図面 (/)

技術 不均一にチャープされた擬似位相整合により増大した非線形光学系の波長範囲

出願人 アジレント・テクノロジーズ・インク
発明者 グレゴリー・スティーブン・リーロジャー・リー・ジュンジャーマン
出願日 2002年11月6日 (18年1ヶ月経過) 出願番号 2002-322643
公開日 2003年7月3日 (17年6ヶ月経過) 公開番号 2003-186069
状態 特許登録済
技術分野 光偏向、復調、非線型光学、光学的論理素子
主要キーワード 出力電磁波 機械的ヒステリシス 表面修正 光子結晶 Lバンド 電界ポーリング 自己相関情報 ディジタルオシロスコープ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2003年7月3日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題

不均一なチャーヒ゜ンク゛を用いてスヘクトル許容性の幅を広げること。

解決手段

非線形結晶(13)は増大したスヘ゜クトル許容性を有する。非線形結晶(13)は、複数の領域(5-9,21-24)を含む。これらの領域(5-9,21-24)は、非線形結晶(13)の端から端まで連続的に配置される。領域(5-9,21-24)は、交番する極性を有する。領域(5-9,21-24)のホ゜ーリンク゛期間は、非線形結晶(13)を介して伝搬される集束光信号の位相整合の不均一なチャーヒ゜ンク゛をもたらすように、非線形結晶(13)にわたって変化する。

概要

背景

非線形結晶が、光ファイバ通信システム及び他の光信号処理システム内の光周波数(OF)混合器において用いられている。非線形結晶の一般的な二次ポーリング係数は、1ボルトにつき10分の数ピコメータから数百ピコメータ(pm/V)まで及ぶ。この非線形レベル電子ダイオードのそれと比較して低かった(pale)。非線形結晶を用いた効率的な光混合は、波長よりも数桁大きな相互作用長にわたる蓄積を必要とする。

光信号ストローブ信号と混合する用途の場合、適度の光学ポンプパワーおよび適度の非線形係数に対して長い非線形結晶を用いることができる。しかしながら、全入力光子運動量が不確定性原理により強いられる限界全出力光子運動量を等しくする場合にのみ、正味の蓄積が正確に生じる。相互作用長が短ければ短いほど、許容できる運動量誤差は大きくなる。光を(粒子説明の使用に対し)波動として考える場合、これは出力電磁波入力波積との間の位相整合を必要とすることに相当する。

これまで、位相整合は4つの方法のうちの1つで行ってきた。第1の方法は、複屈折結晶角度調整である。第2の方法は、プロセスにおける最短波長に対するより高次導波路モードでもって動作させることである。現在研究されている第3の方法は、光子結晶設計位相整合を用い、適切な波長依存法において線形特性修正する。

位相整合を達成する第4の方法は、擬似位相整合QPM;Quasi-Phase-Matching)を用いることである。QPMを使用する場合、全ての線形特性を維持しながら、結晶領域周期的に反転され非線形積の分極の符号を交互にする。QPMは、強誘電性結晶の周期的な電界ポーリングにより実施されてきた。例えば、周期分極ニオブ酸リチウム(PPLN;Periodically Poled Lithium Niobate)は、一般にQPM用に用いられる。周期的なポーリングは、数ミクロンスケール結晶構造を周期的に反転することにより達成される。QPMはまた、閃亜鉛鉱類の周期的表面修正基板上で周期的に配向/非配向の結晶成長により実施されてきたが、この技術は多くの成功を収めてはいない。QPMに関するさらなる情報については、例えば、非特許文献1を参照されたい。

概要

不均一なチャーヒ゜ンク゛を用いてスヘクトル許容性の幅を広げること。

非線形結晶(13)は増大したスヘ゜クトル許容性を有する。非線形結晶(13)は、複数の領域(5-9,21-24)を含む。これらの領域(5-9,21-24)は、非線形結晶(13)の端から端まで連続的に配置される。領域(5-9,21-24)は、交番する極性を有する。領域(5-9,21-24)のホ゜ーリンク゛期間は、非線形結晶(13)を介して伝搬される集束光信号の位相整合の不均一なチャーヒ゜ンク゛をもたらすように、非線形結晶(13)にわたって変化する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

非線形結晶(13)内でのスペクトル許容性を増大させるための方法であって、(a)複数の領域(5〜9,21〜24)として前記非線形結晶(13)を配置するステップであって、前記複数の領域(5〜9,21〜24)は、前記非線形結晶(13)を端から端まで連続的に横断するのに合わせて交番する極性を有する、ステップと、および(b)前記非線形結晶(13)を介して伝搬される集束光信号の位相整合の不均一なチャーピングをもたらすように、前記非線形結晶(13)にわたる領域(5〜9,21〜24)のポーリング期間を変化させるステップとからなる、方法。

請求項2

前記ステップ(a)において、非線形結晶(13)が周期分極ニオブ酸リチウム(PPLN)からなる、請求項1の方法。

請求項3

前記ステップ(b)において、チャープ傾斜が前記非線形結晶の中心に近いほど急傾斜であり、前記非線形結晶の端面へ向かうほどより緩やかになる、請求項1の方法。

請求項4

前記ステップ(b)において、前記非線形結晶(13)を介して伝搬される集束光信号の位相整合の非線形チャーピングをもたらすように、前記領域(5〜9,21〜24)のポーリング期間が前記非線形結晶(13)にわたって変化する、請求項1の方法。

請求項5

前記ステップ(b)において、前記非線形結晶(13)を介して伝搬される集束光信号の位相整合の区分的線形チャーピングをもたらすように、前記領域(5〜9,21〜24)のポーリング期間が前記非線形結晶(13)にわたって変化する、請求項1の方法。

請求項6

スペクトル許容性を増した非線形結晶(13)であって、前記非線形結晶(13)にわたって連続的に配置され、交番する極性を有する、複数の領域(5〜9,21〜24)を備え、前記非線形結晶(13)を介して伝搬される集束光信号の位相整合の不均一なチャーピングをもたらすように、前記領域(5〜9,21〜24)のポーリング期間が前記非線形結晶(13)にわたって変化する、非線形結晶(13)。

請求項7

前記非線形結晶(13)が、周期分極ニオブ酸リチウム(PPLN)からなる、請求項6の非線形結晶(13)。

請求項8

チャープ傾斜が前記非線形結晶の中心に近いほど急傾斜であり、前記非線形結晶の端面へ向かうほどより緩やかになる、請求項6の非線形結晶(13)。

請求項9

前記非線形結晶(13)を介して伝搬される集束光信号の位相整合の非線形チャーピングをもたらすように、前記領域(5〜9,21〜24)のポーリング期間が、前記非線形結晶(13)にわたって変化する、請求項6の非線形結晶(13)。

請求項10

前記非線形結晶(13)を介して伝搬される集束光信号の位相整合の区分的線形チャーピングをもたらすように、前記領域(5〜9,21〜24)のポーリング期間が前記非線形結晶(13)にわたって変化する、請求項6の非線形結晶(13)。

技術分野

0001

本発明は、光サンプリングディジタルオシロスコープなどの光システムに関し、特に不均一にチャープされた擬似位相整合により非線形光学系波長範囲を増大させることに関する。

背景技術

0002

非線形結晶が、光ファイバ通信システム及び他の光信号処理システム内の光周波数(OF)混合器において用いられている。非線形結晶の一般的な二次ポーリング係数は、1ボルトにつき10分の数ピコメータから数百ピコメータ(pm/V)まで及ぶ。この非線形レベル電子ダイオードのそれと比較して低かった(pale)。非線形結晶を用いた効率的な光混合は、波長よりも数桁大きな相互作用長にわたる蓄積を必要とする。

0003

光信号ストローブ信号と混合する用途の場合、適度の光学ポンプパワーおよび適度の非線形係数に対して長い非線形結晶を用いることができる。しかしながら、全入力光子運動量が不確定性原理により強いられる限界全出力光子運動量を等しくする場合にのみ、正味の蓄積が正確に生じる。相互作用長が短ければ短いほど、許容できる運動量誤差は大きくなる。光を(粒子説明の使用に対し)波動として考える場合、これは出力電磁波入力波積との間の位相整合を必要とすることに相当する。

0004

これまで、位相整合は4つの方法のうちの1つで行ってきた。第1の方法は、複屈折結晶角度調整である。第2の方法は、プロセスにおける最短波長に対するより高次導波路モードでもって動作させることである。現在研究されている第3の方法は、光子結晶設計位相整合を用い、適切な波長依存法において線形特性修正する。

0005

位相整合を達成する第4の方法は、擬似位相整合(QPM;Quasi-Phase-Matching)を用いることである。QPMを使用する場合、全ての線形特性を維持しながら、結晶領域周期的に反転され非線形積の分極の符号を交互にする。QPMは、強誘電性結晶の周期的な電界ポーリングにより実施されてきた。例えば、周期分極ニオブ酸リチウム(PPLN;Periodically Poled Lithium Niobate)は、一般にQPM用に用いられる。周期的なポーリングは、数ミクロンスケール結晶構造を周期的に反転することにより達成される。QPMはまた、閃亜鉛鉱類の周期的表面修正基板上で周期的に配向/非配向の結晶成長により実施されてきたが、この技術は多くの成功を収めてはいない。QPMに関するさらなる情報については、例えば、非特許文献1を参照されたい。

0006

Martin M.Fejer等著、「Quasi-Phase-Matched Second Harmonic Generation:Tuning and Tolerances」、IEEE Journal of Quantum Electronics、Vol.28、No.11、1992年11月発行

発明が解決しようとする課題

0007

必然的な屈折率分散に起因して、全ての既知の位相整合方法がスペクトル許容性(spectral acceptance)を制限してきた。結晶のバンドギャップに近づくにつれ、屈折率は特異となる。既知の位相整合方法において、混合効率は所定の設計波長ピークに達するが、この効率は入力波長離調するにつれて減少する。スペクトル許容性は、相互作用長に反比例する。すなわち、高効率と大きな波長範囲を同時に得ることは困難である。ほとんどの場合、上述した第2の方法(プロセス中の最短波長に対するより高次の導波モードでもって動作)と、第3の方法(光子結晶設計による適切な波長依存法において線形特性を修正する位相整合)は、状況を悪化させるだけである。何故なら幾何学的に関連する分散がバルク材料の分散よりも非常に大きくなる傾向があるからである。

0008

従来の一般的なQPMの実施において、ポーリング期間は非線形結晶全体にわたって一定である。しかしながら、別の周期パターンを「ディジタル的ディザーする」ために擬似ランダムな領域の反転を挿入することが、提案された。非特許文献2を参照されたい。

課題を解決するための手段

0009

本発明の好適な実施形態によれば、非線形結晶が集束光信号の混合に使用される。非線形結晶は、複数の領域を含む。これらの領域は、非線形結晶の端から端まで連続的に配置される。領域は、交番する極性を有する。領域のポーリング期間は、非線形結晶を介して伝搬される集束光信号の位相整合の不均一なチャーピングをもたらすように、非線形結晶にわたって変化する。

発明を実施するための最良の形態

0010

図1は、光サンプリングディジタルオシロスコープ内の光混合器を示す簡易ブロック図である。光信号源11は、例えば1.53マイクロメートル(μm)と1.61μmの間で変化する波長の光信号を供給する。

0011

プローブ16(ポンプとも呼ぶ)は、ほぼ1.55μmの波長を有する光波を備えた光ストローブ信号を生成する。各パルスは、ほぼ1ピコ秒(ps)の持続期間である。パルスとパルスとの間には、約20ナノ秒(ns)の期間が存在する。

0012

二次高調波発生器として動作する非線形結晶17がプローブ16からのストローブ信号を受け取り、約0.775μmの波長の光を含むストローブ信号を生成する。例えば、非線形結晶17は周期分極ニオブ酸リチウム(PPLN)結晶である。

0013

フィルタ18は、ほぼ0.775μmの波長を有するストローブ信号の部分を除く全てをフィルタリングして取り除く。

0014

ダイプレクサ12は、光源からの光信号とフィルタ18からのストローブ信号を非線形結晶13へ送る。例えば、非線形結晶13は周期分極ニオブ酸リチウム(PPLN)結晶である。PPLNは現在最も普及しているQPM材料であるが、他の材料を用いることもできる。

0015

非線形結晶13は、非線形結晶13への光源からの光信号とフィルタ18からのストローブ信号を混合し、光信号とは別の約0.52μmの波長を有する光を含む和周波光信号を生成する。例えば、非線形結晶13はチャープ(chirp:変動又は変化)させた周期分極ニオブ酸リチウム(PPLN)結晶である。

0016

フィルタ14は、約0.52μmの波長を有するストローブ信号の部分を除く全てをフィルタリングして取り除く。検出器15は、光サンプリングディジタルオシロスコープによる使用及び/又は表示のために、結果としての信号を検出する。

0017

図2は、非線形結晶13の構造を例示する。図2は、例示を目的とするだけであって、一定の縮尺で描かれていない。非線形結晶13は、結晶の交番する領域を含む。これらは、図2において領域5、領域6、領域7、領域8、領域9、領域21、領域22、領域23、および領域24により表わされる。

0018

非線形結晶13の左端から右端にかけて、ポーリング期間(Λ)は増大する。ポーリング期間(Λ)(領域反転間期間とも呼ぶ)は、2つの隣接する対向領域の長さの合計である。図2は、領域23と領域24の長さの合計としてのポーリング期間31を示す。

0019

例えば、ポーリング期間は非線形結晶13の長さにわたって6.6μmから7.5μmまで線形的に増大する。非線形結晶において線形的にチャープされたポーリングのこのような使用は、ポーリング期間が非線形結晶にわたって概して一定である擬似位相整合(QPM)の修正案である。この場合、ポーリング期間は非線形結晶にわたって一定のままであり、各領域のコヒーレント長(lc)の2培である。

0020

非線形結晶にわたるポーリング期間をチャーピングすることにより、異なる入力−出力波長の組が非線形結晶13の異なる部分で位相整合するようになる。結果として生じるチャープされた擬似位相整合(QPM)が、非線形結晶13のスペクトル許容性の幅を広げる。波長の変化する光の受容が要求される用途の場合、この広くなったスペクトル許容性は、固定周期QPMや他の一般に用いられる位相整合技術に対する利点である。

0021

図3は、線形チャープのための非線形結晶13の(座標36上の)伝搬長に対する(座標35上の)ポーリング期間を表わすトレース37を示すグラフである。線形(すなわち、一様な)チャープは、ポーリング期間の長さの変化率が非線形結晶13の全体にわたって一定であることを意味する。線形チャープの場合、非線形結晶を介して伝搬される集束光信号の位相整合は一様にチャープされる。不均一なチャーピングは、非線形結晶の全体にわたるポーリング期間の長さの変化率が一定でない場合に生じる。

0022

線形チャープは、波形がzとは無関係である場合、およびその場合にのみ最適となる(ただし、zは伝搬座標であり、x,yは横座標である)。このことは、波が平面波である場合、または波が導波モードである場合に生じる。平面波は、線形光学または非線形光学において理論的に最も簡単に解析され得る。しかしながら、それらは、強度ひいては相互作用強度犠牲にするという理由から、非線形光学系(NLO)において実際に殆ど使用されていない。従って、線形的にチャープされたQPMは、導波路NLOに最も良く適用される。

0023

導波路NLOと対照的なのが、バルクNLOである。バルクNLOは、一般に結晶中心の近くに集束させたガウスビームを使用する。強度は焦点近傍最高であり、非線形結晶の端面へ向けて減衰するため、線形チャーピングはもはや最適ではない。中心波長は、対称の(または、ほぼ対称の)偏角(argument)を調整することにより既に好都合にされている。焦点面近くの強度が増大することは、離調した波長を犠牲にして中心に同調された波長の応答をよりさらに高めるだけである。

0024

チャープ傾斜が結晶の中心近くでより急傾斜であり、端面へ向けてより緩やかになる非線形(または、不均一な)チャープが、結晶面(すなわち、離調波長)か、それとは逆の中心同調波長のより短い相互作用長のいずれかの近くに位相整合される波長のより長い有効な相互作用長を生じる。このような非線形チャープは、波長対効率のより平坦応答曲線を達成する。

0025

図4は、上述の非線形チャープに対する非線形結晶13の(座標46上の)伝搬長に対する(座標45上の)ポーリング期間を表わすトレース47を示すグラフである。

0026

図4は不均一なチャーピングの一例を与えるが、位相整合の他の不均一なチャーピングも好都合である。例えば、有用な非線形チャープの特に簡単な実施が、図5に示される区分的線形(PWL;Piece Wise Linear)チャープである。

0027

図5は、区分的線形チャープ用の非線形結晶13の(座標56上の)伝搬長に対する(座標55上の)ポーリング期間を表わすトレース57を示すグラフである。

0028

図6は、周期分極ニオブ酸リチウム(PPLN)を用いた例示的な応答曲線計算を示す。x軸は離調を表わし、y軸は量子効率を表わす。この例では、信号の波長は、今日の光通信Cバンド(1.53〜1.57μm)とLバンド(1.57〜1.61μm)のと間にまたがる1.57μmに中心がある。ポンプ(LO)波長は、0.78μmである。3dBスペクトル許容性は、104ナノメートル(nm)(すなわち、波長範囲は1.518〜1.622μmである)である。比較のために、(端から端まで同一のすべてのチャープを有する)線形的にチャープされたPPLNの同一長さに対する3dB許容性はほぼ78ナノメートルであり、非チャープPPLNの同一長さに対する3dB許容性は8ナノメートル未満である。

0029

一つの代案は、各トラックが若干異なる期間を備えて、並んでいる固定周期トラックを用いることである。本質的に、各トラックは異なる波長チャンネルを表わす。この方式の欠点は、ユーザが波長を変えるたびに結晶を再配置する必要があるということである。

0030

波長分割多重WDM)は、機械変換に置き換えることもできる。しかしながら、既存のWDM技術は光信号サンプリングの場合に適用できない。その理由は、WDMネットワークにより信号波長は適切にチャンネル選択され得るが、ポンプ波長は固定されており、ひいては正確にチャンネル化できないからである。広く調整できる「トラッキング」ポンプは、最初は解決策であるように思われるかもしれないが、信号とポンプは非縮退であり、通常のWDMよりもネットワーク設計をさらに困難なものにする。周波数を2倍にすること、すなわち第二高調波発生SHG;Second Harmonic Generation)には、WDM技法を適用することができる。しかしながら、計測見地からは、SHGが比較的強い信号に関する自己相関情報を提供するだけであるのに対して、光通信信号の研究では非常に弱い信号に関する相関情報が望まれる。

0031

位置制御に関する機械的ヒステリシス問題と時定数が存在するため、チャンネル切り替えに関連する休止時間は避けて通ることはできない。本発明の好適な実施形態は、機械的なステップモータを省くことにより、コストを節約してあらゆる休止時間を排除する。さらに、今後の光学系は、チャンネルごとにより少ないチャンネル化ならびにより広い帯域幅と、多重トラックにはさほど適合しないけれどもチャープされたQPMによってより良く処理される状態とを用いることになるであろう。

0032

非線形結晶において不均一にチャープされたポーリングを使用することは、チャーピングが一様に行われる線形チャーピングに対する改善である(非特許文献1を参照)。本明細書で説明された不均一なチャーピングを用いてスペクトル許容性の幅を広げることは、集束光ビームを考慮したものであり、それは従来技術に対して大幅な改善である。

0033

前述の説明は、本発明の単なる例示的な方法および実施形態を開示し説明する。当業者には理解されるように、本発明は、その思想または必須の特徴から逸脱することなく他の特定の形態で具現化され得る。従って、本発明の開示は例示を意図するものであり、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を限定する意図はない。

発明の効果

0034

本発明により、不均一なチャーピングを用いてスペクトル許容性の幅を広げることが可能になる。

図面の簡単な説明

0035

図1本発明の好適な実施形態による光サンプリングディジタルオシロスコープ内の光混合器を示す簡易ブロック図である。
図2本発明の好適な実施形態による非線形光学素子として役立つチャープされた結晶構造の使用を例示する図である。
図3線形的にチャープされた結晶構造についての伝搬座標に対する疑似期間のグラフを示す図である。
図4本発明の好適な実施形態による非線形的にチャープされた結晶構造についての伝搬座標に対する疑似期間のグラフ例を示す図である。
図5本発明の好適な実施形態による区分的に線形チャープされた結晶構造についての伝搬座標に対する疑似期間のグラフ例を示す図である。
図6本発明の好適な実施形態による区分的に線形チャープされた結晶構造についての量子効率を例示するグラフである。

--

0036

5〜9、21〜24 領域
11光信号源
12ダイプレクサ
13、17非線形結晶
14、18フィルタ
15検出器
16プローブ
31 ポーリング期間

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

  • 富士電機株式会社の「 分極反転方法及び分極反転処理装置」が 公開されました。( 2017/09/21)

    【課題】強誘電体結晶に分極反転領域を周期的に形成する場合において、分極反転領域の精度を高める。【解決手段】電源110は、第1電極20と第2電極30の間に電圧を印加する。光源120は、強誘電体結晶10の... 詳細

  • 国立大学法人埼玉大学の「 過渡吸収応答検出装置および過渡吸収応答検出方法」が 公開されました。( 2017/04/27)

    【課題】過渡吸収応答の測定(複数の周波数成分についての振幅および位相の少なくとも一方の測定)を、プローブ光の1ショットの期間内に行うこと。【解決手段】光周波数コム源11と、周波数軸上で光周波数コムの縦... 詳細

  • 三菱電機株式会社の「 レーザ装置」が 公開されました。( 2017/03/09)

    【課題・解決手段】必要なレーザ光を出力し、不要なレーザ光を出力しないレーザ装置において、レーザ光を発生させるレーザ光発生部3と、レーザ光が照射されることにより発電する発電部4と、レーザ光発生部3から発... 詳細

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ