のそれぞれの波数ｋｓ、ｋｐ及びｋｍから、従来周知のように、以下の式（１１）で与えられる。
【００６９】
ｋｐ−ｋｓ−ｋｍ＝２π／Λｃ       ・・・（１１）
【００７０】
信号光Ｓ１０１の周波数ωｓ及びポンプ光Ｓ１０４の周波数ωｐに対し、差周波発生により発生する中間光Ｓ１１２の周波数ωｍは、以下の式（１２）で与えられる。
【００７１】
ωｐ＝ωｓ＋ωｍ            ・・・（１２）
【００７２】
差周波発生により発生した中間光Ｓ１１２は、パラメトリック発生部３０へ送られ、  パラメトリック発生部３０は、パラメトリック発生（ＯＰＧ）により、中間光Ｓ１１２から変換光Ｓ１１５とアイドラー光Ｓ１１７とを発生させる。
【００７３】
このように、和周波発生部を波長変換部として設ける場合に比べて、ポンプ光の周波数が大きいなど、実用上の困難はあるが、和周波発生部に換えて差周波発生部を波長変換部として設けることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】波長変換装置を説明するための概略図である。
【図２】波長変換方法を説明するための図である。
【図３】ポンプ光の波長と、中間光の波長及びＱＰＭ周期Λの関係を示す特性図である。
【図４】波長変換部として差周波発生部を用いた場合の、波長変換方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０    波長変換装置
２０    波長変換部（和周波発生部）
２２、３２    光導波路
２５、３５    周期的ドメイン反転構造
２６、３６    第１ドメイン
２８、３８    第２ドメイン
３０    パラメトリック発生部
４２    合波器
４４    第１波長フィルタ
４６    第２波長フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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