JP3575434B2 - 光パラメトリック回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光非線形媒質の光パラメトリック効果を利用して入力信号光の波長変換または位相共役光の発生を行い、またこれらの光に対する増幅も可能にする光パラメトリック回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の波長変換には、光信号を電気信号に変換することなく、光のままで波長変換を行う素子が開発されている。このような素子には、半導体光増幅器や光ファイバの四光波混合を用いるものや、半導体光増幅器のクロスゲイン変調やクロスフェイズ変調を用いるものなどがある。
【０００３】
半導体光増幅器を用いた四光波混合では、図２４（ａ）に示すように、光非線形媒質である半導体光増幅器９１に信号光および励起光を入力し、励起光の光周波数ｆｐに対して信号光の光周波数ｆｓと対称な光周波数２ｆｐ−ｆｓの波長変換光（四光波混合光）を発生させ、光フィルタ９２で信号光および励起光から分離して取り出す。
【０００４】
半導体光増幅器のクロスゲイン変調では、図２４（ｂ）に示すように、波長λｐの励起光を入力して利得飽和状態にした半導体光増幅器９３に、異なる波長λｓの信号光を入力すると、信号光強度が強いときに励起光波長λｐに対する利得が低下する。これにより、波長λｐの励起光は信号光の反転論理で出力され、光フィルタ９４で波長λｓの信号光から分離して波長変換光として出力される。
半導体光増幅器のクロスフェイズ変調は、図２４（ｃ）に示すように、波長λｐの励起光を光カプラ９５−１で２分岐して２つの半導体光増幅器９６−１、９６−２に入力し、波長λｓの信号光を光カプラ９５−２を介して反対方向から一方の半導体光増幅器９６−１に入力し、２つの半導体光増幅器９６−１，９６−２の出力光を光カプラ９５−３で合波する構成である。半導体光増幅器９６−１に信号光を入力すると屈折率が変化し、通過する励起光の位相が変化する。そのため、２つの半導体光増幅器９６−１，９６−２の出力端に取り出される各励起光の位相が異なり、光カプラ９５−３で結合すると、位相変化が強度変化となって現れる。したがって、光カプラ９５−３の出力端には、波長λｓの信号光と同じ論理の波長λｐの励起光が波長変換光として出力される。
【０００５】
以上の半導体光増幅器を用いた構成は、いずれも使用する半導体素子の応答速度に限界があり、４０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速信号を処理するには、技術的な困難さと経済的な負担が大きい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような問題に対して、２次の光非線形媒質中における光パラメトリック過程を用いた波長変換が検討されている。２次の光非線形媒質は、応答速度が高速であり、１００Ｇｂｉｔ／ｓ以上の超高速光信号の波長変換も可能である。なお、光パラメトリック過程を用いた波長変換は、３次の光非線形媒質でも可能であるが、一般に２次の光非線形媒質は３次の光非線形媒質よりも非線形係数が大きく、短い結晶長で高効率に波長変換光を発生できることが知られている（参考文献：Ｍ．Ｈ．ｃｈｏ他、ＩＥＥＥフォトニクスレター誌、１１号、６５３頁、１９９９年）。
【０００７】
この光パラメトリック過程による波長変換は、進行波型素子を用いる方が一般に変換効率が高く、入力信号光と波長変換光が同一方向に出力されるような構成が望ましいと言われている。しかし、この構成では、入力信号光と波長変換光の波長差が小さい場合に、出力側において両者の分離が事実上不可能になる問題がある。
【０００８】
本発明は、高効率な進行波型パラメトリック波長変換を実現し、かつ入力信号光と発生した波長変換光（または位相共役光）の波長差が近接していても両者を完全分離できる光パラメトリック回路を提供することを目的とする。さらに、入力信号光から波長シフトのない位相共役光を発生させ、かつ両者を完全分離できる光パラメトリック回路を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、入力信号光に対して増幅された波長変換光（または位相共役光）を出力する波長変換（位相共役光発生）機能付き光増幅を可能とする光パラメトリック回路を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
図１は、本発明の光パラメトリック回路の基本構成を示す。
【００１１】
図において、本発明の光パラメトリック回路は、内部の２つの光経路にそれぞれ光分散媒質と２次の光非線形媒質を有する非線形マッハツェンダ干渉計により構成される。ただし、２つの光経路では、光分散媒質と２次の光非線形媒質の順番が逆になる。
【００１２】
信号光と励起光はＷＤＭカプラ１０で合波され、その合波光が光合分波器１１の一方の入力ポートから入力され、２つの光経路に分岐される。一方の光経路に分岐された合波光は、最初に光分散媒質１２に入力され、次に２次の光非線形媒質１３に入力される。他方の光経路に分岐された合波光は、最初に２次の光非線形媒質１４に入力され、次に光分散媒質１５に入力される。２次の光非線形媒質１３，１４で発生する波長変換光と、２つの光経路を通過する信号光および励起光は光合分波器１６で合波され、一方の出力ポートに信号光および励起光が出力され、他方の出力ポートに波長変換光が出力される。すなわち、信号光と波長変換光の波長差が近接あるいは０でも、両者を分離して出力できる構成であるが、その原理について以下に説明する。
【００１３】
信号光および励起光の電界をＥｓ， Ｅｐ、その光角周波数をω_Ｓ， ω_Ｐとすると、光合分波器１１から２つの光経路に出力される合波光の出力電界は、それぞれ
【００１４】
【数１】

となる。この一方の光経路に出力される合波光が光分散媒質１２に入力されると、信号光と励起光の位相差が変化し、その出力電界は、
【００１５】
【数２】

となる。ここで、β（ω_Ｓ）， β（ω_Ｐ）は光角周波数ω_Ｓ， ω_Ｐにおける光分散媒質１２の伝搬定数、Ｌ_ｄは光分散媒質１２の長さである。これが２次の光非線形媒質１３に入力されると波長変換光が発生する。この波長変換光の出力電界は、
【００１６】
【数３】

となる。ここで、η_ＰＤは波長変換効率（ω_Ｐ→ω_Ｓ）であり、励起光の光角周波数をω_Ｐ（ｒａｄ／ｓ）、信号光の光角周波数をω_Ｓ（ｒａｄ／ｓ）、真空誘電率をε_０（Ｆｍ^−２）、光速をｃ（ｍ／ｓ）、光非線形媒質１３の屈折率をｎ、有効長をＬ_ｎ（ｍ）、有効断面積をＡ（ｍ^２）、非線形光学定数をｄ（ｍ／Ｖ）、励起光パワーをＰ_Ｐ（Ｗ）とすると、
【００１７】
【数４】

となる。なお、η_ＰＤ′は変換パラメータである。また、各波長における２次の光非線形媒質１３の屈折率ｎは同一であるとした。また、ここでは単純化のために、信号光および励起光のエネルギーを不変としているが、厳密には光パラメトリック過程において信号光は増幅され、励起光は減衰することになる。
【００１８】
一方、光合分波器１１から他方の光経路に出力される合波光は、最初に２次の光非線形媒質１４に入力され、波長変換光を発生させる。この波長変換光の出力電界は、
【００１９】
【数５】

となる。これが光分散媒質１５に入力されるので、その出力電界は、
【００２０】
【数６】

となる。ここで、光分散媒質１５の材料パラメータは光分散媒質１２のものと全く同一としている。
【００２１】
光合分波器１６では、２次の光非線形媒質１３の出力（（３）式）と、光分散媒質１５の出力（（６）式）が合波されるので、出力ポート１および出力ポート２の出力電界は、
【００２２】
【数７】

となる。
【００２３】
すなわち、信号光および励起光は出力ポート１に出力され、波長変換光は出力ポート１および出力ポート２にそれぞれ出力される。ここで、各出力ポートに出力される波長変換光のパワーは、
Ｐ_１＝η_ＰＤ｜Ｅｓ｜^２［１＋ｃｏｓ｛（β（ω_Ｐ）−β（ω_Ｓ）−β（ω_Ｐ−ω_Ｓ））Ｌ_ｄ｝］ …（９）
Ｐ_２＝η_ＰＤ｜Ｅｓ｜^２［１−ｃｏｓ｛（β（ω_Ｐ）−β（ω_Ｓ）−β（ω_Ｐ−ω_Ｓ））Ｌ_ｄ｝］ …（１０）
となる。この式からも分かるように、波長変換光の出力は、光分散媒質１２，１５で与えられる位相シフトにより変化する。例えば、光分散媒質１２，１５において、ｎを整数とし、
ΔβＬ_ｄ＝（β（ω_Ｐ）−β（ω_Ｓ）−β（ω_Ｐ−ω_Ｓ））Ｌ_ｄ＝（２ｎ−１）π …（１１）
の条件が成立すると、波長変換光は信号光および励起光の出力ポート１とは異なる出力ポート２に１００％出力され、入力信号光との完全分離が実現する。
【００２４】
これは、波長変換光の波長が入力信号光の波長と全く同一になった場合でも成立する。ただし、この場合の波長変換光は、入力信号光に対して同一波長の位相共役光となる。
【００２５】
また、（３）式および（６）式において、η_ＰＤ＞＞１となるときは、入力信号光に対して波長変換光（位相共役光）が増幅されることになり、本光パラメトリック回路は光パラメトリック増幅器として機能することになる。
【００２６】
また、以上の説明は、信号光と励起光を合波し、非線形マッハツェンダ干渉計の光合分波器１１の一方の入力ポートから入力する構成に基づいたものであるが、光合分波器１１の２つの入力ポートから信号光と励起光をそれぞれ入力してもよい。この場合でも、（１１）式は波長変換光（位相共役光）と入力信号光の完全分離の条件となる。ただし、励起光は波長変換光（位相共役光）の出力ポートから出力されることになる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態：請求項１、請求項２）
図２は、本発明の光パラメトリック回路の第１の実施形態を示す。ここでは、信号光の波長を光伝送において有利な１５５０ｎｍ、励起光はその２次の高調波に相当する７７５ｎｍとし、入力信号光と同じ波長１５５０ｎｍの位相共役光を出力させる構成例を示す。
【００２８】
図において、半導体レーザ光源（ＬＤ）２１は電源２２により駆動され、波長７７５ｎｍで発振している。信号光と半導体レーザ光源２１から出力される励起光はＷＤＭカプラ２３で合波され、非線形マッハツェンダ干渉計２４に入力される。非線形マッハツェンダ干渉計２４は、２入力２出力の光合分波器２５，２６の間の２つの光経路に、光分散媒質としてのセレン化亜鉛２７，２８と、２次の光非線形媒質としてのＡＡＮＰ結晶２９，３０とを挿入した構成である。セレン化亜鉛２７とＡＡＮＰ結晶２９は一方の光経路を構成し、ＡＡＮＰ結晶３０とセレン化亜鉛２８は他方の光経路を構成する。
【００２９】
なお、本構成例では、各構成部品は空間系で光結合されており、２つの光経路内には反射ミラー３１，３２が設けられている。この実効的光学長は２つの光経路で同一になるように空間系部分の長さを同一とし、さらにＡＡＮＰ結晶２９，３０の光伝搬方向の長さを同一とし、かつセレン化亜鉛２７，２８の光伝搬方向の長さも同一とする。
【００３０】
ここで、光非線形媒質として用いられるＡＡＮＰ結晶２９，３０の長さＬ_ｎ＝０．５ｃｍ、有効断面積Ａ＝５００μｍ^２、２次の非線形係数ｄ＝１０^−２２（ＭＫＳ）とすると、（４）式より変換パラメータη_ＰＤ′は、
η_ＰＤ′＝３．６×１０^−５（ｍＷ^−１ｃｍ^−２） …（１２）
となり、励起光パワーＰ_Ｐ＝１０００ｍＷとすると、波長変換効率η_ＰＤは約４．５×１０^−３（−２３．５ｄＢ）となる。
【００３１】
次に、信号光と発生した位相共役光とを光パラメトリック回路の出力段で完全分離する鍵となるセレン化亜鉛２７，２８の長さＬ_ｄは、次のように計算される。セレン化亜鉛の屈折率は、励起光波長λ_ｐ＝７７５ｎｍにおいてｎ（λ_ｐ）＝２．５６、信号光波長λ_Ｓ＝１５５０ｎｍにおいてｎ（λ_Ｓ）＝２．４７であるので、これを（１１）式の左辺に代入し、右辺の値と等しくなるセレン化亜鉛の長さＬ_ｄを求める。ただし、λ_Ｐ＝２πｃ／ω_Ｐ、λ_Ｓ＝２πｃ／ω_Ｓである。（１１）式より、

であるので、Ｌ_ｄ＝４．３μｍ（ただし、ｎ＝１とする）が信号光と位相共役光を完全分離する条件となる。したがって、光分散媒質として長さ４．３μｍのセレン化亜鉛膜を用いた光パラメトリック回路を構成することにより、信号光と同一波長の位相共役光を信号光と完全に分離して出力ポート２から出力させることができる。
【００３２】
また、上記の構成において、光合分波器２５の２つの入力ポートに信号光と励起光をそれぞれ入力した場合には、出力ポート１に信号光が出力され、出力ポート２に位相共役光と励起光が出力される。この場合でも、位相共役光と励起光の波長差は大きいので、両者を容易に分離することができる。
【００３３】
なお、光非線形媒質を構成する光パラメトリック結晶としては、ＡＡＮＰ結晶の他に同じ有機材料のＭＭＡポリマやＤＡＮ結晶、無機結晶のＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰ（ＫＬｉＯＰＯ_４）、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）、ＫＮｂＯ_３等の材料、ＧａＮ、ＺｎＳＳｅ、ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ半導体、ＡｇＧａＳｅ_２、ＡｇＧａＳを用いることができる。また、光分散媒質としてはセレン化亜鉛の他に、フューズドシリカ、合成サファイヤ、人工水晶、熱膨張係数の小さいセラミックガラス等の材料を用いてもよい。
【００３４】
（第２の実施形態：請求項１、２、４）
図３は、本発明の光パラメトリック回路の第２の実施形態を示す。ここでは、信号光の波長を１５４５ｎｍと１５５５ｎｍの２チャネルとし、励起光はその２次の高調波に相当する７７５ｎｍとし、チャネル１の信号光とチャネル２の信号光の波長を入れ替える「波長チャネル交換」の構成例を示す。
【００３５】
非線形マッハツェンダ干渉計を用いた本実施形態の基本構成は、第１の実施形態とほぼ同じであるが、光分散媒質として合成サファイヤ３３，３４を用い、２次の光非線形媒質としてＬｉＴａＯ_３結晶３５，３６を用いる点が異なる。
【００３６】
さらに、本実施形態では、非線形マッハツェンダ干渉計２４の第２の光経路に挿入されるＬｉＴａＯ_３結晶３６の両面に電極３７，３８を蒸着し、電源３９からの電圧印加により光学長を調整する構成とする（図３（ｂ））。これは、非線形マッハツェンダ干渉計２４の２つの光経路の光学長誤差により、信号光および励起光と波長変換光（位相共役光）の出力ポートが入れ替わることがあるからである。
【００３７】
そこで、本来信号光および励起光が出力される出力ポート１に受光器４０を接続し、受光器内の帯域通過フィルタを介して励起光を選択的にモニタし、その受光量に応じた検出出力を制御回路４１に与える。制御回路４１は、励起光の受光量が最大になるように電源３９を制御する。これにより、出力ポート２に波長変換光を出力させることができる。このように、非線形マッハツェンダ干渉計２４の製作誤差に対して、光学長の調整を行うフィードバック系を備えることにより、ロバストな系を実現することができる。
【００３８】
ここで、光非線形媒質として用いるＬｉＴａＯ_３結晶３５，３６の長さＬ_ｎ＝０．５ｃｍ、有効断面積Ａ＝５００μｍ^２、２次の非線形係数ｄ＝２．５×１０^−２３（ＭＫＳ）とすると、（４）式より変換パラメータη_ＰＤ′は、
η_ＰＤ′＝４．７×１０^−５（ｍＷ^−１ｃｍ^−２）（１４）
となり、励起光パワーＰ_Ｐ＝１０００ｍＷとすると、波長変換効率η_ＰＤは約５．１２５×１０^−３（−２２．９ｄ８）となる。
【００３９】
次に、信号光と発生した波長変換光とを光パラメトリック回路の出力段で完全分離する鍵となる合成サファイヤ３３，３４の長さＬ_ｄは、次のように計算される。合成サファイヤの屈折率は、励起光波長λ_ｐ＝７７５ｎｍにおいてｎ（λ_ｐ）＝１．７６２、信号光波長λ_Ｓ＝１５５０ｎｍにおいてｎ（λ_Ｓ）＝１．７４６であるので、これを（１１）式の左辺に代入し、右辺の値と等しくなる合成サファイヤの長さＬ_ｄを求める。（１１）式より、

であるので、Ｌ_ｄ＝２４．２μｍ（ただし、ｎ＝１とする）が信号光と波長変換光を完全分離する条件となる。したがって、光分散媒質として長さ２４．２μｍの合成サファイヤを用いた光パラメトリック回路を構成することにより、波長１５４５ｎｍのチャネル１の信号光と、波長１５５５ｎｍのチャネル２の信号光の波長を入れ替えた各波長変換光を、入力信号光と完全に分離して出力ポート２から出力させることができる。
【００４０】
また、上記の構成において、光合分波器２５の２つの入力ポートに信号光と励起光をそれそれ入力した場合には、出力ポート１に信号光が出力され、出力ポート２に波長変換光と励起光が出力される。したがって、励起光をモニタする受光器４０は、出力ポート２側に光カプラまたは光分波器を介して接続される。この場合でも、波長変換光と励起光の波長差は大きいので、両者を容易に分離することができる。以下に説明する実施形態においても同様である。
【００４１】
なお、光非線形媒質を構成する光パラメトリック結晶としては、ＬｉＴａＯ_３結晶の他に同じ無機結晶のＬｉＮｂＯ_３、ＫＴＰ（ＫＬｉＯＰＯ_４）、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）、ＫＮｂＯ_３等の材料、有機材料のＡＡＮＰ結晶、ＭＭＡポリマやＤＡＮ結晶、ＧａＮ、ＺｎＳＳｅ、ＧａＡｓ／ＧａＡＬＡｓ半導体、ＡｇＧａＳｅ_２、ＡｇＧａＳを用いることができる。また、光分散媒質として合成サファイヤの他に、セレン化亜鉛、フューズドシリカ、人工水晶、熱膨張係数の小さいセラミックガラス等の材料を用いてもよい。
【００４２】
（第３の実施形態：請求項１、２、４）
図４は、本発明の光パラメトリック回路の第３の実施形態を示す。ここでは、信号光の波長を光伝送において有利な１５５０ｎｍ、励起光はその２次の高調波に相当する７７５ｎｍとし、入力信号光と同じ波長１５５０ｎｍの位相共役光を出力させる構成例を示す。
【００４３】
非線形マッハツェンダ干渉計を用いた本実施形態の基本構成は、第１の実施形態とほば同じであるが、光分散媒質としてフューズドシリカ４２，４３を用い、２次の光非線形媒質としてＧａＡｌＡｓ半導体導波路４４，４５を用いる点が異なる。ＧａＡｌＡｓ半導体導波路４４，４５にはそれぞれ電源４６，４７が接続され、５０ｍＡの電流を注入している。
【００４４】
さらに、本実施形態は、第２の実施形態と同様に非線形マッハツェンダ干渉計２４の光学長誤差を補償するために、励起光パワーをモニタする受光器４０および制御回路４１を備え、制御回路４１の出力を電源４７にフィードバックする構成とする。これにより、出力ポート２に位相共役光を出力させることができ、非線形マッハツェンダ干渉計２４の製作誤差に対して、ロバストな系を実現することができる。
【００４５】
ここで、２次の光非線形媒質として用いるＧａＡｌＡｓ半導体導波路４４，４５は、導波路構造になっている。これにより、励起光の光閉じ込め効果を高め、有効断面積を小さくして同じ励起光パワーでも変換効率が高まるようにしている。その長さＬ_ｎ＝０．２ｃｍ、有効断面積Ａ＝５０μｍ^２、２次の非線形係数ｄ＝１．３×１０^−２１（ＭＫＳ）とすると、（４）式より変換パラメータη_ＰＤ′は、
η_ＰＤ′＝６．２６×１０^−２（ｍＷ^−１ｃｍ^−２） …（１６）
となり、励起光パワーＰ_Ｐ＝１００ｍＷとすると、波長変換効率η_ＰＤは約１．２５×１０^−１（−９．０３ｄＢ）となり、第２の実施形態と比べて励起光パワーを一桁小さくしてもかなり大きな変換効率が得られる。
【００４６】
次に、信号光と発生した位相共役光とを光パラメトリック回路の出力段で完全分離する鍵となるフューズドシリカ４２，４３の長さＬ_ｄは、次のように計算される。フューズドシリカの屈折率は、励起光波長λ_ｐ＝７７５ｎｍにおいてｎ（λ_ｐ）＝１．４５４、信号光波長λ_Ｓ＝１５５０ｎｍにおいてｎ（λ_Ｓ）＝１．４４４であるので、（１１）式より、

であるので、Ｌ_ｄ＝３８．８μｍ（ただし、ｎ＝１とする）が信号光と位相共役光を完全分離する条件となる。したがって、光分散媒質として長さ３８．８μｍのフューズドシリカを用いた光パラメトリック回路を構成することにより、信号光と同一波長の位相共役光を信号光と完全に分離して出力ポート２から出力させることができる。
【００４７】
なお、本実施形態に用いる光導波路としては、ＧａＡｌＡｓ半導体の他にＧａＮ系半導体、ＺｎＳＳｅ系半導体、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰ（ＫＬｉＯＰＯ_４）、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）、ＫＮｂＯ_３等の材料を用いることができる。また、光分散媒質としてフューズドシリカ（長さ３８．８μｍ）の他に、セレン化亜鉛（第１の実施形態：長さ４．３μｍ）、合成サファイヤ（第２の実施形態：長さ２４．２μｍ）、人工水晶、熱膨張係数の小さいセラミックガラス等の材料を用いてもよい。
【００４８】
（第４の実施形態：請求項１、２、４）
図５は、本発明の光パラメトリック回路の第４の実施形態を示す。ここでは、信号光の波長を１５４９ｎｍ、励起光はその２次の高調波に相当する７７５ｎｍとし、波長１５５１ｎｍの波長変換光を出力させる構成例を示す。
【００４９】
非線形マッハツェンダ干渉計を用いた本実施形態の基本構成は、第１の実施形態とほぼ同じであるが、光分散媒質として合成サファイヤ３３，３４を用い、２次の光非線形媒質として疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９を用いる点が異なる。疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９は、図５（ｂ）に示すように、ＬｉＮｂＯ_３基板５３に製作時の電圧印加により所定の間隔で分極反転領域５０を形成し、かつチタン（Ｔｉ）を拡散することにより２本のＬｉＮｂＯ_３導波路を形成したものである。この導波路構造により、励起光の閉じ込め効果を高め有効断面積を小さくするとともに、励起光と信号光間での位相整合が図られるように設計されている。
【００５０】
第３の実施形態では、ＧａＡｌＡｓ半導体導波路４４，４５を光非線形媒質として用いたが、励起光と信号光波長における屈折率が大きく異なるので、図６に示すように位相不整合が累積し、そのままでは位相整合を図ることが困難である。これは、ＬｉＮｂＯ_３等の無機結晶導波路、ＡＡＮＰ等の有機結晶導波路を用いた場合でも生じる一般的な問題である。周期的な分極反転構造は、その対策として一般的に用いられており、所定の周期でＬｉＮｂＯ_３の分極方向を反転させることにより、励起光と信号光の位相不整合の累積を抑圧し、位相整合条件を保ちながら導波路の長尺化を可能にしている。その結果、同一の励起光パワーでも変換効率を高めることが可能となる。
【００５１】
さらに、本実施形態は、第２の実施形態と同様に非線形マッハツェンダ干渉計２４の光学長誤差を補償するために、２次の光非線形媒質に電圧を印加する電極３７，３８および電源３９を備え、さらに励起光パワーをモニタする受光器４０および制御回路４１を備え、制御回路４１の出力を電源３９にフィードバックする構成とする。これにより、出力ポート２に波長変換光を出力させることができ、非線形マッハツェンダ干渉計２４の製作誤差に対してロバストな系を実現することができる。
【００５２】
ここで、光非線形媒質として用いる疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９の長さＬ_ｎ＝６ｃｍ、有効断面積Ａ＝５０μｍ^２、２次の非線形係数ｄ＝５×１０^−２３（ＭＫＳ）とすると、（４）式より変換パラメータη_ＰＤ′は、
η_ＰＤ′＝９．２×１０^−５（ｍＷ^−１ｃｍ^−２） …（１８）
となり、励起光パワーＰ_Ｐ＝１０００ｍＷとすると、波長変換効率η_ＰＤは約１．６６（２．２ｄＢ）となる。この場合には、波長変換のみならず、波長変換光の増幅も可能になっている。
【００５３】
次に、信号光と発生した波長変換光とを光パラメトリック回路の出力段で完全分離する鍵となる合成サファイヤ３３，３４の長さＬ_ｄは、第２の実施形態と同様である。すなわち、光分散媒質として長さ２４．２μｍの合成サファイヤを用いた光パラメトリック回路を構成することにより、波長変換光を信号光と完全に分離して出力ポート２から出力させることができる。
【００５４】
なお、光非線形媒質を構成する疑似位相整合光導波路としては、ＬｉＮｂＯ_３の他に、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰ（ＫＬｉＯＰＯ_４）、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）、ＫＮｂＯ_３等の材料や、ＧａＡｌＡｓ系半導体、ＧａＮ系半導体、ＺｎＳＳｅ系半導体を用いることができる。また、光分散媒質として合成サファイヤの他に、セレン化亜鉛、フューズドシリカ、人工水晶、熱膨張係数の小さいセラミックガラス等の材料を用いてもよい。
【００５５】
（第５の実施形態：請求項１、２、４）
図７は、本発明の光パラメトリック回路の第５の実施形態を示す。ここでは、信号光の波長を１５５０ｎｍ、励起光はその２次の高調波に相当する７７５ｎｍとし、入力信号光と同じ波長１５５０ｎｍの位相共役光を出力させる構成例を示す。
【００５６】
本実施形態の基本構成は第４の実施形態とほぼ同じであるが、光分散媒質としてフューズドシリカ４２，４３を用い、２次の光非線形媒質として用いる疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９の入力端面または出力端面に蒸着し、これらをモノリシックに構成した点が異なる。このフューズドシリカ４２，４３は、第３の実施形態で光分散媒質として用いられているものと同じ３８．８μｍの厚さで蒸着される。これにより、第４の実施形態と同一性能を有しながら、光回路部品点数の削減によるコスト低減が可能となり、量産性にも優れたものとなる。
【００５７】
なお、本実施形態に用いる光分散媒質としては、フューズドシリカの他に、合成サファイヤ薄膜、石英薄膜、数種類の屈折率が異なるガラス材料をはじめとする誘電体を積層した誘電体多層膜を用いてもよい。
【００５８】
（第６の実施形態：請求項１、２、４）
図８は、本発明の光パラメトリック回路の第６の実施形態を示す。ここでは、信号光の波長を１５５０ｎｍ、励起光はその２次の高調波に相当する７７５ｎｍとし、信号光波長と同じ波長１５５０ｎｍの位相共役光を出力させる構成例を示す。
【００５９】
本実施形態の基本構成は第４の実施形態とほぼ同じであるが、ＬｉＮｂＯ_３基板５３上に、光分散媒質として非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１，５２と、２次の光非線形媒質として疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９とをモノリシックに構成した点が異なる。第４の実施形態でも説明したように、通常のＬｉＮｂＯ_３導波路では励起光と信号光間で伝搬係数が大きく異なるが、本実施形態ではこの性質を光分散媒質として利用し、非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１，５２として用いたものである。これにより、光分散媒質と光非線形媒質を集積化することができ、第４の実施形態に比べて結合損失等を低減できるとともに、光回路部品点数の削減によるコスト低減が可能となり、量産性にも優れたものとなる。
【００６０】
さらに、本実施形態は、第２の実施形態と同様に非線形マッハツェンダ干渉計２４の光学長誤差を補償するために、２次の光非線形媒質に電圧を印加する電源３９を備え、さらに励起光パワーをモニタする受光器４０および制御回路４１を備え、制御回路４１の出力を電源３９にフィードバックする構成とする。これにより、出力ポート２に波長変換光を出力させることができ、非線形マッハツェンダ干渉計２４の製作誤差に対してロバストな系を実現することができる。
【００６１】
２次の光非線形媒質として疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９を用いたことによる波長変換効率η_ＰＤは、第４の実施形態と同一条件で約１．６６（２．２ｄＢ）となる。この場合には、位相共役光の増幅も可能になっている。
【００６２】
次に、信号光と発生した位相共役光とを光パラメトリック回路の出力段で完全分離する鍵となる非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１，５２の長さＬ_ｄは、次のように計算される。非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１，５２の屈折率は、励起光波長λ_ｐ＝７７５ｎｍにおいてｎ（λ_ｐ）＝２．２６、信号光波長λ_Ｓ＝１５５０ｎｍにおいてｎ（λ_Ｓ）＝２．２２であるので、（１１）式より、

であるので、Ｌ_ｄ＝９．７μｍ（ただし、ｎ＝１とする）が信号光と位相共役光を完全分離する条件となる。したがって、光分散媒質として長さ９．７μｍの非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路を用いた光パラメトリック回路を構成することにより、信号光と同一波長の位相共役光を信号光と完全に分離して出力ポート２から出力させることができる。
【００６３】
なお、本実施形態に用いる光導波路としては、ＬｉＮｂＯ_３の他に、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰ（ＫＬｉＯＰＯ_４）、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）、ＫＮｂＯ_３等の材料を用いることができる。
【００６４】
（第６の実施形態の変形１）
疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９を形成するＬｉＮｂＯ_３基板５３は、図５（ｂ）に示すように、分極反転領域５０が所定の周期で繰り返され、その間に非分極反転領域が形成される。ここで、疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９の非分極反転領域の長さと、非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１，５２の長さＬ_ｄが一致するように設定すると、疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９の非分極反転領域の１つを、非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１，５２として利用することが可能となる。
【００６５】
図９は、第６の実施形態の変形１における光分散媒質および２次の光非線形媒質の構成例を示す。図において、２次の光非線形媒質となる疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９は、分極反転領域５０と非分極反転領域７０で（４）式の非線形光学定数ｄの絶対値が一致し、符号のみが反転しているものとする。すなわち、分極反転領域５０と非分極反転領域７０の長さが一致し、分極反転周期の１／２とする。
【００６６】
ここで、図９（ａ）に示すように、疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９のそれぞれの分極反転領域５０と非分極反転領域７０が交互になるように形成し、かつそれぞれの長さを９．７μｍとする。これにより、疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８の最初の非分極反転領域７０を、一方の光分散媒質となる長さ９．７μｍの非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１とし、疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４９の最後の非分極反転領域７０を、他方の光分散媒質となる長さ９．７μｍの非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５２とすることができる。すなわち、見かけ上、光分散媒質と光非線形媒質の区別がなくなる。
【００６７】
また、図９（ｂ）に示すように、凝似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９が分極反転周期の１／２だけずらして形成されるＬｉＮｂＯ_３基板５３を用い、疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９のそれぞれの分極反転領域５０と非分極反転領域７０の位置が重なるようにしても同様である。
【００６８】
（第６の実施形態の変形２）
第６の実施形態の変形１により、疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９の非分極反転領域の１つを、非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１，５２として利用できるという利点があるが、位相整合条件を満足し、変換効率を高めることができる７８０ｎｍ帯の励起光の波長範囲が単一であり、極めて狭く、励起光波長或いは波長変換光の変換波長を選択できないという問題がある。
【００６９】
すなわち、図１０（ａ）に示すような非線形光学定数ｄと−ｄの部分が交互に配置される疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路（分極反転導波路）では、図１０（ｂ）に示すように、変換効率を高めることができる励起光の幅が１つしか現れず、極めて狭い（１ｎｍ程度）。
【００７０】
この問題を解決する方法の一つとして、分極反転導波路に変調を加える方法がある。この方法を用いることにより、位相整合条件を複数の励起光波長帯で満足させることが可能になる。
【００７１】
例えば、図１１（ａ）の（２）に示すようなｄと−ｄの部分が交互に配置される分極反転導波路に対して、（１）に示す変調パタンを掛け合わせ、（３）に示す分極反転導波路を得る。この分極反転導波路を用いると、図１１（ｂ）に示すように、位相整合条件を満足させる励起光の波長範囲が２ヶ所となり、この場合、２波長から励起光を選択できることとなる。なお、掛け合わせるとは、例えば、変調パタンが＋１の位置にある分極反転導波路の部分がｄであれば＋１×ｄとし、−ｄであれば＋１×（−ｄ）とすることをいう。
【００７２】
本実施例では、分極反転に図１２（ａ）に示すような３重の変調を加え８つの励起光波長帯で位相整合条件を満足できるようにした例を示す。それぞれの変調周期は、１４ｍｍ、７ｍｍ、３．５ｍｍである。これらにより、図１２（ｂ）に示すように、１５５０ｎｍの二次の高調波に相当する７７５ｎｍを中心に０．８ｎｍ間隔で７７２．２，７７３．０，７７３．８，７７４．６，７７５．４，７７６．２，７７７．０，７７７．８ｎｍに位相整合波長が形成される。
【００７３】
この場合においても、疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８、４９の分極反転は、図１３に示すように、互いに反相の関係にある。
【００７４】
この構成により、励起光波長を変化させることで、波長変換光の波長を変化させることができる。例えば、１５５０ｎｍの信号光入力に対して上記の励起光を適宜選択することにより、波長変換光の波長を１５１５ｎｍ〜１５８５ｎｍの範囲で選択することができるようになる。
【００７５】
（第７の実施形態：請求項１、２、４）
図１４は、本発明の光パラメトリック回路の第７の実施形態を示す。ここでは、信号光の波長を１５５０ｎｍ、励起光はその２次の高調波に相当する７７５ｎｍとし、信号光波長と同じ波長１５５０ｎｍの位相共役光を出力させる構成例を示す。
【００７６】
本実施形態の基本構成は第６の実施形態とはぼ同じであるが、ここでは非線形マッハツェンダ干渉計２４全体がＬｉＮｂＯ_３基板５３上の光導波路で構成された点が異なる。すなわち、光合分波器２５，２６、光分散媒質として用いる非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１，５２、２次の光非線形媒質として用いる疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９がモノリシックに構成される。これにより、第６の実施形態と同一の性能を有しながら、さらに光回路部品点数の削減によるコスト低減が可能となり、量産性にも優れたものとなる。
【００７７】
２次の光非線形媒質として疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９を用いたことによる波長変換効率η_ＰＤは、第４の実施形態と同一条件で約１．６６（２．２ｄＢ）となる。この場合には、位相共役光の増幅も可能になっている。
【００７８】
また、光分散媒質として用いる非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１，５２の長さＬ_ｄは、第６の実施形態と同一条件で９．７μｍとなる。すなわち、光分散媒質として長さ９．７μｍの非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路を用いた光パラメトリック回路を構成することにより、信号光と同一波長の位相共役光を信号光と完全に分離して出力ポート２から出力させることができる。なお、非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１，５２と疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９について、図９（ａ）に示すような構成をとることができる。以下に示す各実施形態においても同様である。
【００７９】
また、本実施形態に用いる光導波路としては、ＬｉＮｂＯ_３の他に、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰ（ＫＬｉＯＰＯ_４）、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）、ＫＮｂＯ_３等の材料を用いることができる。
【００８０】
（第８の実施形態：請求項１、２、４）
図１５は、本発明の光パラメトリック回路の第８の実施形態を示す。ここでは、信号光の波長を１５５０ｎｍ、励起光はその２次の高調波に相当する７７５ｎｍとし、信号光波長と同じ波長１５５０ｎｍの位相共役光を出力させる構成例を示す。
【００８１】
本実施形態の基本構成は第７の実施形態とほぼ同じであるが、ここでは非線形マッハツェンダ干渉計２４全体が石英基板６０上の光導波路で構成された点が異なる。すなわち、光合分波器２５，２６、光分散媒質として用いる石英光導波路６１〜６４、２次の光非線形媒質として用いる疑似位相整合ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ導波路６５，６６がモノリシックに構成される。なお、石英光導波路６１〜６４は、信号光と励起光間で伝搬係数が大きく異なるので、光分散媒質として用いたものである。また、本構成では見かけ上、光分散媒質が光非線形媒質の入出力両端に合計４箇所配置されているが、入力側の石英光導波路６１，６２の長さの差、出力側の石英光導波路６３，６４の長さの差が、それそれ信号光と位相共役光（波長変換光）とを分離する光分散媒質として機能することになる。
【００８２】
疑似位相整合ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ導波路６５，６６は、図１５（ｂ）に示すように、Ｇａ原子とＡｓ原子の配置が逆転した分極反転領域を導波路の長手方向に周期的に配置して構成される。このような導波路の製作プロセスは、例えば１９９９年のＪａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ誌 （Ｓｈｉｎｊｉ Ｋｏｈ ｅｔ ａｌ．，”ＧａＡｓ／Ｇｅ／ＧａＡｓ Ｓｕｂｌａｔｔｉｃｅ Ｒｅｖｅｒｓａｌ Ｅｐｉｔａｘｙ ｏｎ ＧａＡｓ （１００） ａｎｄ （１１１） Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ｆｏｒ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅｓ”， Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ．３８， Ｌ５０８−Ｌ５１１， １９９９）に記載されている。この導波路構造により、励起光の閉じ込め効果を高め有効断面積を小さくするとともに、励起光と信号光間での位相整合が図られるように設計されている。
【００８３】
ここで、疑似位相整合ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ導波路６５，６６の長さＬ_ｎ＝１ｍｍ、有効断面積Ａ＝１２．５μｍ^２、２次の非線形係数ｄ＝１×１０^−２１（ＭＫＳ）、屈折率３．５とすると、（４）式より変換パラメータη_ＰＤ′は、
η_ＰＤ′＝１．６×１０^−４（ｍＷ^−１ｃｍ^−２） …（２０）
となり、励起光パワーＰ_Ｐ＝５００ｍＷとすると、波長変換効率η_ＰＤは約２．７（１．４ｄＢ）となる。この場合には、波長変換のみならず、位相共役光の増幅も可能になっている。
【００８４】
次に、信号光と発生した位相共役光とを光パラメトリック回路の出力段で完全分離する鍵となる石英光導波路６１と６２（６３と６４）の長さの差Ｌ_ｄは、次のように計算される。石英光導波路の等価屈折率は、励起光波長λ_ｐ＝７７５ｎｍにおいてｎ（λ_ｐ）＝１．４５４、信号光波長λ_Ｓ＝１５５０ｎｍにおいてｎ（λ_Ｓ）＝１．４４４であるので、（１１）式より、

となり、Ｌ_ｄ＝３８．８μｍ（ただし、ｎ＝１とする）が信号光と位相共役光を完全分離する条件となる。したがって、石英光導波路６１と６２の長さの差および石英光導波路６３と６４の長さの差を３８．８μｍの整数倍に設定すれば、信号光と同一波長の位相共役光を信号光と完全に分離して出力ポート２から出力させることができる。
【００８５】
また、本実施形態も光分散媒質と光非線形媒質を集積化した構成となるので、光回路部品点数の削減によるコスト低減が可能となり、量産性にも優れたものとなる。
【００８６】
なお、光非線形媒質を構成する疑似位相整合光導波路としては、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ半導体の他に、ＧａＮ系半導体、ＺｎＳＳｅ系半導体、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰ（ＫＬｉＯＰＯ_４）、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）、ＫＮｂＯ_３等の材料を用いることができる。また、基板材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＮ、ＺｎＳｅ半導体を用いることができる。
【００８７】
（第９の実施形態）
第２の実施形態〜第８の実施形態の構成では、非線形マッハツェンダ干渉計２４の２つの光経路の光学長誤差を補償するために、２次の光非線形媒質に電圧を印加する電源３９（４７）を備え、さらに励起光パワーをモニタする受光器４０および制御回路４１を備え、制御回路４１の出力を電源３９（４７）にフィードバックする構成により、出力ポート２に位相共役光（波長変換光）が出力されるようにしている。第９の実施形態は、非線形ループミラー（非線形サニャック干渉計）を用いることにより、非線形マッハツェンダ干渉計における光学長誤差の補償を不要とするものである。
【００８８】
図１６は、本発明の光パラメトリック回路の第９の実施形態を示す。ここでは、信号光の波長を１５５０ｎｍ、励起光はその２次の高調波に相当する７７５ｎｍとし、信号光波長と同じ波長１５５０ｎｍの位相共役光を出力させる構成例を示す。
【００８９】
本実施形態の基本構成は第７の実施形態とほぼ同じであるが、非線形マッハツェンダ干渉計２４に代わり非線形ループミラー５４を用いた点が異なる。非線形ループミラー５４は、光合分波器２５の２つのポートを、光分散媒質として用いる非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１と、２次の光非線形媒質として用いる疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８を介してループ状に接続した構成である。すなわち、右回りの光経路では、非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１と疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８が順に接続され、左回りの光経路では、疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８と非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１が順に接続され、それぞれ非線形マッハツェンダ干渉計における２つの光経路に相当している。ただし、右回りおよび左回りの各成分は同一の光経路を通過するので、非線形マッハツェンダ干渉計のような２つの光経路における光学長誤差は無くなり、光学長の制御手段は不要となる。
【００９０】
２次の光非線形媒質として疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８を用いたことによる波長変換効率η_ＰＤは、第４の実施形態と同一条件で約１．６６（２．２ｄＢ）となる。この場合には、位相共役光の増幅も可能になっている。
【００９１】
また、光分散媒質として用いる非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１の長さＬ_ｄは、第６の実施形態と同一条件で９．７μｍとなる。すなわち、光分散媒質として長さ９．７μｍの非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路を用いた光パラメトリック回路を構成することにより、信号光と同一波長の位相共役光を信号光と完全に分離して出力ポート２から出力させることができる。
【００９２】
また、上記の構成において、光合分波器２５の２つの入力ポートに信号光と励起光をそれぞれ入力した場合には、出力ポート１に信号光が出力され、出力ポート２に位相共役光と励起光が出力される。この場合でも、波長変換光と励起光の波長差は大きいので、両者を容易に分離することができる。
【００９３】
なお、第７の実施形態の構成に限らず、他の実施形態においてもマッハツェンダ干渉計２４に代わり非線形ループミラー５４を用いた構成とすることができる。ただし、非線形ループミラー５４を用いた構成では、信号光および励起光の入出力ポートが同一になるので、出力された信号光および励起光を遮断する光アイソレータまたは光サーキュレータを用いる（図１６では省略）。
【００９４】
（第１０の実施形態：請求項１〜４）
図１７は、本発明の光パラメトリック回路の第１０の実施形態を示す。ここでは信号光の波長を１５５０ｎｍ、励起光はその２次の高調波に相当する７７５ｎｍとし、信号光波長と同じ波長１５５０ｎｍの位相共役光を出力させる構成例を示す。
【００９５】
図１７（ａ）に示す実施形態は、ＬｉＮｂＯ_３基板５３上に形成した偏波混合器５５，５６の間に、第７の実施形態の光学長制御系を含む非線形マッハツェンダ干渉計２４を２組配置した構成である。偏波混合器５５は、信号光および励起光をｐ偏光成分とｓ偏光成分に分離してそれぞれ非線形マッハツェンダ干渉計２４−１，２４−２に人力し、出力されるｐ偏光成分およびｓ偏光成分の位相共役光を偏波混合器５６で合成して出力する。これにより、入力信号光の偏波状態に関係なく、位相共役光を一定値で出力する偏波無依存型の光パラメトリック回路を構成することができる。
【００９６】
２次の光非線形媒質における波長変換効率η_ＰＤおよび光分散媒質の長さＬ_ｄについては、第７の実施形態と同様である。また、非線形マッハツェンダ干渉計２４−１，２４−２の代わりに、図１７（ｂ）に示すように第９の実施形態の非線形ループミラー５４を用いた構成としてもよい。
【００９７】
なお、本実施形態に用いる光導波路としては、ＬｉＮｂＯ_３の他に、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰ（ＫＬｉＯＰＯ_４）、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）、ＫＮｂＯ_３等の材料を用いることができる。
【００９８】
（第１１の実施形態：請求項１、２、４）
図１８は、本発明の光パラメトリック回路の第１１の実施形態を示す。ここでは、信号光の波長を１５４５ｎｍ、励起光の波長を１５５０ｎｍとし、波長１５５５ｎｍの波長変換光を出力させる構成例を示す。
【００９９】
本実施形態の基本構成は第７の実施形態とほぼ同じであるが、励起光波長が信号光の波長帯にある点と、２次の光非線形媒質中で波長１５５０ｎｍの励起光を一旦波長７７５ｎｍに変換し（光カスケーディング）、その後に第７の実施形態と同一過程により波長変換光を発生させる点が異なる。上記の実施形態では、信号光波長と励起光波長が大きく異なるので、両者を同時に光パラメトリック回路の基底導波路モードに結合させることが困難である。一方、光カスケーディングを用いる本実施形態の場合には、信号光波長と励起光波長が同一帯域なので、両者を光パラメトリック回路の基底導波路モードに結合させることが容易になる。
【０１００】
ただし、励起光の波長１５５０ｎｍを一旦ＳＨＧ過程により波長７７５ｎｍに変換する形態をとるので、同一の励起光パワーに対する変換効率が低下する。また、マッハツェンダ干渉計２４の光合分波器２５の前段に、光カスケーディングのための２次の光非線形媒質として用いる疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５７を備える。すなわち、信号光と励起光の合波光を疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５７に入力し、波長１５４５ｎｍの信号光と波長７７５ｎｍに変換した励起光を光合分波器２５に入力する。
【０１０１】
ここで、励起光パワーＰ_Ｐ＝１０００ｍＷ、波長１５５０ｎｍの励起光は、長さＬ_ｎ＝５ｃｍの疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５７でパワー８００ｍＷ、波長７７５ｎｍの励起光に変換される。この励起光と信号光が光合分波器２５で２分岐され、一方の光経路では非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１を介して疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８に入力されて波長変換光を発生させる。他方の光経路では、励起光と信号光が疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４９に入力されて波長変換光を発生させ、さらに非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５２に入力される。そして、光合分波器２６で信号光および励起光と波長変換光が分離され、それぞれ異なる出力ポートに出力される。
【０１０２】
ここで、光非線形媒質として用いる疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９の長さＬ_ｎ＝６ｃｍ、有効断面積Ａ＝５０μｍ^２、２次の非線形係数ｄ＝５×１０^−２３（ＭＫＳ）とすると、（１８）式より変換パラメータη_ＰＤ′は９．２×１０^−５（ｍＷ^−１ｃｍ^−２）となる。波長７７５ｎｍの励起光パワーＰ_Ｐ＝８００ｍＷとすると、波長変換効率η_ＰＤは、約０．３３（−４．８ｄＢ）となる。
【０１０３】
また、光分散媒質として用いる非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１，５２の長さＬ_ｄは、第６の実施形態と同一条件で９．７μｍとなる。すなわち、光分散媒質として長さ９．７μｍの非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路を用いた光パラメトリック回路を構成することにより、信号光と同一波長の位相共役光を信号光と完全に分離して出力ポート２から出力させることができる。
【０１０４】
なお、本実施形態の光カスケーディングを用いた構成は、第１０の実施形態に示す２つの非線形マッハツェンダ干渉計を用いた偏波無依存型の光パラメトリック回路にも適用することができる。以下に示す実施形態においても同様である。
【０１０５】
また、本実施形態に用いる光導波路としては、ＬｉＮｂＯ_３の他に、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰ（ＫＬｉＯＰＯ_４）、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）、ＫＮｂＯ_３等の材料を用いることができる。
（第１２の実施形態：請求項１、２、４）
図１９は、本発明の光パラメトリック回路の第１２の実施形態を示す。ここでは、信号光の波長を１５４５ｎｍ、励起光の波長を１５５０ｎｍとし、波長１５５５ｎｍの波長変換光を出力させる構成例を示す。
【０１０６】
本実施形態の基本構成は第１１の実施形態とほぼ同じであるが、マッハツェンダ干渉計２４の２つの光経路の前段部に、光カスケーディングのための２次の光非線形媒質として用いる疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５７，５８を備えた点が異なる。すなわち、光合分波器２５と光分散媒質として用いる非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１との間に疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５７を配置し、光合分波器２５と２次の光非線形媒質として用いる疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４９との間に疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５８を配置する。なお、疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４９，５８は、実質的に１本の導波路を形成する。
【０１０７】
ここで、励起光パワーＰ_Ｐ＝１０００ｍＷ、波長１５５０ｎｍの励起光は、光合分波器２５で２つの光経路に分岐され、長さＬ_ｎ＝５ｃｍの疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５７，５８で総計パワー８００ｍＷ、波長７７５ｎｍの励起光に変換される。一方の光経路では、この励起光と信号光が非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１に入力され、さらに疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８に入力されて波長変換光を発生させる。他方の光経路では、励起光と信号光が疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４９に入力されて波長変換光を発生させ、さらに非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５２に入力される。そして、光合分波器２６で信号光および励起光と波長変換光が分離され、それぞれ異なる出力ポートに出力される。
【０１０８】
ここで、光非線形媒質として用いる疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９における波長変換効率η_ＰＤ、光分散媒質として用いる非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１，５２の長さＬ_ｄは第１１の実施形態と同様である。
【０１０９】
（第１２の実施形態の変形）
図２０は、第１２の実施形態における光分散媒質および２次の光非線形媒質の構成例１を示す。図２１は、第１２の実施形態における光分散媒質および２次の光非線形媒質の構成例２を示す。
【０１１０】
図において、光カスケーディングのための２次の光非線形媒質として用いる疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５７，５８、波長変換光を発生させる２次の光非線形媒質となる疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９は、分極反転領域５０と非分極反転領域７０で（４）式の非線形光学定数ｄの絶対値が一致し、符号のみが反転しているものとする。すなわち、分極反転領域５０と非分極反転領域７０の長さが一致し、分極反転周期の１／２とする。
【０１１１】
ここで、図２０および図２１（ａ）に示すように、疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８，４９のそれそれの分極反転領域５０と非分極反転領域７０が交互になるように形成し、かつそれぞれの長さを９．７μｍとする。これにより、疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８の最初の非分極反転領域７０を、一方の光分散媒質として用いる長さ９．７μｍの非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１とし、疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４９の最後の非分極反転領域７０を、他方の光分散媒質として用いる長さ９．７μｍの非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５２とすることができる。すなわち、見かけ上、光分散媒質と光非線形媒質の区別がなくなる。
【０１１２】
なお、図２０は、疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５７，５８のそれぞれの分極反転領域５０と非分極反転領域７０の位置が重なるようにしたものであるが、図２１（ａ）に示すように、疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５７，５８についても、それそれの分極反転領域５０と非分極反転領域７０が交互になるように形成してもよい。
【０１１３】
また、図２１（ｂ）は、図２１（ａ）の構成において、疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５７の最初の非分極反転領域７０を、一方の光分散媒質として用いる非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１としたものである。
【０１１４】
（第１３の実施形態）
図２２は、本発明の光パラメトリック回路の第１３の実施形態を示す。ここでは、信号光の波長を１５４５ｎｍ、励起光の波長を１５５０ｎｍとし、波長１５５５ｎｍの波長変換光を出力させる構成例を示す。
【０１１５】
本実施形態の基本構成は第９の実施形態とほぼ同じであるが、励起光波長が信号光の波長帯にある点と、２次の光非線形媒質中で波長１５５０ｎｍの励起光を一旦波長７７５ｎｍに変換し（光カスケーディング）、その後に第９の実施形態と同一過程により波長変換光を発生させる点が異なる。すなわち、非線形ループミラー５４の光合分波器２５の前段に、光カスケーディングのための２次の光非線形媒質として用いる疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５７を備える。そして、信号光と励起光の合波光を疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５７に入力し、波長１５４５ｎｍの信号光と波長７７５ｎｍに変換した励起光を光合分波器２５に入力する。
【０１１６】
２次の光非線形媒質として疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８を用いたことによる波長変換効率η_ＰＤは、第４の実施形態と同一条件で約１．６６（２．２ｄＢ）となる。この場合には、波長変換光の増幅も可能になっている。
【０１１７】
また、光分散媒質として用いる非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路５１の長さＬ_ｄは、第６の実施形態と同一条件で９．７μｍとなる。すなわち、光分散媒質として長さ９．７μｍの非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路を用いた光パラメトリック回路を構成することにより、波長１５５５ｎｍの波長変換光を信号光と完全に分離して出力ポート２から出力させることができる。
【０１１８】
（第１４の実施形態：請求項１、２、４）
図２３は、本発明の光パラメトリック回路の第１４の実施形態を示す。ここでは、信号光の波長を１５４９．５ｎｍ、励起光の波長を１５４５ｎｍおよび１５５５ｎｍとし、波長１５５０．５ｎｍの波長変換光を出力させる構成例を示す。
【０１１９】
本実施形態の基本構成は第１２の実施形態とほぼ同じであるが、励起光として２波を用いる点と、２次の光非線形媒質中で波長１５４５，１５５５ｎｍの励起光を結合して一旦波長７７５ｎｍに変換する点が異なる（光カスケーディング）。その後に第１２の実施形態と同一過程により、波長１５５０．５ｎｍの波長変換光を発生させることができる。なお、励起光として信号光の波長を対称の中心とする波長を有する２波を用いた場合には、信号光波長と同一の波長を有する位相共役光を出力させることができる。
【０１２０】
また、本実施形態に用いる光導波路としては、ＬｉＮｂＯ_３の他に、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰ（ＫＬｉＯＰＯ_４）、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）、ＫＮｂＯ_３等の材料を用いることができる。
【０１２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光パラメトリック回路は、光分散媒質と２次の光非線形媒質を組み合わせた非線形マッハツェンダ干渉計または非線形ループミラーを用いることにより、信号光および励起光と波長変換光（または位相共役光）とを波長差に関係なく分離して取り出すことができる。これにより、従来の光パラメトリック波長変換で要求された入力信号光遮断用の光フィルタが不要になり、フィルタリングに必要であったガードバンドも不要になるので、与えられた波長空間を有効に利用することができる。
【０１２２】
さらに、位相共役光を発生させる場合においても、入力信号光と同一波長の位相共役光を発生させ、かつ両者を完全分離することができ、従来技術では不可能であった機能を実現することができる。これを光伝送システムに用いることにより、光ファイバ伝送で問題となっているファイバ非線形効果に起因した信号光スペクトル広がりを抑制できる。これにより、さらに伝送可能距離の延伸や通信品質の向上を図ることが可能となる。
【０１２３】
また、励起光パワーや光非線形媒質の長さ等を適当に設定することにより、入力信号光に対する波長変換光（または位相共役光）の光パラメトリック増幅を行うことができる。
【０１２４】
また、本発明の光パラメトリック回路は高速波長変換が可能であるので、光波長ルータの機能デバイスとしても利用可能である。
【０１２５】
本発明は、上記の実施例に限定されることなく、特許請求の範囲内で種々変更・応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光パラメトリック回路の基本構成を示す図である。
【図２】本発明の光パラメトリック回路の第１の実施形態を示す図である。
【図３】本発明の光パラメトリック回路の第２の実施形態を示す図である。
【図４】本発明の光パラメトリック回路の第３の実施形態を示す図である。
【図５】本発明の光パラメトリック回路の第４の実施形態を示す図である。
【図６】疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路の効果を説明するための図である。
【図７】本発明の光パラメトリック回路の第５の実施形態を示す図である。
【図８】本発明の光パラメトリック回路の第６の実施形態を示す図である。
【図９】第６の実施形態における光分散媒質および２次の光非線形媒質の構成例を示す図である。
【図１０】第６の実施形態の変形１における問題点を説明するための図である。
【図１１】変調パタンを用いる方法を説明するための図である。
【図１２】３重の変調を加え８つの励起光波長帯で位相整合条件を満足できるようにした例を示す図である。
【図１３】第６の実施形態の変形２における疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路４８を示す図である。
【図１４】本発明の光パラメトリック回路の第７の実施形態を示す図である。
【図１５】本発明の光パラメトリック回路の第８の実施形態を示す図である。
【図１６】本発明の光パラメトリック回路の第９の実施形態を示す図である。
【図１７】本発明の光パラメトリック回路の第１０の実施形態を示す図である。
【図１８】本発明の光パラメトリック回路の第１１の実施形態を示す図である。
【図１９】本発明の光パラメトリック回路の第１２の実施形態を示す図である。
【図２０】第１２の実施形態における光分散媒質および２次の光非線形媒質の構成例１を示す図である。
【図２１】第１２の実施形態における光分散媒質および２次の光非線形媒質の構成例２を示す図である。
【図２２】本発明の光パラメトリック回路の第１３の実施形態を示す図である。
【図２３】本発明の光パラメトリック回路の第１４の実施形態を示す図である。
【図２４】従来の波長変換素子の基本構成を示す図である。
【符号の説明】
１０ ＷＤＭカプラ
１１、１６ 光合分波器
１２、１５ 光分散媒質
１３、１４ ２次の光非線形媒質
２１ 半導体レーザ光源（ＬＤ）
２２ 電源
２３ ＷＤＭカプラ
２４ 非線形マッハツェンダ干渉計
２５、２６ 光合分波器
２７、２８ セレン化亜鉛
２９、３０ ＡＡＮＰ結晶
３１、３２ 反射ミラー
３３、３４ 合成サファイヤ
３５、３６ ＬｉＴａＯ_３結晶
３７、３８ 電極
３９ 電源
４０ 受光器
４１ 制御回路
４２、４３ フューズドシリカ
４４、４５ ＧａＡｌＡｓ半導体導波路
４６、４７ 電源
４８、４９ 疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路
５０ 分極反転領域
５１、５２ 非疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路
５３ ＬｉＮｂＯ_３基板
５４ 非線形ループミラー
５５、５６ 偏波混合器
５７、５８ 疑似位相整合ＬｉＮｂＯ_３導波路（光カスケーディング用）
６０ 石英基板
６１〜６４ 石英光導波路
６５、６６ 疑似位相整合ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ導波路
７０ 非分極反転領域

Claims (5)

1. ２入力２出力の第１の光合分波器の２つの出力ポートと、２入力２出力の第２の光合分波器の２つの入力ポートとをそれぞれ接続する第１の光経路と第２の光経路を有し、
   前記第１の光経路および前記第２の光経路の各々に光分散媒質と２次の光非線形媒質とを備え、
   前記第１の光経路における光分散媒質と２次の光非線形媒質の配置の順番と、前記第２の光経路における光分散媒質と２次の光非線形媒質の配置の順番とを逆にしたことを特徴とする光パラメトリック回路。
2. ２入力２出力の第１の光合分波器の２つの出力ポートと、２入力２出力の第２の光合分波器の２つの入力ポートとをそれぞれ接続する２つの光経路に、それぞれ光分散媒質および２次の光非線形媒質を挿入した非線形マッハツェンダ干渉計を備え、
   前記第１の光合分波器と前記第２の光合分波器との間の一方の光経路には第１の光分散媒質の次に第１の２次の光非線形媒質を挿入し、他方の光経路には第２の２次の光非線形媒質の次に第２の光分散媒質を挿入し、
   前記第１の光合分波器の一方の入力ポートから信号光および励起光の合波光を入力し、前記第２の光合分波器の一方の出力ポートから信号光および励起光を出力し、他方の出力ポートから入力信号光に対する波長変換光または位相共役光を出力する構成である
   ことを特徴とする光パラメトリック回路。
3. 請求項２に記載の光パラメトリック回路において、
   前記第１の光合分波器の２つの入力ポートから信号光および励起光をそれぞれ入力し、前記第２の光合分波器の一方の出力ポートから信号光を出力し、他方の出力ポートから入力信号光に対する波長変換光または位相共役光と励起光を出力する構成であることを特徴とする光パラメトリック回路。
4. 請求項２または請求項３に記載の光パラメトリック回路において、
   前記非線形マッハツェンダ干渉計の少なくとも一方の光経路にその実効的光学長を制御する手段を備え、前記第２の光合分波器で前記第１および第２の２次の光非線形媒質を透過した２つの信号光の干渉条件と、前記第１および第２の２次の光非線形媒質で発生した２つの波長変換光または位相共役光の干渉条件が、ｎを整数としたときに（２ｎ−１）π異なるように制御する構成である
   ことを特徴とする光パラメトリック回路。
5. 請求項２〜４のいずれかに記載の光パラメトリック回路において、
   前記非線形マッハツェンダ干渉計または前記非線形ループミラーに入力する励起光を発生する励起光源を含む構成であることを特徴とする光パラメトリック回路。

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