(57)【要約】【課題】利得の劣化や励起光の劣化などが抑制された状態で、信号光と励起光とを合波してパラメトリック増幅できるようにする。【解決手段】合波器１０４の上面に金属電極１０６を配置し、合波器１０４に電界を印加可能としている。金属電極１０６は、合波器１０４の光伝搬方向に沿って幅が変化している。金属電極１０６の幅の変化による合波器１０４の屈折率分布の変化は、金属電極１０６による合波器１０４に対する電界印加時に、合波器１０４の合波光出力部１４３に、信号光および励起光の集光位置が一致する状態とされている。この形状は、波面整合法に基づいた設計により決定されている。【選択図】  図１
2016212139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面視矩形とされて互いに平行な第１の辺および第２の辺を有する基板の上に形成され、前記第１の辺の側より入力する信号光より前記信号光の第２高調波である励起光を発生させる第１二次非線形光学素子と、
前記基板の上に形成されて前記第１二次非線形光学素子より出力された励起光および信号光が入力する入力部、入力した励起光および信号光より分波した励起光を出力する出力部を備える分波器と、
前記基板の上に形成されて前記分波器の出力部より出力した励起光が入力する励起光入力部、前記第２の辺の側より入力する前記信号光が入力する信号光入力部、および前記信号光入力部より入力した信号光に前記励起光入力部より入力した励起光を合波した合波光を前記第１の辺の側に出力する合波光出力部を備えるマルチモード干渉型の合波器と、
前記基板の上に形成されて前記合波器の合波光出力部より出力した合波光を入力してパラメトリック増幅する第２二次非線形光学素子と、
前記合波器の上面に配置されて前記合波器に電界を印加するための金属電極と
を備え、
前記第１二次非線形光学素子および前記第２二次非線形光学素子は、非線形光学特性を持った結晶から構成されて直列に接続した複数の領域から構成されて隣り合う領域は結晶の分極が反転した状態とされている
ことを特徴とする光増幅装置。
【請求項２】
請求項１記載の光増幅装置において、
前記金属電極は、
前記合波器の光伝搬方向に沿って幅が変化し、
前記合波器の屈折率分布の変化は、前記金属電極による前記合波器に対する電界印加時に、前記合波器の前記合波光出力部に、前記信号光および前記励起光の集光位置が一致する状態とされている
ことを特徴とする光増幅装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の光増幅装置において、
金属酸化物から構成されて前記合波器の上面と前記金属電極との間に配置された絶縁層を備える
ことを特徴とする光増幅装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光増幅装置において、
前記分波器は、マルチモード干渉型光学素子または方向性結合器から構成されていることを特徴とする光増幅装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光増幅装置において、
非線形光学特性を持った前記結晶は、
ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂ(x)Ｔａ(1-x)Ｏ3（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ4のいずれかであり、
Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも１つが添加されている
ことを特徴とする光増幅装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光増幅装置において、
前記第２二次非線形光学素子より出力された増幅光の位相と、励起光の位相を同期する位相同期部を備える
ことを特徴とする光増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次非線形光学効果を用いた光混合により信号光を増幅する光増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光伝送システムでは、光ファイバを伝搬することにより減衰した信号を再生するために、光信号を電気信号に変換し、デジタル信号を識別した後に光信号を再生する識別再生光中継器が用いられていた。この識別再生光中継器では、光信号を電気信号に変換する電子部品の応答速度に制限があることに問題があった。また、伝送する信号のスピードが速くなると、消費電力が大きくなるなどの問題もあった。
【０００３】
上述した問題を解決するための信号増幅手段として、エルビウムやプラセオジムなどの希土類元素を添加した光ファイバに励起光を入射して信号光を増幅するファイバレーザ増幅器や、半導体レーザ増幅器が存在する。ファイバレーザ増幅器や半導体レーザ増幅器は、信号光を光のままで増幅することができるので、識別再生光中継器で問題になっていた電気的な処理速度の制限が存在しない。加えて、ファイバレーザ増幅器や半導体レーザ増幅器は、機器構成も比較的単純であるという利点を有する。
【０００４】
しかし、これらのレーザ増幅器は、劣化した信号光パルス波形を整形する機能は持っていない。また、これらのレーザ増幅器においては、不可避的かつランダムに発生する自然放出光が、信号成分とは全く無関係に混入されるので、信号光のＳＮ比が増幅前後で少なくとも３ｄＢ低下する。これらは、デジタル信号伝送時における伝送符号誤り率の上昇につながり、伝送品質を低下させる要因になっている。
【０００５】
上述した従来のレーザ増幅器の限界を打開する手段として、位相感応光増幅器（Phase Sensitive Amplifier：ＰＳＡ）が検討されている。位相感応光増幅器は、伝送ファイバの分散の影響による劣化した信号光パルス波形を整形する機能を備えている。また、信号とは無関係の直交位相を持った自然放出光を抑圧できるために、増幅前後で信号光のＳＮ比を劣化させず同一に保つことが原理的に可能である。
【０００６】
位相感応型増幅器は、光ファイバなどの三次非線形光学媒質を用いた構成（非特許文献１参照）、もしくは、二次非線形光学媒質を用いた構成（非特許文献２参照）に大別できる。二次非線形光学媒質としては、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）が知られており、ＰＰＬＮを用いた構成の場合、光ファイバなどの三次非線形光学媒質を用いた構成に比べ、光ファイバ内の散乱現象の一種であるＧＡＷＢＳ（Guided acoustic-wave Brillouin scattering)や、自然放出光（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）の混入がなく、低ノイズな増幅が可能である。
【０００７】
ＰＰＬＮにおいて高効率を得るには、光導波路型のデバイスを形成することが有効であり、種々の光導波路が研究開発されている。主にこれまでは、Ｔｉ拡散光導波路やプロトン交換光導波路と呼ばれる拡散型光導波路を用いて検討がなされてきた。
【０００８】
しかしながらこれらの光導波路は、作製において結晶内に不純物を拡散することから、光損傷耐性や長期信頼性の観点から課題があった。拡散型の光導波路では、高強度の光を光導波路に入射するとフォトリフラクティブ効果による結晶の損傷が発生してしまうため、光導波路に入力できる光パワーに制限があった。
【０００９】
近年、バルク結晶の特性をそのまま利用できることから、高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計が容易などの特徴を持つリッジ型の光導波路が研究開発されている。
【００１０】
２枚の基板を接合して形成された光学素子の一方の基板を薄膜化した後、リッジ加工をすることにより、リッジ型の光導波路を形成することができる。この基板接合において、接着剤を用いずに基板同士を強固に接合する技術として、直接接合技術が知られている。高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計の容易性などの特徴以外にも、接着剤などを用いずに基板同士を強固に接合することができる直接接合の技術は、不純物の混入や接着剤などによる光の吸収を回避できる点からも有望視されている。
【００１１】
図９に、非特許文献２などに開示されている二次非線形光学媒質として直接接合型の周期分極反転光導波路を用いた位相感応光増幅器の基本的な構成を示す。図９は、非特許文献２のＦｉｇ．１に示された実験装置の構成を示している。この装置では、光通信に用いられる微弱なレーザ光から非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得るために、ファイバレーザ増幅器を用いて基本波光を増幅する。増幅された基本波光を第１の二次非線形光学素子に入射させて第二高調波を発生させる。第２の二次非線形光学素子に、信号光と第二高調波とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行う構成としている。二次非線形光学素子は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）からなる光導波路を備える。
【００１２】
この光増幅器は、位相感応光増幅部における信号光と励起光の位相が一致すると入力信号光は増幅され、両者の位相が９０度ずれた直交位相関係になると、入力信号光は減衰する特性を有する。この特性を利用して増幅利得が最大となるように励起光―信号光間の位相を一致させると、信号光と直交位相の自然放出光を発生させずに、つまりＳＮ比を劣化させずに信号光を増幅することができる。
【００１３】
図９に示した技術では、個別の位相変調器、励起光を生成するための第二高調波発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）用素子，光パラメトリック増幅（ＯＰＡ：Optical parametric amplification）用素子あるいは合分波素子といった種々の素子を光ファイバにより接続しているため、接続による損失により増幅光のＳ／Ｎ比が低下するという欠点があった。また、複数の二次非線形光学素子が必要であり、二次非線形光学素子の動作を安定させるためにそれぞれ個別に温度調整機構が必要である、などのように、必要な部品点数が多くなり，さらに全体の構成が複雑になるという問題があった。
【００１４】
ＰＰＬＮの光導波路化には、バルクに比べて高い変換効率が得られること以外にも本来は、大きな利点がある。これは、複数の機能を１チップに集積することで高機能なデバイスを実現可能なことである。このため、上記問題に対し、同一基板上に上記素子を集積する構成を採用することにより、素子間の接続損失が原理的に無くなり、接続損失により劣化する増幅光のＳ／Ｎ比が改善可能である。また、接続損失の低減により、励起光のＯＰＡ過程への結合効率も向上するために、さらなる高利得化が期待できる。
【００１５】
ＰＰＬＮ光導波路を用いて複数の非線形過程を起こし、位相感応増幅を行う方法としては、非特許文献３に示されているようなＰＰＬＮ光導波路をタンデムに接続する形態が提案されている。非特許文献３においては、第二高調波を発生させるＰＰＬＮと、縮退パラメトリック増幅のための周期分極反転光導波路とが光合分波器を介して直列に接続されることで、縮退パラメトリック増幅に成功している。
【００１６】
しかしながら、限られた面積の基板上でＰＰＬＮを直列（タンデム）に接続する素子を形成する場合、個別のＰＰＬＮ長が短くなるという問題があった。変換効率は、長さの二乗に比例するため、集積度を上げていくと急激に変換効率が下がるという問題がある。
【００１７】
上述した問題に対し、非特許文献４に開示されているＳＨＧ／ＯＰＡ用ＰＰＬＮ光導波路を集積する構成を図１０に示す。図１０は、非特許文献４のＦｉｇ．１（ｂ）に示された集積素子の構成を示す構成図である。図１０に示す集積素子は、反射型の波長合分波素子と並列方向に展開されたＰＰＬＮ光導波路を集積した構成になっている。この構成をとることで、タンデムにＰＰＬＮを接続する場合に比べて、限られたウエハ上でＰＰＬＮ長を長くとることが可能になり、高効率な複数の非線形過程を利用することができる。これにより、非線形光学素子を１チップに集約でき、部品点数が少なく、小型高効率な位相感応増幅を達成することが可能となる。
【００１８】
ところが、上述した技術では、以下に示す問題があった。
【００１９】
図１０に示される集積素子は、波長合分波素子として、マルチモード干渉（ＭＭＩ：Multi-Mode Interference）と光学多層膜によるダイクロイックミラーを利用している。図１１は、ＭＭＩにおける光の結合・分離を示すシミュレーション結果である。図１１は、波長１．５６μｍの信号光と波長０．７８μｍの励起光とが結合する状態を、ＢＰＭ（Beam Propagation Method）によりシミュレーションした結果を示す特性図である。
【００２０】
このシミュレーションに用いたＭＭＩは、図１１の（ｃ）に示すように、スラブ型導波路構造のモード干渉導波路１２０１と、入力側の２つの入出力導波路１２０２，入出力導波路１２０３とから構成されている。２つの入出力導波路１２０２，入出力導波路１２０３は、モード干渉導波路１２０１の幅方向の中心を導波方向に通る中心線に対し、互いに間隔Δだけ軸がずれた位置に接続している。図１１に示すシミュレーション結果においては、２×Δがモード干渉導波路１２０１の幅Ｗｍの３分の１となるように、間隔Δが設定されている。なお、Ｗｍ＝３０μｍ、地崩れ量Δ＝５μｍ、クラッドの屈折率＝１．０、コアの屈折率＝約２．１である。
【００２１】
図１１の（ａ）は、波長０．７８μｍの励起光の振る舞いを示す特性図である。モード干渉導波路１２０１の中心からΔ（＝５μｍ）軸ズレした位置に接続されている入出力導波路１２０２から入射した励起光（０．７８μｍ）は、モード干渉導波路１２０１に固有の複数のモードに展開され、モード干渉導波路１２０１内をマルチモード伝播する。この伝播において、各モードの伝播定数が異なるために生じるモード干渉によって、波長０．７８μｍの光がある光路長を伝播した後、モード干渉導波路１２０１の中心から入力側と反対にΔだけ軸ズレした位置に極値（収束点）を取る。
【００２２】
図１１の（ｂ）は、入出力導波路１２０３から波長１．５６μｍの信号光を入力した場合の振る舞いを示す図である。モード干渉導波路１２０１の中心からΔ（＝５μｍ）ずれた位置に接続されている入出力導波路１２０３から入射した信号光（１．５６μｍ）は、モード干渉導波路１２０１に固有の複数のモードに展開され、モード干渉導波路１２０１内をマルチモード伝播する。この伝播において、各モードの伝播定数が異なるために生じるモード干渉によって、波長１．５６μｍの光がある光路長を伝播した後、モード干渉導波路１２０１の中心から入力側と反対にΔだけ軸ズレした位置に１回目の極値（収束点）を取った後、さらにその反対側にΔだけ軸ズレした位置に２回目の極値（収束点）を取る。
【００２３】
収束点から次の収束点までの光路長をビート長と呼び、この長さをＬπとすると、ほぼ以下の式に従う。
【００２４】
【数１】
2016212139.tif 000003
【００２５】
式（１）において、Ｗeは光の感じる実効的なモード干渉導波路１２０１の幅、ｎgは実効屈折率、λ0は入力光の波長である。
【００２６】
ビート長は、波長に反比例するために、０．７８μｍの光が１回ビートを打つ間に１．５６μｍの光が２回ビートを打つ。また、モード干渉導波路１２０１の幅方向において最初にビートを打つ位置は、入力した軸ズレ位置Δに対して中心線を挟んで反対側にΔだけ軸ズレした位置となる。この後、中心線を挟んで交互にΔだけ軸ズレした位置にビートを打つことになる。このように、モード干渉導波路１２０１においては、各波長についてそれぞれ幅方向に決まった位置の収束点でビートを打つ。
【００２７】
このため、モード干渉導波路１２０１の長さを、２つの波長帯のビート長の最小公倍数となる長さにして、両者が収束する点（幅方向にΔ軸ズレした位置）の近傍に出力を設けることにより、０．７８μｍの光と１．５６μｍの光とを結合して出力することができる。
【００２８】
この特性を逆に用いれば、０．７８μｍの光と１．５６μｍの光を２つの光導波路に分波することもできる。上述したモード干渉導波路１２０１において、０．７８μｍの光と１．５６μｍの光とが収束する点の半分の位置に反射端面を設けた場合、０．７８μｍの光および１．５６μｍの光を同じ入出力導波路１２０２から入射すると、０．７８μｍの光は入出力導波路１２０３へ、１．５６μｍの光は入出力導波路１２０２へと分波が可能となる。
【００２９】
反射端面に０．７８μｍの光に対しては反射、１．５６μｍの光に対しては反射防止の光学膜をコーティングすることにより、１．５６μｍの光は反射防止膜による反射抑制効果とマルチモード干渉導波路１２０１による分波効果により、入出力導波路１２０３から０．７８μｍの光のみを高い波長選択性を持って取り出すことができる。
【００３０】
図１０に示す集積素子におけるＭＭＩ２の長さは、１．５６μｍの光と０．７８μｍの光のビート長の最小公倍数とされている。また、図１０に示す集積素子におけるＭＭＩ１の長さは、ＭＭＩ２の約半分に設計されている。ＭＭＩ１およびＭＭＩ２において、１．５６μｍの光はストレートポートに、０．７８μｍの光はクロスポートに結合される。このため、集積素子は動作としては、ＳＨＧ用のＰＰＬＮ導波路（ＳＨＧ stage）で出力された励起光および励起光発生のために入射した基本波光の両者は、ＭＭＩ１によって分離される。そののちに、ＭＭＩ２で信号光と励起光が合波され、ＯＰＡのためのＰＰＬＮ導波路（ＤＦＧ stage）へと結合される。
【００３１】
しかしながら、ＭＭＩ２において波長が大きく異なる２つの光（信号光と励起光）を合波する際に１つの問題が生じる。ＭＭＩが入射モードと同じモードを出射側で結合するためのビート長を示す式（１）中のｎgは、ＬＮの屈折率分散により、信号光と励起光とで異なる値を持つ。このため、両方の光で最適な結像長をとることはできない。
【００３２】
図１２にＭＭＩの長さに対する透過特性を１．５６μｍの光（ａ）と０．７８μｍの光（ｂ）の場合とで計算した結果を示す。使用したパラメータは、先ほどと同様、Ｗｍ＝３０μｍ、入出力導波路１２０２の幅＝５μｍ、入出力導波路１２０２および入出力導波路１２０３の軸ズレ量Δ＝５μｍ、クラッドの屈折率＝１．０、コアの屈折率＝約２．１である。０．７８μｍの光のビート長（１．５６μｍの光のビート長の約２倍）の付近を示したものになっている。結像ピークはＭＭＩ長にして約７０μｍずれており、このため１．５６μｍの光の透過を最大にした場合には、０．７８μｍの光の透過率は約０．６であり、計算上の損失としては２．２ｄＢである。
【００３３】
ＭＭＩ２における信号光の損失は位相感応増幅前の損失となるために、直接ＳＮ比を劣化させる要因となる。位相感応増幅器の低雑音性を活かすためにはＭＭＩ２における信号光損失は最小に抑えられるようにＭＭＩ長を調整する必要がある。このため、励起光は上記のようなＭＭＩの焦点ズレに起因した過剰損失を被ることになり、結果として励起効率およびパラメトリック利得の劣化を招いてしまう。
【００３４】
また、一方で集積素子中の導波路は１．５６μｍの波長の光の基本モードを閉じ込める構造であるために、その半波長である励起光に対してはマルチモード導波路であることが避けられない。ＭＭＩは基本モードで入射した光に対して、ちょうどビート長の長さで入射モードと同じ基本モードに結合する。励起光の場合、入出力導波路１２０２もマルチモード導波路であるために、出力側導波路位置がビート長からずれている場合には、高次のモードが励振されてしまう。一般に、ＰＰＬＮ導波路の位相整合は相互作用する光の基本モードに対してのみ成立する。これにより、励起光のうち高次モードの成分がある場合、高次モードはパラメトリック過程に関与しないため、利得が劣化してしまう。
【００３５】
図１３にＭＭＩの長さに対する励起光出力の基本モードに結合する割合を示す。ＭＭＩの構造は上述したものと同様である。信号光の透過に対してＭＭＩ長が最適化されている場合、前述したように、励起光に対しては、透過ピークから約７０μｍずれたＭＭＩ長となる。このため、図１３から、高次モードに結合する４８％分利得が劣化する。
【００３６】
以上から、屈折率分散によるＭＭＩの結像位置の誤差により、１つの合波器で信号光と励起光を同時に合波した場合には、信号光の損失は図１２の透過ピークから得られる約０．１９ｄＢの低い損失が期待できるが、励起光に対しては約２．２ｄＢと過剰な損失が付加されてしまう。さらに励起光に関しては最適なＭＭＩ長ではないために位相整合に寄与しない高次モードが約４８％励振されてしまい、過剰損失とトータルで見ると５．４ｄＢの励起効率の劣化を招いてしまう。
【００３７】
上述した問題を解消するために、非特許文献５に開示されているような波面整合法に基づいて、ＭＭＩを設計することが考えられる。波面整合法は、光回路の入力フィールドを入力側から順伝搬させたフィールドと、所望の出力フィールドの位相を反転させたフィールドを出力側から逆伝搬させたフィールドとの波面を整合させるために、光の伝搬方向に沿って屈折率の分布を変化させていく設計法である。
【００３８】
屈折率分布の変化は、例えば、導波路の幅を伝搬方向に沿って変化させていくことで実現することができる。上述した設計法を用いることで、ＭＭＩを１．５６μｍの信号光と０．７８μｍの励起光に対し同時に最適な結像点で出力することが可能となる。図１４に、波面整合法を用いて信号光および励起光が共に最適な結像点で合波できるように設計し、シミュレーションした結果を示す。図１４は、波面整合法に基づいて設計されたＭＭＩの構成を示す構成図であり、部分拡大に示すように、伝搬方向に沿ってＭＭＩの幅が変化している。
【００３９】
次に、上述したように設計したＭＭＩにおいて、信号光および励起光が共に最適に合波された状態について、図１５に示す。図１５の（ａ）は励起光の状態を示し、（ｂ）は、信号光の状態を示している。また、計算結果毎に得られるＭＭＩでの信号光と励起光の結像損失を図１６に示す。
【００４０】
波面整合法では、通常、順方向と逆方向の伝搬フィールドの波面が整合するように複数回屈折率を更新していく。図１６に示すように、波面整合法に基づく計算を６回繰り返すことで、信号光、励起光が共に結像損失０．１ｄＢ以下となるようなＭＭＩを設計することができる。なお、図１６において、（ａ）は励起光について示し、（ｂ）は、信号光について示している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００４１】
【非特許文献１】J. Kakande et al., "First demonstration of all-optical QPSK signal regeneration in a novel multi-format phase sensitive amplifier", ECOC 2010 PD 3.3, 2010.
【非特許文献２】T. Umeki et al., "Phase sensitive degenerate parametric amplification using directly-bonded PPLN ridge waveguides", OPTICS EXPRESS, vol.10, no.7, pp.6326-6332, 2011.
【非特許文献３】G. S. Kanter and P. Kumar, "Squeezing in a LiNbO3 integrated optical waveguide circuit", OPTICS EXPRESS, vol.10, no.3, pp.177-182, 2002.
【非特許文献４】T. Kazama et al., "Single-Chip Parametric Frequency Up/Down Converter Using Parallel PPLN Waveguides", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol.26, no.22, pp.2248-2251, 2014.
【非特許文献５】T. Saida et al., "Fabrication of Wavelength Splitter Designed By Wavefront Matching Method", OFC2005, OThV2, 2005.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００４２】
しかしながら、波面整合法に基づく設計をしたＭＭＩには、設計による屈折率分布を実際に再現するためのサブミクロンオーダーでの作製の精度が要求されるが、このような高い精度でＬＮ導波路によるＭＭＩ作製は実現困難であり報告例がない。例えば、レジストパターンをマスクとして用いてエッチング加工をする場合、ＬＮのような難加工材料はレジストとの間で選択比を確保することが難しく、十分なエッチング量を確保するためには厚いレジストを形成する必要がある。レジストが厚くなると、リソグラフィープロセスにおいて高いパターン精度を得ることが難しく、サブミクロンオーダーでの制御は困難である。
【００４３】
また、エッチング自体にかかる時間が長くなるため、ドライエッチングにおけるプラズマの反応で発生する熱により、レジストパターンにも伸縮が発生する。これにより、波面整合法で設計されるような微細な凹凸パターンは、設計通りには形成されず、本来の特性が得られなくなってしまう。
【００４４】
以上に説明したように、二次非線形光学媒質を用いた二次非線形光学素子およびＭＭＩを集積した位相感応光増幅器では、波面整合法に基づいてＭＭＩを設計することで、利得の劣化や励起光の劣化などの抑制が期待できるが、設計通りに作製することが容易ではなく、やはり、励起効率や利得の向上が得られないという問題があった。
【００４５】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、利得の劣化や励起光の劣化などが抑制された状態で、信号光と励起光とを合波してパラメトリック増幅できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４６】
本発明に係る光増幅装置は、平面視矩形とされて互いに平行な第１の辺および第２の辺を有する基板の上に形成され、第１の辺の側より入力する信号光より信号光の第２高調波である励起光を発生させる第１二次非線形光学素子と、基板の上に形成されて第１二次非線形光学素子より出力された励起光および信号光が入力する入力部、入力した励起光および信号光より分波した励起光を出力する出力部を備える分波器と、基板の上に形成されて分波器の出力部より出力した励起光が入力する励起光入力部、第２の辺の側より入力する信号光が入力する信号光入力部、および信号光入力部より入力した信号光に励起光入力部より入力した励起光を合波した合波光を第１の辺の側に出力する合波光出力部を備えるマルチモード干渉型の合波器と、基板の上に形成されて合波器の合波光出力部より出力した合波光を入力してパラメトリック増幅する第２二次非線形光学素子と、合波器の上面に配置されて合波器に電界を印加するための金属電極とを備え、第１二次非線形光学素子および第２二次非線形光学素子は、非線形光学特性を持った結晶から構成されて直列に接続した複数の領域から構成されて隣り合う領域は結晶の分極が反転した状態とされている。
【００４７】
上記光増幅装置において、金属電極は、合波器の光伝搬方向に沿って幅が変化し、合波器の屈折率分布の変化は、金属電極による合波器に対する電界印加時に、合波器の合波光出力部に、信号光および励起光の集光位置が一致する状態とされている。なお、金属酸化物から構成されて合波器の上面と金属電極との間に配置された絶縁層を備えるとよい。
【００４８】
上記光増幅装置において、分波器は、マルチモード干渉型光学素子または方向性結合器から構成されていればよい。
【００４９】
上記光増幅装置において、非線形光学特性を持った結晶は、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂ(x)Ｔａ(1-x)Ｏ3（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ4のいずれかであり、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも１つが添加されていればよい。
【００５０】
上記光増幅装置において、第２二次非線形光学素子より出力された増幅光の位相と、励起光の位相を同期する位相同期部を備える。
【発明の効果】
【００５１】
以上説明したように、本発明によれば、合波器の上面に配置されて前記合波器に電界を印加するための金属電極を備えるようにしたので、利得の劣化や励起光の劣化などが抑制された状態で、信号光と励起光とを合波してパラメトリック増幅できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における光増幅装置の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における光増幅装置の製造について説明するための説明図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における光増幅装置の製造について説明するための説明図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施の形態における光増幅装置の製造について説明するための説明図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の実施の形態における光増幅装置の製造について説明するための説明図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の実施の形態における光増幅装置の製造について説明するための説明図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態における光増幅装置の製造について説明するための説明図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態における光増幅装置の製造について説明するための説明図である。
【図７】図７は、従来の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器における、入力信号光‐励起光間の位相差Δφと、利得（ｄＢ）との関係を示す特性図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態における光増幅装置によって増幅された信号の時間波形を説明するための説明図である。
【図９】図９は、非特許文献２のＦｉｇ．１に示された実験装置の構成を示す構成図である。
【図１０】図１０は、非特許文献４のＦｉｇ．１（ｂ）に示された集積素子の構成を示す構成図である。
【図１１】図１１は、ＭＭＩにおける光の結合・分離を示すシミュレーション結果を示す説明図である。
【図１２】図１２は、ＭＭＩの長さに対する透過特性を１．５６μｍの光と０．７８μｍの光の場合とで計算した結果を示す特性図である。
【図１３】図１３は、ＭＭＩの長さに対する励起光出力の基本モードに結合する割合を示す特性図である。
【図１４】図１４は、波面整合法を用いて信号光および励起光が共に最適な結像点で合波できるように設計してシミュレーションした結果を示すＭＭＩの構成図である。
【図１５】図１５は、波面整合法を用いて設計したＭＭＩにおいて、信号光および励起光が共に最適に合波された状態について示す特性図である。
【図１６】図１６は、波面整合法に基づく計算を６回繰り返すことによる励起光（ａ）および信号光（ｂ）の結像損失の変化を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における光増幅装置の構成を示す構成図である。この光増幅装置は、基板１０１の上に形成された第１二次非線形光学素子１０２と、基板１０１の上に形成された分波器１０３と、基板１０１の上に形成された合波器１０４と、基板１０１の上に形成された第２二次非線形光学素子１０５と、合波器１０４の上面に設けられた金属電極１０６とを備える。
【００５４】
基板１０１は、例えば、ＬｉＴａＯ3から構成され、平面視矩形とされて互いに平行な第１の辺１０１ａおよび第２の辺１０１ｂを有している。
【００５５】
第１二次非線形光学素子１０２は、基板１０１の第１の辺１０１ａの側より入力する信号光より信号光の第２高調波である励起光を発生させる。第１二次非線形光学素子１０２は、例えばニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの非線形光学特性を持った結晶から構成され、周期的なピッチ長で直列に接続した複数の領域から構成されて隣り合う領域は結晶の分極が反転した（非線形定数が周期的に反転された）状態とされている。
【００５６】
分波器１０３は、第１二次非線形光学素子１０２より出力された励起光および信号光が入力する入力部１３１、入力した励起光および信号光より分波した励起光を出力する出力部１３２を備える。辺１０１ａの側より第１二次非線形光学素子１０２に信号光が入射し、第１二次非線形光学素子１０２で励起光が生成され、光導波路１１１を導波して入力部１３１より分波器１０３に入射し、励起光が分波されて出力部１３２より出射する。分波器１０３は、マルチモード干渉型光学素子または方向性結合器から構成すれば良い。分波器１０３は、ＬＮなどの非線形光学特性を持った結晶から構成されている。
【００５７】
合波器１０４は、分波器１０３の出力部１３２より出力した励起光が入力する励起光入力部１４１、第２の辺１０１ｂの側より入力する信号光が入力する信号光入力部１４２、および信号光入力部１４２より入力した信号光に励起光入力部１４１より入力した励起光を合波した合波光を第１の辺１０１ａの側に出力する合波光出力部１４３を備える。合波器１０４は、ＬＮなどの非線形光学特性を持った結晶によるマルチモード干渉型光学素子である。励起光入力部１４１，信号光入力部１４２は、第２の辺１０１ｂの側の合波器１０４の辺に配置されている。また、合波光出力部１４３は、第１の辺１０１ａの合波器１０４の辺に配置されている。
【００５８】
出力部１３２より出力した励起光は、光導波路１１２を導波して励起光入力部１４１に入射する。信号光は、光導波路１１３を導波して信号光入力部１４２に入射する。合波光出力部１４３より出射した合波光は、光導波路１１４を導波して第２二次非線形光学素子１０５に入射する。
【００５９】
第２二次非線形光学素子１０５は、合波器１０４の合波光出力部１４３より出力した合波光を入力してパラメトリック増幅する。例えば、第２二次非線形光学素子１０５は、合波光を縮退パラメトリック増幅する。第２二次非線形光学素子１０５は、ＬＮなどの非線形光学特性を持った結晶から構成され、周期的なピッチ長で直列に接続した複数の領域から構成されて隣り合う領域は結晶の分極が反転した状態とされている。この構成は、第１二次非線形光学素子１０２と同様である。
【００６０】
この光増幅装置において、外部より入力される信号光一部は、カプラ１２１により分岐され、信号光と励起光との位相同期用の位相変調器１２６および可変長光ファイバ１２５を通じてファイバレーザ増幅器１２７に入力して増幅された後，基板１０１の辺１０１ａより入力し、励起光の発生に使用される。
【００６１】
また、第２二次非線形光学素子１０５を出力したパラメトリック増幅された増幅光は、一部がカプラ１２２より分岐され、フォトダイオード（光電変換部）１２３で光電変換されて検出信号として出力され、帰還制御部１２４に入力する。検出信号を入力した帰還制御部１２４は、入力した検出信号と、位相変調器１２６が用いるパイロット信号とを比較することで、可変長光ファイバ１２５に帰還制御をかけて光路長を調整する。これら、位相同期部の動作により、第１二次非線形光学素子１０２に入力される信号光の位相と、第２二次非線形光学素子１０５より出力される増幅光の位相とを同期する。第１二次非線形光学素子１０２に入力される信号光より励起光が生成されるため、上述したことにより励起光の位相が、増幅光の位相に同期する。
【００６２】
なお、可変長光ファイバ１２５は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）より構成された可変伸長部に光ファイバが巻き付けられ、可変伸長部に信号が印加されて体積が変化することで光ファイバ長（光路長）を変化させている。
【００６３】
ここで、上述した二次非線形光学素子について説明する。基本となる信号光と非線形光学特性を持った結晶で発生する波長変換光である励起光との間では、屈折率が異なるため位相速度に差がある。このため、信号光が、結晶内を伝播するにつれて次々と発生する励起光は、少しずつ位相がずれていく。この中で、所定の長さ（ピッチ長）離れた２点で発生した励起光の位相差がπになると、互いに打ち消し合うようになり逆に強度が減衰していく。上述した二次非線形光学素子は、この状態を抑制して安定して強度を増大させる。
【００６４】
信号光と励起光との位相差がπとなるところ（ピッチ長）で、結晶の分極（分極の方向）を反転させてここで発生する励起光の位相を反転させる。この構造によると、分極を反転していない状態であれば打ち消し合う状態が、逆に強め合う状態となり、結晶内を伝播するにつれて次々と発生する励起光の強度を常に増加させることができる。このように、上述した二次非線形光学素子では、信号光の波長λに対応したピッチ長で結晶の分極を反転させている周期分極反転により、擬似的に位相整合させて波長を変換している。
【００６５】
次に、基板１０１について説明する。基板１０１の第２の辺１０１ｂの部分（端面）には、信号光は透過して励起光は反射する選択透過膜１０８が形成されている。選択透過膜１０８は、よく知られた光学多層膜から構成すれば良い。一方、基板１０１の第１の辺１０１ａの部分（端面）には、信号光および励起光の両者に対して無反射な特性を有する透過膜１０９が形成されている。
【００６６】
実施の形態において、分波器１０３は、信号光および励起光が入射および出射する入出射端面および反射端面を有する単一のマルチモード光導波路から構成されている。反射端面は、基板１０１の第１辺１０１ｂと共通とされ、信号光（１．５６μｍ）は透過して励起光（０．７８μｍ）は反射する選択透過膜１０８が配置される。また、入出射端面では、マルチモード光導波路の光軸を示す中心線１０３ａから対称に軸ずれした位置で、入力部１３１および出力部１３２が接続されている。
【００６７】
このように、マルチモード導波路の片側端面（反射端面）に誘電体多層膜などの反射膜を用いることで、不要な１．５６μｍの光を基板１０１外に透過させ、入力部１３１から入射された０．７８μｍの光は、マルチモード干渉を起こしながら干渉の途中で反射し折り返され、さらにマルチモード干渉を行いながら分波器１０３のマルチモード光導波路内で周期的に結像を繰り返しながら集光する。この集光位置は、入力（入力部１３１）位置、分波器１０３の幅、長さすなわち反射位置に依存する。結像は１：Ｎへと分岐させる結像も可能であり、これらを最適化することにより、第１二次非線形光学素子１０２で生成した０．７８μｍの励起光を、入力部１３１からから入射させ、出力部１３２にのみ結像させることができる。
【００６８】
次に、合波器１０４について説明する。まず、合波器１０４の光伝搬方向の長さは、１．５６μｍの信号光と０．７８μｍの励起光のビート長の最小公倍数とされている。また、信号光入力部１４２より入力する信号光は、ストレートポートとなる合波光出力部１４３に結合される。一方、励起光入力部１４１より入力する励起光は、クロスポートとなる合波光出力部１４３に結合される。これらのことにより、信号光と励起光が合波されて合波光出力部１４３より出力される。
【００６９】
上述した構成は、非特許文献４に開示されている構成と同様である。本発明の実施の形態では、上述した構成に加え、合波器１０４の上面に金属電極１０６を配置し、合波器１０４に電界を印加可能としているところに大きな特徴がある。合波器１０４上面の金属電極１０６と、合波器１０４の光伝搬方向に平行な２つの側部の近傍に配置した２つの側部電極１０６ａとに電圧源１０７で電圧を印加することで、金属電極１０６より合波器１０４の厚さ方向に電界を印加する。
【００７０】
ここで、金属電極１０６は、合波器１０４の光伝搬方向に沿って幅が変化している。合波器１０４の屈折率分布の変化は、幅が変化している金属電極１０６による合波器１０４に対する電界印加時に、合波器１０４の合波光出力部１４３に、信号光および励起光の集光位置が一致する状態とされている。この形状は、波面整合法に基づいた設計により決定されている。
【００７１】
ＬＮなどの非線形光学特性を持った結晶は、圧電材料である。従って、合波器１０４は、電圧をかけることで電気光学効果により屈折率を変化させることが可能である。合波器１０４上面の金属電極１０６の形状は、波面整合法に基づいて設計されたものであり、金属電極１０６に電圧をかけたときのＭＭＩ全体の屈折率分布が、信号光と励起光が共に最適に合波されるように設計されている。
【００７２】
よく知られているように、酸化物材料の上においては、金属のパターンを非常に高い精度で形成することが可能である。今日の半導体による集積回路素子の製造技術によれば、幅がサブミクロンの金属配線を、高い位置精度および寸法精度で形成可能である。このように、合波器１０４の上に金属電極１０６を形成する場合には、基本的に下層材料に作製精度が制限されることは無く、高い精度でのパターン形成が可能である。
【００７３】
本発明の実施の形態においては、合波器１０４は光伝搬方向の幅に凹凸を持たせて屈折率分布を制御するのではなく、高い精度で幅の凹凸形状が形成可能な金属電極１０６を上面に形成し、電気光学効果による屈折率分布の制御をすることで、ＬＮなどの結晶による合波光出力部１４３での波面整合法適用を可能としている。この構造により、波長が大きく異なる信号光と励起光の合波時の結像点の誤差を、金属電極１０６に電圧を印加することで補償することが可能になる。
【００７４】
なお、合波器１０４の上面に、接する状態で金属電極１０６を形成すると、金属電極１０６と合波器１０４との界面に存在する電磁波モードであるプラズモンポラリトンによる光伝搬モードが形成され、ここに光が導波する状態が発生する可能性がある。この場合、合波器１０４本体を導波する光の伝搬損失増大を招くことになり、合波光出力部１４３より出力する合波光の光強度が低下する状態を招く。従って、合波器１０４の上に、絶縁層を介して金属電極１０６を形成するとよい。
【００７５】
次に、実施の形態における光増幅装置の製造について簡単に説明する。まず、図２の（ａ）に示すように、ＺカットＬｉＴａＯ3からなる第１ウエハ２０１を用意する。また、図２の（ｂ）に示すように、ＺカットＺｎ添加ＬＮからなる第２ウエハ２０２を用意する。これら基板は、非線形光学媒質から構成されていればよく、上記材料に限らず、ＫＮｂＯ3、ＬｉＮｂ(x)Ｔａ(1-x)Ｏ3（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ4、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材料を用いることができる。
【００７６】
ここで、第２ウエハ２０２は、一部に予め１．５μｍ帯で位相整合条件が満たされる周期分極反転構造が作製されている。ＬｉＮｂＯ3結晶などにおける分極反転格子作製技術については多くの研究がなされ、いくつかの方法が開発されているが、これらの中で好な結果が再現性よく得られる電界印加法により周期分極反転構造を作製すればよい。例えば、第２ウエハ２０２の周期反転構造形成領域において、リソグラフィーにより周期レジストパターンを形成し、これをマスクとして利用して周期的な電極（金属薄膜電極、液体電極など）を形成し、形成した電極により電圧パルスを印加することで良好な周期分極反転構造を得ることができる。
【００７７】
なお、上述した構成の第１ウエハ２０１および第２ウエハ２０２は、熱膨張係数がほぼ一致している。また、第２ウエハ２０２の屈折率より第１ウエハ２０１の屈折率の方が小さい。また、第１ウエハ２０１および第２ウエハ２０２は、共に直径３インチの円形とされている。また、第１ウエハ２０１は、厚さ５００μｍであり、第２ウエハ２０２は、厚さ３００μｍである。また、これらはいずれも、両面が光学研磨されている。
【００７８】
次に、図２の（ｃ）および図４Ａに示すように、第１ウエハ２０１に第２ウエハ２０２を貼り合わせる。例えば、第１ウエハ２０１および第２ウエハ２０２の貼り合わせ面を、よく知られた酸洗浄あるいはアルカリ洗浄によって親水性にした後、これら２つのウエハを、クラス１０〜１００程度のクリーンルーム内など、マイクロパーティクルが極力存在しない清浄雰囲気中で重ね合わせる。次いで、重ね合わせた第１ウエハ２０１および第２ウエハ２０２を電気炉に搬入し、４００℃で３時間熱処理することにより拡散接合を行う。接合されたウエハは、接合面にマイクロパーティクルなどの挟み込みがなく、ボイドフリーであり、室温に戻したときにおいてもクラックなどは発生しない。
【００７９】
次に研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用い、貼り合わせた第２ウエハ２０２の厚さが２０μｍになるまで研磨加工を施す。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより、鏡面の研磨表面を得ることができる。ウエハの平行度（最大高さと最小高さとの差）を光学的な平行度測定機を用いて測定したところ、３インチウエハの周囲を除き、ほぼ全体にわたってサブミクロンの平行度が得られ、図２の（ｄ）に示すように、第１ウエハ２０１の上に、光導波路形成層２０２ａが作製される。光導波路形成層２０２ａを備える第１ウエハ２０１は、接着剤を用いず、熱処理による拡散接合によって直接貼り合わせため、直径３インチのウエハの全面積にわたって均一な組成、厚さを備えた状態が得られる。
【００８０】
以上のようにして光導波路形成層２０２ａを形成したら、この層をパターニングすることで、図３に示すように、第１ウエハ２０１の上に、各光導波路を構成するコア部２０３を形成する。コア部２０３を形成することで、図４Ｂに示すように、第１二次非線形光学素子１０２、光導波路１１１、分波器１０３、合波器１０４、第２二次非線形光学素子１０５などを備える複数のチップ領域を形成する。複数のチップ領域は、第１ウエハ２０１の上において所定の方向に１列配列されている。この所定の方向を２つに分け、第１二次非線形光学素子１０２および第２二次非線形光学素子１０５が配置される領域が、上述したように、第２ウエハ２０２の周期分極反転構造が形成された領域となる。
【００８１】
例えば、公知のリソグラフィー技術により作製したレジストパターンをマスクとし、よく知られたドライエッチング技術により光導波路層２０２ａをエッチング加工すれば良い。ドライエッチングにおいては、例えば、アルゴンガスを用いれば良い。このパターニングにより、リッジ型光導波路を作製すれば良い。
【００８２】
例えば、高さ５μｍ、幅５μｍのコア部２０３を形成する。このパターニングにおいて、コア部２０３の幅により、位相整合の条件が変化するため、コア部２０３以外の領域の光導波路層２０２ａは、完全に除去された状態とすることが望ましい。なお、コア部２０３は幅が５μｍと細いため、第１ウエハ２０１との接合面積が小さくなり、第１ウエハ２０１上に固定された状態を得るだけの十分な接合強度が必要となる。上述したウエハ同士の直接接合によれば、このような小さな接合面積であっても剥離などが起きず、十分な接合強度を保つことができる。
【００８３】
以上のようにして、第１ウエハ３０１の上に複数のチップ領域を形成した後、これらを短冊状に切り出すことで、図４Ｃに示すように、複数の集積素子チップ１００が得られる。図５に示すように、切断位置５０１および切断位置５０２で垂直に切り出すことで、集積素子チップ１００とすれば良い。ここで、分波器１０３の０．７８μｍの光を入力部から入射し、出力部に入射モードと同一のモードで出力されるビート長のちょうど半分となる切断位置５０１で、垂直に切り出せばよい。また、切り出した各集積素子チップ１００の端面は、光学研磨する。
【００８４】
次に、各集積素子チップ１００の光学研磨した端面に、図６に示すように、選択透過膜１０８，透過膜１０９を形成する。分波器１０３が配置される側の第１辺１０１ｂの端面に、信号光は透過して励起光は反射する選択透過膜１０８を形成する。また、第１二次非線形光学素子１０２，第２二次非線形光学素子１０５が配置される側の第１の辺１０１ａの端面に、信号光および励起光の両者に対して無反射な特性を有する透過膜１０９を形成する。例えば、イオンアシスト型のスパッタリング装置を用い、所定の金属層を各々蒸着して形成すれば良い。１．５μｍ帯の光に対して選択透過膜１０８の特性を評価したところ、反射率は０．５％であった。
【００８５】
次に、金属電極１０６の形成について説明する。まず、リッジ型のコアによる合波器１０４の上面を覆うように、絶縁層を形成する。例えば、真空蒸着法やスパッタ法により酸化シリコンを堆積することで、絶縁層を形成すれば良い。絶縁層は厚さ５００ｎｍ程度とすれば良い。なお、絶縁層は、酸化シリコンに限らず、窒化シリコンや酸化アルミニウムなどの他の酸化物から構成しても良い。このとき、基板１０１の全域に絶縁層を形成してもよく、合波器１０４の上面のみに選択的に絶縁層を形成しても良い。
【００８６】
次に、形成した絶縁層の上に金属電極１６０を形成し、また、合波器１０４の側部近傍に側部電極１０６ａを形成する。例えば、絶縁層の上に、真空蒸着法やスパッタ法により、電極材料となる金属を堆積する。例えば、ＴｉおよびＡｕを堆積し、Ｔｉ層およびＡｕ層の積層膜を形成する。例えば、層厚１００ｎｍ程度にＴｉ層を形成し、層厚３００ｎｍ程度にＡｕ層を形成する。
【００８７】
次いで、公知のリソグラフィー技術により、各電極形成部に対応するレジストパターンを形成する。次に、レジストパターンをマスクとし、Ａｕ層およびＴｉ層をエッチングする。例えば、ヨウ素／ヨウ化カリウム溶液を用いてＡｕ層をエッチングする。次に、アンモニアと過酸化水素との水溶液を用いてＴｉ層をエッチングする。この後、レジストパターンを除去すれば、Ｔｉ層およびＡｕ層が積層した金属電極１６０，側部電極１０６ａが形成できる。
【００８８】
また、リフトオフ法により金属電極１６０，側部電極１０６ａを形成しても良い。まず、金属電極１０６，側部電極１０６ａを形成する領域に開口部を備えたリフトオフマスクを形成する。次いで、リフトオフマスクの上から、例えば、真空蒸着法やスパッタ法により、電極材料となる金属を堆積する。例えば、ＴｉおよびＡｕを堆積する。この後、リフトオフマスクを除去（リフトオフ）することで、金属電極１０６，側部電極１０６ａが形成できる。基板１０１の全域に絶縁層が形成されていれば、上述した処理において絶縁層が保護膜となる。
【００８９】
作製した集積素子を用いて、１．５６μｍの信号光を第２二次非線形光学素子１０５へ結合させたときの合波器１０４の挿入損失と０．７８μｍの光を第２二次非線形光学素子１０５へ結合させたときの分波器１０３および合波器１０４でのトータルでの挿入損失を測定した。まず、０．７８μｍの光を、第１二次非線形光学素子１０２に入射し、分波器１０３へと伝搬させる。また１．５６μｍの光を光導波路１１３に入射し、合波器１０４へと伝搬させる。
【００９０】
分波器１０３の反射端面は０．７８μｍの光に対しては反射、１．５６μｍの光に対しては反射防止の選択透過膜１０８が形成されている。分波器１０３の入力部１３１へ入射された０．７８μｍの光は、分波器１０３のモード干渉導波路内を、マルチモード干渉を行いながら伝搬し、選択透過膜１０８で反射された後に、出力部１３２に結像され、光導波路１１２を導波する。
【００９１】
合波器１０４は、導波方向の幅の変化が波面整合法に基づいて設計・形成されている金属電極１０６を上面に備えているため、金属電極１０６に電圧を印加して電界を加えて屈折率分布を形成することで、信号光入力部１４２から入力した１．５６μｍと、励起光入力部１４１から入力した０．７８μｍの両波長の光に対して最適な結合長をとることができる。
【００９２】
分波器１０３を折り返し、合波器１０４を通過後に合波光出力部１４３より出力された０．７８μｍの光において、選択透過膜１０８の反射率は９９％と非常に高いため、折り返しによる光の損失は、分波器１０３のマルチモード干渉導波路を通過する際の損失が支配的である。しかしながら、分波器１０３，合波器１０４による光過剰損失が非常に小さいため、トータルで１．６ｄＢと非常に小さい損失で光の折り返しを行うことができる。また、波長１．５６μｍの信号光に対する合波器１０４の挿入損失は、０．８ｄＢと非常に低損失であった。
【００９３】
以上から、実施の形態における光増幅装置によれば、波長の大きく異なる信号光と励起光の合波の際の過剰な損失を最小限に抑えることができ、低損失で励起効率の高い集積素子を実現できる。
【００９４】
実施の形態における光増幅器においては、信号光と位相の合った光のみを増幅するために、上述のように信号光と励起光の位相が一致、もしくはπラジアンだけずれている必要がある。実施の形態では、２次の非線形光学効果を用いており、この場合、第二高調波に相当する波長である励起光の位相φ2ωsと、信号光の位相φωsとが「Δφ＝１／２φ２ωｓ−φωs＝ｎπ（ただし、ｎは整数）・・・（２）」の関係を満たしていることが重要となる。
【００９５】
図７は、従来の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器における、入力信号光‐励起光間の位相差Δφと、利得（ｄＢ）との関係を示す特性図である。図７に示すように、Δφが−π、０、またはπのときに、利得が最大となっていることがわかる。
【００９６】
図７に示すような入力信号光と励起光との間の位相同期を達成するために、実施の形態における光増幅装置では、ファイバレーザ増幅器１２７の前に、励起光の位相を一定周波数の小振幅のパイロット信号で変調するため位相変調器１２６を設けている。励起光の位相を微小に変調した状態でパラメトリック増幅された信号光を、カプラ１２２で分岐してフォトダイオード１２３より受光・観測する。
【００９７】
図７に示す利得が最大となる位相同期が取れている状態では、位相変調による利得の変動が最小になるのに対して、図７示す位相差が大きくなるに従って、位相変調によって利得に変調を生じ、増幅された光にも観測している検出信号と同じ周波数の変調成分を生じることになる。このような増幅光に現れる変調成分が最小になるように、ＰＬＬ（Phase Lock Loop）の技術を用いて、帰還制御部１２４で可変長光ファイバ１２５のファイバ長を制御し、励起光の位相にフィードバックをかけることで、励起光と信号光との間の位相を同期させることができる。可変長光ファイバ１２５にフィードバックをかけ、可変長光ファイバ１２５を構成する光ファイバ部品の伸び縮みや温度変動による位相の変動を抑制できるようにしている。
【００９８】
次に、実施の形態における光増幅装置の増幅特性を、データ信号用変調器としてＬＮマッハツェンダー変調器を用い、入力信号として１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号を入力した場合について評価した。図８は、実施の形態における光増幅装置によって増幅された信号の時間波形を説明するための説明図である。図８（ａ）に励起光が入射しないときの入射信号光の出力波形を、図８（ｂ）にＰＬＬにより励起光と信号光の位相が合うように設定したときの出力波形を、図８（ｃ）にＰＬＬにより励起光と信号光の位相が９０度ずれるように設定したときの出力波形をそれぞれ示す。励起光の位相を信号光に合わせることにより、実施の形態では、約１７ｄＢの利得を得ることができた。いずれも、横軸は時間である。
【００９９】
上述したように、本発明では、平面視矩形とされて互いに平行な第１の辺および第２の辺を有する基板の上に形成した合波器をマルチモード干渉型とし、合波器１０４の上面に金属電極１０６を配置し、合波器１０４に電界を印加可能とした。また、金属電極１０６は、合波器１０４の光伝搬方向に沿って幅を変化させ、この幅の変化を、波面整合法に基づいた設計により、金属電極１０６による合波器１０４に対する電界印加時に、合波器１０４の合波光出力部１４３に信号光および励起光の集光位置が一致する状態とした。金属電極１０６の幅の変化に対応して合波器１０４の屈折率分布が変化する。
【０１００】
この結果、本発明によれば、波長の大きく異なる信号光と励起光を１つの合波器で極めて低損失に合波することができ、利得の劣化や励起光の劣化などが抑制され、ＳＮ比の劣化の抑制と高い励起効率の両立という、従来の構成を用いた場合では実現できなかった特性を備え、高い利得を持ったパラメトリック増幅を起こすことができるようになる。また、パラメトリック増幅過程における信号光および励起光の波長関係は、縮退パラメトリック過程に限らず、波長が異なる場合すなわち非縮退パラメトリック過程においても同様に信号光を低雑音で増幅することが可能である。
【０１０１】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、周期的に分極反転された二次非線形光学材料としてＺｎを添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）を用いたが、ニオブ酸リチウムに限定されるものではなく、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶（ＬｉＮｂ(x)Ｔａ(1-x)Ｏ3（０≦ｘ≦１））、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ3）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ4）などに代表される二次非線形光学材料であれば同様の効果が得られる。また、二次非線形光学材料の添加物に関しても、Ｚｎに限定されるものではなく、Ｚｎの代わりにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅを用いても良く、添加物を添加しなくてもよい。
【符号の説明】
【０１０２】
１０１…基板、１０１ａ…第１の辺、１０１ｂ…第２の辺、１０２…第１二次非線形光学素子、１０３…分波器、１０３ａ…中心線、１０４…合波器、１０５…第２二次非線形光学素子、１０６…金属電極、１０６ａ…側部電極、１０７…電圧源、１０８…選択透過膜、１０９…透過膜、１１１，１１２，１１３，１１４…光導波路、１２１…カプラ、１２２…カプラ、１２３…フォトダイオード（光電変換部）、１２４…帰還制御部、１２５…可変長光ファイバ、１２６…位相変調器、１２７…ファイバレーザ増幅器、１３１…入力部、１３２…出力部、１４１…励起光入力部、１４２…信号光入力部、１４３…合波光出力部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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１２】
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【図１３】
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【図１６】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１４】
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【図１５】
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