JP6853730B2

JP6853730B2 - 波長変換デバイス

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Publication number: JP6853730B2
Application number: JP2017099308A
Authority: JP
Inventors: 隼志阪本; 郷　隆司; 隆司郷; 橋本　俊和; 俊和橋本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2037-05-18
Also published as: JP2018194710A

Description

本発明は、光デバイスに関し、より詳しくは波長変換デバイスに関する。

レーザの応用は光通信、医療、映像などの分野へと広がり、それに伴い様々な波長域で発振するレーザが求められている。従来のレーザでは得られがたい波長のレーザ光を得るために、非線形光学現象を利用した波長変換が用いられる。波長変換材料には、ＬｉＢ₃Ｏ₅結晶やＣＬＢＯ結晶などが存在し、入射光（基本波光）の波長を、半分の波長（第二高調波）や１／４の波長（第四高調波）に変換する特性を有する。

こうした波長変換材料による変換効率は１００％ではないため、波長変換材料を通過した光は基本波と高調波が混在する。このため、高調波を光源として利用する場合、波長フィルタなどが必要となる。従来は、図１に示すように、空間光学系（レンズ１０１およびダイクロイックミラー１０３）とバルク部品（波長変換材料１０２）を用いて高調波の抽出が行われる構成が知られていた。この構成では、ダイクロイックミラー１０３が、基本波光を反射する一方で、高調波を透過することにより、波長フィルタの役割を果たしている。

波長変換材料としては、上記材料以外にも、高効率な二次非線形光学効果を有する媒質である周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃（ＰＰＬＮ）導波路（非特許文献１）が知られており、かかる導波路を用いた光パラメトリック増幅器の研究開発が進められている。

また、石英系平面光波回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）は石英ガラス基板又はシリコン基板上に、石英系ガラスを主たる材料として作製される回路であって、光導波路として近年よく用いられている。ＰＬＣは、伝搬損失が低い、信頼性・安定性が高い、および加工性が良い等の特徴を有している。また、ＰＬＣは光ファイバとの整合性が良いため、標準的な通信用光ファイバと接続した場合においても低損失・高信頼性を有している。現在、ＰＬＣにより構成したＹ分岐パワースプリッター、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ：Ｍａｃｈ−ＺｅｈｎｄｅｒＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）、ＭＺＩを利用した光スイッチ、およびアレイ導波路型波長合分波器（ＡＷＧ：ＡｒｒａｙｅｄＷａｖｅｇｕｉｄｅＧｒａｔｉｎｇ）などの光回路は、光通信システムの重要なキーデバイスとなっている（例えば、非特許文献２、３）。

さらに、近年では、部品点数、実装工程の削減を目的として、ＰＰＬＮとＰＬＣのハイブリッド集積も検討されている。ハイブリッド集積は例えば、図２に示すように波長変換部をＰＰＬＮ導波路２０１で構成し、フィルタ部分をＰＬＣ２０２で構成することでモジュールの小型化を実現可能とする技術である。

T. Kazama, et al., CLEO2014, SM4I.8 Y. Hibino, IEEE CIRCUITS & DEVICES, Nov., 2000, pp.21-27 A. Himeno, et al., J. Sel. Top. Q.E., vol. 4, 1998, pp.913-924

しかしながら、上記で説明した図１に示す空間光学系を用いた構成、図２に示す光導波路を用いた構成のいずれの場合も、変換されなかった基本波光はフィルタでカットされるため、非変換光が損失となってしまうといった問題がある。

本発明は上記従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、従来損失となっていた非変換光を再利用することにより変換効率が向上させた波長変換デバイスを提供することにある。

上記の課題を解決するために、一形態に記載された発明は、入力された基本波光の一部を高調波光に波長変換する波長変換素子と、前記波長変換素子から出力された光を基本波光と高調波光とに分離する波長分離器と、前記波長分離器で分離された基本波光を前記波長変換素子の入力側に戻す戻り導波路と、前記戻り導波路からの基本波光を前記波長変換素子への入力光と合波する合波器と、を備え、前記合波器は、可変遅延線を有するマッハツェンダ干渉計を用いて構成され、前記マッハツェンダ干渉計の出力の一方に前記波長変換素子が接続され、前記マッハツェンダ干渉計の出力の他方の出力がゼロとなるように前記可変遅延線の遅延量を設定することにより、前記合波器の分岐比が前記戻り導波路からの基本波光のパワーと前記入力光のパワーとの比に設定されることを特徴とする波長変換デバイスである。

空間光学系を用いた従来の波長変換デバイスの構成例を示す図である。光導波路を用いた従来の波長変換デバイスの構成例を示す図である。実施形態１の波長変換デバイスの構成例を示す図である。実施形態１の波長変換デバイスの構成をさらに詳細に説明する図である。方向性結合器のギャップと基本波光の結合長、およびその際の高調波の結合率の関係を示す図である。実施形態１の回路構成の論理的モデルを示す図である。実施形態１の波長変換デバイスの変形例を示す図である。実施形態２の波長変換デバイスの構成例を示す図である。実施形態３の波長変換デバイスの構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

本実施形態の波長変換デバイスは、入力された基本波光の一部を高調波光に波長変換する波長変換素子であるＰＰＬＮ導波路を通過した後の基本波光と高調波光を、ＰＬＣを用いて分離し、変換されなかった基本波光を入力光と合波することで再度ＰＰＬＮ導波路を通過させ変換効率を向上させる。この構成により、これまで損失となっていた非変換光を再利用することができるので、変換効率が向上する。

また、位相調整器で基本波光の位相を入力光の位相と一致するように調整し、基本波光のパワーと入力光のパワーの比に設定した分岐比を有する可変合波器で合波することによって、それぞれの光をロスなく合波することができる。

（実施形態１）
図３は本実施形態の波長変換デバイスの構成例を示す図である。図３に示すように、波長変換デバイスは、入力側ＰＬＣ部１０とＰＰＬＮ部２０と出力側ＰＬＣ部３０とがハイブリッド集積されて構成されている。

入力側ＰＬＣ部１０は、波長変換デバイスへの入力光を入力する入力導波路１１と、可変合波器１２と、可変合波器１２で合波した光が出力される合波出力導波路１３と、ＰＰＬＮ部２０から戻ってくる光を入力する戻り光入力導波路１４と、戻り光の位相を調整する位相調整器１５と、位相調整器１５の出力光を可変合波器１２に接続する接続導波路１６とを有している。入力側ＰＬＣ部１０には、フォトリソグラフィなどの手段によってこれらの導波路等を形成することができる。

ＰＰＬＮ部２０は、それぞれ基板上にリッジ形状に形成された、周期分極反転構造のＰＰＬＮ導波路２１と周期分極反転されていないＬＮ導波路２２とを有している。周期分極反転構造のＰＰＬＮ導波路２１では、位相整合波長に調整されているため、基本波光が入力されると、一部が高調波に変換されて出力される。例えば、基本波光として波長１．５５μｍの光を入力すると、その一部を高調波である０．７８μｍの光に変換して出力する。ＬＮ導波路２２では、通過する光に波長変換は起こらず、基本波光が入力されるとそのまま基本波光が出力される。

出力側ＰＬＣ部３０は、ＰＰＬＮ部２０で変換された光を出力側ＰＬＣ部３０に接続する接続導波路３１と、接続されたＰＰＬＮ部２０からの光を基本波光と高調波光とに分離する波長分離器３２と、分離された高調波を出力する高調波出力導波路３３と、分離された基本波光を出力する戻り光出力導波路３４とを有している。出力側ＰＬＣ部３０には、フォトリソグラフィなどの手段によってこれらの導波路等を形成することができる。

ＰＰＬＮ導波路２１は、入力側ＰＬＣ部１０の可変合波器１２で合波した出力光を伝搬する合波出力導波路１３および出力側ＰＬＣ部３０の接続導波路３１とそれぞれ光学的接続が取れている。また、ＬＮ導波路２２は、出力側側ＰＬＣ部３０の波長分離器３２で分離した基本波光を伝搬する戻り光出力導波路３４および入力側ＰＬＣ部１０の戻り光入力導波路１４とそれぞれ光学的接続が取れている。

入力側ＰＬＣ１０に入射された光は、入力側ＰＬＣ部１０内の可変合波器１２を介してＰＰＬＮ部２０のＰＰＬＮ導波路２１に入射される。ＰＰＬＮ導波路２１を通過した光の一部は高調波に変換される。出力側ＰＬＣ３０の波長分離器３２にて、変換されなかった基本波光と変換された高調波光とを分離し、変換されなかった基本波光はＬＮ導波路２２を介して、入力側の可変合波器１２に再び入射される。このとき、位相整合器１５を用いて変換されなかった基本波光と基本波である入力光の位相を整合させ、可変合波器１２の分岐比を、変換されなかった基本波光のパワーと基本波である入力光のパワーとの比に調整することで、それぞれの光をロスなく合波することができる。このため、変換されなかった基本波光は再びＰＰＬＮ導波路２１を通過するためトータルの変換効率を向上させることができる。

図４は、図３で示した位相調整器１５、可変合波器１２、波長分離器３２について具体的な回路構成を示す図である。図４を用いて実施形態１の波長変換デバイスの構成をさらに詳細に説明する。図４に示すように、位相整合器１５は可変遅延線１５１を用いて実現でき、可変合波器１２は可変遅延線１２２を有するマッハツェンダ干渉計１２１を用いて実現することができる。可変遅延線１５１、１２２は、導波路上に作製したヒータを用いて、熱光学効果により屈折率を変化させ光路長を操作することで実現する。マッハツェンダ干渉計１２１は、３ｄＢカプラを有している。

可変遅延線１５１の遅延量Δθを設定することで変換されなかった基本波光（非変換光）の位相を調整して、可変合波器１２の２つの入力導波路１２３、１２４にそれぞれ入力される外部からの入力光と非変換光との位相を整合させることができる。

また、マッハツェンダ干渉計１２１内の可変遅延線１２２の遅延量Δφを設定することでマッハツェンダ干渉計１２１の分岐比を調整して、可変合波器１２に入力された光が全てＰＰＬＮ導波路２１に接続する側の出力導波路１２５に出力されるようにできる。入力された光全てが出力導波路１２５に出力されているか否かは、反対側の出力導波路１２６の先にパワーモニタを設けて、反対側の出力導波路１２６に出力がないことを検出することによって確認することができる。

また、波長分離器３２は、図４に示すように、方向性結合器３２１を用いて実現できる。方向性結合器３２１の結合長（１００％光のパワーが乗り移るのに必要な導波路の長さ）は光の閉じ込めの弱い長波側ほど短く、短波になるにつれて長くなる。高調波は基本波の半分の波長のため、基本波光の結合長では高調波はほとんど導波路間で結合しない。

図５は導波路幅３μｍ、高さ４．５μｍ、コアとクラッドの屈折率差１．８％における、方向性結合器のギャップと基本波光の結合長、およびその際の高調波の結合率の関係を示す図である。図中点線で表された曲線が基本波光の結合長、実線で表された曲線が高調波の結合率をそれぞれ示している。図５に示すように、例えば、方向性結合器のギャップを３μｍとした場合、基本波光の結合長は１１７０μｍで、その際の高調波の結合率は−３３ｄＢとなり、基本波光が完全に結合する一方で高調波光はほとんど結合していないことが判る。したがって、方向性結合器３２１の結合長を基本波光が結合する最低限の長さに調整することによって基本波光と高調波光とを分離することができる。

波長分離器３２に接続された戻り光出力導波路３４には光の一部をタップしてモニタする手段（図示せず）が設けられており、タップした光をモニタすることによって、位相調整器１５により適格に位相調整がされて光の変換が行われているかを確認することができる。

本実施形態の波長変換デバイスでは、可変合波器１２の反対側の出力導波路１２６に設けられたモニタと、分離器３２の出力の戻り光出力導波路３４の一部をタップして設けられたモニタとの値を見ながら、位相調整器１５の遅延量Δθと可変合波器１２の遅延量Δφとを調整することによって最も効率のよい変換がなされる遅延量Δθ、Δφに設定することができる。以上の構成により、高調波のみを分離し、変換されなかった基本波光のみを入力光に結合し、再度ＰＰＬＮ導波路に入射することが可能となり、変換効率を向上させることができる。

ここで、実施形態１における遅延量Δθ、Δφの設定と変換効率の最適化との関係について説明する。図６は実施形態１の回路構成の論理的モデルを示す図である。本モデルで表される回路は可変合波器１２を介して、リング内に可変遅延線１５１をもつリング共振器４０と入力光を結合するモデルとみることができる。このとき、入力光の振幅をＡ_in、リング内をまわり位相調整器に入る前段の光の振幅をＡ_loop、可変カプラを透過する光（可変合波器１２により合波されない光）の振幅をＡ_monとし、可変カプラの分岐比をΨ（sinφ:cosφ）とし、リング共振器４０の一周当たりの損失をαとすると、図６に示す回路は、以下のように記述できる。

よって、Ａ_loop、Ａ_monをＡ_inで表すと、

と表すことができる。このとき、可変合波器１２に入力された光が全てリング共振器４０に結合される（変換効率の最適化）ためには、Ａ_mon＝０となるときであるから、

つまり、

に可変カプラの分岐比と位相調整器の位相を調整することで、ロスレスに光を合波することができることが判る。

以上説明したように、本実施形態の波長変換デバイスによれば、これまで損失となっていた非変換光を再利用することができ、さらに可変カプラの分岐比と位相調整器の位相を調整することで、ロスレスに光を合波することによって、変換効率が向上させることができる。

（実施形態１の変形例）
図７は実施形態１の波長変換デバイスの変形例を示す図である。図７に示す波長変換デバイスは、図４に示す波長変換デバイスのマッハツェンダ干渉計１２１の３ｄＢカプラ部分および方向性結合器３２１のカプラ部分をマルチモード干渉型光導波路（Ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｗａｖｅｇｕｉｄｅ：ＭＭＩ）を用いて構成したものである。このように、カプラをＭＭＩで構成しても同様に機能する。その他の構成は、実施形態１と同様である。さらに、方向性結合器３２１で構成されていた波長分離器３２をマッハツェンダ干渉計により構成してもよい。

（実施形態２）
図８は実施形態２の波長変換デバイスの構成例を示す図である。実施形態１の波長変換デバイスにおいては戻り光を伝搬させる導波路としてＬＮ導波路２２を用いていたが、本実施形態の波長変換デバイスは、戻り光を伝搬させる導波路として、ＬＮ導波路に代えて位相不整合ＰＰＬＮ導波路２３を用いた態様である。その他の構成は、実施形態１と同様である。

戻り光を伝搬させる位相不整合ＰＰＬＮ導波路２３は、位相整合波長がずれたものを用いることができる。位相整合波長がずれた位相不整合ＰＰＬＮ導波路２３を用いてもＬＮ導波路と同様に機能する。位相整合波長がずれた位相不整合ＰＰＬＮ導波路２３は、分極反転ピッチや導波路幅を変えることによって作製できる。本実施形態の波長変換デバイスによれば、実施形態１の波長変換デバイスのように分極反転部がある導波路とない導波路を近接して作製するよりも容易に作製することができるという効果がある。

（実施形態２の変形例）
実施形態２では、戻り光を伝搬させる導波路としてＬＮ導波路２２に代えて、位相不整合ＰＰＬＮ導波路２３を用いていたが、さらに位相不整合ＰＰＬＮ導波路２３に代えて、ガラス系導波路を用いてもよい。

本明細書においてガラス系導波路とは、ＰＬＣに形成される導波路や光ファイバなどの導波路をいう。ここでガラス系とは、ＰＬＣや光ファイバの構成材料として用いられる石英ガラスを含むケイ酸塩を主成分とする固体の物質である。戻り光を伝搬させる導波路としてガラス系導波路を用いることで、戻り光をより低損失に伝搬することができるので、変換効率の向上にさらに寄与する。

ガラス系導波路の形成手法としては、例えば、実施形態１や実施形態２においてＬＮ導波路２２または位相不整合ＰＰＬＮ導波路２３が形成されていた箇所に、光ファイバを設けることによって形成することができる。光ファイバを設ける場合、前段側ＰＬＣ部１０と後段側ＰＬＣ部３０とが形成する間隙よりも長めの光ファイバを用いることができる。光ファイバは撓むことができるので、設置場所に比べて多少長さが長くても問題がない。また、光ファイバの代わりに、前段側ＰＬＣ部１０と後段側ＰＬＣ部３０とが形成する間隙においてＰＰＬＮ導波路２１に干渉しない部分に、ＰＬＣを設けて、そのＰＬＣに戻り光を伝搬させる導波路をフォトリソにより回路形成することもできる。

さらに、前段側ＰＬＣ部１０および後段側ＰＬＣ部３０の回路構成と戻り光を伝搬させる導波路回路とをフォトリソにより回路形成したＰＬＣを基板上に形成して、形成したＰＬＣにおいてＰＰＬＮ導波路２１が形成されるＰＬＣの箇所をくりぬいて、くりぬいた箇所にＰＰＬＮ導波路２１をはめ込むことによって波長変換デバイスを形成することができる。

（実施形態３）
図９は実施形態３の波長変換デバイスの構成例を示す図である。本実施形態の波長変換デバイスは、実施形態１で示した波長分離器３２を多段に設けた構成としている。さらに、多段に設けた波長分離器３２−１、３２−２のそれぞれから出力される戻り光を位相調整して合波する位相調整器３５および可変合波器３６を備えている。位相調整器３５および可変合波器３６は、追加で設けた波長分離器３２−２の数だけ設けることができる。位相調整器３５は位相調整器１５と、可変合波器３６は可変合波器１２とそれぞれ同様に構成することができる。その他の構成は実施形態１と同様である。

本実施形態の波長変換デバイスは、図９に示すように、位相調整器３５および可変合波器３６を後段側ＰＬＣ部３０に設けて、複数の波長分離器３２−１、３２−２で分離した戻り光を後段側ＰＬＣ部３０にて合波しているが、前段側ＰＬＣ部１０に設けて合波してもよいことは言うまでもない。この構成によれば、波長分離器３２が消光比２０ｄＢ程度であって多少出力側にもれてしまう場合でも、さらに変換効率を向上させることができる。

なお、本実施形態の波長変換デバイスにおいても実施形態２および実施形態２の変形例と同様に、ＬＮ導波路２２に代えて位相不整合ＰＰＬＮ導波路やガラス系導波路を用いて構成してもよい。

１０入力側ＰＬＣ部
１１入力導波路
１２可変合波器
１３合波出力導波路
１４戻り光入力導波路
１５位相調整器
１６接続導波路
２０ＰＰＬＮ部
２１ＰＰＬＮ導波路
２２ＬＮ導波路
２３位相不整合ＰＰＬＮ導波路
３０出力側ＰＬＣ部
３１接続導波路
３２波長分離器
３３高調波出力導波路
３４戻り光出力導波路
３５位相調整器
３６可変合波器

Claims

入力された基本波光の一部を高調波光に波長変換する波長変換素子と、
前記波長変換素子から出力された光を基本波光と高調波光とに分離する波長分離器と、
前記波長分離器で分離された基本波光を前記波長変換素子の入力側に戻す戻り導波路と、
前記戻り導波路からの基本波光を前記波長変換素子への入力光と合波する合波器と、を備え、
前記合波器は、可変遅延線を有するマッハツェンダ干渉計を用いて構成され、前記マッハツェンダ干渉計の出力の一方に前記波長変換素子が接続され、前記マッハツェンダ干渉計の出力の他方の出力がゼロとなるように前記可変遅延線の遅延量を設定することにより、前記合波器の分岐比が前記戻り導波路からの基本波光のパワーと前記入力光のパワーとの比に設定される
ことを特徴とする波長変換デバイス。
入力側に戻す前記基本波光の位相を前記波長変換素子への入力光の位相に一致するように調整する位相調整器をさらに備え、前記戻り導波路からの基本波光は、該位相調整器を介して前記合波器に入力される
ことを特徴とする請求項１に記載の波長変換デバイス。
前記波長分離器は、多段に接続された複数の波長分離器で構成されており、前記多段に接続された複数の波長分離器のそれぞれが入力された光から前記基本波光を分離するように構成され、前記多段に接続された複数の波長分離器のそれぞれから出力された前記基本波光を合波して前記戻り導波路に接続する合波器をさらに備える
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換デバイス。
前記マッハツェンダ干渉計は、２本の並列したアームで接続された２つのカプラを有し、前記波長分離器は、前記基本波光と前記高調波光とのうち前記基本波光のみが光結合する長さを有するカプラを有する方向性結合器を用いて構成されている
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の波長変換デバイス。
前記マッハツェンダ干渉計は、２本の並列したアームで接続された２つのマルチモード干渉導波路を有し、前記波長分離器は、前記基本波光と前記高調波光とのうち前記基本波光のみが光結合するように設定されたマルチモード干渉導波路を用いて構成されている
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の波長変換デバイス。
前記波長変換素子は、入力された光の一部を基本波から高調波に波長変換するように位相整合された周期分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ₃で構成されたＰＰＬＮ導波路であり、該ＰＰＬＮ導波路の入力側に設けられたＰＬＣである入力側ＰＬＣに前記合波器が形成されており、前記ＰＰＬＮ導波路の出力側に設けられたＰＬＣである出力側ＰＬＣに前記波長分離器が形成されており、前記出力側ＰＬＣおよび前記入力側ＰＬＣとこれらの２つのＰＬＣの間に設けられたＬｉＮｂＯ₃で構成されたＬＮ導波路とに前記戻り導波路が形成されている
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の波長変換デバイス。
前記波長変換素子は、入力された光の一部を基本波から高調波に波長変換するように位相整合された周期分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ₃で構成されたＰＰＬＮ導波路であり、該ＰＰＬＮ導波路の入力側に設けられたＰＬＣである入力側ＰＬＣに前記合波器が形成されており、前記ＰＰＬＮ導波路の出力側に設けられたＰＬＣである出力側ＰＬＣに前記波長分離器が形成されており、前記出力側ＰＬＣおよび前記入力側ＰＬＣとこれらの２つのＰＬＣの間に設けられたガラス系導波路とに前記戻り導波路が形成されている
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の波長変換デバイス。
前記波長変換素子は、入力された光の一部を基本波から高調波に波長変換するように位相整合された周期分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ₃で構成されたＰＰＬＮ導波路であり、該ＰＰＬＮ導波路の入力側に設けられたＰＬＣである入力側ＰＬＣに前記合波器が形成されており、前記ＰＰＬＮ導波路の出力側に設けられたＰＬＣである出力側ＰＬＣに前記波長分離器が形成されており、前記出力側ＰＬＣおよび前記入力側ＰＬＣとこれらの２つのＰＬＣの間に設けられた位相整合されていない周期分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ₃で構成されたＬＮ導波路とに前記戻り導波路が形成されている
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の波長変換デバイス。