(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の偏波方向に無依存に、前記入射光の波長変換を行って変換光を出力する波長変換装置であって、
前記入射光が入力される第１の偏波依存型波長変換素子と、
該第１の偏波依存型波長変換素子とほぼ同様の長さを持ち、前記変換光を出力する第２の偏波依存型波長変換素子と
を有し、
前記第２の偏波依存型波長変換素子は、前記第１の偏波依存型波長変換素子と直交するように光伝播方向で直列に配置され、
前記第１の偏波依存型波長変換素子及び前記第２の偏波依存型波長変換素子のうちの、少なくとも何れか一つの偏波依存型波長変換素子に備えられ、前記入射光の位相を調整する位相変調器と、
前記位相調整器に駆動電圧を印加する駆動回路と
を有する
ことを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
前記駆動回路の前記駆動電圧は、前記変換光の出力が最大となるように、設定され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】
前記駆動回路の前記駆動電圧は、前記波長変換装置による位相シフトが２πの整数倍になるように、設定され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４】
前記変換光の波長を制限する波長選択手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項５】
ポンプ光と信号光とを合波して前記入射光とする手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記第１の偏波依存型波長変換素子及び前記第２の偏波依存型波長変換素子のそれぞれは、
非線形材料基板と、
該非線形材料基板に作製されたＱＰＭグレーティングと、
光導波路と
を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射された光の波長に基づく波長の光を発生する波長変換装置に係り、詳細には、偏波依存型波長変換素子を用いて偏波無依存波長変換を行う波長変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、波長変換素子は将来高速、大容量光通信におけるキーデバイスとして注目され、研究されている。強誘電体２次非線形光学効果を利用する擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasiphase Matching）波長変換素子は低ノイズ、広帯域、高速など優れた特性を有するため、波長分割多重光通信システムへの応用が期待されている。この波長変換素子では、２次非線形媒質においての差周波発生（ＤＦＧ：Difference Frequency Generation）を利用している。
【０００３】
従来のこの種の波長変換装置の文献としては、例えば以下に示す参考文献に記載された方法がある。
【０００４】
文献１：応用物理学会学術講演会講演予稿集３ｐ−ＺＢ−８「ＬｉＮｂＯ3擬似位相整合素子を使用した偏波無依存波長変換」（１９９７．１０）
文献２：応用物理学会学術講演会講演予稿集３ｐ−ＺＢ−６「ＬｉＮｂＯ3導波路を用いた擬似位相整合素子の作成と評価」（１９９７．１０）
図３は上記文献１に記載された従来の偏波無依存波長変換装置の構成を示す図である。
【０００５】
偏波依存型波長変換素子（例えば、ＬｉＮｂＯ３ＱＰＭ−ＤＦＧ素子）を用いて偏波無依存波長変換を実現するためマルチリング構造（例えば、２つリング構造）が使用される。
【０００６】
図３において、偏波無依存波長変換装置は、ＬｉＮｂＯ3  ＱＰＭ−ＤＦＧ素子１と、ポンプ光（波長はλｐ）を発生する半導体増幅器２と、ＱＰＭ−ＤＦＧ素子１に接続されたＷＤＭカプラ３，４とを備え、これらは偏波保存ファイバ５により接続されてポンプ光用リング構造（第１のリング構造）が構成されている。
【０００７】
また、この波長変換装置は、光サーキュレータ６と、ＰＢＳ（Polarize Beam Splitter：偏光ビームスプリッタ）７と、ＰＲ（Polarize Rotator：偏波回転子）８とを備え、偏波保存ファイバ９によってＷＤＭカプラ３，４に接続されてリング構造（第２のリング構造）が構成されている。
【０００８】
この波長変換装置では、外部からの信号光（波長はλｓ）は、光サーキュレータ６を介して第２のリング構造に導入し、ＱＰＭ−ＤＦＧ素子１からの変換光（波長はλｃ）はこの光サーキュレータ６を介して外部に取り出すようになっている。
【０００９】
ＱＰＭ−ＤＦＧ素子１は、非線形材料ＬｉＮｂＯ3を基板に、プロトン交換光導波路とＴｉ熱拡散によるドメイン反転グレーティング（周期的分極反転部）を有しており、非線形媒質における差周波発生により入射されたポンプ光、信号光の周波数の差の光（変換光）を発生する。
【００１０】
また、この波長変換装置では、入射光をＰＢＳ７によりＴＭ偏波成分とＴＥ偏波成分に分離し、ＴＭ偏波成分はそのままＷＤＭカプラ４を介してＱＰＭ−ＤＦＧ素子１に入射させ、ＴＥ偏波成分はＰＲ８により偏波を９０°回転させてＴＥ偏波成分とし、ＷＤＭカプラ３を介してＱＰＭ−ＤＦＧ素子１に入射させる。
【００１１】
第１のリング構造（リング１）はポンプ光用リングであり、リング１において、ポンプ光の偏波方向がＬｉＮｂＯ3プロトン交換光導波路を通過できるようにＴＭモードに固定される。もう一つの第２のリング構造（リング２）において、入射された信号光をＰＢＳ７により分離し、ＰＲ８により偏波を調整後、ＬｉＮｂＯ3導波路に入射する。また、変換された光は再びＰＢＳ７によって合波し外に出す。素子内双方向に伝播するポンプ光パワーが等しければ、信号光の偏波方向に無依存な波長変換ができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の文献に示すような波長変換装置にあっては、多数の光学部品を使用し、モジュール化した構成であったため、コストが高くなるとともに、構成が複雑であり安定性の観点からも望ましくない。
【００１３】
本発明は、簡単な構成で信号光の偏波方向に無依存な波長変換が達成できる波長変換装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る波長変換装置は、入射光の偏波方向に無依存に、前記入射光の波長変換を行って変換光を出力する波長変換装置であって、前記入射光が入力される第１の偏波依存型波長変換素子と、該第１の偏波依存型波長変換素子とほぼ同様の長さを持ち、前記変換光を出力する第２の偏波依存型波長変換素子とを有し、前記第２の偏波依存型波長変換素子は、前記第１の偏波依存型波長変換素子と直交するように光伝播方向で直列に配置され、前記第１の偏波依存型波長変換素子及び前記第２の偏波依存型波長変換素子のうちの、少なくとも何れか一つの偏波依存型波長変換素子に備えられ、前記入射光の位相を調整する位相変調器と、前記位相調整器に駆動電圧を印加する駆動回路とを有することを特徴とする。
【００１５】
上記第１の偏波依存型波長変換素子及び第２の偏波依存型波長変換素子は、偏波無依存条件を満足するように作製されたものであってもよい。
【００１７】
本発明に係る波長変換装置は、変換光の波長を制限する波長選択手段を備えて構成してもよく、また、ポンプ光と信号光とを合波して第１の偏波依存型波長変換素子に入射する手段を備えて構成してもよい。
【００１８】
上記偏波依存型波長変換素子は、非線形材料基板と、該基板に作製されたＱＰＭグレーティングと、光導波路とから構成されたものであってもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る波長変換装置は、光通信に必要な偏波無依存波長変換装置に適用することができる。
【００２０】
第１の実施形態
図１は本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の構成を示す図である。
【００２１】
図１において、偏波無依存波長変換装置１０は、２つのＬｉＮｂＯ3  ＱＰＭ波長変換素子１１，１２からなり、第１のＱＰＭ波長変換素子１１（ＱＰＭ波長変換素子１）と第２のＱＰＭ波長変換素子１２（ＱＰＭ波長変換素子２）とが直交するように直列配置された構成となっている。
【００２２】
上記ＬｉＮｂＯ3  ＱＰＭ波長変換素子１１，１２は、非線形材料ＬｉＮｂＯ3ｚ−ｃｕｔ基板２１，２２と、ＱＰＭグレーティング２３，２４と、Ｔｉ熱拡散によるＴｉ拡散導波路２５，２６とから構成される。このＬｉＮｂＯ3導波路を用いた波長変換素子の作製方法については、例えば前記文献２に記載されている。
【００２３】
また、ＬｉＮｂＯ3  ＱＰＭ波長変換素子１１には、合波器２７が設置され、ＱＰＭ波長変換素子１２には、ＢＰＦ（Band Pass Filter：波長可変光バンドパスフィルタ）２８が設置される。
【００２４】
合波器２７は、波長λｐのポンプ光（例えば、λｐ＝０．７７μｍ）と波長λｓの信号光（例えば、λｓ＝１．５５μｍ）とを合波してＱＰＭ波長変換素子１１に入射する。
【００２５】
ＢＰＦ２８は、ＱＰＭ波長変換素子１２からの波長λｃの変換光（例えば、λｃ＝１．５３μｍ）を通過させる通過特性を有し、変換光の波長を制限する波長選択手段を構成する。
【００２６】
Ｔｉ拡散導波路２５，２６を持つＬｉＮｂＯ3  ＱＰＭ波長変換素子１１，１２では、ＴＭ偏波成分とＴＥ偏波成分の光に対して、全部導波するが、非線形定数が異なるためにＴＭ入射光の方は波長効率が高い。したがって、この種の波長変換素子は偏波依存性を持っている。
【００２７】
以下、上述のように構成された偏波無依存波長変換装置１０の動作を説明する。
【００２８】
ＱＰＭ条件を満たすため、ＱＰＭ波長変換素子１１，１２は以下のような構成とする。
【００２９】
まず、合波されたポンプ光と信号光が第１のＱＰＭ波長変換素子１１において、非線形相互作用により波長λｃ（λｃ-1＝λｐ-1−λｓ-1）の変換光を作り出す。この波長変換が、ＱＰＭ条件である次式（１）を満たすとき、効果が最も高い。
【００３０】
【数１】
0004110619.tif 000002
【００３１】
ここで、ｎi（ｉ＝ｐ，ｓ，ｃ）は対応する波長の屈折率、ΛはＱＰＭグレーティングの周期である。
【００３２】
上述したように、第１のＱＰＭ波長変換素子１１だけでは、ＴＭ偏波成分とＴＥ偏波成分の光に対する非線形定数の大きさが異なるため、変換効率が偏波に依存する。そこで、第１のＱＰＭ波長変換素子１１とほぼ同様の長さの第２のＱＰＭ波長変換素子１２を、第１のＱＰＭ波長変換素子１１と直交するように光伝播方向で直列に配置させる。この場合、Ｔｉ拡散導波路２５，２６の伝播損失や２つのデバイスの結合損失が無視できるとすれば、第１のＱＰＭ波長変換素子１１と第２のＱＰＭ波長変換素子１２の素子の長さを略同じに設定する。また、光から見たときには、元の偏波方向によらずに半分の距離をＴＥモードで、残りの半分の距離をＴＭモードで伝播することになる。その結果、光の偏波無依存で波長変換ができる。
【００３３】
以下、数式により動作条件について詳細に説明する。図１に示す偏波無依存波長変換装置１０の変換光電場は、次式（２）、（３）により表される。
【００３４】
【数２】
0004110619.tif 000003
【００３５】
式（２）、（３）において、「′」は第１のＱＰＭ波長変換素子１１、「″」は第２のＱＰＭ波長変換素子１２の量をそれぞれ示し、次式（４）、（５）により計算できる。
【００３６】
【数３】
0004110619.tif 000004
【００３７】
ここで、ｔp，ｔsはＴｉ拡散導波路２５，２６の伝播損失や２つのデバイスの結合損による透過率でり、θは２つ素子結合による位相シフトである。
【００３８】
偏波無依存条件として、入射光ＴＭモードとＴＥモードによらず変換光電場Ｅｃが一定であることが挙げられる。ＴＭモード光のみが入射する時はＥｃは、次式（６）で示される。
【００３９】
【数４】
0004110619.tif 000005
【００４０】
一方、ＴＥモード光のみが入射する時はＥｃは、次式（７）で示される。
【００４１】
【数５】
0004110619.tif 000006
【００４２】
上記式（６）、（７）から、入射光の偏波モードに無依存にする条件は、次式（８）、（９）にすればよい。
【００４３】
Ｌ′＝ｔpｔsＬ″                                          …（８）
θ  ＝２ｍπ  （ｍ＝０，±１，±２，…）                  …（９）
上述したように、Ｔｉ拡散導波路２５，２６の伝播損失や２つのデバイスの結合損が無視できるものとすれば、  上記式（８）から、Ｌ′＝Ｌ″になる。
【００４４】
また、上記式（９）を満足するには、２つのＬｉＮｂＯ3  ＱＰＭ波長変換素子１１，１２を、丁度ＱＰＭグレーティング２３，２４の周期の整数倍のところで切断し、この２つのＱＰＭ波長変換素子１１，１２を密着させるようにすれば、θ＝０になる。
【００４５】
以上説明したように、第１の実施形態に係る偏波無依存波長変換装置１０は、第１のＱＰＭ波長変換素子１１（ＱＰＭ波長変換素子１）と、第１のＱＰＭ波長変換素子１１とほぼ同様の長さの第２のＱＰＭ波長変換素子１２（ＱＰＭ波長変換素子２）とを備え、第２のＱＰＭ波長変換素子１２は、第１のＱＰＭ波長変換素子１１と直交するように光伝播方向で直列に配置させて構成し、また、波長λｐのポンプ光と波長λｓの信号光とを合波して第１のＱＰＭ波長変換素子１１に入射する合波器２７と、波長λｃの変換光の波長を制限するＢＰＦ２８とを備えて構成したので、信号光の偏波方向に無依存な波長変換が実現できる。また、実効デバイス長Ｌeffは、次式（１０）で示される。
【００４６】
Ｌ′，Ｌ″＜Ｌeff＜Ｌ′＋Ｌ″                            …（１０）
すなわち、従来例による偏波無依存波長変換装置は、前記図３に示すように多数の光学部品（例えば、光サーキュレータ６、ＰＢＳ７、ＰＲ８、ＷＤＭカプラ３，４、偏波保存ファイバ５，９）を使用し、モジュール化した構成であったため、コストが高くなるとともに、構成が複雑であり安定性の観点からも望ましくなかった。これに対し、本実施形態に係る偏波無依存波長変換装置１０では、第１、第２のＱＰＭ波長変換素子１１，１２を直交するように光伝播方向で直列に配置させるという極めて簡単かつ小型な構造で偏波無依存波長変換を達成することができる。したがって、構造が簡単かつ小型でモジュール化構造をとる必要がないため、安定性及び信頼性を大幅に向上させることができる。また、構造が簡単で使用する光学部品点数も大幅に削減できることから低コスト化を図ることができる。
【００４７】
第２の実施形態
第１の実施形態において、式（９）に示すようにθ＝２ｍπ（ｍ＝０，±１，±２，…）として説明したが、実際にはθが丁度２πの整数倍になるとは限らない。第２の実施形態では、θを２πの整数倍にする方法を提供するものである。
【００４８】
第２の実施形態は、第１の実施形態で用いた偏波無依存波長変換装置１０（図１）の第１のＱＰＭ波長変換素子１１（ＱＰＭ波長変換素子１）を図２のものに変更する。
【００４９】
図２は本発明の第２の実施形態に係る波長変換装置の第１のＱＰＭ波長変換素子の構成を示す図である。
【００５０】
図２において、３１は第１のＱＰＭ波長変換素子（ＱＰＭ波長変換素子１）であり、第１のＱＰＭ波長変換素子３１は、前記図１に示す第２のＱＰＭ波長変換素子１２と直交するように光伝播方向で直列に配置される。
【００５１】
第１のＱＰＭ波長変換素子３１には、θを２πの整数倍にするための位相を調整する位相変調器３２が集積されて構成される。３３は位相変調器３２の電極にに所定バイアス電圧を印加するための駆動回路である。
【００５２】
位相変調器３２は、例えばＥＯ（Electro-Optic）変調器により構成され、電極に印加するバイアス電圧を調整することにより位相をシフトすることができる。位相変調器３２の電極の下部にはＳｉＯ2などのバッファ層が形成されており、光導波路の導波損失を増加させないように構成されている。
【００５３】
上記位相変調器３２及び駆動回路３３は、全体として、θを２πの整数倍にするように位相を調整する位相変調手段を構成する。
【００５４】
以下、上述のように構成された偏波無依存波長変換装置の動作を説明する。
【００５５】
第１の実施形態の第１のＱＰＭ波長変換素子１１に代えて、図２の第１のＱＰＭ波長変換素子３１が使用され、それ以外の構成は第１の実施形態と同様である。
【００５６】
装置の動作原理も第１の実施形態で述べたものと同様であるが、第１のＱＰＭ波長変換素子３１に集積された位相変調器３２の電圧調整によって変換光の出力が最大になるように設定すれば、θ＝２ｍπの条件を満たすことができる。
【００５７】
以上説明したように、第２の実施形態に係る波長変換装置は、第１のＱＰＭ波長変換素子３１に位相変調器３２及び駆動回路３３を設け、位相変調器３２によりθを２πの整数倍にするように位相を調整可能に構成したので、θを２πの整数倍にすることができ、第１の実施形態の効果をより高めることができる。その結果、構造をより一層簡単にして更に安定性及び精度を向上させることができる。
【００５８】
したがって、このような優れた特長を有する波長変換装置を、例えば大容量光通信に用いる偏波無依存波長変換に適用すれば、この変換方式において性能を大幅に向上でき、装置の構成を大幅に低減することができる。
【００５９】
なお、上記各実施形態では、非線形材料としてＬｉＮｂＯ３基板を使用した偏波依存型波長変換素子の偏波無依存化について説明したが、ＬｉＴａＯ３やＫＴＰなどの非線形材料を用いた波長変換素子でも同様な方法で偏波無依存化することができる。
【００６０】
また、上記各実施形態で説明した偏波無依存化方法は、光フィルタなど波長変換素子以外の光デバイスへも適用することができる。
【００６１】
さらに、上記偏波無依存波長変換装置、位相変調器を構成する導波路、素子構造、さらには偏波無依存条件を満足する構造パラメータなどは前述した各実施形態に限られないことは言うまでもない。
【００６２】
【発明の効果】
本発明に係る波長変換装置では、第１の偏波依存型波長変換素子と、該第１の偏波依存型波長変換素子とほぼ同様の長さの第２の偏波依存型波長変換素子とを備え、第２の偏波依存型波長変換素子は、第１の偏波依存型波長変換素子と直交するように光伝播方向で直列に配置して構成したので、簡単な構成で信号光の偏波方向に無依存な波長変換が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態に係る波長変換装置の構成を示す図である。
【図２】本発明を適用した第２の実施形態に係る波長変換装置の第１のＱＰＭ波長変換素子の構成を示す図である。
【図３】従来の偏波無依存波長変換装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０  偏波無依存波長変換装置、  １１，３１  第１のＱＰＭ波長変換素子（第１の偏波依存型波長変換素子）、  １２  第２のＱＰＭ波長変換素子（第２の偏波依存型波長変換素子）、  ２１，２２  非線形材料ＬｉＮｂＯ３ｚ−ｃｕｔ基板、  ２３，２４  ＱＰＭグレーティング、  ２５，２６  Ｔｉ拡散導波路、  ２７  合波器、  ２８  ＢＰＦ、  ３２  位相変調器、  ３３  駆動回路
【図１】
0004110619.tif 000007
【図２】
0004110619.tif 000008
【図３】
0004110619.tif 000009