(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形結晶（13）内でのスペクトル許容性を増大させるための方法であって、
（ａ）複数の領域（5〜9，21〜24）として前記非線形結晶（13）を配置するステップであって、前記複数の領域（5〜9，21〜24）は、前記非線形結晶（13）を端から端まで連続的に横断するのに合わせて交番する極性を有する、ステップと、および
（ｂ）前記非線形結晶（13）を介して伝搬される集束光信号の位相整合の不均一なチャーピングをもたらすように、前記非線形結晶（13）にわたる領域（5〜9，21〜24）のポーリング期間を変化させるステップであって、チャープ傾斜が前記非線形結晶の中心に近いほど急傾斜であり、前記非線形結晶の端面へ向かうほどより緩やかになる、ステップとからなる、方法。
【請求項２】
前記ステップ（ａ）において、非線形結晶（13）が周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）からなる、請求項１の方法。
【請求項３】
前記ステップ（ｂ）において、前記非線形結晶（13）を介して伝搬される集束光信号の位相整合の非線形チャーピングをもたらすように、前記領域（5〜9，21〜24）のポーリング期間が前記非線形結晶（13）にわたって変化する、請求項１の方法。
【請求項４】
前記ステップ（ｂ）において、前記非線形結晶（13）を介して伝搬される集束光信号の位相整合の区分的線形チャーピングをもたらすように、前記領域（5〜9，21〜24）のポーリング期間が前記非線形結晶（13）にわたって変化する、請求項１の方法。
【請求項５】
スペクトル許容性を増した非線形結晶（13）であって、
前記非線形結晶（13）にわたって連続的に配置され、交番する極性を有する、複数の領域（5〜9，21〜24）を備え、
前記非線形結晶（13）を介して伝搬される集束光信号の位相整合の不均一なチャーピングをもたらすように、前記領域（5〜9，21〜24）のポーリング期間が前記非線形結晶（13）にわたって変化し、チャープ傾斜が前記非線形結晶の中心に近いほど急傾斜であり、前記非線形結晶の端面へ向かうほどより緩やかになる、非線形結晶（13）。
【請求項６】
前記非線形結晶（13）が、周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）からなる、請求項５の非線形結晶（13）。
【請求項７】
前記非線形結晶（13）を介して伝搬される集束光信号の位相整合の非線形チャーピングをもたらすように、前記領域（5〜9，21〜24）のポーリング期間が、前記非線形結晶（13）にわたって変化する、請求項５の非線形結晶（13）。
【請求項８】
前記非線形結晶（13）を介して伝搬される集束光信号の位相整合の区分的線形チャーピングをもたらすように、前記領域（5〜9，21〜24）のポーリング期間が前記非線形結晶（13）にわたって変化する、請求項５の非線形結晶（13）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光サンプリングディジタルオシロスコープなどの光システムに関し、特に不均一にチャープされた擬似位相整合により非線形光学系の波長範囲を増大させることに関する。
【０００２】
【従来の技術】
非線形結晶が、光ファイバ通信システム及び他の光信号処理システム内の光周波数（ＯＦ）混合器において用いられている。非線形結晶の一般的な二次ポーリング係数は、１ボルトにつき１０分の数ピコメータから数百ピコメータ（ｐｍ／Ｖ）まで及ぶ。この非線形レベルが電子ダイオードのそれと比較して低かった（pale）。非線形結晶を用いた効率的な光混合は、波長よりも数桁大きな相互作用長にわたる蓄積を必要とする。
【０００３】
光信号をストローブ信号と混合する用途の場合、適度の光学的ポンプパワーおよび適度の非線形係数に対して長い非線形結晶を用いることができる。しかしながら、全入力光子運動量が不確定性原理により強いられる限界に全出力光子運動量を等しくする場合にのみ、正味の蓄積が正確に生じる。相互作用長が短ければ短いほど、許容できる運動量誤差は大きくなる。光を（粒子説明の使用に対し）波動として考える場合、これは出力電磁波と入力波積との間の位相整合を必要とすることに相当する。
【０００４】
これまで、位相整合は４つの方法のうちの１つで行ってきた。第１の方法は、複屈折単結晶の角度調整である。第２の方法は、プロセスにおける最短波長に対するより高次の導波路モードでもって動作させることである。現在研究されている第３の方法は、光子結晶設計位相整合を用い、適切な波長依存法において線形特性を修正する。
【０００５】
位相整合を達成する第４の方法は、擬似位相整合（ＱＰＭ；Quasi-Phase-Matching）を用いることである。ＱＰＭを使用する場合、全ての線形特性を維持しながら、結晶領域は周期的に反転され非線形積の分極の符号を交互にする。ＱＰＭは、強誘電性結晶の周期的な電界ポーリングにより実施されてきた。例えば、周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ；Periodically Poled Lithium Niobate）は、一般にＱＰＭ用に用いられる。周期的なポーリングは、数ミクロンのスケールで結晶構造を周期的に反転することにより達成される。ＱＰＭはまた、閃亜鉛鉱類の周期的表面修正基板上で周期的に配向／非配向の結晶成長により実施されてきたが、この技術は多くの成功を収めてはいない。ＱＰＭに関するさらなる情報については、例えば、非特許文献１を参照されたい。
【０００６】
【非特許文献１】
Martin M.Fejer等著、「Quasi-Phase-Matched Second Harmonic Generation：Tuning and Tolerances」、IEEE Journal of Quantum Electronics、Vol.28、No.11、１９９２年１１月発行。
【非特許文献２】
Moshe NazarathyおよびD.W.Dolfi著、「Spread-spectrum nonlinear-optical interactions：quasi-phase matching with pseudorandom polarity reversals」、Optics Letters、Vol.12、page 823、１９８７年１０月発行。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
必然的な屈折率分散に起因して、全ての既知の位相整合方法がスペクトル許容性（spectral acceptance）を制限してきた。結晶のバンドギャップに近づくにつれ、屈折率は特異となる。既知の位相整合方法において、混合効率は所定の設計波長でピークに達するが、この効率は入力波長が離調するにつれて減少する。スペクトル許容性は、相互作用長に反比例する。すなわち、高効率と大きな波長範囲を同時に得ることは困難である。ほとんどの場合、上述した第２の方法（プロセス中の最短波長に対するより高次の導波モードでもって動作）と、第３の方法（光子結晶設計による適切な波長依存法において線形特性を修正する位相整合）は、状況を悪化させるだけである。何故なら幾何学的に関連する分散がバルク材料の分散よりも非常に大きくなる傾向があるからである。
【０００８】
従来の一般的なＱＰＭの実施において、ポーリング期間は非線形結晶全体にわたって一定である。しかしながら、別の周期パターンを「ディジタル的にディザーする」ために擬似ランダムな領域の反転を挿入することが、提案された。非特許文献２を参照されたい。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の好適な実施形態によれば、非線形結晶が集束光信号の混合に使用される。非線形結晶は、複数の領域を含む。これらの領域は、非線形結晶の端から端まで連続的に配置される。領域は、交番する極性を有する。領域のポーリング期間は、非線形結晶を介して伝搬される集束光信号の位相整合の不均一なチャーピングをもたらすように、非線形結晶にわたって変化する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、光サンプリングディジタルオシロスコープ内の光混合器を示す簡易ブロック図である。光信号源１１は、例えば１．５３マイクロメートル（μｍ）と１．６１μｍの間で変化する波長の光信号を供給する。
【００１１】
プローブ１６（ポンプとも呼ぶ）は、ほぼ１．５５μｍの波長を有する光波を備えた光ストローブ信号を生成する。各パルスは、ほぼ１ピコ秒（ｐｓ）の持続期間である。パルスとパルスとの間には、約２０ナノ秒（ｎｓ）の期間が存在する。
【００１２】
二次高調波発生器として動作する非線形結晶１７がプローブ１６からのストローブ信号を受け取り、約０．７７５μｍの波長の光を含むストローブ信号を生成する。例えば、非線形結晶１７は周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶である。
【００１３】
フィルタ１８は、ほぼ０．７７５μｍの波長を有するストローブ信号の部分を除く全てをフィルタリングして取り除く。
【００１４】
ダイプレクサ１２は、光源からの光信号とフィルタ１８からのストローブ信号を非線形結晶１３へ送る。例えば、非線形結晶１３は周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶である。ＰＰＬＮは現在最も普及しているＱＰＭ材料であるが、他の材料を用いることもできる。
【００１５】
非線形結晶１３は、非線形結晶１３への光源からの光信号とフィルタ１８からのストローブ信号を混合し、光信号とは別の約０．５２μｍの波長を有する光を含む和周波光信号を生成する。例えば、非線形結晶１３はチャープ（chirp：変動又は変化）させた周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶である。
【００１６】
フィルタ１４は、約０．５２μｍの波長を有するストローブ信号の部分を除く全てをフィルタリングして取り除く。検出器１５は、光サンプリングディジタルオシロスコープによる使用及び／又は表示のために、結果としての信号を検出する。
【００１７】
図２は、非線形結晶１３の構造を例示する。図２は、例示を目的とするだけであって、一定の縮尺で描かれていない。非線形結晶１３は、結晶の交番する領域を含む。これらは、図２において領域５、領域６、領域７、領域８、領域９、領域２１、領域２２、領域２３、および領域２４により表わされる。
【００１８】
非線形結晶１３の左端から右端にかけて、ポーリング期間（Λ）は増大する。ポーリング期間（Λ）（領域反転空間期間とも呼ぶ）は、２つの隣接する対向領域の長さの合計である。図２は、領域２３と領域２４の長さの合計としてのポーリング期間３１を示す。
【００１９】
例えば、ポーリング期間は非線形結晶１３の長さにわたって６．６μｍから７．５μｍまで線形的に増大する。非線形結晶において線形的にチャープされたポーリングのこのような使用は、ポーリング期間が非線形結晶にわたって概して一定である擬似位相整合（ＱＰＭ）の修正案である。この場合、ポーリング期間は非線形結晶にわたって一定のままであり、各領域のコヒーレント長（ｌｃ）の２培である。
【００２０】
非線形結晶にわたるポーリング期間をチャーピングすることにより、異なる入力−出力波長の組が非線形結晶１３の異なる部分で位相整合するようになる。結果として生じるチャープされた擬似位相整合（ＱＰＭ）が、非線形結晶１３のスペクトル許容性の幅を広げる。波長の変化する光の受容が要求される用途の場合、この広くなったスペクトル許容性は、固定周期ＱＰＭや他の一般に用いられる位相整合技術に対する利点である。
【００２１】
図３は、線形チャープのための非線形結晶１３の（座標３６上の）伝搬長に対する（座標３５上の）ポーリング期間を表わすトレース３７を示すグラフである。線形（すなわち、一様な）チャープは、ポーリング期間の長さの変化率が非線形結晶１３の全体にわたって一定であることを意味する。線形チャープの場合、非線形結晶を介して伝搬される集束光信号の位相整合は一様にチャープされる。不均一なチャーピングは、非線形結晶の全体にわたるポーリング期間の長さの変化率が一定でない場合に生じる。
【００２２】
線形チャープは、波形がｚとは無関係である場合、およびその場合にのみ最適となる（ただし、ｚは伝搬座標であり、ｘ，ｙは横座標である）。このことは、波が平面波である場合、または波が導波モードである場合に生じる。平面波は、線形光学または非線形光学において理論的に最も簡単に解析され得る。しかしながら、それらは、強度ひいては相互作用強度を犠牲にするという理由から、非線形光学系（ＮＬＯ）において実際に殆ど使用されていない。従って、線形的にチャープされたＱＰＭは、導波路ＮＬＯに最も良く適用される。
【００２３】
導波路ＮＬＯと対照的なのが、バルクＮＬＯである。バルクＮＬＯは、一般に結晶中心の近くに集束させたガウスビームを使用する。強度は焦点近傍で最高であり、非線形結晶の端面へ向けて減衰するため、線形チャーピングはもはや最適ではない。中心波長は、対称の（または、ほぼ対称の）偏角（argument）を調整することにより既に好都合にされている。焦点面近くの強度が増大することは、離調した波長を犠牲にして中心に同調された波長の応答をよりさらに高めるだけである。
【００２４】
チャープ傾斜が結晶の中心近くでより急傾斜であり、端面へ向けてより緩やかになる非線形（または、不均一な）チャープが、結晶面（すなわち、離調波長）か、それとは逆の中心同調波長のより短い相互作用長のいずれかの近くに位相整合される波長のより長い有効な相互作用長を生じる。このような非線形チャープは、波長対効率のより平坦な応答曲線を達成する。
【００２５】
図４は、上述の非線形チャープに対する非線形結晶１３の（座標４６上の）伝搬長に対する（座標４５上の）ポーリング期間を表わすトレース４７を示すグラフである。
【００２６】
図４は不均一なチャーピングの一例を与えるが、位相整合の他の不均一なチャーピングも好都合である。例えば、有用な非線形チャープの特に簡単な実施が、図５に示される区分的線形（ＰＷＬ；Piece Wise Linear）チャープである。
【００２７】
図５は、区分的線形チャープ用の非線形結晶１３の（座標５６上の）伝搬長に対する（座標５５上の）ポーリング期間を表わすトレース５７を示すグラフである。
【００２８】
図６は、周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）を用いた例示的な応答曲線計算を示す。ｘ軸は離調を表わし、ｙ軸は量子効率を表わす。この例では、信号の波長は、今日の光通信のＣバンド（１．５３〜１．５７μｍ）とＬバンド（１．５７〜１．６１μｍ）のと間にまたがる１．５７μｍに中心がある。ポンプ（ＬＯ）波長は、０．７８μｍである。３ｄＢスペクトル許容性は、１０４ナノメートル（ｎｍ）（すなわち、波長範囲は１．５１８〜１．６２２μｍである）である。比較のために、（端から端まで同一のすべてのチャープを有する）線形的にチャープされたＰＰＬＮの同一長さに対する３ｄＢ許容性はほぼ７８ナノメートルであり、非チャープＰＰＬＮの同一長さに対する３ｄＢ許容性は８ナノメートル未満である。
【００２９】
一つの代案は、各トラックが若干異なる期間を備えて、並んでいる固定周期トラックを用いることである。本質的に、各トラックは異なる波長チャンネルを表わす。この方式の欠点は、ユーザが波長を変えるたびに結晶を再配置する必要があるということである。
【００３０】
波長分割多重（ＷＤＭ）は、機械変換に置き換えることもできる。しかしながら、既存のＷＤＭ技術は光信号サンプリングの場合に適用できない。その理由は、ＷＤＭネットワークにより信号波長は適切にチャンネル選択され得るが、ポンプ波長は固定されており、ひいては正確にチャンネル化できないからである。広く調整できる「トラッキング」ポンプは、最初は解決策であるように思われるかもしれないが、信号とポンプは非縮退であり、通常のＷＤＭよりもネットワーク設計をさらに困難なものにする。周波数を２倍にすること、すなわち第二高調波発生（ＳＨＧ；Second Harmonic Generation）には、ＷＤＭ技法を適用することができる。しかしながら、計測の見地からは、ＳＨＧが比較的強い信号に関する自己相関情報を提供するだけであるのに対して、光通信信号の研究では非常に弱い信号に関する相関情報が望まれる。
【００３１】
位置制御に関する機械的ヒステリシス問題と時定数が存在するため、チャンネル切り替えに関連する休止時間は避けて通ることはできない。本発明の好適な実施形態は、機械的なステップモータを省くことにより、コストを節約してあらゆる休止時間を排除する。さらに、今後の光学系は、チャンネルごとにより少ないチャンネル化ならびにより広い帯域幅と、多重トラックにはさほど適合しないけれどもチャープされたＱＰＭによってより良く処理される状態とを用いることになるであろう。
【００３２】
非線形結晶において不均一にチャープされたポーリングを使用することは、チャーピングが一様に行われる線形チャーピングに対する改善である（非特許文献１を参照）。本明細書で説明された不均一なチャーピングを用いてスペクトル許容性の幅を広げることは、集束光ビームを考慮したものであり、それは従来技術に対して大幅な改善である。
【００３３】
前述の説明は、本発明の単なる例示的な方法および実施形態を開示し説明する。当業者には理解されるように、本発明は、その思想または必須の特徴から逸脱することなく他の特定の形態で具現化され得る。従って、本発明の開示は例示を意図するものであり、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を限定する意図はない。
【００３４】
【発明の効果】
本発明により、不均一なチャーピングを用いてスペクトル許容性の幅を広げることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施形態による光サンプリングディジタルオシロスコープ内の光混合器を示す簡易ブロック図である。
【図２】本発明の好適な実施形態による非線形光学素子として役立つチャープされた結晶構造の使用を例示する図である。
【図３】線形的にチャープされた結晶構造についての伝搬座標に対する疑似期間のグラフを示す図である。
【図４】本発明の好適な実施形態による非線形的にチャープされた結晶構造についての伝搬座標に対する疑似期間のグラフ例を示す図である。
【図５】本発明の好適な実施形態による区分的に線形チャープされた結晶構造についての伝搬座標に対する疑似期間のグラフ例を示す図である。
【図６】本発明の好適な実施形態による区分的に線形チャープされた結晶構造についての量子効率を例示するグラフである。
【符号の説明】
5〜9、21〜24  領域
11  光信号源
12  ダイプレクサ
13、17  非線形結晶
14、18  フィルタ
15  検出器
16  プローブ
31  ポーリング期間
【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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