波长变换元件和波长变换装置的利记博彩app

专利名称：波长变换元件和波长变换装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及波长变换元件和波长变换装置，更具体地说，本发明 涉及能够将多个波长间隔为不等间隔配置的输入光波长一并进行变换 的波长变换元件和波长变换装置。
背景技术：
以往，在从可见光范围到中红外光范围的各种波长范围中，研究 开发了能够输出光的半导体激光器。然而，目前的现状是在例如波长
500~600nm的可见光范围或从波长2~5/xm的近红外到中红外的波长范 围内，不能实现能够在室温下筒单使用的光源。因此，对于难以由这 种光源产生直接光的波长范围，可以使用利用了非线性光学效应的波 长变换的光源。
尽管已知有各种形式的波长变换元件，但是从实用性的观点来看， 釆用周期性地调制非线性光学常数的准相位匹配的波导型波长变换元 件是最有前途的。为了形成周期性的调制结构，考虑交替地使非线性 常数的符号反转，或将非线性光学常数大的部分和非线性光学常数小 的部分大致交替地配置的方法。在LiNb03等铁电晶体中，由于非线性 常数(d常数)的正负与自发极化的极性对应，因而通过反转自发极 化就能够反转非线性常数的符号。
图1示出采用以往的波长变换元件的光源的构成。波长变换元件 由在周期性地被极化反转的LiNb03基板11上形成的光波导12构成。 将来自两个半导体激光器的波长为、的信号光和波长为、的激发光在 复用器13中合波，并入射到光波导12中。通过产生由非线性光学效 应引起的差频而从光波导12输出波长为入2的变换光。因此，虽然利 用了差频的产生，但是利用和频的产生或二次谐波的产生也能够构成 获得短波长变换光的光源。在产生差频的情况下，将信号光(第一入务j光)的波艮设为入,、 变换光(闲频光)的波长设为入2、激发光(第二入射光)的波长设为 入3，三个波长之间具有如下关系。
1 /入3= 1 /入2+ 1 /、 (1)
例如，如果将两束入射光设为1.55j[mi和1.06/mi,则能够产生 3.35/xm的变换光。如果将两束入射光设为1.55/mi和0.94;rni，则能够 产生2.39/mi的变换光。另外，在产生和频的情况下，信号光(第一入 射光)的波长入!、激发光(第二入射光)的波长、、变换光(闲频光) 的波长入3适用式(1);在产生二次谐波的情况下，入射光的波长、 (=X2)、变换光(闲频光)的波长入3适用式(1)。
将非线性光学材料对于信号光波长入的折射率设为ni、对于变换 光波长、的折射率设为n2、对于激发光波长入3的折射率设为n3、非 线性常数的调制周期设为AQ，相位失配量A(3为
△P = 27t (113/入3-Tl2/X2-n,/)m) (2)。 波长变换元件的波导长度设为L，变换效率7/为
7 = 〃 max
sin2
卩< 2;r 、 Ay5-，2根据式(3)得出的变换效率r/在相位失配量A卩为2vr/Ao时最大。
例如，当激发光波长入3固定时，满足相位失配量A卩=2tt/Ao的 准相位匹配条件的信号光波长取决于非线性光学材料的折射率的波长 色散，在确定调制周期Ao时，信号光波长被唯一地确定。当使激发波 长入3从满足准相位匹配条件的波长(准相位匹配波长)处变化时，才艮 据式(2)和式(3)，变换效率会降低。
图2示出变换效率相对相位失配量的变化。图2是将变换效率r/ 的最大值作为1来进行归一化。在采用长度为50mm的LiNb03基板 作为波长变换元件的情况下，变换效率7 变为最大值的一半时的相位 失配量的波段如果换算成3.35Mm频带的变换波长，则为约9.3nm左右。 为了将信号光波长、变换为任意波长\2,如式(l)示出的，需要采
8用多个不同的激发光波长。但是，在一定周期的非线性光学常数的调 制结构中，由于对信号光波长的允许范围窄，因此不能使信号光波长
体测定装置的情况下，为了测定多种气体的吸收，要在几种波长范围 中进行波长扫描。然而，采用以往的波长变换元件的光源就不能用于 这种应用。
另一方面，已知在变换光和信号光之间、变换光和激发光之间能 得到群速度匹配的条件的情况下，伴随波长变化的传播常数变化被抵 消，式(2)的相位失配量的变化变缓，因而能得到宽波长波段的相位 匹配(例如，参照非专利文献l)。然而，由于该方法耳又决于所用的非 线性光学材料的色散，因此只能在某些特殊波长组合中才能够使用。 另外，已知有在准相位匹配型波长变换元件中使非线性光学常数的调
制周期啁啾的方法(例如，参照非专利文献2)。虽然该方法能够在任
意波长波段中实现宽波段的波长变换元件，但是变化效率与波段成反 比地降低。因此，在想要在宽范围内获得高输出的情况下，需要增大 激发光或信号光的强度，并需要辅助加入光纤放大器等。
在不一定需要进行连续波长的波长扫描的情况下，不需要得到遍 及宽波长域的相位匹配，也能够得到与多个激发光波长对应的多个相
位匹配峰值。因此，在非线性光学常数的周期为Ao的调制结构中附加 不同周期Aph的连续相位调制或周期调制的结构是已知的(例如，参 照专利文献l)。另外，已知有使相位调制或周期调制优化，以使在周 期性相位失配量中变换效率为极大的方法(例如，参照专利文献2)。 在该方法中，以相位失配量A卩-2Tr/A。的波长为中心，相位失配量仅 间隔2tt/Aph的波长周期性地具有多个峰值。与连续地使相位匹配曲 线宽波段化的方法比较，各峰值的变换效率能够增加。
然而，在应用于上述气体测定装置的情况下，作为测定对象输出 所需的波长不限于等间隔排列。虽然进行优化使全部测定对象的波长 具有峰值，但是也产生了对于测定不需要的峰值，因而使得产生所需 波长所需要的相位匹配峰值的变换效率变小。因此，仅加入以往的相 位调制或周期调制不能对非等间隔的多个波长进行高效的波长变换。本发明的目的在于提供波长变换元件和输出波长可变的波长变换 装置，该波长变换元件能够将各输入光的波长间隔为不等间隔配置的 多个输入光波长一并进行变换，并且使变换效率的下降减小。
专利文献1:特开2004-20870号公报 专利文献2:特开2004-233534号公才艮
非专利文献1: T. Yanag awa等,Applied Physics Letters, Vol.86， p.161106, 2005 (应用物理学报，第82巻，第161106页，2005年)
非专利文献2: T.Suhara等，IEEE J. of Quantum Electronics, Vol.26, p.1265，1990 (量子电子学IEEE J.，第26巻，第1265页，1990年)
非专利文献3: Y. Nishida等，Electronics Letters Vol.39, p.609， 2003 (电子学报第39巻，第609页，2003年)
非专利文献4: H.Ishii, Optical Fiber Communication Conference 2005 Technical Digest., Vol.2， p.91， 2005 (光纤通信会议2005年，技 术文摘第2巻，第91页，2005年)
非专利文献5: M.Notomi， IEEE Photonics Technology Letters, Vol.2: p.85, 1990 (IEEE光子技术学报，第2巻，第85页，1990年)

发明内容
本发明为了达到这样的目的，在第一实施方式的波长变换元件中，
将具有1 /入3= 1 /X2+ 1 /入,关系的波长中的一个(X尸入2)或两个U!、 入2或)m、入3)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为、或\2
的变换光。前述非线性介质是沿光的传播方向周期为A。的非线性光学 常数的调制结构，并具有在每个周期Ao连续进行相位变化、且附加不 同周期Aph的连续相位调制的调制结构。设非线性介质对于波长>m、 X2、 X3的折射率分别为n,、 n2、 n3，相位失配量A卩以A卩=2 r ( n3 / X3 — n2 / X2-ni /\ )表示，前述非线性介质还具有使相位调制的调制曲线变化、 乂人而在相位失配量为2tt/ A。+2 ri/ Af(i = m， m+l，… ， n: m, n为正整数或负整数)时得到的多个变换效率的峰值中不等间隔地排 列的至少三个峰值的变换效率为极大(最大)的调制结构。
在第 一 实施方式中，使前述相位调制的调制曲线变化的调制结构
10被构成为使前述非线性光学介质的每个周期A。的调制曲线变化，计算 在沿光的传播方向上位置Z的非线性光学常数的空间变化d (Z)，进 行前述空间变化d(Z)的傅立叶变换，求出各峰值的变换效率7 (i)，
使用期望的变换效率r/t (i)计算如下给出的评价函数T: [表达式2]
r=2》(o-"'(o]2
使前述评价函数T的值变为最小。
前述非线性介质是具有在沿光传播方向周期为A。的非线性光学 常数的调制结构，也可以是在每个周期Ao连续地进行周期变化，且附 加不同周期A f的连续周期调制的调制结构。
另夕卜，前述非线性光学介质是LiNb03 、 KNb03 、 LiTa03 、 LiNb(x)Ta(1.x)O3(0SxS 1)、 Li(x)K(,.x)Ta(y)Nbd墨y)03、 KTiOP04中的任何一 种，或在这些介质中含有选自Mg、 Zn、 Sc、 In中的至少一种作为添 力口物。
第二实施 方式的波长变换元件包括信号光光源，能够使波长可 变并输出波长为)m的信号光；激发光光源，输出波长为入2或入3的激 发光；复用器，将前述信号光和前述激发光合波；波长变换元件，与 前述复用器连接，将具有1 /入3 = 1 /入2+ 1 /\关系的波长中的两个(、、 入2或\、 X3)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为、或入2 的变换光。前述非线性介质是沿光的传播方向周期为A。的非线性光学 常数的调制结构，并具有在每个周期A。连续进行相位变化，且附加不 同周期Aph的连续相位调制的调制结构，前述非线性介质是具有沿光 的传播方向周期为A。的非线性光学常数的调制结构，并具有在每个周 期AG连续进行相位变化、且附加不同周期Aph的连续相位调制的调制 结构。设前述非线性介质针对波长入,、X2、入3的折射率分别为n!、 n2、 n3,前述非线性介质使相位调制的调制曲线变化，使得在以A卩-27r(n3 / \3 —n2 /入2 —n) / 、)表示的相位失配量A卩为2tt/ A。+2iri/ Af (i = m, m+1,， n:m, n为正整数或负整数)时得到的多个变换效率的 峰值中不等间隔地排列的至少三个峰值的变换效率为极大。
另外，波长变换装置可以构成为将具有1 /\3= 1 /X2+ 1 /\关系的波长中的一个(X,=X2)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波
长为入3的变换光。另外，前述信号光光源能够包括多个DFB-LD; 光耦合器，将前述DFB-LD的各输出光耦合；半导体光放大器，与前 述光耦合器的输出连接。
根据第三实施方式，提供波长变换元件的制造方法，该波长变换 元件将具有1 /入3= 1 /X2+ 1 /X,关系的波长中的一个(入f入2)或两个
(入,、入2或入，、入3)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为入3 或、的变换光，前述非线性介质为具有沿光的传播方向周期为A0的
非线性光学常数的调制结构，并具有在每个周期A。连续进行相位变 化，且附加不同周期Aph的连续相位调制的调制结构，该方法包括如 下步骤使前述非线性光学介质的每个周期Ao的相位调制曲线变化； 计算在光的传播方向上的位置z的非线性光学常数的空间变化d (z); 进行前述空间变化d( z)的傅立叶变换，求出各峰值的变换效率r (i), 使用期望的变换效率Th (i)计算如下给出的评价函数T: [表达式3]
以及使前述相位调制曲线变化从而使前述评价函数T的值变为最小。
前述非线性介质具有沿光的传播方向周期为A 。的非线性光学常 数的调制结构，也可以具有在每个周期Ao连续改变相位、且附加不同 周期A f的连续周期调制的调制结构。


图1是示出使用以往波长变换元件的光源的构成图。 [图2]图2是示出变换效率相对于相位失配量的变化的图。 [图3]图3是示出以往波长变换元件的周期性调制结构的一部分的图。图4A是示出以往波长变换元件的相位调制曲线和变换效 率对相位失配量的关系的图，示出了相位调制曲线的第 一例。图4B是示出相对于第一例中相位调制曲线的相位失配量 的图。
12[图4C]图4C是示出以往波长变换元件的相位调制曲线和变换效
率对相位失配量的关系的图，示出了相位调制曲线的第二例。图4D是示出相对于第二例中相位调制曲线的相位失配量 的图。图5A是示出本实施方式的波长变换元件的相位调制曲线 和变换效率对相位失配量的关系的图，并示出相位调制曲线的图。图5B是示出相对于本实施方式中相位调制曲线的相位失 配量的图。图6A是示出实施例1中波长变换元件的相位调制曲线的图。图6B示出实施例1中波长与产生差频的变换效率关系的图。图7A是示出实施例2中波长变换元件的相位调制曲线的图。图7B是示出实施例2中波长与产生差频的变换效率的关 系的图。图8A是示出实施例3中波长变换元件的相位调制曲线的图。图8B示出实施例3中波长与产生差频的变换效率的关系 的图。图9是示出实施例4的波长变换装置的构成的图。 [图IOA]图IOA是示出实施例4的波长变换元件的相位调制曲线 的图。图10B示出实施例4中的波长与产生差频的变换效率的 关系的图。
具体实施例方式
下面，将参照附图详细阐述本发明的实施方式。在本实施方式中 可见，不仅形成了在非线性光学常数的周期A 。的调制结构中附加不同 周期Aph的连续相位调制或周期调制的结构，而且通过设定调制曲线
13使评价函数T为最小来获得不等间隔的多个相位匹配峰值，并可以实 现高效率的波长转换元件。
下面以相位调制的情况为例来说明相位调制曲线的设定方法。将 在非线性光学介质中形成的光波导中的光传播方向上的位置Z处的非
线性常数设为d(z)。设非线性光學介质存在于从^0至z二L处。激 发光和信号光通过非线性光学介质传播后(z=L)的变换效率相对于 相位失配量A卩以下式给出。 [表达式4]
exp(-込刷&
(4)
该式给出了非线性光学常数的空间的变化d(z),通过进行傅立叶变 换能够计算变换效率相对于相位失配量A(3的变化。
图3示出以往波长变换元件的周期性的调制结构。使用铁电结晶 材料LiNb03作为非线性光学介质，通过反转极化来反转非线性常数的 符号。图3a示出调制结构的一部分，并示出非线性光学常数的长度方 向的变化。以 一定的周期Ao反转非线性常数来使每个周期的起始相位 变化。图3b示出图3a的各周期的相位变化。如图3c所示，加到这种 相位调制上的周期调制结构是在周期A Q的调制结构中附加不同周期 Aph的连续相位调制的结构。
图4A-D中示出以往的波长变换元件的相位调制曲线和变换效率 与相位失配量的关系。变换效率是将采用未做相位调制的相同长度非 线性光学介质情况下的效率作为1来归一化地表示。例如，在图4A 的第一例的相位调制曲线情况下，变为图4B示出的相位匹配曲线。 在图4C的第二例的相位调制曲线的情况下，则变为图4D所示的相位 匹配曲线。即，在以2 r/ Ao为中心、各间隔2 r/ Aph的每个相位匹 酉己量A(3(二2tt/ A。， 2tt/ A。土2tt/ Aph, 2tt/ A0±4ti7 Aph，.…)处， 具有变换效率的峰值。在现有技术中，由于实施这种周期性的调制， 因而如图4B和图4D中所示出现变换效率周期性地变为山奪值的相位失 配量AP。为了便于说明，将相位失配量A卩为2tt/ A。+2 ri/ Aph (i =m, m+l， .， n:m， n为正整凄t或负整数)时得到的变换效率的峰 值定义为i次峰值。下面，以-l次，0次、3次的不等间隔使峰值最大的情况为例进行说明。首先，在非线性光学介质的每个周期调制结构中使相位调制曲线变化，并计算非线性光学常数的空间变化d(Z)。进行空间变化d(Z)的傅立叶变换，求出各峰值的变换效率，使用期望的各峰值的变换效率计算以下给出的评价函数T。最后，逐次计算来进行优化，以
使评价函数T的值最小。[表达式5]
r《如.)1(力]2 (5)
其中，"(j)是第j次峰值的效率，& (j)是第j次峰值的目标效率，
因此，目标效率i殳定如下。_4) = 0
-3) = 0-2) = 0-l)",
1 ) =02) =0
3 ) = ) ■4) =0
3
r/n。rm是相同长度的未进行相位调制情况下的波长变换元件的效率。
图5A-B示出对本实施方式的波长变换元件的相位调制曲线以及变换效率对相位失配量的关系。变换效率通过将在使用未做相位调制的相同长度非线性光学介质情况下的效率作为l来归一化地表示。例如，在图5A的相位调制曲线的情况，变为图5B示出的相位匹配曲线。无论是否采用周期性的连续相位调制，通过抑制不需要的相位匹配峰值的效率，都能够仅仅使不等间隔地配置的峰值的效率增大。因此，虽然是以实施相位调制的情况为实例进行说明，但是即使在加入非线性光学常数的调制周期而实施不同周期的连续周期调制的情况下，通过进行同样的优化，也能够仅仅使不等间隔地配置的峰值的效率增大。
15另夕卜，作为非线性光学介质，不限于LiNb03,还能够使用KNb03、UTa03 、 IJNb(x)Ta(1-x)O3(0 3x^1)、 Li(x)K(1-x)Ta(y)Nb(1-y)03 、 KTiOP04中的任何一种。另外，也可以在这些化合物中将选自Mg、 Zn、 Sc、 In中的至少 一种作为添加物。
实施例1
在实施例1中，信号光使用1.55itmi频带，激发光使用1.07/xm的波长，通过产生差频得到3.4/mi频带的变换光。波长变换元件的制备方法，例如，以非专利文献3中公开的晶片接合法来制备。
首先，在LiNb03基板的Z面涂布抗蚀剂，采用光刻工艺使调制结构模式化。在基板的涂布抗蚀剂的表面气相淀积电极，使基板的两面接触电解液。当通过电解液在基板的两面施加电场时，在无抗蚀剂的部分，电极与LiNb03基板直接接触，该部分发生极化反转。
此时极化反转域的宽度比电极的宽度有所增加，因此需要考虑该宽度增加来设计用于光刻的掩模。如此，在作为光波导的芯的LiNb03基板上形成周期性的极化反转结构。然后，通过晶片接合法将LiTa(D3基板与形成极化反转结构的LiNbCh基板贴合，并将LiNbCh基板研磨到预定厚度。最后，切割LiNb03基板来制备光波导。波长变换元件的长度L为48mm。
下面将详细说明周期性的极化反转结构和相位匹配特性。在实施例1中，极化反转结构为基本周期A(^28.5i[mi的调制结构，并以周期Aph-12.11mm附加连续相位调制。在附加的相位调制的l周期中配置的极化反转结构的周期为425周期。在式(5)示出的评价函数T中，将-3次、0次、+1次的峰值的目标效率设为"n。rm/3,其它峰值的目标效率设定为0。通过逐次进行计算使相位调制优化而使评价函数T的值最小，在-3次、0次、+1次的峰值中得到最大变换效率。
图6A中示出实施例1的波长变换元件的相位调制曲线。将激发光的波长固定为1.07itmi, /人1.55^m频带的波长可变光源入射信号光。图6B中示出通过扫描信号光波长得到的产生差频的变换效率与波长的关系。横轴表示信号光的波长。在实施例1中，在波长1565.5、 1572.0、1590.5nm的不等间隔中，能够分别得到三个峰值。在波长1572.0nm得到的峰值相当于不进行相位调制的情况下得到的0次的峰值，在1565.5nm得到的峰值相当于通过相位调制得到的+ 1次的峰值，在1590.5得到的峰值相当于通过相位调制得到的-3次的峰值。
在实施例1中，通过产生差频能够分别产生3380.6nm( 2958cm-1 )、3350.7nm ( 2984.5cm" )、 3269.6nm ( 3058.5 cm")。这些波长对于检测出在这些波长中吸收的多种气体是有效的。各峰值的信号光的波长波段为2mn左右。在各峰值中，通过对信号光波长进行微调，相当于能够在8.3 cm—i左右扫描变换光。
在实施例1中使用的波长变换元件的三个峰值的变换效率为约20%/W。当将10mW的信号光、40mW的激发光输入元件时，得到的输出。在应用于气体测定装置的光源的情况下，不使用光放大器也能够得到用于气体检测的充分的输出。
实施例2
在实施例1中，在周期性极化反转结构中附加相位调制，通过不等间隔的多个信号光波长能够产生差频。在实施例2中，在周期性极化反转结构中附加周期调制。在采用1.55gm频带的信号光、1.07pm波长的激发光、以及通过产生差频得到3.4/mi频带的变换光方面，与实施例l相同。波长变换元件的制备方法也与实施例l相同。
在实施例2中，极化反转结构为基本周期A(p28.5jitm的调制结构，以周期A产12.11mm附加连续周期调制。在附加的周期调制的每1周期配置的极化反转结构的周期为425周期。在式(5)示出的评价函数T中，将-3次、0次、+1次的峰值的目标效率设为r/n。rm/3，其它峰值的目标效率设定为0。通过逐次进行计算使周期调制优化而使评价函数T的值最小，在-3次、0次、+1次的峰值中得到最大变换效率。
图7A中示出实施例2的波长变换元件的周期调制曲线。激发光的波长固定为1.07/xm, /人1.55]imi频带的波长可变光源入射信号光。图7B中示出实施例2的波长变换元件的相位匹配曲线。在实施例2中，在波长1565.5、 1572.0、 1590.5nm的不等间隔中，能够分别得到三个峰值。变换效率是通过将具有长度L=48mm、基本周期AQ=28.5/xm的调制结构的波长变换元件的效率设为1来归一化表示。因此，在与未附加周期调制的波长变换元件比较的情况下，实施例2的波长变换元件的变换效率为约30%。
在实施例2中，使用周期调制能够得到与实施例1同样的输出，对于检测多种气体是有效的。用于实施例1的波长变换元件的三个峰值的变换效为约20%/W。当将10mW的信号光、40mW的激发光输入元件时，得到80]UW的输出。在应用于气体测定装置的光源的情况下，不使用光放大器也能够得到用于气体检测的充分输出。
实施例3
在实施例1、 2中，在周期性极化反转结构中附加相位调制或周期调制，从而得到-3次、0次、十l次的相位匹配峰值。在实施例3中，在周期性极化反转结构中附加相位调制，从而得到与实施例1、 2不同次数的峰值。在实施例3中，也采用1.55gm频带的信号光、1.07/mi波长的激发光，通过产生差频得到3.4/mi频带的变换光。波长变换元件的制备方法也与实施例l相同。
在实施例3中，极化反转结构是基本周期A(^28.5]tmi的调制结构，并以周期Ap^l2.11mm附加连续相位调制。在相位调制的每1周期配置的极化反转结构的周期为425周期。在式(5)示出的评价函数T中，将-2次、0次、+3次的峰值的目标效率设为r;,m/3，其它峰值的目标效率设定为0。通过逐次进行计算使相位调制优化而使评价函数T的值最小，在-2次、0次、+3次的峰值中得到最大变换效率。
图8A中示出实施例3的波长变换元件的相位调制曲线。激发光的波长固定为1.07/mi,从1.55/mi频带的波长可变光源入射信号光。图8B中示出实施例3的波长变换元件的相位匹配曲线。在实施例3中，波长1552.5、 1572.0、 1584.3nm的不等间隔中，能够分别得到三个峰值。变换效率将具有长度I^48mm、基本周期A。=28.5/xm的调制结构的波长变换元件的效率设为1来归一化地表示。因此，在与未附加周期调制的波长变换元件比较的情况下，实施例2的波长变换元件的变换效率为约27%。
在实施例3中，使用相位调制能够得到与实施例l相同的输出，并有效地用于检测多种气体。用于实施例1的波长变换元件的三个峰
值的变换效率为约18%/W。当将10mW的信号光、40mW的激发光输入元件时，得到72/xW的输出。在应用于气体测定装置的光源的情况下，不使用光放大器也能够得到用于气体检测的充分输出。如此，通过使相位调制或周期调制的函数优化而得到期望的峰值，能够对各种波长以不等的间隔设定相位匹配峰值。
实施例4
图9示出实施例4的波长变换装置的构成。波长变换元件20由周期性极化反转的LiNb03基板21上形成的光波导22构成。复用器23将来自激发光光源24的激发光和来自信号光光源25的信号光合波，并入射到光波导22。激发光光源24输出1.07/mi的激发光，信号光光源25输出1.55/mi频带的信号光，通过产生由非线性光学效应引起的差频，波长变换装置能够输出多个3.4/mi频带的变换光。
信号光光源25是1.55/mi频带的波长可变光源，并使用TLA(Tunable Laser Army:可调谐激光器阵列)(例如，参照非专利文献4 )。信号光光源25包括多个DFB-LD( Distributed Feedback-Laser Diode:分布式反馈激光二极管)31;将DFB-LD31的各输出光连接的光耦合器32;与光耦合器32的输出连接的半导体光放大器(SOA) 33。信号光光源25是光半导体集成电路，通过选择DFB-LD31能够高速地切换输出波长。
波长变换元件20的制备方法与实施例l相同。在实施例4中，^f及化反转结构是基本周期A Q=28.5/xm的调制结构，以周期A ph=12.11mm附加连续相位调制。在附加的相位调制的每1周期配置的极化反转结构的周期为425周期。在式(5)示出的评价函数T中，将-3次、0次、+ 1次的峰值的目标效率分别设为rj曙m/4、"隨J4、"隨J2,其它峰值的目标效率设定为0。通过逐次进行计算使相位调制优化而使评价函数T的值最小，+1次的峰值能够得到高于-3次、0次的峰值的变换效率。
图10A中示出实施例4的波长变换元件的相位调制曲线。激发光 的波长固定为1.07/mi，从1.55/mi频带的波长可变光源入射信号光。 图10B中示出实施例4的波长变换元件的相位匹配曲线。在实施例4 中，波长1565.5、 1572.0、 1590.5nm的不等间隔中，能够分别得到三 个峰值。-3次、0次、+1次峰值的变换效率的比例在以全体的总和设 为100%时，分别为25%、 25%、 50%。变换效率通过将具有长度 L=48mm、基本周期AQ=28.5jLmi的调制结构的波长变换元件的效率设 为1来归一化地表示。
变换效率在-3次、0次、+1次峰值中分别为13%/W、 14%/W、 28%/W。将从TLA得到的10mW的信号光、40mW的激发光输入元 件时，针对变换光波长3269.6誰(3058.5cm1 )、3350.7nm( 2984.5cm—1 )、 3380.6nm ( 2958cm—1 ),分别得到56yW、 56jitW、 112/AV的输出。
另外，在实施例4中，通过高速地切换信号光的波长，能够按时
能够同时测定曱烷、乙烷、丙烷等烃气体中的特征吸收线。另外，由 于强调3380.6nm的光源的输出，因而即使在该波长的吸收小于其它波 长的吸收的情况下，也能够抑制S/N比的劣化。
如此，在本实施方式中，能够将各输入光的波长间隔不等间隔配 置的多个输入光波长一并进行变换。另外，能够强调特定峰值而使变 换效率提高。
根据本实施方式，作为光源，不采用光放大器就能够得到具有实 用性的输出，而且，由于能够采用较便宜的通信波段的波长可变光源， 因此能够提供高性能且便宜的波长变换装置。另外，如实施例4所使 用的波长可变激光器是1.55]wn频带等光通信波段中较便宜的，并能够 高速地切换波长。其它波长波段，例如，如非专利文献5所示的，使 外部光栅与半导体激光器连接的结构的光源是市售的。这种光源由于 要通过以机械方式转动光4册等运动来实现波长可变，因而对波长可变 的速度有限制，且价格昂责。
20产业实用性
本实施方式与非线性光学材料的色散无关，采用任意的激发光波 长或信号光波长的组合就能够变换多个波长。如上所述，能够使用较 便宜的高性能的光通信用波长可变激光器，并能够便宜地构成对气体 测量装置等的适用的波长变换装置或光源。
另外，通过使用将多个半导体激光器集成化的光源，在气体测量 装置中，通过高速地切换多种气体吸收线的多个波长的光，也可以同 时观测多种气体。由于还能够使产生特定波长的相位匹配峰值大于其 它峰值，因此能够强调用于测定多种气体中的弱吸收气体的波长输出， 并Y吏SN比增大。
权利要求
1. 波长变换元件，其将具有1/λ3＝1/λ2+1/λ1关系的波长中的一个(λ1＝λ2)或两个(λ1、λ2或λ1、λ3)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为λ3或λ2的变换光，所述非线性介质为具有沿光的传播方向周期为Λ0的非线性光学常数的调制结构，并且具有每个周期Λ0连续地进行相位变化、且附加不同周期Λph的连续相位调制的调制结构，其特征在于，设所述非线性介质对波长λ1、λ2、λ3的折射率分别为n1、n2、n3，相位失配量Δβ表示为Δβ＝2π(n3/λ3-n2/λ2-n1/λ1)，所述非线性介质还具有使所述相位调制的调制曲线变化以使得在Δβ为2π/Λ0+2πi/Λf(i＝m，m+1，…，nm，n为正整数或负整数)时得到的多个变换效率的峰值中不等间隔地排列的至少三个峰值的变换效率为极大的调制结构。
2. 根据权利要求1所述的波长变换元件，其特征在于，使所述相 位调制的调制曲线变化的调制结构构成为使所述非线性光学介质的 每个周期Ao的调制曲线变化，计算光的传播方向的位置z中的非线性 光学常数的空间变化d (z)，进行所述空间变化d(z)的傅立叶变换， 求出各峰值的变换效率r (i),使用期望的变换效率仏(i)计算如下 给出的评价函数T:[表达式1]r=2:>("(o]2使所述评价函数T的值为最小。
3. 波长变换元件，将具有1 /入3= 1 /入2+ 1 /^关系的波长中的一 个(X产入2)或两个(、、入2或、、X3)的入射光输入非线性光学介质 中，并输出波长为入3或入2的变换光，所述非线性介质为具有沿光的传播方向周期为A。的非线性光学常数的调制结构，并且具有每个周期A o连续地进行相位变化、且附加不同周期A f的连续周期调制的调制结构，其特征在于，设所述非线性介质对波长入,、X2、 X3的折射率分别为nj、 n2、 n3,相位失酉己量A(3表示为A卩=2tt( n3 /入3 — n2 /入2 — n, /入！)，为2tt/ Ao+27ii/ Af(i = m， m+l， .， n: m， n为正整数或负整数) 时得到的多个变换效率的峰值中不等间隔地排列的至少三个峰值的变 换效率为极大的调制结构。
4. 根据权利要求3所述的波长变换元件，其特征在于，使所述周 期调制的调制曲线变化的调制结构构成为使所述非线性光学介质的 每个周期A 。的调制曲线变化，计算沿光的传播方向上位置z的非线性 光学常数的空间变化d (z)，进行所述空间变化d (z)的傅立叶变换， 求出各峰值的变换效率r; (i)，使用期望的变换效率& (i)计算如下 给出的评价函数T:[表达式2]r=S:》("")]2使所述评价函数T的值为最小。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的波长变换元件，其特征在于， 所述非线性光学介质是 LiNb03 、 KNb03 、 LiTa03 、 LiNb(x)Ta(1-x)O3(0^xS 1)、 Li(x)K(1—x)Ta(y)Nb(1—y)03、 KTiOP04中的任何一 种，或在这些化合物中含有选自Mg、 Zn、 Sc、 In中的至少一种作为 添力口物。
6. 波长变换装置，包括信号光光源，能够使波长可变并输出波长为入,的信号光； 激发光光源，输出波长为入2或、的激发光； 复用器，将所述信号光和所述激发光合波； 波长变换元件，与所述复用器连接，并将具有1 /\3= 1 /入2+ 1 /、 关系的波长中的两个(X,、人2或>m、 X3)的入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为入3或\2的变换光，所述非线性介质为具有沿光的 传播方向周期为A。的非线性光学常数的调制结构，并且具有在每个周期A Q中连续进行相位变化、并附加不同周期A ph的连续相位调制的调 制结构，其特征在于，设所述非线性介质对波长\、入2、入3的折射率分别为n" n2、 n3，相位失配量A卩表示为A卩=2tt( n3 / X3 — n2 / X2 - n, /入！)， 所述非线性介质还具有使所述相位调制的调制曲线变化以使得在△卩 为2 r/ A。+27ri/ Af(i = m， m+1,….，n: m, n为正整数或负整数) 时得到的多个变换效率的峰值中不等间隔地排列的至少三个峰值的变 换效率为极大的调制结构。
7. 波长变换装置，其包括信号光光源，能够使波长可变，并输出波长为、的信号光； 波长变换元件，与所述信号光光源连接，并将具有1/入3== 1/X2 + 1/入！关系的波长中的一个(、=入2)的入射光输入非线性光学介质中， 并输出波长为X3的变换光，所述非线性介质是沿光的传播方向周期为 Ao的非线性光学常数的调制结构，并且具有每个周期A。连续进行相 位变化、并附加不同周期A ph的连续相位调制的调制结构，其特征在于，设所述非线性介质对波长Xj、 X2、 X3的折射率分别 为n、n2、 n3,相4立失酉己量A(3表示为A卩=2tt( n3 / X3 — n2 /入2 — / X,), 所述非线性介质还具有使所述相位调制的调制曲线变化以使得在A|3 为2ti7 A0+27ri/ Af(i = m, m+l，.…，n: m， n为正整数或负整凄t) 时得到的多个变换效率的峰值中不等间隔地排列的至少三个峰值的变 换效率为极大的调制结构。
8. 根据权利要求6或7所述的波长变换装置，其特征在于，所述 信号光光源包括多个DFB-LD;光耦合器，将所述DFB-LD的各输出光耦合； 半导体光放大器，与所述光耦合器的输出连接。
9. 波长变换元件的制备方法，所述波长变换元件将具有1 /入3= 1 /入2+ 1 /、关系的波长中的一个(Xf入2)或两个(\、、或？M、 X3)的 入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为入3或、的变换光，所述非线性介质是沿光的传播方向周期为A。的非线性光学常数的调制结 构，并具有在每个周期A。连续进行相位变化、且附加不同周期Aph的 连续相位调制的调制结构，其特征在于，所述方法包括使所述非线性光学介质的每个周期A()的相位调制曲线变化； 计算在光的传播方向上位置z的非线性光学常数的空间变化d(z);进行所述空间变化d(z)的傅立叶变换，求出各峰值的变换效率 rj (i),使用期望的变换效率r/t (i)计算如下给出的评价函数T-. [表达式3]r=z::>("(o2使所述相位调制曲线变化以使所述评价函数T的值为最小。
10. 波长变换元件的制备方法，所述波长变换元件将具有1 /X3= 1/入2+l/ M关系的波长中的一个(入尸、)或两个(X、人2或、、入3)的 入射光输入非线性光学介质中，并输出波长为\3或、的变换光，所述非线性介质是沿光的传播方向周期为A。的非线性光学常数的调制结 构，并且具有在每个周期A。连续进行周期变化、且附加不同周期Af 的连续周期调制的调制结构，其特征在于，所述方法包括使所述非线性光学介质的每个周期A。的周期调制曲线变化； 计算在光的传播方向上位置z的非线性光学常数的空间变化d(z);进行所述空间变化d(z)的傅立叶变换，求出各峰值的变换效率 7 (i),使用期望的变换效率& (i)计算如下给出的评价函数T: [表达式4]q:》("(')r以及使所述周期调制曲线变化以使所述评价函数T的值为最'
全文摘要
本发明提供一种波长变换元件，其能够变换不等间隔地配置的多个输入光的波长，并且变换效率下降小。波长变换元件的非线性介质的调制结构具有在光的传播方向中周期为Λ₀的非线性光学常数。在该调制结构中，相位变化在每个周期Λ₀中连续地进行，且附加不同周期Λ_ph的连续相位调制。另外，非线性介质还具有这样一种调制结构，其中将非线性介质对于波长λ₁、λ₂、λ₃的折射率分别设为n₁、n₂、n₃，相位失配量Δβ表示为Δβ＝2π(n₃/λ₃-n₂/λ₂-n₁/λ₁)，该调制结构使相位调制的调制曲线变化，使得在Δβ为2π/Λ₀+2πi/Λ_f(i＝m，m+1，…，n；m，n为正整数或负整数)的多个变换效率的峰值中不等间隔地排列的至少三个峰值的变换效率为极大。
文档编号G02F1/35GK101512426SQ20078003322
公开日2009年8月19日 申请日期2007年9月28日 优先权日2006年9月29日
发明者忠永修, 曲克明, 柳川勉, 梅木毅伺, 西田好毅, 遊部雅生, 铃木博之 申请人:日本电信电话株式会社