JP4110619B2

JP4110619B2 - Wavelength converter

Info

Publication number: JP4110619B2
Application number: JP17098298A
Authority: JP
Inventors: 長青徐; 秀彰岡山
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1998-06-18
Filing date: 1998-06-18
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2018-06-18
Also published as: JP2000010130A

Description

【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、ＬｉＮｂＯ_３ＱＰＭ−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】

【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】

【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】

【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】

【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】

【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ＬｉＮｂＯ_３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、ＬｉＴａＯ_３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ＬｉＮｂＯ_３ｚ−ｃｕｔ基板、２３，２４ＱＰＭグレーティング、２５，２６Ｔｉ拡散導波路、２７合波器、２８ＢＰＦ、３２位相変調器、３３駆動回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavelength converter that generates light of a wavelength based on a wavelength of the incident light, in particular, it relates to a wavelength converting device that performs polarization-independent wavelength conversion using a polarization dependent type wavelength conversion element .
[0002]
[Prior art]
In recent years, wavelength conversion elements are attracting attention and research as key devices in high-speed, large-capacity optical communications in the future. Quasiphase matching (QPM) wavelength converters that use ferroelectric second-order nonlinear optical effects have excellent characteristics such as low noise, broadband, and high speed, and are expected to be applied to wavelength division multiplexing optical communication systems. ing. This wavelength conversion element uses difference frequency generation (DFG) in a second-order nonlinear medium.
[0003]
As literatures of this type of conventional wavelength conversion device, for example, there are methods described in the following references.
[0004]
Reference 1: Proceedings of the Japan Society of Applied Physics Academic Lecture 3p-ZB-8 "Polarization-independent wavelength conversion using LiNbO3 quasi-phase-matching element" (1997.10)
Reference 2: Proceedings of the Annual Meeting of the Japan Society of Applied Physics 3p-ZB-6 “Preparation and Evaluation of Quasi-Phase Matching Elements Using LiNbO 3 Waveguide” (1997.10)
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a conventional polarization-independent wavelength converter described in the above-mentioned document 1.
[0005]
A multi-ring structure (for example, a two-ring structure) is used to realize polarization-independent wavelength conversion using a polarization- dependent wavelength conversion element (for example, a LiNbO ₃ QPM-DFG element).
[0006]
In FIG. 3, the polarization-independent wavelength converter includes a LiNbO 3 QPM-DFG element 1, a semiconductor amplifier 2 that generates pump light (wavelength is λp), and WDM couplers 3 and 4 connected to the QPM-DFG element 1. These are connected by a polarization-maintaining fiber 5 to form a pump light ring structure (first ring structure).
[0007]
The wavelength converter includes an optical circulator 6, a PBS (Polarize Beam Splitter) 7, and a PR (Polarize Rotator) 8, and a WDM coupler 3 using a polarization maintaining fiber 9. , 4 to form a ring structure (second ring structure).
[0008]
In this wavelength converter, signal light from the outside (wavelength is λs) is introduced into the second ring structure via the optical circulator 6, and converted light (wavelength is λc) from the QPM-DFG element 1 is this light. It is taken out through the circulator 6.
[0009]
The QPM-DFG element 1 has a nonlinear material LiNbO3 as a substrate, a proton exchange optical waveguide, and a domain inversion grating (periodic polarization inversion part) by Ti thermal diffusion, and is incident upon generation of a difference frequency in a nonlinear medium. Light (converted light) having a frequency difference between light and signal light is generated.
[0010]
Further, in this wavelength conversion device, incident light is separated into a TM polarization component and a TE polarization component by the PBS 7, and the TM polarization component is directly incident on the QPM-DFG element 1 via the WDM coupler 4, and the TE polarization The component is rotated by 90 ° by PR8 to obtain a TE polarization component, which is incident on the QPM-DFG element 1 via the WDM coupler 3.
[0011]
The first ring structure (ring 1) is a pump light ring, and is fixed to the TM mode in the ring 1 so that the polarization direction of the pump light can pass through the LiNbO3 proton exchange optical waveguide. In another second ring structure (ring 2), the incident signal light is separated by the PBS 7, and after the polarization is adjusted by the PR 8, it is incident on the LiNbO 3 waveguide. Further, the converted light is again combined by the PBS 7 and is output outside. If the pump light power propagating in both directions in the element is equal, wavelength conversion independent of the polarization direction of the signal light can be performed.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the wavelength conversion apparatus as shown in the above-mentioned document, since it has a modularized configuration using a large number of optical components, the cost becomes high and the configuration is complicated and also from the viewpoint of stability. Not desirable.
[0013]
An object of the present invention is to provide a wavelength conversion device that can achieve wavelength conversion independent of the polarization direction of signal light with a simple configuration.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The wavelength conversion device according to the present invention is a wavelength conversion device that performs wavelength conversion of the incident light and outputs the converted light independent of the polarization direction of the incident light, and the first wavelength to which the incident light is input. has the a polarization dependent wavelength conversion element has substantially the same length as the first polarization dependent type wavelength conversion element, and a second polarization dependent wavelength converting element which outputs the converted light The second polarization-dependent wavelength conversion element is arranged in series in the light propagation direction so as to be orthogonal to the first polarization-dependent wavelength conversion element, and the first polarization-dependent wavelength conversion element of said second polarization-dependent wavelength conversion device and, provided on at least one of polarization dependent type wavelength conversion element, and a phase modulator for adjusting a phase of the incident light, the phase adjuster And a driving circuit for applying a driving voltage.
[0015]
The first polarization-dependent wavelength conversion element and the second polarization-dependent wavelength conversion element may be manufactured so as to satisfy a polarization-independent condition.
[0017]
The wavelength conversion device according to the present invention may be configured to include wavelength selection means for limiting the wavelength of the converted light, and the first polarization-dependent wavelength conversion by combining the pump light and the signal light. You may comprise and comprise the means which injects into an element.
[0018]
The polarization-dependent wavelength conversion element may include a nonlinear material substrate, a QPM grating manufactured on the substrate, and an optical waveguide.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The wavelength conversion device according to the present invention can be applied to a polarization-independent wavelength conversion device necessary for optical communication.
[0020]
First Embodiment FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a wavelength conversion apparatus according to a first embodiment of the present invention.
[0021]
In FIG. 1, a polarization-independent wavelength conversion device 10 includes two LiNbO3 QPM wavelength conversion elements 11 and 12, and includes a first QPM wavelength conversion element 11 (QPM wavelength conversion element 1) and a second QPM wavelength conversion element. 12 (QPM wavelength conversion element 2) are arranged in series so as to be orthogonal to each other.
[0022]
The LiNbO3 QPM wavelength conversion elements 11 and 12 are composed of nonlinear material LiNbO3z-cut substrates 21 and 22,

QPM gratings

23 and 24, and

Ti diffusion waveguides

25 and 26 by Ti thermal diffusion. A method for fabricating a wavelength conversion element using this LiNbO3 waveguide is described in, for example, the above-mentioned document 2.
[0023]
The LiNbO3 QPM wavelength conversion element 11 is provided with a multiplexer 27, and the QPM wavelength conversion element 12 is provided with a BPF (Band Pass Filter) 28.
[0024]
The multiplexer 27 multiplexes the pump light having the wavelength λp (for example, λp = 0.77 μm) and the signal light having the wavelength λs (for example, λs = 1.55 μm) and enters the QPM wavelength conversion element 11.
[0025]
The BPF 28 has a transmission characteristic that allows the converted light having the wavelength λc (for example, λc = 1.53 μm) from the QPM wavelength conversion element 12 to pass therethrough, and constitutes wavelength selection means for limiting the wavelength of the converted light.
[0026]
The LiNbO3 QPM wavelength conversion elements 11 and 12 having the

Ti diffusion waveguides

25 and 26 all guide the TM polarized light component and the TE polarized light component, but the nonlinear constants are different, so that the TM incident light is different. The one has higher wavelength efficiency. Therefore, this type of wavelength conversion element has polarization dependency.
[0027]
Hereinafter, the operation of the polarization-independent wavelength conversion device 10 configured as described above will be described.
[0028]
In order to satisfy the QPM condition, the QPM wavelength conversion elements 11 and 12 are configured as follows.
[0029]
First, the pump light and signal light are multiplexed the first QPM wavelength converting element 11 produces a converted light of the wavelength ^{^{λc (λc -1 = λp -1 -λs}} -1) by the nonlinear interaction. The effect is highest when the wavelength conversion satisfies the following expression (1) which is a QPM condition.
[0030]
[Expression 1]

[0031]
Here, ni (i = p, s, c) is the refractive index of the corresponding wavelength, and Λ is the period of the QPM grating.
[0032]
As described above, since only the first QPM wavelength conversion element 11 has different magnitudes of nonlinear constants for the TM polarization component light and the TE polarization component light, the conversion efficiency depends on the polarization. Therefore, the second QPM wavelength conversion element 12 having substantially the same length as that of the first QPM wavelength conversion element 11 is arranged in series in the light propagation direction so as to be orthogonal to the first QPM wavelength conversion element 11. In this case, if the propagation loss of the

Ti diffusion waveguides

25 and 26 and the coupling loss of the two devices are negligible, the lengths of the first QPM wavelength conversion element 11 and the second QPM wavelength conversion element 12 are set as follows. Set to approximately the same. When viewed from the light, the half distance is propagated in the TE mode and the other half distance is propagated in the TM mode regardless of the original polarization direction. As a result, wavelength conversion can be performed without depending on the polarization of light.
[0033]
Hereinafter, the operating conditions will be described in detail using mathematical expressions. The conversion photoelectric field of the polarization-independent wavelength conversion device 10 shown in FIG. 1 is expressed by the following equations (2) and (3).
[0034]
[Expression 2]

[0035]
In the expressions (2) and (3), “′” indicates the amount of the first QPM wavelength conversion element 11, and “″” indicates the amount of the second QPM wavelength conversion element 12, respectively, and the following expressions (4) and (5) Can be calculated by
[0036]
[Equation 3]

[0037]
Here, tp and ts are transmittances due to propagation loss of the

Ti diffusion waveguides

25 and 26 and coupling loss between two devices, and θ is a phase shift due to coupling of two elements.
[0038]
An example of the polarization-independent condition is that the converted photoelectric field Ec is constant regardless of the incident light TM mode and the TE mode. When only TM mode light is incident, Ec is expressed by the following equation (6).
[0039]
[Expression 4]

[0040]
On the other hand, when only TE mode light is incident, Ec is expressed by the following equation (7).
[0041]
[Equation 5]

[0042]
From the above formulas (6) and (7), the conditions for making it independent of the polarization mode of the incident light may be the following formulas (8) and (9).
[0043]
L ′ = tptsL ″ (8)
θ = 2mπ (m = 0, ± 1, ± 2,...) (9)
As described above, if the propagation loss of the

Ti diffusion waveguides

25 and 26 and the coupling loss of the two devices are negligible, L ′ = L ″ from the above equation (8).
[0044]
In order to satisfy the above formula (9), the two LiNbO3 QPM wavelength conversion elements 11 and 12 are cut just at an integral multiple of the period of the QPM gratings 23 and 24, and the two QPM wavelength conversion elements 11 and 12 are cut. If 12 is brought into close contact, θ = 0.
[0045]
As described above, the polarization-independent wavelength conversion device 10 according to the first embodiment is almost the same as the first QPM wavelength conversion element 11 (QPM wavelength conversion element 1) and the first QPM wavelength conversion element 11. The second QPM wavelength conversion element 12 (QPM wavelength conversion element 2) having the same length is provided, and the second QPM wavelength conversion element 12 has a light propagation direction so as to be orthogonal to the first QPM wavelength conversion element 11. And a multiplexer 27 that combines the pump light having the wavelength λp and the signal light having the wavelength λs and enters the first QPM wavelength conversion element 11, and the converted light having the wavelength λc. Therefore, the wavelength conversion independent of the polarization direction of the signal light can be realized. The effective device length Leff is expressed by the following equation (10).
[0046]
L ′, L ″ <Leff <L ′ + L ″ (10)
That is, the polarization-independent wavelength conversion device according to the conventional example has a large number of optical components (for example, optical circulator 6, PBS7, PR8, WDM couplers 3 and 4, polarization maintaining fibers 5 and 9) as shown in FIG. Since this is a modularized configuration, the cost is increased, the configuration is complicated, and it is not desirable from the viewpoint of stability. On the other hand, in the polarization-independent wavelength conversion device 10 according to this embodiment, the first and second QPM wavelength conversion elements 11 and 12 are arranged in series in the light propagation direction so as to be orthogonal to each other. A polarization independent wavelength conversion can be achieved with a simple structure. Therefore, since the structure is simple and small and it is not necessary to adopt a modular structure, the stability and reliability can be greatly improved. Further, since the structure is simple and the number of optical parts to be used can be greatly reduced, the cost can be reduced.
[0047]
Second Embodiment In the first embodiment, θ = 2mπ (m = 0, ± 1, ± 2,...) Has been described as shown in Expression (9), but actually θ is an integer of exactly 2π. It is not always doubled. The second embodiment provides a method for making θ an integer multiple of 2π.
[0048]
In the second embodiment, the first QPM wavelength conversion element 11 (QPM wavelength conversion element 1) of the polarization-independent wavelength conversion device 10 (FIG. 1) used in the first embodiment is changed to that of FIG. To do.
[0049]
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the first QPM wavelength conversion element of the wavelength conversion device according to the second embodiment of the present invention.
[0050]
In FIG. 2, 31 is a first QPM wavelength conversion element (QPM wavelength conversion element 1), and the first QPM wavelength conversion element 31 is orthogonal to the second QPM wavelength conversion element 12 shown in FIG. Are arranged in series in the light propagation direction.
[0051]
The first QPM wavelength conversion element 31 is configured by integrating a phase modulator 32 for adjusting a phase for making θ an integer multiple of 2π. Reference numeral 33 denotes a drive circuit for applying a predetermined bias voltage to the electrodes of the phase modulator 32.
[0052]
The phase modulator 32 is configured by an EO (Electro-Optic) modulator, for example, and can shift the phase by adjusting a bias voltage applied to the electrode. A buffer layer such as SiO2 is formed under the electrode of the phase modulator 32 so as not to increase the waveguide loss of the optical waveguide.
[0053]
The phase modulator 32 and the drive circuit 33 as a whole constitute phase modulation means for adjusting the phase so that θ is an integral multiple of 2π.
[0054]
The operation of the polarization-independent wavelength conversion device configured as described above will be described below.
[0055]
Instead of the first QPM wavelength conversion element 11 of the first embodiment, the first QPM wavelength conversion element 31 of FIG. 2 is used, and the other configuration is the same as that of the first embodiment.
[0056]
The operation principle of the apparatus is the same as that described in the first embodiment, but the output of the converted light is maximized by adjusting the voltage of the phase modulator 32 integrated in the first QPM wavelength conversion element 31. If set, the condition of θ = 2mπ can be satisfied.
[0057]
As described above, in the wavelength conversion device according to the second embodiment, the phase modulator 32 and the drive circuit 33 are provided in the first QPM wavelength conversion element 31, and θ is made an integral multiple of 2π by the phase modulator 32. Since the phase can be adjusted as described above, θ can be made an integral multiple of 2π, and the effect of the first embodiment can be further enhanced. As a result, the structure can be further simplified and the stability and accuracy can be further improved.
[0058]
Therefore, if a wavelength converter having such excellent features is applied to, for example, polarization-independent wavelength conversion used in large-capacity optical communication, the performance of this conversion method can be greatly improved, and the configuration of the apparatus can be greatly increased. Can be reduced.
[0059]
In each of the above-described embodiments, the polarization-independent wavelength conversion element using the LiNbO ₃ substrate as the nonlinear material has been described. However, the wavelength conversion element using a nonlinear material such as LiTaO ₃ or KTP can also be used. Polarization independence can be achieved by a similar method.
[0060]
In addition, the polarization independence methods described in the above embodiments can be applied to optical devices other than wavelength conversion elements such as optical filters.
[0061]
Furthermore, it goes without saying that the polarization-independent wavelength conversion device, the waveguide constituting the phase modulator, the element structure, and the structural parameters that satisfy the polarization-independent conditions are not limited to the above-described embodiments. .
[0062]
【The invention's effect】
In the wavelength converter according to the present invention includes a first polarization dependent wavelength conversion element, and a second polarization dependent wavelength conversion element of substantially the same length as the first polarization dependent type wavelength conversion element The second polarization-dependent wavelength conversion element is arranged in series in the light propagation direction so as to be orthogonal to the first polarization-dependent wavelength conversion element. Wavelength conversion independent of polarization direction can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a wavelength conversion device according to a first embodiment to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a first QPM wavelength conversion element of a wavelength conversion device according to a second embodiment to which the present invention is applied.
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a conventional polarization-independent wavelength conversion device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Polarization-independent wavelength conversion apparatus, 11, 31 1st QPM wavelength conversion element (1st polarization-dependent wavelength conversion element), 12 2nd QPM wavelength conversion element ( 2nd polarization-dependent wavelength conversion) Element), 21, 22 nonlinear material LiNbO ₃ z-cut substrate, 23, 24 QPM grating, 25, 26 Ti diffusion waveguide, 27 multiplexer, 28 BPF, 32 phase modulator, 33 drive circuit

Claims

A wavelength conversion device that performs wavelength conversion of the incident light and outputs converted light independently of the polarization direction of the incident light,
A first polarization-dependent wavelength conversion element to which the incident light is input;
Have substantially the same length as the first polarization dependent type wavelength conversion element, and a second polarization dependent wavelength converting element which outputs the converted light,
The second polarization-dependent wavelength conversion element is arranged in series in the light propagation direction so as to be orthogonal to the first polarization-dependent wavelength conversion element,
Wherein one of the first polarization dependent type wavelength conversion element and the second polarization dependent wavelength conversion element provided on at least one of polarization dependent type wavelength conversion element, adjusting the phase of the incident light A phase modulator to
And a drive circuit for applying a drive voltage to the phase adjuster.

The wavelength conversion device according to claim 1, wherein the drive voltage of the drive circuit is set so that the output of the converted light is maximized.

The wavelength conversion device according to claim 1, wherein the drive voltage of the drive circuit is set so that a phase shift by the wavelength conversion device is an integral multiple of 2π.

The wavelength converter according to any one of claims 1 to 3, further comprising wavelength selection means for limiting a wavelength of the converted light.

5. The wavelength conversion device according to claim 1, further comprising means for combining pump light and signal light into the incident light. 6.

Each of the first polarization-dependent wavelength conversion element and the second polarization-dependent wavelength conversion element is:
A nonlinear material substrate;
A QPM grating fabricated on the nonlinear material substrate;
The wavelength conversion device according to claim 1, further comprising: an optical waveguide.