(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した信号光と制御光の差周波発生効果により該信号光の波長と別の波長の変換光を発生する、または該信号光と該制御光のパラメトリック増幅効果により該信号光を増幅する二次非線形光学効果を有する非線形光導波路と、
前記非線形光導波路の片方の第１の入射端に直接接続されて前記信号光を透過させ前記制御光を反射させる第１の波長依存反射手段と、
前記非線形光導波路のもう一方の第２の入射端に直接接続されて前記信号光の波長の偏波を回転させる位相板と、
前記位相板の前記非線形光導波路とは反対側に直接接続されて前記信号光及び前記変換光を反射させ前記制御光を透過させる第２の波長依存反射手段とを有し、
前記信号光を前記第１の波長依存反射手段から前記第１の入射端を通じて前記非線形光導波路へ入射し、前記制御光を前記第２の波長依存反射手段から前記第２の入射端を通じて前記非線形光導波路へ入射することを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記非線形光導波路における信号光のモード径が該非線形光導波路の内側から前記第２の入射端に向かってテーパ状に拡大されていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
入射した信号光と制御光の差周波発生効果により該信号光の波長と別の波長の変換光を発生する、または該信号光と該制御光のパラメトリック増幅効果により該信号光を増幅する二次非線形光学効果を有する第１の非線形光導波路と、
入射した基本波から第２高調波発生あるいは和周波発生により前記制御光を発生する二次非線形光学効果を有する第２の非線形光導波路と、
前記第１の非線形光導波路の第１の入射端に直接接続されて前記信号光を透過させ前記制御光を反射させる第１の波長依存反射手段と、
前記第１の非線形光導波路のもう一方の第２の入射端に直接接続されて前記信号光波長の偏波を回転させる第１の位相板と、
前記第１の位相板の前記第１の非線形光導波路とは反対側に直接接続されて前記信号光及び前記変換光を反射させ前記制御光を透過させる第２の波長依存反射手段と、
前記第２の波長依存反射手段と前記第２の非線形光導波路の間に直接接続され前記制御光波長の偏波を回転させる第２の位相板とを有し、
前記信号光を前記第１の波長依存反射手段から前記第１の入射端を通じて前記第１の非線形光導波路へ入射し、１つないし２つの波長を持つ前記基本波を前記第２の非線形光導波路へ入射し、かつ該第２の非線形光導波路内で発生した前記制御光を前記第２の入射端側から前記第１の非線形光導波路へ入射することを特徴とする光学装置。
【請求項４】
前記第１の非線形光導波路と前記第２の非線形光導波路は同一基板上に形成され、
前記第１の非線形光導波路と前記第２の非線形光導波路の間に溝が設けられ、
前記第１の位相板、前記第２の波長依存反射手段、および前記第２の位相板の３つが前記溝に挿入されていることを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
【請求項５】
前記第１の非線形光導波路における信号光のモード径が第１の非線形光導波路の内側から前記第２の入射端に向かってテーパ状に拡大され、
前記第１の非線形光導波路のテーパ部における制御光のモード径と等しくなるように、前記第２の非線形光導波路における制御光のモード径が前記第１の非線形光導波路へ向かう導波路端に向かって拡大されていることを特徴とする請求項３または４に記載の光学装置。
【請求項６】
前記第２の非線形光導波路の前記基本波の入射側に反射防止膜が付けられていることを特徴とする請求項３または４に記載の光学装置。
【請求項７】
前記第１の波長依存反射手段の前記信号光の入射側に該信号光と前記変更光とを分離するサーキュレータを配置したことを特徴とする請求項１または３に記載の光学装置。
【請求項８】
前記非線形光導波路は分極が周期的に反転されたＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、あるいはＬｉＮｂｘＴａｌ−ｘＯ３（０＜ｘ１）からなり、
該非線形光導波路中のコア部とクラッド部の屈折率差がほぼ等しくなるように該コア部と該クラッド部の両方ないし片方に屈折率を変化させる元素が添加されており、
該コア部には屈折率上昇元素が添加され、
該クラッド部には、屈折率低下元素が添加されていることを特徴とする請求項１または３に記載の光学装置。
【請求項９】
前記屈折率上昇元素はＺｎであり、前記屈折率低下元素はＭｇ又はＩｎであることを特徴とする請求項８に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記波長依存反射手段は多層の反射膜からなることを特徴とする請求項１または３に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学装置に関し、特に光通信システムにおいて用いられる波長変換機能または光増幅機能を有する光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から二次非線形光学効果を有する非線形光学媒質における差周波発生効果を利用した波長変換装置が知られている。以下、この種の装置の動作原理を従来例に従って簡単に説明する。
【０００３】
この種の非線形光学装置は、図８に示すように、信号光の波長を制御光によって別の波長へと変換するものである。また同様の構成において、制御光のパワーが十分に大きい場合には、差周波光を発生するだけでなく、パラメートリック増幅効果により入力光を増幅する増幅装置を構成することもできる。以下、簡単のために差周波発生効果を主に利用した場合について説明する。
【０００４】
図８に示すように、信号光と制御光を合波する合波器８１、二次の非線形光学効果を有する非線形光導波路８２、および差周波光と制御光を分波する分波器８３によって、この種の装置の主要部分は構成される。比較的小さな光強度を持つ信号光と比較的大きな光強度を持つ制御光を合波器８１で合波し、非線形光導波路８２に入射することにより、導波路８２中で信号光は別の波長を持つ差周波光へと変換され、制御光とともに導波路８２から出射される。これら差周波光と制御光は分波器８３により分離される。例えば、制御光波長０．７７μｍとした場合、波長１．５５μｍの信号光を波長１．５３μｍの差周波光へと変換することができる。
【０００５】
上記非線形光学媒質としては、種々の材料が研究開発されているが、中でも例えば（１）M.H. Chou et. al., Optics Letter vol. 23 1004(1998)の文献 に示されるように、ＬｉＮｂＯ３等の強誘電体結晶の非線形定数を周期的に変調したいわゆる擬似位相整合型の媒質に、光導波路を形成した構造が有望視されている。
【０００６】
一般に、非線形光学効果を利用する場合、制御光、信号光の偏光方向がある一定の方向を満たす必要がある場合が多い。例えば、強誘電体結晶を用いる場合に、効率的な波長変換を行うためには、信号光と制御光の両方が自発分極と同方向に偏光している必要があり、入力偏波に対して著しい依存性があった。
【０００７】
光通信システムへの適用を考えた場合、制御光の発生装置は波長変換装置の近くに設置できると考えられるので、偏光方向を一定にすることは比較的容易に実現可能と考えられる。しかしながら、光通信システムに用いられている単一モードファイバ中の偏光方向は絶えず変動しており、長距離のファイバを伝搬してきた信号光を従来の技術による装置に入射して波長変換を行うと、信号光の偏光方向の揺らぎによって、差周波光への変換効率が変動してしまい、実用的でないという課題がある。
【０００８】
このような課題を解決するために、本願発明者らは信号光の偏波が変化しても波長変換効率が変化しない構成を発明し、先に特願平８−２２８１８４号（特開平１０−６８９７６号公報）として出願している。図９はその構成を説明する図である。以下、その動作原理を図９を参照しながら説明する。
【０００９】
この擬似による装置の主要部分は、信号光と制御光を合波する合波器９１、二次の非線形光学効果を有する非線形光導波路９２、この導波路９２の中間部分に挿入された位相板９３、および差周波光と制御光を分波する分波器９４によって構成される。この位相板９３は、信号光波長においては２つの直交する偏波成分間にほぼ１／２波長分の位相差を生じ、制御光波長に対しては２つの直交する偏波成分間にほぼ１波長分の位相差を生じるように設計され、位相板９３の複屈折の軸９８が制御光の偏波方向に対してほぼ４５度の角度をなすように、導波路９２のほぼ中間部分に挿入されている。
【００１０】
ここでは、例としてその非線形光導波路９２中では信号光と制御光の両者の偏波が図９中縦方向に向いている場合に、差周波発生による最大の変換効率が得られると仮定する。このように設計された装置に、図９中に示すように、直交する二つの偏波成分９５，９６を含む信号光と、縦方向の偏波９７を持つ制御光を入射すると、導波路９２の前半部分においては、信号光の縦偏波成分９５と制御光が差周波発生効果を生じるので、信号光の縦偏波成分のみが差周波光９９へと変換される。
【００１１】
一方、信号光、制御光が、導波路９２のほぼ中間部分に備えられた位相板９３を通過すると、信号光は偏波方向が９０度だけ回転するが、制御光の偏波は変化しないために、導波路９２の後半部分においては信号光の横偏波成分９６と制御光の相互作用により、信号光の横偏波成分のみが差周波光９１０へと変換される。導波路の前半で発生した差周波光９９は信号光と波長が接近しているため、波長板９８で偏波が９０度回転して出射される。このように先願の技術では、信号光の二つの偏波成分をそれぞれ導波路の前半、後半部分で別々に変換しているため、信号光の偏波に依存しない波長変換動作を実現することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した先願の波長変換素子では、制御光と信号光を入射する上で以下に述べるような、さらに解決すべき課題がある。たとえば、通信波長領域である波長１．５μｍ帯における波長変換を考えると、信号光が波長１．５μｍ帯にあるのに対し、制御光の波長は０．７７μｍの近傍になる。このように通信波長帯の波長変換を行う場合、制御光と信号光の波長が大きく異なっているので、それら両者の導波モードを一致させるのは困難である。
【００１３】
従って、制御光と信号光を光導波路に入射する場合、それぞれの波長において最適なモード径やビームの位置が得られるように、光導波路、ファイバ、レンズ等の組み合わせによる入射手段を用いるのが理想的であるが、先願の技術では制御光と信号光の両者を同じ方向から入射するため、それぞれに最適な入射手段を採用することは困難であった。このため、信号光、制御光の結合における損失が生じてしまい、素子全体の損失と変換効率を低下させる原因となっていた。
【００１４】
本発明の目的は、上記のような課題を解決し、制御光と信号光の結合がそれぞれ最適に行うことができ、かつ信号光の偏波に変換効率が依存しない波長変換機能または光増幅機能を有する光学装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の光学装置の発明は、入射した信号光と制御光の差周波発生効果により該信号光の波長と別の波長の変換光を発生する、または該信号光と該制御光のパラメトリック増幅効果により該信号光を増幅する二次非線形光学効果を有する非線形光導波路と、前記非線形光導波路の片方の第１の入射端に直接接続されて前記信号光を透過させ前記制御光を反射させる第１の波長依存反射手段と、前記非線形光導波路のもう一方の第２の入射端に直接接続されて前記信号光の波長の偏波を回転させる位相板と、前記位相板の前記非線形光導波路とは反対側に直接接続されて前記信号光及び前記変換光を反射させ前記制御光を透過させる第２の波長依存反射手段とを有し、前記信号光を前記第１の波長依存反射手段から前記第１の入射端を通じて前記非線形光導波路へ入射し、前記制御光を前記第２の波長依存反射手段から前記第２の入射端を通じて前記非線形光導波路へ入射することを特徴とする。
【００１６】
ここで、前記非線形光導波路における信号光のモード径が該非線形光導波路の内側から前記第２の入射端に向かってテーパ状に拡大されていることを特徴とすることができる。
【００１７】
上記目的を達成するため、請求項３の光学装置の発明は、入射した信号光と制御光の差周波発生効果により該信号光の波長と別の波長の変換光を発生する、または該信号光と該制御光のパラメトリック増幅効果により該信号光を増幅する二次非線形光学効果を有する第１の非線形光導波路と、入射した基本波から第２高調波発生あるいは和周波発生により前記制御光を発生する二次非線形光学効果を有する第２の非線形光導波路と、前記第１の非線形光導波路の第１の入射端に直接接続されて前記信号光を透過させ前記制御光を反射させる第１の波長依存反射手段と、前記第１の非線形光導波路のもう一方の第２の入射端に直接接続されて前記信号光波長の偏波を回転させる第１の位相板と、前記第１の位相板の前記第１の非線形光導波路とは反対側に直接接続されて前記信号光及び前記変換光を反射させ前記制御光を透過させる第２の波長依存反射手段と、前記第２の波長依存反射手段と前記第２の非線形光導波路の間に直接接続され前記制御光波長の偏波を回転させる第２の位相板とを有し、前記信号光を前記第１の波長依存反射手段から前記第１の入射端を通じて前記第１の非線形光導波路へ入射し、１つないし２つの波長を持つ前記基本波を前記第２の非線形光導波路へ入射し、かつ該第２の非線形光導波路内で発生した前記制御光を前記第２の入射端側から前記第１の非線形光導波路へ入射することを特徴とする。
【００１８】
ここで、前記第１の非線形光導波路と前記第２の非線形光導波路は同一基板上に形成され、前記第１の非線形光導波路と前記第２の非線形光導波路の間に溝が設けられ、前記第１の位相板、前記第２の波長依存反射手段、および前記第２の位相板の３つが前記溝に挿入されていることを特徴とすることができる。
【００１９】
また、前記第１の非線形光導波路における信号光のモード径が第１の非線形光導波路の内側から前記第２の入射端に向かってテーパ状に拡大され、前記第１の非線形光導波路のテーパ部における制御光のモード径と等しくなるように、前記第２の非線形光導波路における制御光のモード径が前記第１の非線形光導波路へ向かう導波路端に向かって拡大されていることを特徴とすることができる。
【００２０】
また、前記第２の非線形光導波路の前記基本波の入射側に反射防止膜が付けられていることを特徴とすることができる。
【００２１】
また、前記第１の波長依存反射手段の前記信号光の入射側に該信号光と前記変更光とを分離するサーキュレータを配置したことを特徴とすることができる。
【００２２】
また、前記非線形光導波路は分極が周期的に反転されたＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、あるいはＬｉＮｂｘＴａｌ−ｘＯ３（０＜ｘ１）からなり、該非線形光導波路中のコア部とクラッド部の屈折率差がほぼ等しくなるように該コア部と該クラッド部の両方ないし片方に屈折率を変化させる元素が添加されており、該コア部には屈折率上昇元素が添加され、該クラッド部には、屈折率低下元素が添加されていることを特徴とすることができる。
【００２３】
また、前記屈折率上昇元素はＺｎであり、前記屈折率低下元素はＭｇ又はＩｎであることを特徴とすることができる。
【００２４】
また、前記波長依存反射手段は多層の反射膜からなることを特徴とすることができる。
【００２５】
（作用）
本発明では、波長依存反射手段を非線形光導波路の端面に直接接続し、差周波発生による波長変換やパラメトリック効果による光増幅を行う非線形光導波路への制御光、信号光の入出力がそれぞれ別の片方の導波路端のみから行われる構成であるので、制御光と信号光の結合をそれぞれ最適化した上で、非線形光導波路の往復を利用して信号光の偏波に依存しない動作が行え、これにより損失が少なく、かつ信号光の偏波に変換効率が依存しない高効率な偏波無依存波長変換機能あるいは光増幅機能を有する光学装置を実現できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２７】
本発明を適用した光学装置では、後述のように、波長の異なる制御光と信号光を別々に入出力することができるので、それぞれに最適な入出力手段を採用することができ、その結果として制御光と信号光の結合に伴う損失を最小限にとどめることができる。本発明では、このように信号光および制御光を最適に入射した上で、以下に述べるような動作原理により信号光の偏波に変換効率が依存しない動作を実現できる。
【００２８】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態における光学装置の動作原理を説明するための構成図である。図１中に示すように本発明による光学装置の主要部分は、二次の非線形光学効果を有する非線形材料１１に形成された光導波路１２、信号光を透過させ制御光を反射させる第１の波長依存反射手段１３、信号光波長の偏波を回転させる位相板１４、および信号光及び変換光を反射させて制御光を透過させる第２の波長依存反射手段１５によって構成される。
【００２９】
図１には、信号光、制御光の伝搬経路をそれぞれ１８，１９として示してある。図１中破線で示した制御光は、第２の波長依存反射手段１５を透過し、位相板１４を経て第２の入射端側１７から非線形光導波路１２に入射する。このとき後述するように、非線形光導波路部１２に使用する材料に応じて最も大きな波長変換効率が得られるように、制御光の偏波を制御して入射することが望ましい。
【００３０】
そして、図１に示すように、非線形光導波路１２を図面上の右から左に伝搬した制御光は第１の入射端１６に達し、第１の波長依存反射手段１３により反射されて今度は非線形光導波路１２中を第１の入射端１６から第２の入射端１７へ図面上の左から右に伝搬し、位相板１４を経て、第２の波長依存反射手段１５を透過し、外部へと出力される。
【００３１】
一方、図１中実線で示した信号光は、第１の波長依存反射手段１３を透過し、第１の入射端側１６から非線形光導波路１２に入射される。このとき、信号光は任意の偏波で入射されるため、通常、導波路１２が形成される面に平行なＴＥ偏波成分と垂直なＴＭ偏波成分の両方を含んでいる。例えば、信号光と制御光の両者がＴＭ偏波の場合に差周波発生による最大の変換効率が得られ、変換光の偏波もＴＭ偏波となる場合には、信号光のＴＭ偏波成分は非線形光導波路１２を図面上の左から右に伝搬しながら、同方向に伝搬する制御光との差周波発生効果により、ＴＭ偏波を有する差周波光へと変換される。そして、信号光のＴＥ偏波成分は、導波路１２を図面上の左から右に伝搬した後、位相板１４を経て、第２の波長依存反射手段１５で反射され、再度位相板１４を経て、第２の入射端１６に達するが、位相板１４を二回通過することにより、偏波が９０度回転されているため、復路はＴＭ偏波として導波路１２を図面上の右から左へと伝搬しながら、同方向に伝搬する制御光との差周波発生効果により、ＴＭ偏波を有する差周波光へと変換され、第１の波長依存反射手段１３を透過して外部へと出射される。
【００３２】
往路において変換された差周波光は、通常、信号光と近い波長帯となっているため、信号光と同様に位相板１４及び第２の反射手段１５により反射・偏波回転を受けるので、往路ではＴＥ偏波として導波路１２を伝搬し、復路にて変換されたＴＭ偏波を有する差周波光と同様に、外部へと出射される。
【００３３】
以上説明したように、本発明の第１の実施形態の構成によると、制御光、信号光を別々の方向から最適に入射して、導波路１２の往復を利用してＴＥ，ＴＭ両偏波の信号光を変換することができるので、信号光、制御光の損失が小さく、かつ変換効率が偏波に依存しない光駆動型の波長変換装置および光増幅装置を実現することができる。
【００３４】
本発明による上記の構成では、差周波発生に必要な波長の制御光を外部から直接入射して波長変換動作を行っているが、変換する波長の組み合わせによっては、制御光が特殊な波長となり、廉価な半導体レーザなどを制御光源として用意することが困難な場合も考えられる。このような場合にも、以下に説明するような構成とすれば上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
（第２の実施形態）
図２は本発明の第２の実施形態における光学装置の動作原理を説明するための構成図である。図２中に示すように、本発明による光学装置の主要部分は、二次の非線形光学効果を有する非線形材料２１に形成された第１の光導波路２２、同様の非線形材料に形成された第２の光導波路２３、信号光を透過させ制御光を反射させる第１の波長依存反射手段２４、信号光波長の偏波を回転させる第１の位相板２５および信号光及び変換光を反射させ制御光を透過させる第２の波長依存反射手段２６、および制御光波長の偏波を回転させる第２の位相板２７によって構成される。
【００３６】
図２には、実線で示した信号光、破線で示した制御光、および鎖線で示した基本波の伝搬経路を、それぞれ２８，２９，２１０として示してある。この構成では、図２に示すように、差周波発生による差周波光を発生するための第１の非線形光導波路２２と、制御光を発生するための第２の非線形光導波路２３とを有している。第２の非線形光導波路２２には１つないし２つの波長を持つ基本波を入射する。
【００３７】
基本波として１つの波長を入射する場合は、制御光の二倍の波長を入射する。この場合、第２の非線形光導波路２３中における第２高調波発生により、所望の波長の制御光が発生される。基本波として２つの波長を入射する場合は、制御光の波長をλ３、入射する基本波の波長をそれぞれλ１，λ２とすると、
１／λ３＝１／λ１＋１／λ２                            …（１）
の関係を満たすようにする。この場合、第２の非線形光導波路２３中における和周波発生により、所望の波長の制御光が発生される。
【００３８】
このようにして発生された制御光は、第２の位相板２７、第２の波長依存反射手段２６、第１の位相板２５を透過して、第１の非線形光導波路２２に第２の入射端側から入射される。このとき、第１の非線形光導波路部２２における制御光の偏波に、最も大きな波長変換効率が得られるように、第２の位相板２７を設定することが望ましい。
【００３９】
そして、非線形光導波路２２を図面上の右から左に伝搬した制御光は第１の入射端に達し、第１の波長依存反射手段２４により反射されて、今度は非線形光導波路２２中を第１の入射端から第２の入射端へ図面上の左から右に伝搬し、第１の位相板２５、第２の波長依存反射手段２６、第２の位相板２７、第２の非線形光導波路２３をそれぞれ通過して、外部へと出力される。
【００４０】
一方、信号光は前に説明した本発明による第１の実施形態と同様に波長依存反射手段１を透過し第１の入射端側から第１の非線形光導波路に入射される。この構成における第１の非線形光導波路中での信号光の伝搬、差周波光への変換は前述の第１の実施形態と同様であり、第２の波長依存反射手段による反射、および第１の位相板による偏光回転により、第１の非線形光導波を往復する間に信号光のＴＥ，ＴＭ偏波成分がそれぞれ差周波発生効果により差周波光へと変換され、第１の波長依存反射手段を透過して外部へと出射される。
【００４１】
この構成によると、第１と第２の非線形光導波路２２、２３の導波構造を同様のものにしておけば、両者２２、２３における制御光の伝搬モードを容易に同様とすることができるので、波長変換を行う第１の非線形光導波路２２への制御光の結合損失を小さく抑えることができる。また、この構成の場合も、信号光は基本波と別方向から入射するため、最適な光学系を採用することができる。
【００４２】
以上説明してきたように、本発明の第２の実施形態の構成によれば、制御光を第２高調波発生や和周波発生によって発生した場合でも、導波路の往復を利用してＴＥ，ＴＭ両偏波の信号光を変換することができるため、信号光，制御光の損失が小さく、かつ変換効率が偏波に依存しない光駆動型の波長変換装置および光増幅装置を実現することができる。
【００４３】
また、本発明の第２の実施形態による構成では、差周波発生による波長変換やパラメトリック効果による光増幅を行う導波路への制御光、信号光の入出力がそれぞれ片方の導波路端のみから行われるので、光の入出力を最適化した上で、導波路の往復を利用して信号光の偏波に依存しない動作が行えるため、損失が少なく高効率な偏波無依存波長変換装置を実現することができる。この作用は、本発明による上述したような装置構成をとることにより、始めて実現可能になるものである。
【００４４】
【実施例】
さらに、図面に基づいて本発明の具体的な実施例を説明する。
【００４５】
（第１の実施例）
図３に本発明の第１の実施例の光学装置の構成を示す。第１の実施例は図１を用いて説明した本発明の第１の実施形態の具体例に相当する。ここで、３１はＬｉＮｂＯ３基板、３２はＬｉＮｂＯ３基板上に形成された光導波路、３３は第１の波長依存反射膜、３４は位相板、３５は第２の波長依存反射膜、３６はＬｉＮｂＯ３の分極が反転された部分、３７はサーキュレータ、３８は信号光の進む方向、および３９は制御光の進む方向をそれぞれ表している。
【００４６】
本実施例では、波長０．７７１μｍの制御光を入射して、波長１．５３５μｍの信号光を波長１．５５０μｍの差周波光へ変換できるよう装置を構成した。本実施例では、ＬｉＮｂＯ３基板３１として、ＬｉＮｂＯ３のＺ板（Ｚ軸に垂直な面となるように切り出された基板）を用い、かつ信号光、制御光、差周波変換光の間の擬似位相整合条件を満たすよう、分極反転部３６を電界印加法により周期的に１８μｍで分極反転してある。この構成の場合、光導波路３２中における信号光、制御光の偏波がＴＭ方向のときに、差周波発生による波長変換が効率良く行われる。本実施例においては、光導波路３２として、ＴＥ，ＴＭの両方の偏波を導波する導波路を用いる必要がある。
【００４７】
本実施例では、Ｍｇが添加されたＬｉＮｂＯ３基板３１上にＺｎが添加されたＬｉＮｂＯ３が積層されており、エッチングによりＺｎ添加層を加工してリッジ形状とすることにより、導波路３２を構成した。ＭｇとＺｎの添加量は、ＴＥとＴＭ偏波に対する屈折率差が同程度となるように調節されている。
【００４８】
本実施例では、導波路３２の形状はリッジ型としたが、これ以外の埋め込み型、拡散型などいずれの形であっても、ＴＥ，ＴＭの両方の偏波を導波し、両偏波でのモード形状が同様のものであれば、同じように使用することができる。
【００４９】
本実施例では、導波路３２の導波路長を４０ｍｍとした。また、本実施例では、第１の波長依存反射手段として、導波路３２の端面に蒸着により、信号光の１．５５μｍ帯において１５３０ｎｍから１６００ｎｍまでの波長を透過し、制御光の０．７８μｍ帯において７６０ｎｍから８００ｎｍまでの波長を反射する多層膜３３を形成した。
【００５０】
本実施例では、導波路３２のもう一方の端面に、位相板３４を主軸方向が基板面に対して４５度の角度をなすようにして張り付けた。本実施例で用いた位相板３４は、信号光波長においては２つの直交する偏波成分間にほぼ１／４波長分の位相差を生じるように、厚みを調節して作製したものである。ここで、１／４波長分の位相差を与えるというのは、例えば３／４波長、５／４波長のように実質的に１／４波長分の位相差を与えるのと同様な、いわゆる高次の位相板であっても、同様の効果を得ることができることは言うまでもない。
【００５１】
さらに、本実施例では、第２の波長依存反射手段として、導波路３２の端面に張り付けた位相板３４の、導波路に接しているのとは反対の面に、蒸着により信号光の１．５５μｍ帯において１５３０ｎｍから１６００ｎｍまでの波長を反射し、制御光の０．７８μｍ帯において７６０ｎｍから８００ｎｍまでの波長を透過する多層膜３５を形成した。
【００５２】
本実施例では、導波路３２中で制御光がＴＭ偏光となるときに、最大の変換効率が得られる。制御光は第２の波長依存反射手段である多層の反射膜３５、位相板３４を通過して導波路３２に入射されるが、制御光の波長が信号光の波長に対して、ほぼ半分の波長となっているため、その波長板３４は制御光波長においては２つの直交する偏波成分間にほぼ１／２波長分の位相差を生じる。このため、本実施例では、制御光を横方向の偏光として入射することにより、制御光が位相板３４でＴＭ偏光に変換されて、導波路３２に入射されるようにした。ＴＭ偏光として入射した制御光は導波路３２を図３中では左から右へと伝搬したのち、第１の波長依存反射手段である多層の反射膜３３により反射されて、ＴＭ偏光のまま今度は右から左へと伝搬して出射される。
【００５３】
一方、信号光は、図３に示すように、サーキュレータ３７を介して制御光とは反対側から導波路３２へ入射する。信号光の偏波は基板３１に垂直な偏波、基板３１に平行な偏光、あるいは両者が混在したような任意の偏波が入射されるが、本実施例では、信号光の垂直偏波成分は導波路３２を図中３の左から右へと伝搬するときにＴＭモードとなり差周波光へ変換され、信号光の平行偏光成分は波長板３４、第２の波長依存反射手段である多層反射膜３５により偏波回転と、反射を受け、導波路３２を図３中の右から左へと伝搬するときにＴＭモードとなり、それぞれ差周波光へ変換される。
【００５４】
そして、導波路３２の往路で変換された変換光は、波長板３４、第２の波長依存反射手段である多層の反射膜３５により偏波回転と、反射を受け、復路はＴＥモードとして導波路３２を伝搬し、復路での変換光はＴＭモードとして伝搬し、導波路３２から出射され、第１の波長依存反射手段である多層の反射膜３３を透過して、サーキュレータ３７から出力される。
【００５５】
本実施例では、波長の異なる信号光と制御光の導波路３２への入出力をそれぞれ別々の一方の入出力端によって行うことができるため、信号光、制御光の結合をそれぞれ最適化することができ、かつ任意の偏波の信号光を入力しても、偏波に対する変換効率の変化の生じない波長変換動作が可能となる。本実施例に入射信号光を１ｍＷ、制御光を１５０ｍＷ入射したところ、１ｍＷの差周波光が得られ、１００％という極めて高い波長変換効率が、信号光の偏波に依存せず得られた。
【００５６】
（第２の実施例）
図４は本発明による第２の実施例の光学装置の構成を示す。第２の実施例は図２を用いて説明した本発明の第２の実施形態の具体例に相当する。ここで、４１はＬｉＮｂＯ３基板、４２はＬｉＮｂＯ３基板４１上に形成された第１の光導波路、４３はＬｉＮｂＯ３基板４１上に形成された第２の光導波路、４４は第１の波長依存反射膜、４５は第１の位相板、４６はＬｉＮｂＯ３の分極が反転された部分、４７は第２の波長依存反射膜、４８は第２の位相板、４９はサーキュレータ、４１０は反射防止膜、４１１は信号光の進む方向、４１２は基本波の進む方向をそれぞれ表している。
【００５７】
本実施例では、第１の実施例と同様に、周期約１８μｍで分極反転したＬｉＮｂＯ３のＺ板４１に形成した導波路を用いている。本実施例では、第１の導波路４２と第２の導波路４３を具えており、基本波として１．５４２μｍの基本波を第２の導波路４３に入射して第２高調波発生により波長０．７７１μｍの制御光を発生し、この制御光を第１の導波路４２に入射して波長変換できるように装置を構成した点が第１の実施例との大きな相違点である。
【００５８】
本実施例では、第１の導波路４２の導波路長を４０ｍｍ、第２の導波路４３の導波路長を２０ｍｍとした。本実施例を構成する際は、第１の導波路４２と第２の導波路４３をそれぞれ作製したのち、以下に述べる手順で全体を構成した。
【００５９】
まず。第１の導波路４２に対しては、第１の実施例と同様に、第１の波長依存反射手段として、一方の端面に蒸着により信号光の１．５５μｍ帯の波長を透過し、制御光の０．７８μｍ帯の波長を反射する多層膜４４を形成する。そして、その他方の端面に信号光波長において２つの直交する偏波成分間にほぼ１／４波長分の位相差を生じる位相板４５を主軸方向が基板面に対して４５度の角度をなすようにして張り付ける。さらに第２の波長依存反射手段として、導波路４２の端面に張り付けた位相板４５の、導波路に接しているのとは反対の面に蒸着により信号光の１．５５μｍ帯の波長を反射し、制御光の０．７８μｍ帯の波長を透過する多層膜４７を形成した。
【００６０】
一方、第２の導波路４３においては、一方の端面に蒸着により信号光の１．５５μｍ帯の波長をする多層膜による反射防止膜４１０を形成し、他方の端面に制御光波長において２つの直交する偏波成分間にほぼ１／２波長分の位相差を生じる第２の位相板４８を主軸方向が基板面に対して４５度の角度をなすようにして張り付けた。このようにして準備した２つの導波路４２、４３を、図４に示すように、第２の波長依存反射膜４７と第２の位相板４８が向き合うように接合して構成した。
【００６１】
本実施例では、基本波を第２の導波路４３に入射すると、第２高調波発生により制御光が発生され、この制御光は、第２の位相板４８、第２の波長依存反射膜４７、第１の位相板４５を通過して、第１の導波路４２に入射される。第２の導波路４３で発生される制御光はＴＭ偏波となるが、第２の位相板４８により一旦ＴＥ偏波に変換される。
【００６２】
本実施例では、制御光波長が信号光波長に対してほぼ半分の波長となっているため、第１の位相板４５は制御光波長においては２つの直交する偏波成分間にほぼ１／２波長分の位相差を生じる。したがって、制御光は第１の位相板４５により再びＴＭ偏波に変換されて、第１の導波路４２に入射される。差周波発生による波長変換が行われる第１の導波路４２内における制御光の伝搬は、第１の実施例と同様であり、導波路４２を往復する間に波長変換に寄与することになる。
【００６３】
他方、信号光は、図４に示すように、サーキュレータ４９を介して制御光とは反対側から導波路４２へ入射する。信号光の差周波光への変換は、第１の実施例と同様に行われ、第１の導波路４２を往復する間に、信号光の垂直偏波成分は往路でＴＭモードとなって差周波光へ変換され、信号光の平行偏光成分は復路でＴＭモードとなって差周波光へ変換される。これら差周波光はサーキュレータ４９から出力される。
【００６４】
本実施例では、波長の異なる信号光と制御光の導波路への入出力をそれぞれ別々の一方の入出力端によって行うことができるため、信号光、制御光の結合をそれぞれ最適化することができ、かつ任意の偏波の信号光を入力しても、偏波に対する変換効率の変化の生じない波長変換動作が可能となった。
【００６５】
なお、本実施例では、１つの波長の基本波を第２の非線形光導波路４３に入射して、第２高調波発生により制御光を発生したが、２つの波長の基本波を第２の非線形光導波路４３に入射して和周波発生により制御光を発生させて動作させても良い。例えば、基本波として１．３２μｍと１．５５μｍの光を第２の導波路４３に入射して、０．７１μｍの制御光を発生し、第１の導波路４２において１．３０μｍの信号光を１．５８μｍに変換するなどしても良い。
【００６６】
（第２の実施例の変形例）
なお、上記の第２の実施例では、第１の導波路と第２の導波路をそれぞれ作製したのちに接合して全体を構成したが、図５に示すように、第１の非線形光導波路５２と第２の非線形光導波路５３を同一基板５１上に形成し、この第１と第２の非線形光導波路５２、５３の間に溝５９を設け、第１の位相板５５、第２の波長依存反射膜５６、第２の位相板５７の３つをその溝５９に挿入して構成しても良い。
【００６７】
（第１の実施例の変形例）
図６は本発明の第１の実施例の変形例を示す図である。この基本構成は図３を用いて説明した第１の実施例とほぼ同じであるが、非線形光導波路６２の第２の入射端近傍における信号光のモード径がこの導波路の内側から導波路の端に向かってテーパ状に拡大するようにした点が異なる。６７がそのテーパ導波路部である。
【００６８】
この実施形態では、信号光が非線形光導波路６２から出射してから、位相板６４を透過し、第２の波長依存反射膜６５で反射され、再び位相板６４を透過して、非線形光導波路６２に再び入射するまでのビームの広がりによる結合の損失を小さくするために、非線形光導波路６２から出射する前の導波路６７のモード径を拡大している。導波路内でのモード径を拡大することで、導波路６２からの出射ビームの広がりが小さくなり、損失を抑えることができた。
【００６９】
この実施形態においては、第１の実施例と同様のリッジ導波路の幅を導波路６７の端に向かって徐々に小さくすることで、信号光の閉じこめを弱くして、モード径を拡大したので、第１の実施例と比較して、装置全体の変換効率をほぼ１．２倍に改善できた。
【００７０】
（第２の実施例の更なる変形例）
図７は本発明の第２の実施例の変形例を示す図である。この基本構成は図４、を用いて説明した第２の実施例とほぼ同じであるが、非線形光導波路７３の第２の入射端近傍における信号光のモード径が、この導波路７３の内側から導波路の端に向かってテーパ状７１０に拡大し、さらに第１の非線形光導波路７２のテーパ部７９における制御光のモード径と等しくなるように、その第２の非線形光導波路７３のその第１の非線形光導波路７２へ向かう導波路近傍における制御光のモード径が、導波路の端に向かって拡大するようにした点が第２の実施例と異なる。
【００７１】
この実施形態も、信号光の結合の損失を小さくするために、非線形光導波路７２から出射する前の導波路７９のモード径を拡大している。
【００７２】
具体的には、第２の実施例と同様に、リッジ導波路の幅をその導波路の端に向かってテーパ状７９に徐々に小さくすることで、信号光の閉じこめを弱くして、モード径を拡大している。このとき制御光の波長は、信号光の半分程度であるため、導波路の閉じこめ効果が大きく、信号光ほどではないが、上記の導波路テーパ部７１０において制御光のモード径も広がる。そこで、この第１の非線形光導波路のテーパ部７９における制御光のモード径と同程度となるように、第２の非線形光導波路７３の制御光のモードも拡大しておくのが良い。
【００７３】
この実施形態では、第１、第２の非線形光導波路は同様な構造であるので、図７に示すように、第２の非線形光導波路７３の片方の端７１０を第１の非線形光導波路７２のテーパ部７９と同様な形状にして、両者における制御光のモード径が同じになるようにしている。この構成により、第２の実施例と比較して、装置全体の変換効率をほぼ１．４倍に改善できた。
【００７４】
（その他の実施例）
ここで挙げた各実施例では、非線形材料として擬似位相整合型のＺ板ＬｉＮｂＯ３を用いたが、これに限らず、例えばＸ板や、Ｙ板や、あるいは任意のカット方向のＬｉＮｂＯ３や、ＬｉＴａＯ３や、他の二次非線形材料、あるいは擬似位相整合以外の位相整合法を用いても、上述の各実施例と同様の装置を構成することができる。
【００７５】
また、ここであげた各実施例では、リッジ型の導波路を用いているが、埋め込み型、拡散型などいずれの形の導波路であっても、本発明は同様に適用することができる。
【００７６】
また、ここにあげた各実施例では、波長依存反射手段として蒸着によって形成された誘電体多層膜を用いたが，これに限らず、例えば反射依存性のカプラと反射膜の組み合わせや、グレーティングなどを用いても良い。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、差周波発生による波長変換やパラメトリック効果による光増幅を行う非線形光導波路への制御光、信号光の入出力がそれぞれ別の片方の導波路端のみから行われる構成であるので、光の入出力を最適化した上で、非線形光導波路の往復を利用して信号光の偏波に依存しない動作が行え、これにより損失が少なく、かつ高効率な偏波無依存波長変換機能あるいは光増幅機能を有する光学装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における光学装置の動作原理を説明するための構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態における光学装置の動作原理を説明するための構成図である。
【図３】本発明の第１の実施例の光学装置の構成を示す構成図である。
【図４】本発明の第２の実施例の光学装置の構成を示す構成図である。
【図５】本発明の第２の実施例の変形例の光学装置の構成を示す構成図である。
【図６】本発明の第１の実施例の変形例の光学装置の構成を示す構成図である。
【図７】本発明の第２の実施例のさらなる変形例の光学装置の構成を示す構成図である。
【図８】従来の差周波発生を用いた波長変換素子の原理を説明する構成図である。
【図９】先願の偏波無依存型波長変換素子の原理を説明する構成図である。
【符号の説明】
１１  二次の非線形光学効果を有する非線形材料
１２  光導波路
１３  第１の波長依存反射手段
１４  位相板
１５  第２の波長依存反射手段
１６  第１の入射端
１７  第２の入射端
１８  信号光の伝搬経路
１９  制御光の伝搬経路
２１  二次の非線形光学効果を有する非線形材料
２２  第１の光導波路
２３  第２の光導波路
２４  第１の波長依存反射手段
２５  位相板
２６  第２の波長依存反射手段
２７  第２の位相板
２８  信号光の伝搬経路
２９  制御光の伝搬経路
２１０  基本波の伝搬経路
３１  ＬｉＮｂＯ３基板
３２  光導波路
３３  第１の波長依存反射膜
３４  位相板
３５  第２の波長依存反射膜
３６  ＬｉＮｂＯ３の分極が反転された部分
３７  サーキュレータ
３８  信号光、変換光の進む方向
３９  制御光の進む方向
４１  ＬｉＮｂＯ３基板
４２  第１の光導波路
４３  第２の光導波路
４４  第１の波長依存反射膜
４５  第１の位相板
４６  ＬｉＮｂＯ３の分極が反転された部分
４７  第２の波長依存反射膜
４８  第２の位相板
４９  サーキュレータ
４１０  反射防止膜
４１１  信号光、変換光の進む方向
４１２  基本波の進む方向
５１  ＬｉＮｂＯ３基板
５２  第１の光導波路
５３  第２の光導波路
５４  第１の波長依存反射膜
５５  位相板
５６  第２の波長依存反射膜
５７  第２位相板
５８  ＬｉＮｂＯ３の分極が反転された部分
５９  ＬｉＮｂＯ３基板に設けられた溝
５１０  反射防止膜
５１１  信号光、変換光の進む方向
５１２  基本波の進む方向
６１  ＬｉＮｂＯ３基板
６２  光導波路
６３  第１の波長依存反射膜
６４  位相板
６５  第２の波長依存反射膜
６６  ＬｉＮｂＯ３の分極が反転された部分
６７  テーパ導波路部
６８  サーキュレータ
６９  信号光、変換光の進む方向
６１０  制御光の進む方向
７１  ＬｉＮｂＯ３基板
７２  第１の光導波路
７３  第２の光導波路
７４  第１の波長依存反射膜
７５  位相板
７６  第２の波長依存反射膜
７７  第２の位相板
７８  ＬｉＮｂＯ３の分極が反転された部分
７９  第１の光導波路のテーパ部
７１０  第１の光導波路のテーパ部
７１１  反射防止膜
７１２  サーキュレータ
７１３  信号光、変換光の進む方向
７１４  基本波の進む方向
８１  合波器
８２  非線形光導波路
８３  分波器
８４  信号光の偏波方向
８５  制御光の偏波方向
８６  差周波光の偏波方向
９１  合波器
９２  非線形光導波路
９３  位相板
９４  分波器
９５，９６  信号光の偏波方向
９７  制御光の偏波方向
９８  位相板の複屈折の主軸方向
９９，９１０  差周波光の偏波方向
【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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