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JP7659211B2 - Wavelength conversion device - Google Patents
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Description

本発明は波長変換装置に関し、詳しくは、波長変換装置を構成する非線形光学素子を効率よく、出力を一定にするための技術に関する。The present invention relates to a wavelength conversion device, and more particularly to a technique for efficiently maintaining constant the output of a nonlinear optical element constituting a wavelength conversion device.

非線形光学素子の周期分極反転構造は、擬似位相整合を行うための構造であり、これは基本波と波長変換された波のコヒーレンス長ごとに結晶方位を反転し,非線形定数の符号を逆転することにより位相不整合量を補償して高い非線形光学効果を得るための手法である。特殊な非線形光学結晶を用いずに中赤外域から可視域まで幅広い波長変換が行えるという点で実用的な価値は高い。The periodically poled structure of nonlinear optical elements is a structure for quasi-phase matching, which is a method for obtaining a high nonlinear optical effect by inverting the crystal orientation for each coherence length of the fundamental wave and the wavelength-converted wave and compensating for the amount of phase mismatching by inverting the sign of the nonlinear constant. It has great practical value in that it can perform a wide range of wavelength conversion from the mid-infrared region to the visible region without using special nonlinear optical crystals.

一般に非線形光学材料の屈折率は温度依存性を有しており、2次非線形光学素子において擬似位相整合条件を厳密に満たすためには、素子の温度を一定に保つ必要がある。通常は、2次非線形光学素子またはその近傍にサーミスタ・熱電対等の測温体を設けその抵抗値等をモニタし、ヒータやペルチェ素子等の温調器を用いて素子を一定温度に保つ機構を設けたうえで動作をさせる。In general, the refractive index of a nonlinear optical material has a temperature dependency, and in order to strictly satisfy the quasi-phase matching condition in a second-order nonlinear optical element, it is necessary to keep the temperature of the element constant. Usually, a temperature measuring device such as a thermistor or thermocouple is provided on or near the second-order nonlinear optical element to monitor its resistance value, and a mechanism is provided to keep the element at a constant temperature using a temperature regulator such as a heater or Peltier element before operation.

しかしながら、従来の測温体のモニタ値を一定にするよう温調器を制御する機構のみでは、2つの課題により、2次非線形光学素子を用いた波長変換光デバイスを安定化させるのは困難であった。However, due to two problems, it has been difficult to stabilize a wavelength conversion optical device using a second-order nonlinear optical element using only a conventional mechanism for controlling a temperature regulator so as to keep the monitored value of a temperature sensor constant.

課題の1つ目としては、サーミスタや熱電対等の測温体でモニタできるのは、2次非線形光学素子全体の平均的な温度であり、非線形光学効果をもたらす導波路部分そのものの温度をモニタしているわけではないため、測温体の温度をモニタしているだけでは、最適温度で動作させることは厳密にはできない場合があった。One of the challenges is that a temperature sensor such as a thermistor or thermocouple can monitor only the average temperature of the entire second-order nonlinear optical element, and not the temperature of the waveguide portion itself that produces the nonlinear optical effect. Therefore, simply monitoring the temperature of the temperature sensor may not strictly ensure operation at the optimum temperature.

例えば、デバイスの環境温度(外気温度)が変化した場合、素子またはその近傍に設置した測温体が一定となるよう温度制御を行っていても、素子表面に位置する光が伝搬するコアは、ベース基板に接していない3つの側面が空気層に接しており、環境温度の変化をわずかながら受け最適動作点がシフトしてしまう。For example, if the environmental temperature (outside air temperature) of the device changes, even if temperature control is performed to keep the element or a temperature sensor installed in its vicinity constant, the core through which light propagates, located on the surface of the element, has three sides that are not in contact with the base substrate and are in contact with an air layer, so that the optimal operating point will shift slightly due to changes in the environmental temperature.

また、強い励起光を導波路に入射する場合、導波路内に入射された励起光の光吸収による発熱が生じるが、この発熱は導波路部分の局所的な発熱であり、素子またはその近傍に設置した測温体をモニタしているだけではその局所的な発熱による最適動作点のシフトを正しく検出することは困難であった。In addition, when strong excitation light is incident on the waveguide, heat is generated due to optical absorption of the excitation light incident on the waveguide. However, this heat is localized in the waveguide, and it is difficult to correctly detect a shift in the optimal operating point due to this localized heat generation simply by monitoring the element or a temperature sensor installed in its vicinity.

課題の2つ目としては、2次非線形光学素子に対して入出力される光の結合量の変動である。入出力される光は通常光ファイバを通じて伝搬されるが、2次非線形光学素子に結合させるためには、ファイバから光を空間に出力させ、レンズ等を用いて2次非線形光学素子に結合させる。この空間結合系が環境温度の変化等により、微小な光軸ずれが発生することで、2次非線形光学素子に結合される入力光の割合、及び2次非線形光学素子から
ファイバへ結合される出力光の割合が変動してしまう。これにより、波長変換光の出力も変動してしまう。
The second issue is the fluctuation in the amount of coupling of light input and output to the second-order nonlinear optical element. Input and output light is usually propagated through optical fiber, but in order to couple it to the second-order nonlinear optical element, the light is output from the fiber into space and then coupled to the second-order nonlinear optical element using a lens or other device. When a slight optical axis shift occurs in this spatial coupling system due to changes in the environmental temperature, etc., the ratio of input light coupled to the second-order nonlinear optical element and the ratio of output light coupled from the second-order nonlinear optical element to the fiber fluctuate. This also causes the output of the wavelength-converted light to fluctuate.

これに対し、特許文献1では波長変換によって得られた第二高調波の強度が最大になる
ように非線形光学素子の温度調整を行うことが記載されている。
In response to this, Patent Document 1 describes adjusting the temperature of a nonlinear optical element so as to maximize the intensity of the second harmonic wave obtained by wavelength conversion.

特開2015-225127号公報JP 2015-225127 A

しかしながら、波長特性が最適値になるように補償するだけでは、2つの課題を同時に解決することはできず、出力安定化をすることはできない。However, simply compensating for the wavelength characteristics to be at the optimum value does not solve the two problems at the same time, and output stabilization is not possible.

本発明の目的は、非線形光学素子を適切な温度で動作させ、その出力光を安定化することができる波長変換装置を提供することにある。An object of the present invention is to provide a wavelength conversion device capable of operating a nonlinear optical element at an appropriate temperature and stabilizing the output light thereof.

本発明は、このような目的を達成するために、本発明の波長変換装置の一態様は、非線形光学素子を有して波長変換を行う波長変換装置であって、前記非線形光学素子に入力する光のパワーを調整する光パワー調整手段と、前記非線形光学素子の出力からの出力光を電気信号に変換し前記光パワー調整手段にフィードバックするためのモニタ光検出手段と、前記非線形光学素子から出力する光のパワーが一定値となるように、前記光パワー調整手段が調整する光パワーに対応した調整パラメータを設定する制御手段と、前記非線形光学素子の温度を調節する温度調整手段と、を備え、前記制御手段は、前記温度調整手段によって複数の異なる温度の設定を行うようにし、前記複数の設定された温度それぞれに対応して設定される前記調整パラメータにおいて、最も小さな調整パラメータに対応する温度を、前記温度調整手段が前記非線形光学素子の温度を調節する際の目標温度に設定することを特徴とする。In order to achieve this object, one aspect of the wavelength conversion device of the present invention is a wavelength conversion device having a nonlinear optical element and performing wavelength conversion, comprising: optical power adjustment means for adjusting the power of light input to the nonlinear optical element; monitor light detection means for converting output light from the output of the nonlinear optical element into an electrical signal and feeding it back to the optical power adjustment means; control means for setting an adjustment parameter corresponding to the optical power adjusted by the optical power adjustment means so that the power of light output from the nonlinear optical element is a constant value; and temperature adjustment means for adjusting the temperature of the nonlinear optical element, wherein the control means sets a plurality of different temperatures using the temperature adjustment means, and sets the temperature corresponding to the smallest adjustment parameter among the adjustment parameters set corresponding to each of the plurality of set temperatures as the target temperature when the temperature adjustment means adjusts the temperature of the nonlinear optical element.

上記構成によれば、波長変換装置において、非線形光学素子を適切な温度で動作させ、その出力光を安定化することができる。According to the above configuration, in the wavelength conversion device, the nonlinear optical element can be operated at an appropriate temperature, and the output light can be stabilized.

本発明の実施形態に係る波長変換装置の構成を示す図である。1 is a diagram showing a configuration of a wavelength conversion device according to an embodiment of the present invention. (a)非線形光学デバイス103の第二高調波の波長依存性のグラフを示す。(b)は、光パワー調整機構102のパワーのモニタ結果および設定温度Tの再設定を説明する図である。1A shows a graph of the wavelength dependency of the second harmonic of the nonlinear optical device 103. FIG. 1B shows a diagram for explaining the monitoring results of the power of the optical power adjusting mechanism 102 and the resetting of the set temperature T. 本発明の実施例1に係る波長変換装置を示す図である。1 is a diagram showing a wavelength conversion device according to a first embodiment of the present invention; (a)本発明の実施例1に係る波長変換装置の駆動方法を示す図である。(b)PPLN導波路の温度と、EDFAの電流値との関係を示す図である。1A is a diagram showing a method for driving a wavelength conversion device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a diagram showing a relationship between a temperature of a PPLN waveguide and a current value of an EDFA. 本発明の実施例2に係る波長変換装置を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a wavelength conversion device according to a second embodiment of the present invention. 本発明の実施例2に係る波長変換装置の駆動方法を示す図である。11A to 11C are diagrams illustrating a method of driving a wavelength conversion device according to a second embodiment of the present invention. 本発明の実施例3に係る波長変換装置を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a wavelength conversion device according to a third embodiment of the present invention. (a)パラメトリック増幅過程(b)SHG過程(c)基本波光を示す図である。1A is a diagram showing a parametric amplification process, a SHG process, and a fundamental wave light. 本発明の実施例4に係る波長変換装置を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a wavelength conversion device according to a fourth embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図1に本発明の実施形態に係る波長変換器および光パラメトリック増幅器を備えた波長変換装置100の基本構成が示される。この波長変換装置100は、二次の非線形光学デバイス(素子)103と、温度調整器104と,光パワー調整機構102と、制御信号生成器109と、光分岐カプラ105と,モニタ光を検出する光強度検出器106と,PID制御コントローラ(帰還回路)107と、を備えている。なお、図において、実線の接続線が光学的な接続を、破線が電気的に接続を、それぞれ示している。これ以後に説明する波長変換装置に関する図面についても同様である。光パワー調整機構102は、後述の具体的実施例において説明されるように、光増幅器(EDFA)、可変光減衰器(VOA)、光分波器、光検出器のいずれか、又はそれらの組み合わせで構築される。非線形光学デバイス103には、その入力端に基本波の波長帯の光を入射する基本波入射ポートと、非線形光学デバイス103の出力端に基本波の半分の波長帯の光を出射する二次高調波出射ポートと、が備えられる。Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows the basic configuration of a wavelength converter 100 including a wavelength converter and an optical parametric amplifier according to an embodiment of the present invention. The wavelength converter 100 includes a second-order nonlinear optical device (element) 103, a temperature regulator 104, an optical power adjustment mechanism 102, a control signal generator 109, an optical branching coupler 105, an optical intensity detector 106 for detecting monitor light, and a PID controller (feedback circuit) 107. In the figure, solid connection lines indicate optical connections, and dashed lines indicate electrical connections. The same applies to the drawings related to the wavelength converter described hereinafter. The optical power adjustment mechanism 102 is constructed of any one of an optical amplifier (EDFA), a variable optical attenuator (VOA), an optical splitter, and an optical detector, or a combination thereof, as will be described in a specific embodiment described later. The nonlinear optical device 103 is provided with a fundamental wave input port for inputting light in the fundamental wave wavelength band at its input end, and a second harmonic output port for outputting light in half the wavelength band of the fundamental wave at its output end.

図1に示す構成において、非線形光学デバイス103からの出力光である二次高調波をモニタ光として光パワー調整機構102にフィードバックし、光パワー調整機構102は非線形光学デバイス103からの出力が一定になるように、非線形光学デバイス103に入力する光のパワー(強度)を調整する(第一の制御)共に、その温度制御に関して、光パワー調整機構102は第二高調波発生の光パワーの波長特性を最適化する制御を行う(第二の制御)。In the configuration shown in FIG. 1, the second harmonic, which is the output light from the nonlinear optical device 103, is fed back to the optical power adjusting mechanism 102 as monitor light, and the optical power adjusting mechanism 102 adjusts the power (intensity) of the light input to the nonlinear optical device 103 so that the output from the nonlinear optical device 103 is constant (first control). In addition, with regard to the temperature control, the optical power adjusting mechanism 102 performs control to optimize the wavelength characteristics of the optical power of the second harmonic generation (second control).

図2(a)は、非線形光学デバイス103の第二高調波の波長依存性のグラフを示している。第二高調波の波長特性は波長に応じてSinc関数で変化し所定波長で最大値をとる。そして、波長特性は、非線形光学デバイス103の温度が変化すると(T-2ΔT~T+2ΔT)、波長方向にシフトする波長依存性を有している。2A shows a graph of the wavelength dependency of the second harmonic of the nonlinear optical device 103. The wavelength characteristic of the second harmonic changes according to the wavelength as a Sinc function and reaches a maximum value at a predetermined wavelength. The wavelength characteristic has a wavelength dependency that shifts in the wavelength direction when the temperature of the nonlinear optical device 103 changes (T-2ΔT to T+2ΔT).

第一の制御は、非線形光学デバイス103からの出力が一定になるように、出力の一部を分岐し、そのパワーをモニタしてPID制御コントローラ107を介して、光パワー調整機構102にフィードバックを行う。そして、光パワー調整機構102は、環境温度等の変化に伴う光結合の変動を補償すべく非線形光学デバイス103からの出力が一定になるようにする。本発明の実施形態は、この第一の制御によって、非線形光学デバイス103の出力が一定ならないことはない。しかし、温度も合わせて最適値にしないと、励起光率が悪くなってしまうことと、あまりにも励起光率が悪い場合には光パワー調整機構の守備範囲から外れてしまう可能性がある。第一の制御にのみでは非線形光学デバイス103からの出力の安定化は困難となる。In the first control, a part of the output from the nonlinear optical device 103 is branched off, and the power is monitored and fed back to the optical power adjusting mechanism 102 via the PID controller 107 so that the output from the nonlinear optical device 103 is constant. The optical power adjusting mechanism 102 then makes the output from the nonlinear optical device 103 constant in order to compensate for the fluctuation of the optical coupling accompanying the change in the environmental temperature, etc. In the embodiment of the present invention, the output from the nonlinear optical device 103 is not necessarily constant by this first control. However, unless the optimum value is set in consideration of the temperature, the pumping light efficiency may deteriorate, and if the pumping light efficiency is too poor, it may go beyond the range of coverage of the optical power adjusting mechanism. It is difficult to stabilize the output from the nonlinear optical device 103 by the first control alone.

本発明の実施形態は、第一の制御に加えて第二の制御を行う。この制御は、入力励起光波長に対して非線形光学デバイス103の第二高調波の波長特性を最適化するものである。これは、入力励起光波長が図2(a)の波長特性の最大値をとる波長に設定するものである。In the embodiment of the present invention, in addition to the first control, a second control is performed. This control optimizes the wavelength characteristic of the second harmonic of the nonlinear optical device 103 with respect to the wavelength of the input pump light. This is to set the wavelength of the input pump light to the wavelength at which the wavelength characteristic of FIG. 2A has a maximum value.

このような、波長特性の最大値をとるような制御は、PDH法(Pound-Drever-Hall法)が一般的に用いられる。PDH法は,システム内にディザ信号を生成し,応答信号に対してディザ信号で復調することで、応答関数を微分した関数を獲得する。そして、この微分関数を誤差関数として用いることで,微分関数がゼロになる点,すなわち応答関数が最大値をとる点を設定することができる。しかし、PDH法を用いる場合、ディザ信号を用いて本来安定させたい出力光を微小に変動させることを行っているため、特定の周波数成分のみによる変動ではあるものの、出力の安定性の劣化を招く恐れがある。また、ディザ信号による出力光の変動を極めて小さいレベルに抑えたとしても、第一の制御との併用が困難である。すなわち、第一の制御は出力光パワーが一定になるように制御するために、第二の制御のディザ信号による変動が読み取れなくなる。For such control to obtain the maximum value of the wavelength characteristic, the PDH method (Pound-Drever-Hall method) is generally used. In the PDH method, a dither signal is generated in the system, and the response signal is demodulated with the dither signal to obtain a function obtained by differentiating the response function. Then, by using this differential function as an error function, it is possible to set the point where the differential function becomes zero, that is, the point where the response function becomes the maximum value. However, when using the PDH method, since the output light that is originally to be stabilized is minutely fluctuated using the dither signal, there is a risk of deteriorating the stability of the output, even though the fluctuation is due to only a specific frequency component. In addition, even if the fluctuation of the output light due to the dither signal is suppressed to an extremely small level, it is difficult to use it together with the first control. In other words, since the first control controls the output light power to be constant, the fluctuation due to the dither signal of the second control cannot be read.

本発明の実施形態は、上記問題を解消し、第一の制御と第二の制御を共に実施する。図1において、制御信号生成器109は、温度調整器104に対し、温度をT-2ΔT~T+2ΔTの範囲で、ΔT間隔で順次温度を変化させるよう命令する。ここで、Tは非線形光学デバ
イス103の設定温度であり、ΔTは温度変化の量である。このとき、図2(a)にて上述したように、第二高調波の波長特性は波長方向においてシフトする。このため、第二高調波の出力光のパワーは温度に応じて変動する。一方で、第二高調波の出力光をモニタしたパワー(強度)は上述した第一の制御によって一定値に安定化されているので、第二高調波の温度変化に応じた変動を検出することができない。そこで、本発明の実施形態では、フィードバックによって非線形光学デバイス103における温度変動の影響を含む、光パワー調整機構102のパワーをモニタすることによって、非線形光学デバイス103の設定温度Tを再設定する。そして、温度調整器104はこの設定温度Tを目標値として非線形光学デバイス103の温度制御を行う。
The embodiment of the present invention solves the above problem and performs both the first control and the second control. In FIG. 1, the control signal generator 109 commands the temperature regulator 104 to change the temperature in the range of T-2ΔT to T+2ΔT in ΔT intervals. Here, T is the set temperature of the nonlinear optical device 103, and ΔT is the amount of temperature change. At this time, as described above in FIG. 2(a), the wavelength characteristic of the second harmonic shifts in the wavelength direction. Therefore, the power of the output light of the second harmonic fluctuates according to the temperature. On the other hand, since the power (intensity) of the monitored output light of the second harmonic is stabilized to a constant value by the above-mentioned first control, it is not possible to detect the fluctuation according to the temperature change of the second harmonic. Therefore, in the embodiment of the present invention, the set temperature T of the nonlinear optical device 103 is reset by monitoring the power of the optical power adjustment mechanism 102, including the influence of the temperature fluctuation in the nonlinear optical device 103, by feedback. Then, the temperature regulator 104 controls the temperature of the nonlinear optical device 103 with this set temperature T as a target value.

図2(b)は、光パワー調整機構102のパワーのモニタ結果および設定温度Tの再設定を説明する図である。上述したように、温度調整器104によって、そのときの目標温度Tと、それより低い温度T-2ΔT、T-ΔT、目標温度Tより高い温度T+ΔT、T+2ΔTの5つの温度を設定し、そのときの非線形光学デバイス103の温度に応じた光パワー調整機構102のモニタパワーの値を取得する。ここで、第二高調波の発生効率が最も高い温度で、光パワー調整機構102のモニタパワーは最低値をとる。すなわち、最も励起光率が良くなる。制御信号生成器109は、このモニタパワーが最低値となる温度を新たな設定温度Tとする。図2(b)に示す例では、温度T+ΔTが新たな設定温度Tに設定される。そ
して、制御信号生成器109は温度調整器104に対して新たに設定した温度Tで温度制御を行うようにする。これにより、波長変換装置を常に最適温度で動作させ、その光出力光を安定化させることができる。
FIG. 2B is a diagram for explaining the monitor result of the power of the optical power adjusting mechanism 102 and the resetting of the set temperature T. As described above, the temperature regulator 104 sets five temperatures, namely the target temperature T at that time, temperatures T-2ΔT and T-ΔT lower than the target temperature T, and temperatures T+ΔT and T+2ΔT higher than the target temperature T, and obtains the value of the monitor power of the optical power adjusting mechanism 102 according to the temperature of the nonlinear optical device 103 at that time. Here, at the temperature at which the generation efficiency of the second harmonic is the highest, the monitor power of the optical power adjusting mechanism 102 is the lowest value. In other words, the pumping light rate is the best. The control signal generator 109 sets the temperature at which this monitor power is the lowest value as the new set temperature T. In the example shown in FIG. 2B, the temperature T+ΔT is set as the new set temperature T. Then, the control signal generator 109 controls the temperature regulator 104 to perform temperature control at the newly set temperature T. This allows the wavelength conversion device to always operate at the optimum temperature and stabilize its optical output light.

以下では、上述した本発明の実施形態に基づく、いくつかの具体的実施例を説明する。In the following, some specific examples based on the above-described embodiment of the present invention will be described.

(実施例1)
図3は、本発明の第1の実施例に係る波長変換器および光パラメトリック増幅器を含む波長変換装置300の構成を示すブロック図である。この実施例1の波長変換器および光パラメトリック増幅器を含む波長変換装置300は、基本波励起用の光源101a、光増幅器(EDFA)102a、非線形光学デバイス103、温度調整器104、光分岐カプラ105、光強度検出器、比例・積分・微分(Proportional-Integr
al-Derivative: PID)コントローラ107、電流制御器108a、およ
び制御信号生成器109と、を有して構成される。
Example 1
3 is a block diagram showing the configuration of a wavelength converter 300 including a wavelength converter and an optical parametric amplifier according to a first embodiment of the present invention. The wavelength converter and the optical parametric amplifier according to the first embodiment of the present invention includes a light source 101a for pumping a fundamental wave, an optical amplifier (EDFA) 102a, a nonlinear optical device 103, a temperature regulator 104, an optical branching coupler 105, an optical intensity detector, a proportional-integral-differential (PID) amplifier, and a nonlinear optical amplifier (NIR) 106.
The control circuit 100 includes a proportional-derivative (PID) controller 107, a current controller 108a, and a control signal generator 109.

この波長変換器および光パラメトリック増幅器において、非線形光学デバイス103は、基本波励起光を分波するダイクロイックミラー型分波器を備えており、入力される基本波励起光、および出力される第二高調波励起光の間で擬似位相整合を満たす周期分極反転構造を有するPPLN導波路を備えている。つまり、基本波励起光・第二高調波励起光の導波路中の実効屈折率をそれぞれnf・npとして
np/λp-2nf/λf=1/Λ (式1)
を満たす反転周期Λの分極反転構造が備えられる。
In this wavelength converter and optical parametric amplifier, the nonlinear optical device 103 includes a dichroic mirror type splitter that splits the fundamental pump light, and includes a PPLN waveguide having a periodically poled structure that satisfies quasi-phase matching between the input fundamental pump light and the output second harmonic pump light. That is, when the effective refractive indexes in the waveguide of the fundamental pump light and the second harmonic pump light are nf and np, respectively, np/λp-2nf/λf=1/Λ (Equation 1)
The polarization inversion structure has an inversion period Λ that satisfies the above.

非線形光学デバイス103のPPLN導波路は式1を満たすように、温度調整器104によって温度が制御されている。The temperature of the PPLN waveguide of the nonlinear optical device 103 is controlled by a temperature regulator 104 so as to satisfy Equation 1.

波長変換装置300の動作が説明される。本実施形態では、電流制御器108aは、EDFA102aを駆動するための励起光源用の電流値(調整パラメータ)を制御し、これにより、PPLN導波路への基本波励起光の入力パワーを調整し、PPLN導波路から光ファイバへ出力される第二高調波励起光のパワーを安定化させている。基本波励起用の光源101aから出力された基本波励起光はEDFA102aによって増幅されたのちに、非線形光学素子(PPLN導波路)103へ入力される。PPLN導波路内部で発生した第二高調波励起光と基本波励起光の残渣成分がPPLN導波路から出力され、ダイクロイックミラー型分波器によって分波され、第二高調波励起光を出力ファイバに結合している。第二高調波励起光の一部は光分岐カプラ105によって分岐され、光強度検出器106によって光強度に比例した電気信号に変換される。電気信号はPID制御コントローラ107を介してEDFA102aを駆動するための電流制御器108aにフィードバックされる。これにより、第二高調波励起光の出力パワーが設定した目標値となるように制御されている。この出力パワーに関し、図4(a)および(b)にて後述されるように、PPLN導波路の温度をT-2ΔT~T+2ΔTの範囲で、ΔT間隔で変化させてEDFA102aの電流値(調整パラメータ)をモニタし、設定温度Tを設定する処理を行う。なお、温度調整器104によるPPLN導波路の温度制御の周期に対し、EDFA102aへの電流値制御の周期は十分に短く設定する必要がある。これは電流値制御の周期が十分に短くないと、PPLN導波路の温度変動に伴う第二高調波の出力パワー変動の影響を受けてしまうためである。The operation of the wavelength conversion device 300 will be described. In this embodiment, the current controller 108a controls the current value (adjustment parameter) for the pumping light source for driving the EDFA 102a, thereby adjusting the input power of the fundamental pumping light to the PPLN waveguide, and stabilizing the power of the second harmonic pumping light output from the PPLN waveguide to the optical fiber. The fundamental pumping light output from the fundamental pumping light source 101a is amplified by the EDFA 102a and then input to the nonlinear optical element (PPLN waveguide) 103. The second harmonic pumping light generated inside the PPLN waveguide and the residual component of the fundamental pumping light are output from the PPLN waveguide and split by a dichroic mirror type splitter, and the second harmonic pumping light is coupled to the output fiber. A part of the second harmonic pumping light is split by the optical splitter 105 and converted by the optical intensity detector 106 into an electrical signal proportional to the optical intensity. The electric signal is fed back to the current controller 108a for driving the EDFA 102a via the PID controller 107. This controls the output power of the second harmonic pump light to a set target value. As described later with reference to Figs. 4(a) and (b), the temperature of the PPLN waveguide is changed at intervals of ΔT in the range of T-2ΔT to T+2ΔT, the current value (adjustment parameter) of the EDFA 102a is monitored, and a set temperature T is set. Note that the period of the current value control to the EDFA 102a needs to be set sufficiently short compared to the period of the temperature control of the PPLN waveguide by the temperature regulator 104. This is because if the period of the current value control is not short enough, it will be affected by the output power fluctuation of the second harmonic due to the temperature fluctuation of the PPLN waveguide.

図4(a)および(b)は、光パワー調整機構として機能するEDFA102aを駆動する電流値(調整パラメータ)をモニタし、温度調整器104による温度調節の目標とする設定温度Tsetを求める(設定する)処理を説明する図である。この処理は、EDFA
102aと温度調整器104とに電気的に接続する制御信号生成器109を用いて実行される。制御信号生成器109は、CPU、ROM、RAMなどを有して構成されるマイクロコンピュータの形態とすることができる。
4A and 4B are diagrams for explaining a process of monitoring a current value (adjustment parameter) for driving the EDFA 102a functioning as an optical power adjustment mechanism, and determining (setting) a set temperature Tset as a target for temperature adjustment by the temperature adjuster 104.
This is performed using a control signal generator 109 electrically connected to the temperature regulator 102a and the temperature regulator 104. The control signal generator 109 may be in the form of a microcomputer having a CPU, a ROM, a RAM, and the like.

この処理は、図4(a)に示すステップS41で、PPLN導波路の温度をTset‐2ΔTに設定し、その温度において、電流制御器108aがEDFA102aを駆動する電流値を取得する。以下同様に順次、PPLN導波路の温度をTset‐ΔTに設定して、EDFA
の電流値を取得し(S42)、次に、PPLN導波路の温度をTsetに設定して、EDFAの電流値を取得し(S43)、さらにPPLN導波路の温度をTset+ΔTに設定して、EDFAの電流値を取得し(S44)、さらにPPLN導波路の温度をTset+2ΔTに設定して
、EDFAの電流値を取得し(S45)する。
In this process, in step S41 shown in FIG. 4A, the temperature of the PPLN waveguide is set to Tset-2ΔT, and at that temperature, the current controller 108a obtains a current value for driving the EDFA 102a.
The current value of the EDFA is obtained (S42), then the temperature of the PPLN waveguide is set to Tset and the current value of the EDFA is obtained (S43), the temperature of the PPLN waveguide is further set to Tset+ΔT and the current value of the EDFA is obtained (S44), and the temperature of the PPLN waveguide is further set to Tset+2ΔT and the current value of the EDFA is obtained (S45).

そして、ステップS46で、図4(b)に示すように、それぞれ設定した温度でのEDFA102aのモニタした電流値を比較し、電流値が最低値をとる温度を新たな設定(目標)温度Tsetとする。このように、EDFA102aの電流値が最低値をとる温度が、データを取得した中で最も励起効率が良い非線形光学デバイス(PPLN導波路)103の温度となる。以上の制御を実行することにより、PPLN導波路の温度を常に適した温度に調整することが可能になる。Then, in step S46, as shown in Fig. 4B, the monitored current values of the EDFA 102a at each set temperature are compared, and the temperature at which the current value is at its minimum is set as the new set (target) temperature Tset. In this way, the temperature at which the current value of the EDFA 102a is at its minimum becomes the temperature of the nonlinear optical device (PPLN waveguide) 103 with the best pumping efficiency among the acquired data. By executing the above control, it becomes possible to constantly adjust the temperature of the PPLN waveguide to an appropriate temperature.

実際に、図3に示す構成で第二高調波の出力パワーが一定に制御できるかを試みた。PPLN導波路の温度の変更までの時間は、温度の応答時間を考慮して2秒間隔とし、ここではΔTは0.1 ℃として、設定温度から±0.2 ℃までの5点分動かす制御を実施した。なお、EDFA102aへの電流値のフィードバックは0.1秒間隔で実施しており、温度の変動と比べて十分に早い速度での制御を実施しており、温度変動に伴う出力変動が起こらないように調整している。第二高調波励起光の出力パワーの目標値を27dBmに設定し、10時間の連続動作を実施したところ、27±0.1dBでの動作安定化に成功がされた。In fact, we tried to control the output power of the second harmonic to a constant value with the configuration shown in Fig. 3. The time until the temperature of the PPLN waveguide is changed is set to 2 seconds in consideration of the temperature response time, and ΔT is set to 0.1°C, and control is performed by moving the temperature from the set temperature by 5 points up to ±0.2°C. The current value is fed back to the EDFA 102a at 0.1 second intervals, and control is performed at a speed sufficiently fast compared to the temperature fluctuation, so that adjustment is made so that output fluctuations due to temperature fluctuations do not occur. The target value of the output power of the second harmonic pump light was set to 27 dBm, and continuous operation was performed for 10 hours, and operation stabilization at 27 ±0.1 dB was successfully achieved.

なお、本実施例ではPPLN導波路の温度制御時に温度を0.1 ℃ずつ動かしたがこ
の値に限定されるものではない。また、0.1 ℃ずつ5点分温度を動かしたが、この取
得点数も5点に限定されるものではなく、任意の点数としてよい。
In this embodiment, the temperature was changed by 0.1° C. at each time of the temperature control of the PPLN waveguide, but this is not limited to this value. Also, the temperature was changed by 0.1° C. at five points, but the number of points obtained is not limited to five points, and may be any number of points.

また、本実施例ではEDFA102aの電流値(調整パラメータ)をモニタしてPPLN導波路の最適温度の制御をしたが、EDFA102aの出力パワーをモニタし、そのモニタパワーが最低値をとる温度にPPLN導波路の温度を更新していく制御としてもよい。In addition, in this embodiment, the current value (adjustment parameter) of the EDFA 102a is monitored to control the optimal temperature of the PPLN waveguide, but the output power of the EDFA 102a may be monitored, and the temperature of the PPLN waveguide may be updated to the temperature at which the monitored power is at its minimum value.

本実施例では制御信号生成器109としてマイクロコンピュータを用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、FPGA等の制御回路を用いてもよい。In this embodiment, a microcomputer is used as the control signal generator 109, but the present invention is not limited to this, and for example, a control circuit such as an FPGA may be used.

制御時間に関しては、温度変更時間を2 秒間隔、EDFA102aの電流値制御間隔
を0.1 秒としたが、この値に限定されるものではなく、EDFA102aの電流値制
御間隔がPPLN導波路の温度変更の間隔と比べて十分に短ければよい。
Regarding the control time, the temperature change interval was set to 2 seconds, and the current value control interval of the EDFA 102a was set to 0.1 seconds, but this is not limited to these values, and it is sufficient that the current value control interval of the EDFA 102a is sufficiently short compared with the temperature change interval of the PPLN waveguide.

本実施例では非線形光学デバイス103として、周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウム(LiNbO3)を用いているが、これに限定されるものではなく、LiNbO3、LiTaO3、LiNb(x)Ta(1-x)O3(0≦x≦1)、または、それらにMg、Zn、Sc、Inからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有している非線形光学媒質を用いてよい。 In this embodiment, lithium niobate ( LiNbO3 ) having a periodically poled structure is used as the nonlinear optical device 103, but this is not limited to this, and nonlinear optical media such as LiNbO3 , LiTaO3 , LiNb(x)Ta(1-x) O3 (0≦x≦1), or any of these containing at least one type selected from the group consisting of Mg, Zn, Sc, and In as an additive, may be used.

(実施例2)
図5に本発明の実施例2に係る波長変換器および光パラメトリック増幅器を含む波長変換装置500の第2の実施例の構成を示すブロック図である。この実施の形態2の波長変換器および光パラメトリック増幅器は、基本波励起用の光源101aと、光増幅器(EDFA)102b、可変光減衰器(VOA)102c、第一の光強度検出器106a、非線形光学デバイス103と温度調整器104、第二の光分岐カプラ105b、第二の光強度検出器106b、比例・積分・微分(Proportional-Integral-Derivative:PID)コントローラ107、電圧制御器108b、および制御信号生成器109を備えている。
Example 2
5 is a block diagram showing the configuration of a second example of a wavelength converter 500 including a wavelength converter and an optical parametric amplifier according to the second embodiment of the present invention. The wavelength converter and the optical parametric amplifier of the second embodiment include a light source 101a for pumping a fundamental wave, an optical amplifier (EDFA) 102b, a variable optical attenuator (VOA) 102c, a first optical intensity detector 106a, a nonlinear optical device 103 and a temperature regulator 104, a second optical branching coupler 105b, a second optical intensity detector 106b, a proportional-integral-derivative (PID) controller 107, a voltage controller 108b, and a control signal generator 109.

実施例1との違いは、基本波励起光の入力パワーの制御をEDFA102bではなく、後段のVOA102cで実施している点である。本実施例におけるVOA102cは電圧で光減衰量を制御しているが、このようなVOA102cとしては例えば、モータなどの手段によって光量減衰レベルに分布を有する光学フィルタを移動させる機械式のVOAなどが知られている。基本的な制御動作は実施例1と同様であり、非線形光学デバイス103(PPLN導波路)の温度は、常時T-2ΔT~T+2ΔTまでΔT間隔で離散的に掃引を続ける。The difference from the first embodiment is that the input power of the fundamental pump light is controlled not by the EDFA 102b but by the VOA 102c at the rear stage. The VOA 102c in this embodiment controls the optical attenuation amount by voltage, and as such a VOA 102c, for example, a mechanical VOA that moves an optical filter having a distribution in the optical attenuation level by means of a motor or the like is known. The basic control operation is the same as in the first embodiment, and the temperature of the nonlinear optical device 103 (PPLN waveguide) is constantly swept discretely at intervals of ΔT from T-2ΔT to T+2ΔT.

出力パワーは一定値を保つように、第二の光強度検出器106bのモニタパワーをVOA102cを駆動する電圧制御器108bにフィードバックをかけている。PPLN導波路の最適温度はVOA102cの後段の第二の光強度検出器106bの光パワーが最低値となる温度、すなわちもっとも励起光率のよくなる温度を設定温度とするように、制御信号生成器109を介して温度調整器104にフィードバックをかけている。このような制御を行うことで、実施例1と同様に、PPLN導波路の温度を最適温度に保ちながら、第
二高調波励起光の出力強度を一定値に制御することが可能となる。
The monitor power of the second optical power detector 106b is fed back to the voltage controller 108b that drives the VOA 102c so that the output power is kept constant. The optimum temperature of the PPLN waveguide is set to the temperature at which the optical power of the second optical power detector 106b downstream of the VOA 102c is at its minimum, that is, the temperature at which the pumping light rate is the best, by feeding it back to the temperature regulator 104 via the control signal generator 109. By performing such control, it becomes possible to control the output intensity of the second harmonic pumping light to a constant value while keeping the temperature of the PPLN waveguide at the optimum temperature, as in the first embodiment.

図6は、光パワー調整機構として機能するVOA102cを駆動する電圧値(調整パラメータ)をモニタし、温度調整器104による温度調節の目標とする設定温度Tsetを求
める(設定する)処理を説明する図である。この処理は、VOA102cと温度調整器104とに電気的に接続する制御信号生成器109を用いて実行される。制御信号生成器109は、CPU、ROM、RAMなどを有して構成されるマイクロコンピュータの形態とすることができる。
6 is a diagram for explaining a process of monitoring a voltage value (adjustment parameter) for driving the VOA 102c functioning as an optical power adjustment mechanism, and determining (setting) a set temperature Tset as a target for temperature adjustment by the temperature regulator 104. This process is executed by a control signal generator 109 electrically connected to the VOA 102c and the temperature regulator 104. The control signal generator 109 can be in the form of a microcomputer having a CPU, ROM, RAM, etc.

この処理は、図6に示すステップS61で、PPLN導波路の温度をTset‐2ΔTに設定し、その温度において、電圧制御器108bがVOA102cを駆動する電圧値を取得する。以下同様に順次、PPLN導波路の温度をTset‐ΔTに設定して、EDFAの電圧値
を取得し(S62)、次に、PPLN導波路の温度をTsetに設定して、EDFAの電圧値を取得し(S63)、さらにPPLN導波路の温度をTset+ΔTに設定して、EDFAの電圧値を取得し(S64)、さらにPPLN導波路の温度をTset+2ΔTに設定して、EDF
Aの電圧値を取得し(S65)する。
6, the temperature of the PPLN waveguide is set to Tset-2ΔT, and the voltage controller 108b acquires the voltage value for driving the VOA 102c at that temperature. Similarly, the temperature of the PPLN waveguide is set to Tset-ΔT, and the voltage value of the EDFA is acquired (S62), the temperature of the PPLN waveguide is then set to Tset, and the voltage value of the EDFA is acquired (S63), the temperature of the PPLN waveguide is then set to Tset+ΔT, and the voltage value of the EDFA is acquired (S64), and the temperature of the PPLN waveguide is then set to Tset+2ΔT, and the voltage value of the EDFA is acquired (S65).
The voltage value of A is obtained (S65).

そして、ステップS66で、図6に示すように、それぞれ設定した温度でのVOA102cのモニタした電圧値を比較し、電圧値が最低値をとる温度を新たな設定(目標)温度Tsetとする。Then, in step S66, as shown in FIG. 6, the monitored voltage values of the VOA 102c at the respective set temperatures are compared, and the temperature at which the voltage value is the minimum is set as a new set (target) temperature Tset.

本実施例では、VOA102cからの出力パワーをモニタしてPPLN導波路の温度の最適化を行っているが、VOA102cの駆動電圧をモニタすることで、PPLN導波路の温度の最適化を行ってもよい。In this embodiment, the temperature of the PPLN waveguide is optimized by monitoring the output power from the VOA 102c, but the temperature of the PPLN waveguide may be optimized by monitoring the drive voltage of the VOA 102c.

(実施例3)
図7に本発明に係る実施例1の波長変換器および光パラメトリック増幅器を含む波長変換装置700の構成を示すブロック図である。この実施の形態3の波長変換器および光パラメトリック増幅器は、基本波励起用の光源101aと、光増幅器(EDFA)102a、第一のバンドパスフィルタ701a、第一の光分岐カプラ105a、非線形光学デバイス103と温度調整器104、第二の光分岐カプラ105b、第二のバンドパスフィルタ(BPF)701b、光強度検出器、比例・積分・微分(Proportional-Integral-Derivative: PID)コントローラ107、電流制御器108a、および制御信号生成器109を備えている。基本波出射ポートと非線形光学デバイス103の間には基本波光の半分の波長を有する二倍波の波長帯の光と、基本波光の波長帯の光とを分離する波長合分波機構が配置される。
Example 3
7 is a block diagram showing the configuration of a wavelength converter 700 including a wavelength converter and an optical parametric amplifier according to the first embodiment of the present invention. The wavelength converter and the optical parametric amplifier according to the third embodiment include a light source 101a for pumping a fundamental wave, an optical amplifier (EDFA) 102a, a first bandpass filter 701a, a first optical branching coupler 105a, a nonlinear optical device 103 and a temperature regulator 104, a second optical branching coupler 105b, a second bandpass filter (BPF) 701b, an optical intensity detector, a proportional-integral-derivative (PID) controller 107, a current controller 108a, and a control signal generator 109. Between the fundamental wave output port and the nonlinear optical device 103, a wavelength multiplexing/demultiplexing mechanism is disposed for separating light in a wavelength band of a double wave having a wavelength half that of the fundamental wave light from light in the wavelength band of the fundamental wave light.

実施例1,2では非線形光学デバイス103を用いた第二高調波発生過程を扱っていたが、本実施例では1つの非線形光学デバイス103中で第二高調波発生過程とパラメトリック増幅過程を両方引き起こすものである。つまり、基本波励起光を入力することで発生した第二高調波励起光をエネルギー源として、同時に入力している信号光のパラメトリック増幅を行う、多段の過程を用いている。本実施例ではパラメトリック増幅の出力光パワーの安定化とPPLN導波路の温度の最適化を同時に行う方法を提示する。In the first and second embodiments, the second harmonic generation process using the nonlinear optical device 103 was dealt with, but in this embodiment, both the second harmonic generation process and the parametric amplification process are caused in one nonlinear optical device 103. In other words, a multi-stage process is used in which the second harmonic pump light generated by inputting fundamental pump light is used as an energy source to parametrically amplify the signal light that is input at the same time. In this embodiment, a method is presented for simultaneously stabilizing the output light power of the parametric amplification and optimizing the temperature of the PPLN waveguide.

波長変換装置700の波長変換器および光パラメトリック増幅器において、非線形光学デバイス103は、基本波励起光及び信号光と第二高調波励起光を分波するダイクロイックミラー型分波器を備えており、入力信号光、波長変換光、第二高調波励起光の間で擬似位相整合を満たす周期分極反転構造を有するPPLN導波路を備えている。つまり、信号光・変換光・第二高調波励起光の導波路中の実効屈折率をそれぞれns・nc・npとして
np/λp-ns/λs-nc/λc=1/Λ (式2)
を満たす反転周期Λの分極反転構造が備えられる。これはλs=λc(=λf)となる場合が(式1)に相当している。PPLN導波路は式2をみたすように、温度調整器104によって温度が制御されている。
In the wavelength converter and optical parametric amplifier of the wavelength converter 700, the nonlinear optical device 103 includes a dichroic mirror type demultiplexer that demultiplexes the fundamental pump light and the signal light from the second harmonic pump light, and includes a PPLN waveguide having a periodically poled structure that satisfies quasi-phase matching between the input signal light, the wavelength converted light, and the second harmonic pump light. That is, assuming that the effective refractive indices in the waveguide of the signal light, the converted light, and the second harmonic pump light are ns, nc, and np, respectively, np/λp-ns/λs-nc/λc=1/Λ (Equation 2)
This corresponds to the case where λs = λc (= λf) in equation (1). The temperature of the PPLN waveguide is controlled by a temperature regulator 104 so as to satisfy equation (2).

ここで、式(1)で表される第二高調波発生過程と、式(2)で表されるパラメトリック増幅過程の波長特性が図8に示される。基本波光は、単一のレーザ光源から出力された単一波長のレーザ光である(基本波光を示す図8(c))。PPLN導波路の第二高調波に対する位相整合帯域は、パラエトリック増幅に対する位相整合帯域よりも狭いが、基本波光のレーザ光の線幅はよりは十分広い(SHG過程を示す図8(b))。パラメトリック増幅過程においては、信号光波長を変化させても、周波数2ω-ωの変換光と励起光との間で、式2を満たす限りは同じ変換効率が得られる。このとき、実効屈折率nsおよびncも変化するが、材料の分散によりnsが大きくなった分ncが小さくなることで信号光波長を変えても(式2)を満たすことができ、パラメトリック増幅過程を示す図8(a)に示めすような広い波長変換帯域となり、2つのPPLNデバイスで異なる位相整合特性となる。 Here, the wavelength characteristics of the second harmonic generation process represented by formula (1) and the parametric amplification process represented by formula (2) are shown in FIG. 8. The fundamental light is a single-wavelength laser light output from a single laser light source (FIG. 8(c) showing the fundamental light). The phase matching band for the second harmonic of the PPLN waveguide is narrower than the phase matching band for the parametric amplification, but the line width of the laser light of the fundamental light is sufficiently wider (FIG. 8(b) showing the SHG process). In the parametric amplification process, even if the signal light wavelength is changed, the same conversion efficiency can be obtained between the converted light with a frequency of 2ω 0s and the pump light as long as formula 2 is satisfied. At this time, the effective refractive indexes ns and nc also change, but since nc becomes smaller by the amount that ns becomes larger due to the dispersion of the material, (formula 2) can be satisfied even if the signal light wavelength is changed, and a wide wavelength conversion band is obtained as shown in FIG. 8(a) showing the parametric amplification process, and the two PPLN devices have different phase matching characteristics.

第3の実施例の波長変換装置700の動作が説明される。本実施例では、EDFA102aを駆動するための基本波励起用の光源101aの電流値(調整パラメータ)を制御し、これによりPPLN導波路への基本波励起光の入力パワーを調整し、PPLN導波路から光ファイバへ出力される信号光及び波長変換光のパワーを安定化させている。基本波励起用の光源101aから出力された基本波励起光はEDFA102aによって増幅されたのちに、バンドパスフィルタによって不要なASE光が除去され、信号光と第一の光分岐カプラ105aを通じて合波される。信号光と基本波励起光は非線形光学素子(PPLN導波路)へ入力され、PPLN導波路内部で基本波励起光により発生した第二高調波励起光と信号光とのパラメトリック増幅過程により、波長変換光が発生する。基本波励起光の残渣成分・信号光・変換光及びパラメトリック増幅過程で生成されたASEなどの基本波波長帯成分と、第二高調波励起光はPPLN導波路から出力され、ダイクロイックミラー型分波器によって第二高調波励起光と、基本波波長帯成分とに分離される。基本波波長帯成分はその一部を第二の光分岐カプラ105bによって分岐され、第二のBPF701bによって基本波励起光を含まない、基本波励起光波長近傍の波長成分が取り出されたのち、光強度検出器106によって光強度に比例した電気信号に変換される。ここで、第二のBPF701bで基本波励起光近傍波長を取り出す理由が述べられる。非線形光学デバイス103のPPLN導波路を用いた波長変換や光パラメトリック増幅を行う場合、信号光は基本波励起光の波長(縮退波長)とその近傍の波長を用いることができない。これは波長変換光が基本波励起光の波長を中心に折り返す形で現れるためであり、この波長近傍の信号光を入力した場合、変換光も同じ波長に出力されてしまうため、干渉してしまい、分離ができなくなるためである。このため、縮退波長近傍は本質的に利用することがないため、モニタ光として利用しても他の信号光に与える影響が少ない利点をもつ。次に、縮退波長近傍は温度に対する変換効率の変動がSHG効率の変動と同じ形になり、最適温度で変換効率の頂点を迎える形状となる。このため、非線形光学デバイス103と同様の方法で最適温度への制御が可能となる。ただし基本波励起光波長の残渣成分を含んでしまうと、基本波励起光は励起光率がよくなるほどに光パワーが減ってしまうため、今回の最大出力への安定化制御には適さない挙動となるためにBPFは基本波励起光成分を含まない近傍波長に設定している。モニタ出力の電気信号はPID制御コントローラ107を介してEDFA102aを駆動するための電流制御器108aにフィードバックされ、これによりパラメトリック増幅後の出力パワーが設定した目標値となるように制御されている。この出力パワーに関し、PPLN導波路の温度をT-2ΔT~T+2ΔTまでΔT間隔で変化させてEDFA102aの電流値(調整パラメータ)をモニタし、設定温度Tを設定する処理を行い、EDFA102aの設定電流値をモニタして、電流値が最低となるようにPPLN導波路の設定温度にフィードバックをかける制御は実施例1と同じである。このような制御を行うことで、PPLN導波路の温度を最適温度に保ちながら、パラメトリック増幅後の出力光の強度を一定値に制御することが可能となる。The operation of the wavelength conversion device 700 of the third embodiment will be described. In this embodiment, the current value (adjustment parameter) of the fundamental pumping light source 101a for driving the EDFA 102a is controlled, thereby adjusting the input power of the fundamental pumping light to the PPLN waveguide, and stabilizing the power of the signal light and the wavelength converted light output from the PPLN waveguide to the optical fiber. The fundamental pumping light output from the fundamental pumping light source 101a is amplified by the EDFA 102a, and then unnecessary ASE light is removed by a bandpass filter, and the signal light is multiplexed through the first optical branching coupler 105a. The signal light and the fundamental pumping light are input to a nonlinear optical element (PPLN waveguide), and the wavelength converted light is generated by a parametric amplification process of the second harmonic pumping light and the signal light generated by the fundamental pumping light inside the PPLN waveguide. The residual component of the fundamental pump light, the signal light, the converted light, and the fundamental wavelength band components such as ASE generated in the parametric amplification process, and the second harmonic pump light are output from the PPLN waveguide, and are separated into the second harmonic pump light and the fundamental wavelength band components by a dichroic mirror type splitter. A part of the fundamental wavelength band components is split by the second optical splitter 105b, and the wavelength components near the fundamental pump light wavelength, not including the fundamental pump light, are extracted by the second BPF 701b, and then converted into an electrical signal proportional to the light intensity by the optical intensity detector 106. Here, the reason for extracting the wavelength near the fundamental pump light by the second BPF 701b will be described. When wavelength conversion or optical parametric amplification is performed using the PPLN waveguide of the nonlinear optical device 103, the wavelength (degenerate wavelength) of the fundamental pump light and its nearby wavelengths cannot be used for the signal light. This is because the wavelength-converted light appears in a form that is folded back around the wavelength of the fundamental pump light, and when a signal light near this wavelength is input, the converted light is also output at the same wavelength, resulting in interference and making it impossible to separate. Therefore, since the vicinity of the degenerate wavelength is essentially not used, it has the advantage that even if it is used as a monitor light, it has little effect on other signal lights. Next, in the vicinity of the degenerate wavelength, the fluctuation of the conversion efficiency with respect to temperature is the same as the fluctuation of the SHG efficiency, and the shape is such that the conversion efficiency reaches its peak at the optimal temperature. Therefore, it is possible to control to the optimal temperature in the same manner as the nonlinear optical device 103. However, if residual components of the fundamental pump light wavelength are included, the optical power of the fundamental pump light decreases as the pump light rate improves, and this behavior is not suitable for stabilization control to the maximum output in this case, so the BPF is set to a nearby wavelength that does not include the fundamental pump light component. The electric signal of the monitor output is fed back to the current controller 108a for driving the EDFA 102a via the PID controller 107, and the output power after parametric amplification is controlled to be the set target value. Regarding this output power, the temperature of the PPLN waveguide is changed from T-2ΔT to T+2ΔT at intervals of ΔT to monitor the current value (adjustment parameter) of the EDFA 102a, a process of setting the set temperature T is performed, the set current value of the EDFA 102a is monitored, and feedback is applied to the set temperature of the PPLN waveguide so that the current value becomes the minimum, which is the same as in Example 1. By performing such control, it becomes possible to control the intensity of the output light after parametric amplification to a constant value while maintaining the temperature of the PPLN waveguide at an optimal temperature.

(実施例4)
図9に本発明の実施例の波長変換器および光パラメトリック増幅器を含む波長変換装置900の構成が示される。この実施例の4の波長変換装置900の波長変換器および光パラメトリック増幅器は、第二高調波励起用の光源101bと、可変光減衰器(VOA)102c、第一の光分岐カプラ105a、第一の光強度検出器106a、非線形光学デバイス103と温度調整器104、第二の光分岐カプラ105b、バンドパスフィルタ(BPF)701、第二の光強度検出器106b、比例・積分・微分(Proportiona
l-Integral-Derivative:PID)コントローラ107、電圧制御
器108b、および制御信号生成器109を備えている。非線形光学デバイス103の入力端に、信号光の概ね半分の波長を有する二倍波の波長帯の光と前記信号光の波長帯の光とを合波する第一の波長合分波機構が配置され、非線形光学デバイス103の入力端に信号光の波長帯の光を入射する入射ポートと、前記二倍波の波長帯の光を入射する入射ポートを有する。非線形光学デバイス103の出力端に、二倍波の波長帯の光と信号光の波長帯の光とを分波する第二の波長合分波機構が配置される。
Example 4
9 shows the configuration of a wavelength converter 900 including a wavelength converter and an optical parametric amplifier according to an embodiment of the present invention. The wavelength converter and the optical parametric amplifier of the wavelength converter 900 of the fourth embodiment include a light source 101b for second harmonic pumping, a variable optical attenuator (VOA) 102c, a first optical branching coupler 105a, a first optical intensity detector 106a, a nonlinear optical device 103 and a temperature regulator 104, a second optical branching coupler 105b, a bandpass filter (BPF) 701, a second optical intensity detector 106b, a proportional integral differential (PID) filter 702, and a nonlinear optical device 103 and a temperature regulator 104.
The nonlinear optical device 103 includes a PID (proportional-integral-derivative) controller 107, a voltage controller 108b, and a control signal generator 109. A first wavelength multiplexing/demultiplexing mechanism is disposed at an input end of the nonlinear optical device 103 for multiplexing light in a double wavelength band having a wavelength roughly half that of the signal light with light in the wavelength band of the signal light, and the input end of the nonlinear optical device 103 has an input port for inputting light in the wavelength band of the signal light and an input port for inputting light in the double wavelength band. A second wavelength multiplexing/demultiplexing mechanism is disposed at an output end of the nonlinear optical device 103 for demultiplexing light in the double wavelength band and light in the wavelength band of the signal light.

本実施例は、PPLN導波路に第二高調波励起光と信号光を入力してパラメトリック増幅過程を引き起こし、パラメトリック増幅の出力光パワーの安定化とPPLN導波路の温度の最適化を同時に行う方法を提示するものである。This embodiment presents a method for inducing a parametric amplification process by inputting second harmonic pump light and signal light into a PPLN waveguide, and simultaneously stabilizing the output light power of the parametric amplification and optimizing the temperature of the PPLN waveguide.

PPLN導波路は入出力に信号光波長帯と第二高調波励起光を合分波するダイクロイックミラー型合分波器を備えており、入力信号光、波長変換光、第二高調波励起光の間で擬似位相整合を満たす周期分極反転構造を有するPPLN導波路を備えている。すなわち、信号光・変換光・第二高調波励起光の導波路中の実効屈折率をそれぞれns・nc・npとして(式2)を満たす反転周期Λの分極反転構造が備えられる。The PPLN waveguide is provided with a dichroic mirror type multiplexer/demultiplexer that multiplexes/demultiplexes the signal light wavelength band and the second harmonic pump light at the input and output, and is provided with a PPLN waveguide having a periodic polarization inversion structure that satisfies quasi-phase matching between the input signal light, the wavelength converted light, and the second harmonic pump light. That is, the PPLN waveguide is provided with a polarization inversion structure with an inversion period Λ that satisfies (Equation 2) where the effective refractive indices in the waveguide for the signal light, the converted light, and the second harmonic pump light are ns, nc, and np, respectively.

第4の実施例の波長変換装置900の動作が説明される。本実施例では、VOA102cを駆動する電圧値(調整パラメータ)を制御することによってPPLN導波路への第二高調波励起光の入力パワーを調整し、PPLN導波路から光ファイバへ出力される信号波長帯の出力光パワーを安定化させている。第二高調波励起用の光源101bから出力された光はVOA102cによってパワーを調整されたのちに、PPLN導波路へダイクロイックミラーを介して結合される。このとき、第二高調波励起光の一部は第一の光分岐カプラ105aによって分離され、第一の光強度検出器によって、光強度に応じた電気信号に変換されている。ダイクロイックミラーのもう一方からは信号光が入力され、PPLN導波路へ結合される。PPLN導波路内部ではパラメトリック増幅過程により、増幅された信号光と新たに生成された波長変換光及びASE光が第二高調波励起光の残渣成分とともにPPLN導波路から出力され、ダイクロイックミラー型分波器によって分波される。信号光波長帯の一部は第二の光分岐カプラ105bによって分岐され、BPF701によって第二高調波励起光の倍の波長成分、すなわち基本波励起光波長の近傍波長が切り出され、光強度検出器106によって光強度に比例した電気信号に変換される。電気信号はPID制御コントローラ107を介してVOA102cを駆動するための電圧制御器108bにフィードバックされる。これにより、パラメトリック増幅後の信号波長帯の出力パワーが設定した目標値となるように制御されている。PPLN導波路の温度をT-2ΔT~T+2ΔTの範囲で、ΔT間隔で変化させてVOA102cの電圧値(調整パラメータ)をモニタし、設定温度Tを設定する処理を行う。第一の光強度検出器106aからの電気信号の値が最低値となるように、制御信号生成器109を介して温度調整器104にフィードバックされている。このような制御をすることで、PPLN導波路の温度を常時最適な温度に調整し、パラメトリック増幅後の出力パワーを安定化させることが可能になる。The operation of the wavelength converter 900 of the fourth embodiment will be described. In this embodiment, the input power of the second harmonic pump light to the PPLN waveguide is adjusted by controlling the voltage value (adjustment parameter) for driving the VOA 102c, and the output light power of the signal wavelength band output from the PPLN waveguide to the optical fiber is stabilized. The light output from the light source 101b for second harmonic pumping is coupled to the PPLN waveguide via a dichroic mirror after the power is adjusted by the VOA 102c. At this time, a part of the second harmonic pump light is separated by the first optical branching coupler 105a and converted into an electrical signal according to the light intensity by the first optical intensity detector. The signal light is input from the other side of the dichroic mirror and coupled to the PPLN waveguide. In the PPLN waveguide, the amplified signal light and the newly generated wavelength-converted light and ASE light are output from the PPLN waveguide together with the residual component of the second harmonic pump light by the parametric amplification process, and are demultiplexed by the dichroic mirror type demultiplexer. A part of the signal light wavelength band is branched by the second optical branching coupler 105b, and a wavelength component twice the wavelength of the second harmonic pump light, i.e., a wavelength in the vicinity of the fundamental pump light wavelength, is extracted by the BPF 701, and converted into an electric signal proportional to the light intensity by the light intensity detector 106. The electric signal is fed back to the voltage controller 108b for driving the VOA 102c via the PID controller 107. This controls the output power of the signal wavelength band after parametric amplification to be the set target value. The temperature of the PPLN waveguide is changed in intervals of ΔT in the range of T-2ΔT to T+2ΔT, and the voltage value (adjustment parameter) of the VOA 102c is monitored, and a process of setting the set temperature T is performed. The value of the electrical signal from the first optical power detector 106a is fed back to the temperature regulator 104 via the control signal generator 109 so that it becomes the minimum value. By performing such control, it becomes possible to constantly adjust the temperature of the PPLN waveguide to an optimal temperature and stabilize the output power after parametric amplification.

本実施例ではVOA102cを用いて光強度を調整しているが、第二高調波励起用の光源101bを駆動する電気信号にフィードバックをかけて、パラメトリック増幅後の出力光パワーの安定化をし、駆動する電気信号をモニタして、PPLN導波路の温度の最適制御をかけてもよい。In this embodiment, the optical intensity is adjusted using the VOA 102c, but it is also possible to apply feedback to the electrical signal that drives the light source 101b for second harmonic excitation to stabilize the output optical power after parametric amplification, and to monitor the driving electrical signal to optimally control the temperature of the PPLN waveguide.

第二高調波励起用の光源101bは、直接第二高調波励起光波長を出力できるレーザダイオードを用いてもよいが、基本波励起光波長の光を出力する光源とその第二高調波を発生させる非線形光学デバイスとの組み合わせでもよい。The light source 101b for second harmonic excitation may be a laser diode capable of directly outputting the second harmonic excitation light wavelength, or may be a combination of a light source that outputs light with the fundamental excitation light wavelength and a nonlinear optical device that generates the second harmonic.

二倍波光源の実現手段としては、二倍波の波長を出力するレーザを準備するか、基本波の波長を出力するレーザの第二高調波をとるかの2通りがある。There are two ways to realize a double wave light source: either prepare a laser that outputs a double wave wavelength, or take the second harmonic of a laser that outputs a fundamental wave wavelength.

二倍波光源は、信号光の概ね半分の波長の光を出力するレーザダイオードと、レーザダイオードの駆動用の電流制御器、VOA、光分波器、光検出器のいずれか、又はそれらの組み合わせで構築される。The double wave light source is constructed by a laser diode that outputs light with approximately half the wavelength of the signal light, a current controller for driving the laser diode, a VOA, an optical splitter, a photodetector, or a combination of these.

又は、二倍波光源は、信号光の波長帯の波長の光を出力するレーザダイオードとレーザダイオードの駆動用の電圧制御器108bと光増幅器102bと非線形光学デバイス、VOA102c、第二の光分岐カプラ105bの光分波器、第一の光強度検出器106aの
いずれか、もしくはそれらの組み合わせで構築される。
Alternatively, the double wave light source is constructed by a laser diode that outputs light with a wavelength in the wavelength band of the signal light, a voltage controller 108b for driving the laser diode, an optical amplifier 102b, a nonlinear optical device, a VOA 102c, an optical splitter of the second optical branching coupler 105b, a first optical power detector 106a, or a combination of these.

Claims (5)

非線形光学効果を用いて波長変換を行う装置であって、
基本波光から波長の異なる変換光を発生させる非線形光学素子と、前記非線形光学素子の入力端に基本波の波長帯の光を入射する基本波入射ポートと、前記非線形光学素子の出力端から前記基本波の半分の波長帯の光を出射する二次高調波出射ポートと、前記非線形光学素子の出力端から基本波の波長帯の光を出射する基本波出射ポートと、前記非線形光学素子の温度を調整する温度調整機構と、を備えた波長変換装置であって、
記非線形光学素子の基本波入射ポート側に、モニタ出力を備えた前記基本波光のパワー調整機構を備え、
前記基本波入射ポートの前段に信号光を合波する合波器を有し、前記二次高調波出射ポートおよび前記基本波出射ポートと前記非線形光学素子との間には前記基本波光の半分の波長を有する二倍波の波長帯の光と、前記基本波光の波長帯の光とを分離する波長合分波機構が配置され、
前記基本波出射ポートの後段に、前記基本波の一部を分離する分波器および前記基本波の光強度を検出する光検出器と、
前記分波器と前記光検出器の間に光バンドパスフィルタと、
を有し、
記光検出器からの信号をに、前記パワー調整機構を制御し、信号光出力を一定値に保つ帰還回路と、
記温度調整機構の設定温度を微小量変動させ、前記パワー調整機構のモニタ出力をもとに、前記非線形光学素子の温度の最適値からの誤差を取得し、二次高調波が最も効率よく出力される最適温度に前記温度調整機構を制御する制御器と、
を備えることを特徴とする波長変換装置。
An apparatus for performing wavelength conversion using a nonlinear optical effect, comprising:
A wavelength conversion device comprising: a nonlinear optical element which generates converted light having a different wavelength from fundamental light; a fundamental wave input port through which light in a wavelength band of the fundamental wave is input to an input end of the nonlinear optical element; a second harmonic output port through which light in a wavelength band that is half the wavelength of the fundamental wave is output from an output end of the nonlinear optical element; a fundamental wave output port through which light in the wavelength band of the fundamental wave is output from an output end of the nonlinear optical element; and a temperature adjustment mechanism which adjusts a temperature of the nonlinear optical element,
a power adjustment mechanism for the fundamental wave light having a monitor output provided on the fundamental wave input port side of the nonlinear optical element ;
a multiplexer for multiplexing signal light is provided before the fundamental wave input port, and a wavelength multiplexing/demultiplexing mechanism for separating light in a double wave wavelength band having half the wavelength of the fundamental wave light from light in the wavelength band of the fundamental wave light is provided between the second harmonic output port and the fundamental wave output port and the nonlinear optical element,
a splitter that separates a part of the fundamental wave and a photodetector that detects the optical intensity of the fundamental wave, the splitter being disposed downstream of the fundamental wave output port;
an optical bandpass filter between the splitter and the photodetector;
having
a feedback circuit that controls the power adjustment mechanism based on a signal from the photodetector to keep the signal light output at a constant value;
a controller that minutely varies a set temperature of the temperature adjustment mechanism, obtains an error from an optimum temperature of the nonlinear optical element based on a monitor output of the power adjustment mechanism, and controls the temperature adjustment mechanism to the optimum temperature at which the second harmonic is most efficiently output;
A wavelength conversion device comprising:
記パワー調整機構は、光増幅器、光分波器、および光検出器の組み合わせで構築される、又は、可変光減衰器、光分波器、光検出器の組み合わせで構築されることを特徴とする、請求項に記載の波長変換装置。 2. The wavelength conversion device according to claim 1 , wherein the power adjustment mechanism is constructed by a combination of an optical amplifier, an optical splitter, and a photodetector , or is constructed by a combination of a variable optical attenuator, an optical splitter, and a photodetector . 非線形光学効果を用いて波長変換を行う装置であって、
二次高調波光を励起光として信号光と波長の異なる変換光を発生させる非線形光学素子と、
記非線形光学素子の入力端に、前記信号光の概ね半分の波長を有する二倍波の波長帯の光と前記信号光の波長帯の光とを合波する第一の波長合分波機構が配置され、
前記非線形光学素子の入力端に信号光の波長帯の光を入射する入射ポートと、前記二倍波の波長帯の光を入射する入射ポートを有し、
記非線形光学素子の出力端に、前記二倍波の波長帯の光と前記信号光の波長帯の光とを分波する第二の波長合分波機構が配置され、
記非線形光学素子の出力端に信号光の波長帯の光を出射する出射ポートと、前記二倍波の波長帯の光を出射する出射ポートを有し、
記非線形光学素子の温度を調整する温度調整機構を備えた波長変換装置であって、
記非線形光学素子の二倍波入射ポート側に、二倍波光源、および前記二倍波の波長帯の光のモニタ出力を備えたパワー調整機構を有し、
記非線形光学素子の前記信号光波長帯の光の出射ポート側に、前記信号光の波長帯の光を分離する分波器と、前記信号光の波長帯の光の光強度を検出する光検出器を有し、
前記分波器と前記光検出器の間に光バンドパスフィルタを有し、
前記信号光の波長帯の光の光検出器からの信号をもとに、前記二倍波光源のパワー調整機構を制御し、前記信号光波長帯の光の変換光出力を一定値に保つ帰還回路を有し、
記非線形光学素子の温度調整機構の設定温度を微小量変動させ、前記パワー調整機構のモニタ出力をもとに、前記非線形光学素子の温度の最適値からの誤差を取得し、前記信号光波長帯の光の変換光が最も効率よく出力される最適温度に前記温度調整機構を制御する制御器を備えることを特徴とする波長変換装置。
An apparatus for performing wavelength conversion using a nonlinear optical effect, comprising:
a nonlinear optical element that uses second harmonic light as pump light to generate converted light having a wavelength different from that of the signal light;
a first wavelength multiplexing/demultiplexing mechanism is disposed at an input end of the nonlinear optical element for multiplexing light in a double wavelength band having approximately half the wavelength of the signal light with light in the wavelength band of the signal light;
an input port for inputting light in a wavelength band of a signal light and an input port for inputting light in the wavelength band of the double wave at an input end of the nonlinear optical element;
a second wavelength multiplexing/demultiplexing mechanism is disposed at an output end of the nonlinear optical element, the second wavelength multiplexing/demultiplexing mechanism being configured to demultiplex light in the wavelength band of the signal light from light in the wavelength band of the double wave;
an output port for outputting light in a wavelength band of a signal light and an output port for outputting light in the wavelength band of the double wave at an output end of the nonlinear optical element;
A wavelength conversion device including a temperature adjustment mechanism for adjusting the temperature of the nonlinear optical element,
a power adjustment mechanism provided with a double wave light source and a monitor output of light in the double wave wavelength band on the double wave input port side of the nonlinear optical element ;
a demultiplexer for separating light in the wavelength band of the signal light and a photodetector for detecting the optical intensity of light in the wavelength band of the signal light , the demultiplexer being provided on the output port side of the nonlinear optical element for light in the wavelength band of the signal light;
an optical bandpass filter between the splitter and the photodetector;
a feedback circuit that controls a power adjustment mechanism of the double wave light source based on a signal from a photodetector of light in the wavelength band of the signal light , and maintains a converted optical output of light in the wavelength band of the signal light at a constant value;
A wavelength conversion device characterized by comprising a controller which minutely varies the set temperature of a temperature adjustment mechanism for the nonlinear optical element, obtains an error from the optimum value of the temperature of the nonlinear optical element based on the monitor output of the power adjustment mechanism, and controls the temperature adjustment mechanism to the optimum temperature at which the converted light of the wavelength band of the signal light is most efficiently output.
前記二倍波光源は、前記信号光の概ね半分の波長の光を出力するレーザダイオードと、前記レーザダイオードの駆動用の前記制御器である電制御器、可変光減衰器、光分波器と、光検出器の組み合わせで構築される、又は、
前記二倍波光源は、前記信号光の波長帯の波長の光を出力するレーザダイオードと前記レーザダイオードの駆動用の前記制御器である電流制御器と、前記レーザダイオードからの光を増幅する光増幅器と前記光増幅器の光から前記二倍波の波長帯の光を生じる非線形光学素子と、光分波器と、光検出器との組み合わせで構築される請求項に記載の波長変換装置。
The double wave light source is constructed by combining a laser diode that outputs light having a wavelength approximately half that of the signal light, a voltage controller that is the controller for driving the laser diode, a variable optical attenuator, an optical splitter , and a photodetector, or
The wavelength conversion device of claim 3, wherein the double wave light source is constructed by combining a laser diode that outputs light of a wavelength in the wavelength band of the signal light , a current controller that is the controller for driving the laser diode , an optical amplifier that amplifies the light from the laser diode , a nonlinear optical element that generates light in the double wave wavelength band from the light of the optical amplifier, an optical splitter, and a photodetector.
前記非線形光学素子が、LiNbO3 、LiTaO3 、又はLiNb(x) Ta(1-x)3 (0≦x≦1)又は、それらのうち一にMg、Zn、Sc、Inからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする請求項1乃至いずれか一項に記載の波長変換装置。 The wavelength conversion device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the nonlinear optical element is LiNbO3, LiTaO3 , or LiNb (x) Ta (1-x) O3 (0≦x≦1), or one of them containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Zn, Sc, and In as an additive.
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