JP6204064B2 - 光増幅装置 - Google Patents

Description

本発明は光増幅装置に関し、具体的には、光通信システムや光計測システムにおいて用いられる光増幅装置に関する。

従来の光伝送システムでは、光ファイバを伝搬することにより減衰した信号を再生するために、光信号を電気信号に変換し、デジタル信号を識別した後に光信号を再生する識別再生光中継器が用いられていた。この識別再生光中継器では、光信号を電気信号に変換する電子部品の応答速度に制限があることや、伝送する信号のスピードが速くなると、消費電力が大きくなるなどの問題があった。

この問題を解決するための信号増幅手段として、エルビウムやプラセオジム等の希土類元素を添加した光ファイバに励起光を入射して信号光を増幅するファイバレーザ増幅器や、半導体レーザ増幅器が存在する。ファイバレーザ増幅器や半導体レーザ増幅器は、信号光を光のままで増幅することができるので、識別再生光中継器で問題になっていた電気的な処理速度の制限が存在しない。加えて、ファイバレーザ増幅器や半導体レーザ増幅器は、機器構成も比較的単純であるという利点を有する。しかし、これらのレーザ増幅器は、劣化した信号光パルス波形を整形する機能を有さない。また、これらのレーザ増幅器においては、不可避的かつランダムに発生する自然放出光が信号成分とは全く無関係に混入されるので、信号光のＳＮ比が増幅前後で少なくとも３ｄＢ低下する。これらは、デジタル信号伝送時における伝送符号誤り率の上昇につながり、伝送品質を低下させる要因になっている。

従来のレーザ増幅器の限界を打開する手段として、位相感応光増幅器（Ｐｈａｓｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＰＳＡ）が検討されている。位相感応光増幅器は、伝送ファイバの分散の影響による劣化した信号光パルス波形を整形する機能を有する。また、信号とは無関係の直交位相をもった自然放出光を抑圧できるために、増幅前後で信号光のＳＮ比を劣化させず同一に保つことが原理的に可能である。

位相感応型増幅器の実現方式は、非特許文献１に示されるような光ファイバなどの三次非線形光学媒質を用いた構成と、非特許文献２に示される二次非線形光学媒質を用いた構成とに大別できる。二次非線形光学媒質としては周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）が知られており、ＰＰＬＮを用いた構成の場合、光ファイバなどの三次非線形光学媒質を用いた構成に比べ、ＧＡＷＢＳやＡＳＥの混入がなく低ノイズな増幅が可能である。

ＰＰＬＮにおいて高効率を得るには、導波路型のデバイスを形成することが有効であり、種々の導波路が研究開発されている。主にこれまでは、Ｔｉ拡散導波路やプロトン交換導波路と呼ばれる拡散型の導波路を用いて検討がなされてきた。

しかしながらこれらの導波路は、作製において結晶内に不純物を拡散することから、光損傷耐性や長期信頼性の観点において課題があった。拡散型の導波路では、高強度の光を導波路に入射するとフォトリフラクティブ効果による結晶の損傷が発生してしまうため、導波路に入力できる光の強度に制限があった。

近年、結晶のバルクの特性をそのまま利用できることから、高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計が容易などの特徴を持つリッジ型の光導波路が研究開発されている。二枚の基板を接合して形成された光学素子の一方の基板を薄膜化した後、リッジ加工をすることにより、リッジ型の光導波路を形成することができる。この基板を接合する場合に、接着剤を用いずに、基板同士を強固に接合する技術として、直接接合技術が知られている。

接着剤等を用いずに基板同士を強固に接合することができる直接接合の技術は、高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計の容易性等の特徴以外にも不純物の混入や接着剤等による光の吸収を回避できる点からも有望視されている。

図１は、非特許文献２等に開示されている二次非線形光学媒質として直接接合型の周期分極反転導波路を用いた位相感応光増幅器１００の基本的な構成を示す図である。本構成では、光通信に用いられる微弱なレーザ光から非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得るために、ファイバレーザ増幅器１０１を用いて基本波光を増幅する。増幅された基本波光を第１の二次非線形光学素子１０２に入射させて第二高調波を発生させる。第２の二次非線形光学素子１０３に、信号光と第二高調波とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行う構成としている。二次非線形光学素子１０２、１０３は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）から成る光導波路を備える。

この光増幅器は、位相感応光増幅部１００における信号光と励起光の位相が一致すると入力信号光は増幅され、両者の位相が９０度ずれた直交位相関係になると、入力信号光は減衰する特性を有する。この特性を利用して増幅利得が最大となるように励起光―信号光間の位相を一致させると、信号光と直交位相の自然放出光を発生させずに、つまりＳＮ比を劣化させずに信号光を増幅することができる。

図１に示した方法では個別の位相変調器１０４、第２高調波発生用素子（第１の二次非線形光学素子）１０２、ＯＰＡ素子（第２の二次非線形光学素子）１０３あるいは合分波器１０５、１０６といった種々の素子を光ファイバにより接続しているため、接続による損失により増幅光のＳＮＲが低下する欠点があった。また複数の二次非線形光学素子が必要である、励起光源と信号光との２者間の位相関係を同期させる必要があるなど、必要な部品点数が多くなり、さらに全体の構成が複雑になってしまうという問題があった。

ＰＰＬＮの導波路化にはバルクに比べて高い変換効率が得られること以外にも本来は、大きな利点がある。それは複数の機能を１チップに集積することで高機能なデバイスを実現可能なことである。そこで上記問題に対して、同一基板上に上記素子を集積する構成を採用することにより素子間の接続損失が原理的に無くなり、接続損失により劣化する増幅光のＳＮＲが改善可能である。

ＰＰＬＮ導波路を用いて複数の非線形過程を起こし、位相感応増幅を行う方法としては非特許文献３に示されているようなＰＰＬＮ導波路をタンデムに接続する形態が提案されている。非特許文献１においては、第２高調波発生用素子（第１の二次非線形光学素子）１０２と、縮退パラメトリック増幅のためのＯＰＡ素子（第２の二次非線形光学素子）１０３とが、光合分波器を介して直列に接続されることで、縮退パラメトリック増幅に成功している。

しかしながら、ＰＰＬＮを直列（タンデム）に接続する構成では個別のＰＰＬＮ長が短くなってしまうという問題があった。変換効率は長さの二乗に比例するため、集積度を上げていくと急激に変換効率が下がるという問題がある。

そこで図２に記載の位相感応光増幅器の従来技術１に示す構成が考えられる。図２の従来技術１の構成は反射型の構成をもつ光合分波器を利用することで、ＰＰＬＮ導波路を並列方向に集積することを可能にしている。この構成をとることで、タンデムにＰＰＬＮを接続する場合に比べて、限られたウェハ上でＰＰＬＮ長を長くとることが可能になり、高効率な非線形過程により位相感応増幅を達成することが可能となる。

W. Imajuku, and A. Takada, "Gain characteristics of coherent optical amplifiers using a Mach-Zehnder interferometer," IEEE J. Quantum Electron., vol. 35, no. 11, pp. 1657-1665 (1999). T. Umeki, O. Tadanaga, A. Takada and M. Asobe, "Phase sensitive degenerate parametric amplification using directly-bonded PPLN ridge waveguides," Optics Express, 19, 6326-6332 (2011). Gregory Kanter, Prem Kumar, Rostislav Roussev, Jonathan Kurz, Krishnan Parameswaran, and Martin Fejer,"Squeezing in a LiNbO3 integrated optical waveguide circuit," Optics Express, Vol. 10, Issue 3, pp. 177-182 (2002)

しかしながらＰＰＬＮ導波路はＬＮの結晶異方性のため、単一の偏波に対してのみ位相整合特性が合う、すなわち単一の偏波でのみ波長変換動作が可能となる。通常ＰＰＬＮ導波路内では最も高い非線形光学定数の利用できるＴＭ偏光を用いる。ＰＰＬＮ導波路に入力する光の偏光状態が一定でない場合は波長変換特性が一定ではなくなるために位相感応増幅器として使用した場合の増幅特性も一定ではなくなる。

実際の光伝送では、光送信機からの光信号は、その偏波の向きが常に決まった方向を向いている。ところが、光ファイバに加わる温度変化等の外乱により、光ファイバを伝送した後の光信号は偏波の向きが一定していない。このような光信号を増幅する場合、光信号の偏波の向きに対して利得が変化するような光増幅器では、光増幅器より送り出される光信号の強度が時々刻々変化することになり、使用することができない。

偏波無依存化に向けた方法として、偏波分離素子で偏波を分離して両者をＴＭ偏光に合わせ各々を位相感応増幅させた後に、合流させる偏波ダイバーシティ構成が考えられる。図２の集積型構成では２つの分離された偏波を同時に受けることはできないため、偏波無依存動作のためにはより複数のＰＰＬＮ導波路が必要になる。このための単純な方法としては図２の集積素子を２つ用意し、偏波分離信号を増幅させる方法が考えられる。しかし二つの分離された信号を再び合波させるまでの光路長を正確に合わせる必要があるために、素子をバラックで組み合わせる方法よりも、同一基板上で複数信号を増幅できる形態を構成する方が望ましい。

本発明の目的は上記問題を鑑みて、集積型位相感応光増幅器において、入力偏波によらず出力が一定となるような偏波無依存型の集積化構成を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、二次非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する位相感応型光増幅装置であって、基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、励起光を用いて前記信号光を増幅する二次非線形光学素子と、位相変調器と、前記信号光の位相と前記励起光の位相とを同期する同期手段とを備え、前記二次非線形光学素子は、同一基板上に、前記信号光を分離する偏波分離手段と、前記偏波分離手段の一方の出力に接続された第１の偏波回転手段と、前記基本波光から前記励起光である第二高調波光を発生させるための第１及び第２のＰＰＬＮ導波路と、前記第１のＰＰＬＮ導波路に接続され、前記基本波光と前記第二高調波光とから前記第二高調波光のみを分離する第１の分波器と、前記第２のＰＰＬＮ導波路に接続され、前記基本波光と前記第二高調波光とから前記第二高調波光のみを分離する第２の分波器と、光導波路を介して前記第１の偏波回転手段と前記第１の分波器とに接続され、前記信号光と前記第二高調波光とを合波する第１の合波器と、光導波路を介して前記偏波分離手段の他方の出力と前記第２の分波器とに接続され、前記信号光と前記第二高調波光とを合波する第２の合波器と、前記第１の合波器に接続され、前記第二高調波光を用いて前記信号光のパラメトリック増幅を行うための第３のＰＰＬＮ導波路と、前記第２の合波器に接続され、前記第二高調波光を用いて前記信号光のパラメトリック増幅を行うための第４のＰＰＬＮ導波路と、前記第３のＰＰＬＮ導波路と前記第４のＰＰＬＮ導波路とに接続された偏波結合手段と、前記第３のＰＰＬＮ導波路と前記偏波結合手段との間に接続された第２の偏波回転手段とが集積され、前記偏波分離手段と前記偏波結合手段との間において、前記偏波分離手段で分離された前記信号光がそれぞれ伝搬する光路の光路長はともに等しく、
前記第１のＰＰＬＮ導波路で発生した前記第二高調波光が、前記第１のＰＰＬＮ導波路から、前記第１の分波器と、前記第１の合波器と、前記第３のＰＰＬＮ導波路とを伝搬して前記偏波結合手段に至る光路の光路長と、前記第２のＰＰＬＮ導波路で発生した前記第二高調波光が、前記第２のＰＰＬＮ導波路から、前記第２の分波器と、前記第２の合波器と、前記第４のＰＰＬＮ導波路とを伝搬して前記偏波結合手段に至る光路の光路長とが等しいことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、二次非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する位相感応型光増幅装置であって、基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、励起光を用いて前記信号光を増幅する二次非線形光学素子と、位相変調器と、前記信号光の位相と前記励起光の位相とを同期する同期手段とを備え、前記二次非線形光学素子は、前記信号光を分離する偏波分離手段と、前記偏波分離手段の一方の出力に接続された第１の偏波回転手段とが集積された第１の平面光波回路と、前記基本波光から前記励起光である第二高調波光を発生させるための第１及び第２のＰＰＬＮ導波路と、前記第１のＰＰＬＮ導波路に接続され、前記基本波光と前記第二高調波光とから前記第二高調波光のみを分離する第１の分波器と、前記第２のＰＰＬＮ導波路に接続され、前記基本波光と前記第二高調波光とから前記第二高調波光のみを分離する第２の分波器と、光導波路を介して前記第１の偏波回転手段の出力と前記第１の分波器とに接続され、前記信号光と前記第二高調波光とを合波する第１の合波器と、光導波路を介して前記偏波分離手段の他方の出力と前記第２の分波器に接続され、前記信号光と前記第二高調波光とを合波する第２の合波器と、前記第１の合波器に接続され、前記第二高調波光を用いて前記信号光のパラメトリック増幅を行うための第３のＰＰＬＮ導波路と、前記第２の合波器に接続され、前記第二高調波光を用いて前記信号光のパラメトリック増幅を行うための第４のＰＰＬＮ導波路とが集積されたＬＮ基板と、前記第３のＰＰＬＮ導波路と前記第４のＰＰＬＮ導波路とに接続された偏波結合手段と、前記第３のＰＰＬＮ導波路と前記偏波結合手段との間に接続された第２の偏波回転手段とが集積された第２の平面光波回路とを備え、前記偏波分離手段と前記偏波結合手段との間において、前記偏波分離手段で分離された前記信号光がそれぞれ伝搬する光路の光路長はともに等しく、前記第１のＰＰＬＮ導波路で発生した前記第二高調波光が、前記第１のＰＰＬＮ導波路から、前記第１の分波器と、前記第１の合波器と、前記第３のＰＰＬＮ導波路とを伝搬して前記偏波結合手段に至る光路の光路長と、前記第２のＰＰＬＮ導波路で発生した前記第二高調波光が、前記第２のＰＰＬＮ導波路から、前記第２の分波器と、前記第２の合波器と、前記第４のＰＰＬＮ導波路とを伝搬して前記偏波結合手段に至る光路の光路長とが等しいことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の位相感応型光増幅装置であって、前記第１及び第２の分波器は、複数の入出力導波路と、前記第二高調波光を反射し前記基本波光の反射を防止する光学膜がコーティングされた反射端面とを備え、前記第１及び第２の分波器の光軸方向の長さは前記第二高調波光が１：Ｎ（Ｎ≧１）に結像する長さの半分に調整され、前記第１及び第２の合波器は、複数の入出力導波路を備え、光軸方向の長さは前記第二高調波光又は前記基本波光が１：１に結像する長さに調整されることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の位相感応型光増幅装置であって、前記第１及び第２の分波器及び前記第１及び第２の合波器は、マルチモード干渉型光学素子または方向性結合器から構成されていることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、二次非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する位相感応型光増幅装置であって、基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、励起光を用いて前記信号光を増幅する二次非線形光学素子と、位相変調器と、前記信号光の位相と前記励起光の位相とを同期する同期手段とを備え、前記二次非線形光学素子は、前記信号光を分離する偏波分離手段と、前記偏波分離手段の一方の出力に接続された第１の偏波回転手段とが集積された第１の平面光波回路と、前記基本波光から前記励起光である第二高調波光を発生させるための第１のＰＰＬＮ導波路と、前記第１のＰＰＬＮ導波路に接続され、前記基本波光と前記第二高調波光とから前記第二高調波光のみを分離する分波器と、光導波路を介して前記第１の偏波回転手段の出力と前記分波器とに接続され、前記第二高調波光を分波し、前記信号光と前記第二高調波光とを合波する合分波器と、光導波路を介して前記偏波分離手段の他方の出力と前記合分波器とに接続され、前記信号光と前記第二高調波光とを合波する合波器と、前記合分波器に接続され、前記第二高調波光を用いて前記信号光のパラメトリック増幅を行うための第２のＰＰＬＮ導波路と、前記合波器に接続され、前記第二高調波光を用いて前記信号光のパラメトリック増幅を行うための第３のＰＰＬＮ導波路とが集積されたＬＮ基板と、前記第２のＰＰＬＮ導波路と前記第３のＰＰＬＮ導波路とに接続された偏波結合手段と、前記第２のＰＰＬＮ導波路と前記偏波結合手段との間に接続された第２の偏波回転手段とが集積された第２の平面光波回路とを備え、前記偏波分離手段と前記偏波結合手段との間において、前記偏波分離手段で分離された前記信号光がそれぞれ伝搬する光路の光路長はともに等しく、前記合分波器と前記偏波結合手段との間において、前記合分波器で分波された前記第二高調波光がそれぞれ伝搬する光路の光路長はともに等しいことを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の位相感応型光増幅装置であって、前記分波器は、複数の入出力導波路と、前記第二高調波光を反射し前記基本波光の反射を防止する光学膜がコーティングされた反射端面とを備え、前記分波器の光軸方向の長さは前記第二高調波光が１：Ｎ（Ｎ≧１）に結像する長さの半分に調整され、前記合分波器及び合波器は、複数の入出力導波路を備え、光軸方向の長さは前記第二高調波光又は前記基本波光が１：１に結像する長さに調整されることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の位相感応型光増幅装置であって、前記分波器、合分波器及び合波器は、マルチモード干渉型光学素子または方向性結合器から構成されていることを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の位相感応型光増幅装置であって、前記二次非線形光学素子の非線形光学材料は、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂ(ｘ)Ｔａ(１−ｘ)Ｏ３（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ４、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ことを特徴とする。

本発明によると、非線形光学効果であるパラメトリック増幅効果を利用して信号光の特定の位相だけを増幅する位相感応型増幅器において、入力信号の偏光状態によらず増幅特性が一定となるような偏波ダイバーシティ構成に対応した集積化構成を提供することで、高品質な増幅特性を有する位相感応型増幅器を提供することができる。

従来のＰＰＬＮ導波路を用いた位相感応増幅器の構成を示す図である。 従来のＰＰＬＮ導波路を用いた集積型位相感応増幅器の構成を示す図である。 本発明の第一の実施形態にかかる偏波無依存型位相感応増幅器の構成を示す図である。 本発明の第一の実施形態にかかる二次非線形光学素子を作製する工程を示す図である。 本発明の第一の実施形態にかかる二次非線形光学素子の導波路を示す断面図である。 本発明の第一の実施形態にかかる二次非線形光学素子の集積素子の作製方法を示す斜視である。 本発明の第一の実施形態にかかる二次非線形光学素子の端面加工プロセスを示す図である。 本発明の第一の実施形態にかかる二次非線形光学素子の合分波器の特性を測る実験を示す図である。 本発明の第一の実施形態にかかる偏波無依存型位相感応増幅器における、入力信号光と励起光との間の位相差Δφと、利得との関係を示す図表である。 本発明の第一の実施形態にかかる偏波無依存型位相感応増幅器によって増幅された信号の時間波形を示す図である。 本発明の第二の実施形態にかかる偏波無依存型位相感応増幅器の構成を示す図である。 本発明の第三の実施形態にかかる偏波無依存型位相感応増幅器の構成を示す図である。 本発明の第四の実施形態にかかる偏波無依存型位相感応増幅器の構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
（構成）
本発明の実施形態について説明する。図３は、本発明の第１の実施形態にかかる集積型位相感応光増幅器（集積型ＰＳＡ）３００を示す図である。ＰＳＡ３００は、従来構成において問題であった入力偏波に依存した出力変動を防ぐための構成としたものである。

本構成においては、同一ＬＮ基板３１０上に第二高調波の発生を行う１つのＰＰＬＮ導波路（３１１）と、縮退パラメトリック増幅を行う２つのＰＰＬＮ導波路（３１２、３１３）と、合分波器として３つのマルチモード干渉型合分波器（ＭＭＩ３２１、３２２、３２３）とを集積し、波長１．５６μｍの信号光を増幅する構成とする。

信号光３５０は、ＬＮ基板３１０入射前に偏波分離素子３０２によってＴＥ偏光３６１、ＴＭ偏光３７１に分離され、ＴＥ偏光３６１側に対しては更に偏波回転素子３０３によりＴＭ偏光３６２に変換される。これによりＬＮ基板３１０上の導波路内は全てＴＭ偏光が伝搬する。これらの光はＬＮ基板３１０上の導波路から出力されたのちもともとＴＥ偏光だった光３６３に対しては再び偏波回転素子３０４によりＴＥ偏光３６４に戻され、その後偏波分離素子３０２を逆方向に用いた偏頗分離素子３０５によりこれら２つの出力光を１本のファイバに合成する。

また信号光の一部をカップラ３０１により分岐して信号光３８１とし、信号光と励起光の位相同期用位相変調器３３１を通じてＥＤＦＡ３３２に入力し増幅した後、ＬＮ基板３１０のＴＭ偏光入力側と反対側より入力し励起光に使用する（励起光３８２）。右端より入力した励起光３８２はＭＭＩ３２１に到達するまでにほぼ全て第２高調波発生用ＰＰＬＮ導波路３１１にて第２高調波成分に変換される（３８３）。

ここで集積した３つのＭＭＩについて説明する。ＭＭＩ３２２は光が入射及び出射する入出射端面及び反射端面を有する単一のマルチモード光導波路と、その反射端面に形成された反射膜３２４と、入出射端面内においてマルチモード光導波路の光軸を示す中心線Ａ３２１上に接続された第１の入出力導波路３１１と、中心線から対称に軸ずれした位置で接続された第２、第３の入出力導波路３１６、３１７とを備える。ＭＭＩ３２１も含めた素子の左端には第２高調波である波長０．７８μｍの光に対しては高い反射率（ＨＲ）、１．５６μｍの光に対しては無反射（ＡＲ）な特性を有する光学多層反射膜３２４を備えている。このようにマルチモード導波路の片側端面に誘電体多層膜等の反射膜３２４を用いることで、不要な１．５６μｍの光３８４をＬＮ基板外に透過させ、入出力導波路から入射された０．７８μｍの光はマルチモード干渉を起こしながら干渉の途中で反射し折り返され、さらにマルチモード干渉を行いながらマルチモード光導波路内で周期的に結像を繰り返しながら集光する。この集光位置は入力位置、ＭＭＩの幅、長さ即ち反射位置に依存する。結像は１：Ｎへと分岐させる結像も可能であり、これらを最適化することにより第２高調波発生用ＰＰＬＮで生成した０．７８μｍの光３８３を入出力導波路３１１から入射させ、低損失に第２、第３の入出力導波路３１６、３１７に１：１の割合で結像させることができる。

もう一方のＭＭＩ３２２、３２３はマルチモード干渉導波路と、入力側端面に光軸を示す中心線Ａ３２１、Ａ３２２から対称に軸ズレした位置に１．５６μｍのＴＭ偏光の信号光３６２、３７１が入射してくる入力導波路３１４、３１５と、ＭＭＩ３２１から接続されている入力導波路３１６、３１７と、出力側端面に入力導波路と同一軸上にＤＰＡ用ＰＰＬＮ導波路３１２、３１３へと結合する出力導波路とを備える。入出力位置、ＭＭＩの幅、ＭＭＩ長を最適に設計することで波長１．５６μｍの信号光３６２または３７１と第２高調波発生用ＰＰＬＮ３１１により生成した０．７８μｍの励起光３８５を低損失にＤＰＡ用ＰＰＬＮ導波路３１２、３１３に結合することができる。

入出力導波路３１１よりＭＭＩ３２１に入射した第２高調波３８３はＭＭＩ３２１を介して１：１に分岐され（３８５）、ＭＭＩ３２２及びＭＭＩ３２３を介して入力信号光３６２または３７１と合波されＤＰＡ用ＰＰＬＮ導波路３１２、３１３で信号光が増幅される。

偏波分離素子３０２で偏波分離された信号光の導波路３１４→ＭＭＩ３２２→導波路３１２を伝搬する光と、導波路３１５→ＭＭＩ３２３→導波路３１３を伝播する光路とは、両光路長が等長化されるように導波路が設計されている。またＭＭＩ３２１で分岐されたＰｕｍｐ光３８５が、導波路３１６→ＭＭＩ３２２→導波路３１２を伝播する光路と、導波路３１７→ＭＭＩ３２３→導波路３１３を伝播する光路とについても、両光路長が等長化されるように導波路は設計されている。

（作製方法）
図４は、図３に示したＰＳＡ３００の集積素子を作製する工程を示す図である。第１の実施形態においては、非線形光学媒質である第一の基板４０１は、ＺカットＺｎ添加ＬＮ基板である。第二の基板４０２としてＺカットＭｇ添加ＬＮ基板を用いる。なお、非線形光学媒質として、ＬＮの他に、ＫＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂ_(ｘ)Ｔａ_(1-ｘ)Ｏ_３（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ_４、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材料を用いることができる。

光導波路形成において第一の基板４０１にはあらかじめ１．５μｍ帯で位相整合条件が満たされるように、周期分極反転構造が作製されている。ＬｉＮｂＯ_３結晶等における分極反転格子作製技術については多くの研究がなされ、いくつかの方法が開発されているが、そのうち良好な結果が再現性よく得られる電界印加法により周期分極反転構造を作製した。結晶表面上にリソグラフィにより周期レジストパターンを形成し、これを利用して周期的な電極（金属薄膜電極、液体電極等）を形成して電圧パルスを印加することで良好な周期分極反転構造を得ることができた。

第一の基板４０１と第二の基板４０２とは、熱膨張係数がほぼ一致している。また、第一の基板４０１の屈折率よりも第二の基板４０２の屈折率のほうが小さい。なお、第一及び第二の基板４０１、４０２は何れも、両面が光学研磨されてある３インチウェハである。第一の基板Ｃ１の厚さは３００μｍ、第二の基板４０２の厚さは５００μｍである。

用意した第一及び第二の基板４０１、４０２の表面を、通常の酸洗浄あるいはアルカリ洗浄によって親水性にした後、これら二つの基板をマイクロパーティクルが極力存在しない清浄雰囲気中で重ね合わせる（第１の工程）。そして、重ね合わせた第一及び第二の基板４０１、４０２を電気炉に入れ、４００℃で３時間熱処理することにより拡散接合を行う。接合された基板は、接合面にマイクロパーティクル等の挟み込みがなく、ボイドフリーであり、室温に戻したときにおいてもクラックなどは発生しない。

次に、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板の第一の基板４０１の厚さが２０μｍになるまで研磨加工を施す（第２の工程）。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより、鏡面の研磨表面を得ることができる。基板の平行度（最大高さと最小高さとの差）を光学的な平行度測定機を用いて測定したところ、３インチウェハの周囲を除き、ほぼ全体にわたってサブミクロンの平行度が得られ、薄膜基板４０３を作製することができる。この薄膜基板４０３は、接着剤を用いず、第一の基板４０１と第二の基板４０２とを熱処理による拡散接合によって直接貼り合わせることにより作製したため、３インチウェハの全面積にわたって均一な組成、膜厚を有する。

その後、光導波路の作製手段としてはドライエッチングプロセスを用いて、導波路を作製する。薄膜基板４０３のうち、第一の基板４０１の表面に通常のフォトリソグラフィのプロセスによって導波路パターンを作製する。その後、ドライエッチング装置に基板をセットし、Ａｒガスをエッチングガスとして薄膜基板４０３の第一の基板４０１の表面をエッチングすることによりリッジ型光導波路を作製する（後述の図９参照）。

図５は、図４に示す製造方法により作製された導波路を示す断面図である。高さ５μｍ、導波路幅およそ５μｍのリッジ型光導波路５０１を、導波路の幅により位相整合の条件は変化するため第一の基板４０１の厚みよりも深くエッチング加工を施し、リッジ導波路の両脇の第一の基板材料を完全に取り除くことが望ましい。しかしながらこの場合、第二の基板４０２との接合面が極めて細くなるため、それに耐えうるだけの十分な接合強度を必要とする。本実施形態における直接接合法は、第一の基板４０１と第二の基板４０２が導波路の直下の面５０２のみで接合されているような構造においても剥離などが起きず、十分な接合強度を保つことができたため、図５に示されるようなリッジ導波路の両脇を第二の基板４０２まで完全に落とす構造を作製することができた。

図６は、第１の実施形態のＰＳＡ３００の集積素子の作製方法を示す。図６（ａ）の底面基板６０１は、図４に示した方法により作製した、第一の基板４０１（ＺカットＺｎ添加ＬＮ基板）と第二の基板４０２（ＺカットＭｇ添加ＬＮ基板）とが接合された薄膜基板である。

第一の基板４０１の表面に通常のフォトリソグラフィのプロセスによって、集積素子のパターンを作製する。これらのパターンを３インチウェハである薄膜基板４０３に平行に複数個作製する。その後、ドライエッチング装置に基板をセットし、Ａｒガスをエッチングガスとして薄膜基板４０３の第一の基板４０１の表面をエッチングすることにより、複数のモード干渉導波路を作製する（図６（ｂ））。

これら集積素子ごとに薄膜基板４０３を短冊状に切り出し、ＭＭＩ側の端面６０２と、ＰＰＬＮ導波路側端面６０３とを光学研磨することによって集積素子を切り出した（図６（ｃ））。

次に、反射形態である集積素子作製のうち端面加工プロセスを説明する。図７はＰＳＡ３００の集積素子の端面加工プロセスを示す図である。０．７８μｍの光を入力導波路７０１から入射し、出力導波路７０２から分岐比が１：１で出力されるモード干渉導波路の長さ方向でちょうど半分となる位置でモード干渉導波路方向に対し垂直に切り出し、端面加工を施す。端面加工を施した後、端面７０３に１．５μｍ帯の光に対しては反射防止（ＡＲ）、０．７８μｍ帯の光に対しては反射（ＨＲ）となる光学積層膜をイオンアシスト型のスパッタリング装置を用いて光学膜７０５を蒸着した。１．５μｍ帯の光に対しては反射防止（ＡＲ）膜の特性を評価したところ、反射率は０．５％であった。一方で端面７０４側も加工を行い、１．５μｍ帯の光及び０.７８μｍ帯の光に対して反射防止（ＡＲ）となるように光学積層膜７０６を形成した。

作製した集積素子を用いて、１．５６μｍの信号光をＤＰＡ用ＰＰＬＮ導波路へ結合させたときのＭＭＩ３２２、３２３（図３参照）の挿入損失と０．７８μｍの光をＤＰＡ用ＰＰＬＮ導波路へ結合させたときのＭＭＩ３２１及びＭＭＩ３２２、３２３（図３参照）トータルでの挿入損失を測定した。図８の第１の実施形態にかかる二次非線形光学素子の合分波器の特性を測る実験の構成を示す図を用いて説明する。

０．７８μｍの光８５１を導波路８０１に入射し、ＭＭＩ８０４へと伝搬させる。また１．５６μｍの光８５２、８５３を導波路８０２、８０３に入射し、ＭＭＩ８０５、８０６へと伝搬させた。ＭＭＩ８０４の反射端面は０．７８μｍの光に対しては反射、１．５６μｍの光に対しては反射防止の光学膜８１１がコーティングされている。ＭＭＩ８０３へ入射されると０．７８μｍの光はモード干渉導波路内をマルチモード干渉を行いながら伝搬し、反射膜８１０で反射された後に導波路８０９、８１０に結像される。

ＭＭＩ８０４を折り返し、ＭＭＩ８０９、８１０を通過後に出力された０．７８μｍの光において、反射膜８１１の反射率は９９％と非常に高いため、折り返しによる光の損失はマルチモード干渉導波路を通過する際の損失が支配的であるが、ＭＭＩによる光過剰損失が非常に小さい損失であるため、トータルで２．０ｄＢと非常に小さい損失で光の折り返しを行うことができた。また波長１．５６μｍの信号光に対してＭＭＩ８０９、８１０の挿入損失は０．８ｄＢと非常に低損失であった。

第１の実施形態の位相感応型増幅器３００においては、信号と位相の合った光のみを増幅するために、上述のように信号光と励起光の位相が一致、もしくはπラジアンだけずれている必要がある。本実施形態のように２次の非線形光学効果を用いる場合は、第二高調波に相当する波長である励起光の位相φ_２ωｓと、信号光の位相φ_ωｓとが以下の（式１）の関係を満たすことが必要となる。
Δφ＝１／２φ_２ωｓ−φ_ωｓ＝ｎπ（ただし、ｎは整数） （式１）

図９は、本発明の１実施形態にかかる偏波無依存型位相観桜増幅器における、入力信号光と励起光との間の位相差Δφと、利得との関係を示す図表である。図９の位相差と利得グラフは、従来の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器における、入力信号光‐励起光間の位相差Δφと、利得（ｄＢ）との関係を示すグラフである。Δφが−π、０、又はπのときに、利得が最大となっていることがわかる。

図９に示すような入力信号光と励起光との間の位相同期を達成するために、図３に示す構成では、光ファイバレーザ増幅器の前に、励起光の位相を一定周波数の小振幅のパイロット信号で変調するための位相変調器３３１を設けている。励起光の位相を微小に変調した状態でパラメトリック増幅された信号光を、分岐部３０６で分岐して光検出器（ＰＤ：フォトダイオード）３３３により受光・観測する。図９に示す利得が最大となる位相同期が取れている状態では、位相変調による利得の変動が最小になるのに対して、図９に示す位相差が大きくなるに従って、位相変調によって利得に変調を生じ、増幅された光にもパイロット信号と同じ周波数の変調成分を生じることになる。このような増幅光に現れる変調成分が最小になるように、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋ Ｌｏｏｐ）３３４の技術を用いて、励起光の位相にフィードバックをかけることで、励起光と信号光との間の位相を同期させることができる。本実施形態ではＰＺＴを用いた光ファイバの伸長器３３５にフィードバックを行うことにより、光ファイバ部品の伸び縮みや温度変動による位相の変動を抑制できるようにしている。

本実施形態において、データ信号用変調機としてＬＮマッハツェンダー変調機を用い、入力信号として１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号を入力した場合の増幅特性を評価した。

図１０は、本実施形態による位相感応光増幅器によって増幅された信号の時間波形を示す図である。図１０（ａ）に励起光が入射しないときの入射信号光の出力波形を、図１０（ｂ）にＰＬＬにより励起光と信号光の位相が合うように設定したときの出力波形を、図１０（ｃ）にＰＬＬにより励起光と信号光の位相が９０度ずれるように設定したときの出力波形をそれぞれ示す。励起光の位相を信号光に合わせることにより、本実施形態では約１１ｄＢの利得を得ることができた。

本発明による集積化構成をとることで、信号光から分離されたＴＥ、ＴＭ偏光をＴＭ偏光に揃え、別々のＰＰＬＮ導波路に入射させ、縮退パラメトリック増幅を起こすことができる。２偏波間で異なる２経路を伝播する信号光間の遅延も導波路を適切に設計することでμｍオーダーの制度であわせることができ、２つのＤＰＡ用ＰＰＬＮ導波路へ入射する２つの分離されたＰｕｍｐ光間の遅延も同様に合わせることができる。遅延の制御された導波路で増幅され出力された２つの信号光を再度ＴＥ、ＴＭ偏光に変換し、合波することで入力時と同じ変更状態に戻すことができる。集積素子における２つのＤＰＡ用ＰＰＬＮ導波路は、導波路構造が同一に設計されたものであり、位相整合特性も揃っているために、両導波路を通過する光の増幅特性も揃ったものとなっている。以上から、入力信号の偏光状態によらず、増幅特性の揃った位相感応増幅器を構成することができた。

なお、本実施形態において、パラメトリック増幅過程における信号光および励起光の波長関係は縮退パラメトリック過程を用いたが、波長が異なる場合すなわち非縮退パラメトリック過程においても同様に信号光を低雑音で増幅することが可能である。

また本実施形態において、偏波分離素子及び偏波回転素子は図３内でファイバ系で構成されているが、これらを空間光学系を用いて構成してもよい。

また本実施形態においては、周期的に分極反転された二次非線形光学材料としてＺｎを添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を用いたが、ニオブ酸リチウムに限定されるものではなく、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶（ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1-x)Ｏ_３（０≦ｘ≦１））、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４）等に代表される二次非線形光学材料であれば同様の効果が得られる。また二次非線形光学材料の添加物に関しても、Ｚｎに限定されるものではなく、Ｚｎの代わりにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅを用いても良く、もしくは添加物を添加しなくてもよい。

（第２の実施形態）
図１１は、本発明の第２の実施形態にかかる偏波無依存集積型位相感応増幅器１１００の構成を示す図である。第２の実施形態は、第１の実施形態における偏波分離素子３０２、３０５及び偏波回転素子３０３、３０４を同一のＬＮ基板１１１０上に集積した場合の集積素子構成を示すものである。

第１の実施形態においては偏波分離素子３０２、３０５及び偏波回転素子３０３、３０４を光学部品によって構成していたが、部品点数が多くなることと、光学部品による増幅器のサイズ増大等の問題があった。そこで本実施形態においては偏波分離素子及び偏波回転素子を同一ＬＮ基板１１１０上に集積する構成とした。

本実施形態の構成においては、同一ＬＮ基板１１１０上に第二高調波の発生を行う２つのＰＰＬＮ導波路１１１１、１１１２と、縮退パラメトリック増幅を行う２つのＰＰＬＮ導波路１１１３、１１１４と、合分波器として４つのＭＭＩ１１２１、１１２２、１１２３、１１２４とを集積し、波長１．５６μｍの信号光を増幅する構成とする。

信号光１１５０はＬＮ基板１１１０入射後に偏波分離素子１１２５によってＴＥ偏光１１６１、ＴＭ偏光１１７１に分離され、ＴＥ偏光１１６１は導波路１１１９、ＴＭ偏光１１７１は導波路１１１８を伝搬し、合波器であるＭＭＩ１１２４、１１２３に入射し、縮退パラメトリック増幅を行うＰＰＬＮ導波路１１１４、１１１３へと結合する。導波路１１１４を伝搬するＴＥ偏光側に対しては導波路１１１９に挿入された波長板１１２７によりＴＭ偏光１１６２に変換される。これらの光は縮退パラメトリック増幅を行うＰＰＬＮ導波路１１１３、１１１４を伝搬後、もともとＴＥ偏光だった光に対しては再び波長板１１２８によりＴＥ偏光に戻され、その後偏波分離素子１１２５を逆方向に用いた偏波結合素子１１２６によりこれら２つの出力光を合波する。その他のＬＮ基板１１１０外の構成については第１の実施形態のＰＳＡ３００の場合と同様である。

偏波分離素子１１２５は方向性結合器又はＭＭＩを用いてＴＥ、ＴＭ偏光間での結合長の差を利用した構成等で実現が可能である。偏波回転素子としては導波路中に薄膜型波長板を４５°光学軸で挿入している。

信号光と第二高調波を合波するためのＭＭＩ１１２３、１１２４の動作は第１の実施形態におけるＭＭＩの場合と同様である。ＭＭＩ１１２１は光が入射及び出射する入出射端面及び反射端面を有する単一のマルチモード光導波路と、その反射端面に形成された反射膜１１３１と、入出射端面内においてマルチモード光導波路の光軸を示す中心線１１２１から対象に軸ずれした位置に接続された第１の入出力導波路１１１１と第２の入出力導波路１１１５とを備える。ＭＭＩ１１２２も含めた素子の左端には第二高調波である波長０．７８μｍの光に対しては高い反射率（ＨＲ）、１．５６μｍの光に対しては無反射（ＡＲ）な特性を有する光学多層膜１１３１を備えている。このようにマルチモード導波路の片側端面に誘電体多層膜等の反射膜１１３１を用いることで、不要な１．５６μｍの光をＬＮ基板１１１０外に透過させ、入出力導波路から入射された０．７８μｍの光はマルチモード干渉を起こしながら干渉の途中で反射し折り返され、さらにマルチモード干渉を行いながらマルチモード光導波路内で周期的に結像を繰り返しながら集光する。この集光位置は入力位置、ＭＭＩの幅、長さ即ち反射位置に依存する。これらを最適化することにより第２高調波発生用ＰＰＬＮで生成した０．７８μｍの光を入出力導波路１１１１から入射させ、低損失に第２入出力導波路１１１５に結像させることができる。ＭＭＩ１１２２もＭＭＩ１１２１と同様の動作をするように設計されている。

偏波分離素子１１２５で偏波分離された信号光の導波路１１１８→ＭＭＩ１１２３→導波路１１１３を伝搬する光路と、導波路１１１９→ＭＭＩ１１２４→導波路１１１４を伝搬する光路とは、両光路長が等長化されるように導波路が設計されている。またカップラ１１０３で２分岐されたＰｕｍｐ光発生のための励起光１１８２が、導波路１１１１→ＭＭＩ１１２１→導波路１１１５→ＭＭＩ１１２３→導波路１１１３を伝搬する光路と、導波路１１１２→ＭＭＩ１１２２→導波路１１１６→ＭＭＩ１１２４→導波路１１１４とを伝搬する光路とについても、両光路長が等長化されるように導波路は設計されている。

図１１に示される集積素子の作製方法は第１の実施形態と同様である。基板の端面も端面加工を施した後、信号光入射側端面に１．５μｍ帯の光に対しては反射防止（ＡＲ）、０．７８μｍ帯の光に対しては反射（ＨＲ）となる光学積層膜１１３１を形成し、信号光の出力側端面には１．５μｍ帯の光及び０．７８μｍ帯の光に対して反射防止（ＡＲ）となるような光学積層膜１１３２を形成した。

本実施形態において励起光の位相を信号光に合わせ位相感応型増幅を行ったところ、入力信号の偏光状態によらず約８ｄＢの利得を得ることができた。

なお、本実施形態において、パラメトリック増幅過程における信号光および励起光の波長関係は縮退パラメトリック過程を用いたが、波長が異なる場合すなわち非縮退パラメトリック過程においても同様に信号光を低雑音で増幅することが可能である。

また本実施形態においては、周期的に分極反転された二次非線形光学材料としてＺｎを添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を用いたが、ニオブ酸リチウムに限定されるものではなく、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶（ＬｉＮｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１−ｘ）}Ｏ_３（０≦ｘ≦１））、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４）等に代表される二次非線形光学材料であれば同様の効果が得られる。また二次非線形光学材料の添加物に関しても、Ｚｎに限定されるものではなく、Ｚｎの代わりにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅを用いても良く、もしくは添加物を添加しなくてもよい。

（第３の実施形態）
図１２は、本発明の第３の実施形態にかかる偏波無依存集積型位相感応増幅器１２００の構成を示す図である。本実施形態は、第１の実施形態における偏波分離素子３０２、３０４及び偏波回転素子３０３、３０４をＰＬＣ（平面光波回路）１２３０、１２３５上に集積し、位相感応増幅を行うＬＮ基板１２１０と接合した場合の集積素子構成を示すものである。

第２の実施形態においては偏波分離素子及び偏波回転素子を同一ＬＮ基板上に構成していたが、偏波分離素子１１２５、１１２６及び偏波回転素子１１２７、１１２８を形成することで限られたＬＮ基板１１１０のスペースを圧迫してしまい、非線形光学効果を起こすためのＰＰＬＮ導波路長が短くなってしまうために非線形光学効果の効率が劣化してしまうという問題があった。そこで本実施形態においては偏波分離素子及び偏波回転素子を加工技術の確立されているＰＬＣ（平面光波回路）１２３０、１２３５上で構成しＬＮ基板１２１０と接合する構成とした。

本構成においては同一ＬＮ基板１２１０上に第二高調波の発生を行う２つのＰＰＬＮ導波路１２１１、１２１２と、縮退パラメトリック増幅を行う２つのＰＰＬＮ導波路１２１３、１２１４と、合分波器として４つのＭＭＩ１２２１、１２２２、１２２３、１２２４とを集積し、波長１．５６μｍの信号光１２５０を増幅する構成とする。

信号光１２５０は入力側ＰＬＣ１２３０入射後に偏波分離素子１２３１によってＴＥ偏光１２６１、ＴＭ偏光１２７１に分離され、ＴＥ偏光１２６１は導波路１２３３、ＴＭ偏光１２７１は導波路１２３４を伝搬し、ＬＮ基板１２１０上の導波路１２１７、１２１８へと結合され、合波器であるＭＭＩ１２２３、１２２４に入射し、縮退パラメトリック増幅を行うＰＰＬＮ導波路１２１３、１２１４へと結合する。ＰＬＣ導波路１２３３を伝搬するＴＥ偏光側に対しては導波路１２３３に挿入された偏波回転素子１２３２によりＴＭ偏光に変換される。これらの光は縮退パラメトリック増幅を行うＰＰＬＮ導波路１２１３、１２１４を伝搬後、ＰＬＣ導波路１２３８、１２３９に結合し、導波路１２３８を伝搬する光に対しては再び偏波回転素子１２３７によりＴＥ偏光に戻され、その後偏波分離素子１２３５を逆方向に用いた偏波分離素子１２３６においてこれら２つの出力光を合波する。その他のＰＬＣ１２３０、１２３５及びＬＮ基板１２１０外の構成については第１及び第２の実施形態の場合と同様である。

偏波分離素子１２３１は方向性結合器又はＭＭＩを用いてＴＥ、ＴＭ偏光間での結合長の差を利用した構成等で実現が可能である。偏波回転素子としては導波路中に薄膜型波長板を４５°光学軸で挿入している。

ＬＮ基板上における分波器及び合波器であるＭＭＩ１２２１、１２２２、１２２３、１２２４の構成は第２の実施形態における場合と同様である。

ＰＬＣ１２３０で偏波分離された信号光の、導波路１２３３→導波路１２１７→ＭＭＩ１２２３→導波路１２１３→導波路１２３８を伝搬する光路と、導波路１２３４→導波路１２１８→ＭＭＩ１２２４→導波路１２１４→導波路１２３９を伝搬する光路とは、両光路長が等長化されるように導波路が設計されている。またカップラ１２０３で２分岐されたＰｕｍｐ光発生のための励起光１２８２が導波路１２４６→導波路１２１１→ＭＭＩ１２２１→導波路１２１５→ＭＭＩ１２２３→導波路１２１３→導波路１２３８を伝播する光路と、導波路１２４７→導波路１２１２→ＭＭＩ１２２２→導波路１２１６→ＭＭＩ１２２４→導波路１２１４→導波路１２３９を伝搬する光路とについても、両光路長が等長化されるように導波路は設計されている。

図１２に示されるＬＮ基板の集積素子の作製方法は第１の実施形態と同様である。ＬＮ基板の端面は端面加工を施した後、信号光入射側端面に１．５μｍ帯の光に対しては反射防止（ＡＲ）、０．７８μｍ帯の光に対しては反射（ＨＲ）となる光学積層膜１２２５を形成し、信号光の出力側端面には１．５μｍ帯の光及び０．７８μｍ帯の光に対して反射防止（ＡＲ）となるような光学積層膜１２２６を形成した。その後、偏波分離素子１２３１、偏波回転素子１２３２及び導波路１２３３、１２３４の集積されたＰＬＣ１２３０と、偏波分離素子１２３６、偏波回転素子１２３７及び導波路１２３８、１２３９の集積されたＰＬＣ１２３５を、作製されたＬＮ基板１２１０と接着材等により接続する。

本実施形態において励起光の位相を信号光に合わせ位相感応型増幅を行ったところ、入力信号の偏光状態によらず約１１ｄＢの利得を得ることができた。

なお、本実施形態において、パラメトリック増幅過程における信号光および励起光の波長関係は縮退パラメトリック過程を用いたが、波長が異なる場合すなわち非縮退パラメトリック過程においても同様に信号光を低雑音で増幅することが可能である。

また本実施形態においては、周期的に分極反転された二次非線形光学材料としてＺｎを添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を用いたが、ニオブ酸リチウムに限定されるものではなく、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶（ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1-x)Ｏ_３（０≦ｘ≦１））、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４）等に代表される二次非線形光学材料であれば同様の効果が得られる。また二次非線形光学材料の添加物に関しても、Ｚｎをに限定されるものではなく、Ｚｎの代わりにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅを用いても良く、もしくは添加物を添加しなくてもよい。

（第４の実施形態）
図１３は、本発明の第４の実施形態にかかる偏波無依存集積型位相感応増幅器１３００の構成を示す図である。本実施形態は、第１の実施形態における偏波分離素子３０２、３０４及び偏波回転素子３０３、３０４をＰＬＣ１３３０、１３３５上に集積し、位相感応増幅を行うＬＮ基板１３１０と接合した場合の集積素子構成を示すものである。

第１の実施形態においては信号光のＴＥ、ＴＭ偏光を分離し合波するまでの１部分にファイバ系又は空間系が含まれており、第２および第３の実施例においてはＰｕｍｐ光を発生させるための励起光を分離後の一部分にファイバ系が含まれている。これらの部分は信号光増幅の偏波無依存動作、位相感応動作を実現する上で光路の等長化が必要である。しかしながらファイバ系の場合、ファイバ伸縮や振動による動作不安定の問題があり、空間系の場合光学系の等長化実装が非常に困難という問題がある。そこで本実施形態においては等長化を必要とする部分をすべて導波路上で形成することで、μｍオーダーでの光路間の長さの精度を確保する構成とした。

本構成においては同一ＬＮ基板１３１０上に第２高調波の発生を行うＰＰＬＮ導波路１３１１と、縮退パラメトリック増幅を行う２つのＰＰＬＮ導波路１３１２、１３１３と、合波器として３つのＭＭＩ１３２１、１３２２、１３２３とを集積し、波長１．５６μｍの信号光１３５０を増幅する構成とする。

信号光１３５０は入力側ＰＬＣ１３３０入射後に偏波分離素子１３３１によってＴＥ偏光１３６１、ＴＭ偏光１３７１に分離される。ＴＥ偏光１３６１は導波路１３３３を伝播しＬＮ基板１３１０上の導波路１３１７へと結合され、合波器であるＭＭＩ１３２２に入射し、縮退パラメトリック増幅を行うＰＰＬＮ導波路１３１２へと結合する。ＴＭ偏光１３７１は導波路１３３４を伝搬し、ＬＮ基板１３１０上の導波路１３１８へと結合され、合波器であるＭＭＩ１３２３に入射し、縮退パラメトリック増幅を行うＰＰＬＮ導波路１３１３へと結合する。ＰＬＣ導波路を伝搬するＴＥ偏光側に対しては導波路１３３３に挿入された偏波回転素子１３３２によりＴＭ偏光１３６２に変換される。これらの光は縮退パラメトリック増幅を行うＰＰＬＮ導波路１３１２、１３１３を伝搬後、ＰＬＣ導波路１３３８、１３３９に結合し、導波路１３３８を伝搬する光に対しては再び偏波回転素子１３３７によりＴＭ偏光に戻され、その後偏波分離素子１３３６を逆方向に用いてこれら２つの出力光を合波する。その他のＰＬＣ基板１３３０、１３３５及びＬＮ基板１３１０外の構成については第１、第２及び第３の実施形態の場合と同様である。

偏波分離素子１３３１は方向性結合器又はＭＭＩを用いてＴＥ、ＴＭ偏光間での結合長の差を利用した構成等で実現が可能である。偏波回転素子としては導波路中に薄膜型波長板を４５°光学軸で挿入している。

ＬＮ基板上における分波器及び合波器であるＭＭＩ１３２１、１３２３の構成は第２の実施形態における場合と同様である。ＭＭＩ１３２２は入出力導波路１３１５から入射された０．７８μｍの光を入出力導波路１３１６、１３１９に１：１で結像させ、入出力導波路１３１７から入射された１．５６μｍの光を入出力導波路１３１６に結像させるように設計されている。

ＰＬＣで偏波分離された信号光の、導波路１３３３→導波路１３１７→ＭＭＩ１３２２→導波路１３１２→導波路１３３８を伝搬する光路と、導波路１３３４→導波路１３１８→ＭＭＩ１３２３→導波路１３１３→導波路１３３９を伝搬する光路とは、両光路長が等長化されるように導波路が設計されている。またＭＭＩ１３２２で２分岐されたＰｕｍｐ光が１３１６→１３１２を伝搬する光路と１３１９→ＭＭＩ１３２３→１３１３を伝搬する光路についても、両光路長が等長化されるように導波路は設計されている。

図１３に示されるＬＮ基板の集積素子の作製方法は第１の実施形態と同様である。ＬＮ基板１３１０の端面は端面加工を施した後、信号光入射側端面に１．５μｍ対の光に対しては反射防止（ＡＲ）、０．７８μｍ帯の光に対しては反射（ＨＲ）となる光学積層膜１３２５を形成し、信号光の出力側端面には１．５μｍ帯の光及び０．７８μｍ帯の光に対して反射防止（ＡＲ）となるような光学積層幕１３２６を形成した。その後、偏波分離素子１３３１、偏波回転素子１３３２及び導波路１３３３、１３３４の集積されたＰＬＣ１３３０と、偏波分離素子１３３６、偏波回転素子１３３７及び導波路１３３８、１３３９の集積されたＰＬＣ１３３５とを作成されたＬＮ基盤１３１０と接着剤等により接続する。

本実施形態において励起光の位相を信号光に合わせ位相感応型増幅を行ったところ、入力信号の偏光状態によらず約１１ｄＢの利得を得ることができた。

なお、本実施形態において、パラメトリック増幅過程における信号光および励起光の波長関係は縮退パラメトリック過程を用いたが、波長が異なる場合すなわち非縮退パラメトリック過程においても同様に信号光を低雑音で増幅することが可能である。

また本実施形態においては、周期的に分極反転された二次非線形光学材料としてＺｎを添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を用いたが、ニオブ酸リチウムに限定されるものではなく、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの結晶（ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1-x)Ｏｓ（０≦ｘ≦１））、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ４）等に代表される二次非線形光学材料であれば同様の効果が得られる。また二次非線形光学材料の添加物に関しても、Ｚｎに限定されるものではなく、Ｚｎの代わりにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅ、を用いてもよく、もしくは添加物を添付しなくてもよい。

１００ 位相感応光増幅器
１０１、３３２ ＥＤＦＡ
１０２、１０３ ２次非線形光学素子
３００、１１００、１２００、１３００ 集積型位相感応光増幅器
３０１、３０６、１１０１、１１０２、１１０３、１２０１、１２０２、１２０３ 光カップラ
３０２、３０５、１１２５、１１２６、１２３１、１２３６、１３３１、１３３６ 偏波分離素子
３０３、３０４、１１２７、１１２８、１２３２、１２３７、１３３２、１３３７ 偏波回転素子
３１０、１１１０、１２１０、１３１０ ＬＮ基板
３１１、３１２、３１３、７０１、７０２、７０３、８０１、８０２、８０３、１１１１、１１１２、１１１３、１１１４、１２１１、１２１２、１２１３、１２１４、１３３１、１３３２、１３３３ ＰＰＬＮ導波路
３１４、３１５、３１６、３１７、８０７、８０８、８０９、８１０、１１１５、１１１６、１１１７、１１１８、１１１９、１２１５、１２１６、１２１７、１２１８、１２３３、１２３４、１２３８、１２３９、１２４６、１２４７、１３１５、１３１６、１３１７、１３１８、１３１９ 導波路
３２１、３２２、３２３、８０４、８０５、８０６、１１２１、１１２２、１１２３、１１２４、１２２１、１２２２、１２２３、１２２４、１３２１、１３２２、１３３３ ＭＭＩ
３２４、７０５、１１３１、１２２５、１３２５ １．５６ＡＲ／０．７８ＨＲ光学多層膜
３２５、７０６、１１３２、１２２６、１３２６ １．５６ＡＲ／０．７８ＡＲ光学多層膜
３３１、１１４１、１２４１、１３４１ 位相変調器
３３３、１１４３、１２４３、１３４３ 光検出器
３３４、１１４４、１２４４、１３４４ ＰＬＬ
３３５、１１４５、１２４５、１３４５ 光ファイバ伸長器
３５０、１１５０、１２５０、１３５０ １．５６μｍ光信号
１２５１、１３５１ 出力光
３６１、３６４、１１６１、１２６１、１３６１ ＴＥ偏光
３６２、３６３、３７１、３７２、８５２、８５３、１１６２、１１７１、１２６２、１２７１、１３６２、１３７１、 ＴＭ偏光
３８１、１１８１、１２８１、１３８１ 分岐光
３８２、８５１、１１８２、１１８３、１２８２、１２８３、１３８２、１３８３ 励起光
３８３、３８５、１１８４、１１８５、１２８４、１３８４ 第２高長波
３８４ １．５６μｍ光
４０１ 第１の基板
４０２ 第２の基板
４０３、６０１ 薄膜基板
５０１ リッジ型光導波路
５０２ 導波路直下の面
６０２ ＭＭＩ側の端面
６０３ ＰＰＬＮ導波路側端面
７０３、７０４ 端面加工位置
１３３０、１３３５ ＰＬＣ

Claims (8)

1. 二次非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する位相感応型光増幅装置であって、
   基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、
   励起光を用いて前記信号光を増幅する二次非線形光学素子と、
   位相変調器と、
   前記信号光の位相と前記励起光の位相とを同期する同期手段とを備え、
   前記二次非線形光学素子は、同一基板上に、
   前記信号光を分離する偏波分離手段と、
   前記偏波分離手段の一方の出力に接続された第１の偏波回転手段と、
   前記基本波光から前記励起光である第二高調波光を発生させるための第１及び第２のＰＰＬＮ導波路と、
   前記第１のＰＰＬＮ導波路に接続され、前記基本波光と前記第二高調波光とから前記第二高調波光のみを分離する第１の分波器と、
   前記第２のＰＰＬＮ導波路に接続され、前記基本波光と前記第二高調波光とから前記第二高調波光のみを分離する第２の分波器と、
   光導波路を介して前記第１の偏波回転手段と前記第１の分波器とに接続され、前記信号光と前記第二高調波光とを合波する第１の合波器と、
   光導波路を介して前記偏波分離手段の他方の出力と前記第２の分波器とに接続され、前記信号光と前記第二高調波光とを合波する第２の合波器と、
   前記第１の合波器に接続され、前記第二高調波光を用いて前記信号光のパラメトリック増幅を行うための第３のＰＰＬＮ導波路と、
   前記第２の合波器に接続され、前記第二高調波光を用いて前記信号光のパラメトリック増幅を行うための第４のＰＰＬＮ導波路と、
   前記第３のＰＰＬＮ導波路と前記第４のＰＰＬＮ導波路とに接続された偏波結合手段と、
   前記第３のＰＰＬＮ導波路と前記偏波結合手段との間に接続された第２の偏波回転手段と
   が集積され、前記偏波分離手段と前記偏波結合手段との間において、前記偏波分離手段で分離された前記信号光がそれぞれ伝搬する光路の光路長はともに等しく、
   前記第１のＰＰＬＮ導波路で発生した前記第二高調波光が、前記第１のＰＰＬＮ導波路から、前記第１の分波器と、前記第１の合波器と、前記第３のＰＰＬＮ導波路とを伝搬して前記偏波結合手段に至る光路の光路長と、前記第２のＰＰＬＮ導波路で発生した前記第二高調波光が、前記第２のＰＰＬＮ導波路から、前記第２の分波器と、前記第２の合波器と、前記第４のＰＰＬＮ導波路とを伝搬して前記偏波結合手段に至る光路の光路長とが等しいことを特徴とする位相感応型光増幅装置。
2. 二次非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する位相感応型光増幅装置であって、
   基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、
   励起光を用いて前記信号光を増幅する二次非線形光学素子と、
   位相変調器と、
   前記信号光の位相と前記励起光の位相とを同期する同期手段とを備え、
   前記二次非線形光学素子は、
   前記信号光を分離する偏波分離手段と、
   前記偏波分離手段の一方の出力に接続された第１の偏波回転手段と
   が集積された第１の平面光波回路と、
   前記基本波光から前記励起光である第二高調波光を発生させるための第１及び第２のＰＰＬＮ導波路と、
   前記第１のＰＰＬＮ導波路に接続され、前記基本波光と前記第二高調波光とから前記第二高調波光のみを分離する第１の分波器と、
   前記第２のＰＰＬＮ導波路に接続され、前記基本波光と前記第二高調波光とから前記第二高調波光のみを分離する第２の分波器と、
   光導波路を介して前記第１の偏波回転手段の出力と前記第１の分波器とに接続され、前記信号光と前記第二高調波光とを合波する第１の合波器と、
   光導波路を介して前記偏波分離手段の他方の出力と前記第２の分波器に接続され、前記信号光と前記第二高調波光とを合波する第２の合波器と、
   前記第１の合波器に接続され、前記第二高調波光を用いて前記信号光のパラメトリック増幅を行うための第３のＰＰＬＮ導波路と、
   前記第２の合波器に接続され、前記第二高調波光を用いて前記信号光のパラメトリック増幅を行うための第４のＰＰＬＮ導波路と
   が集積されたＬＮ基板と、
   前記第３のＰＰＬＮ導波路と前記第４のＰＰＬＮ導波路とに接続された偏波結合手段と、
   前記第３のＰＰＬＮ導波路と前記偏波結合手段との間に接続された第２の偏波回転手段と
   が集積された第２の平面光波回路と
   を備え、
   前記偏波分離手段と前記偏波結合手段との間において、前記偏波分離手段で分離された前記信号光がそれぞれ伝搬する光路の光路長はともに等しく、
   前記第１のＰＰＬＮ導波路で発生した前記第二高調波光が、前記第１のＰＰＬＮ導波路から、前記第１の分波器と、前記第１の合波器と、前記第３のＰＰＬＮ導波路とを伝搬して前記偏波結合手段に至る光路の光路長と、前記第２のＰＰＬＮ導波路で発生した前記第二高調波光が、前記第２のＰＰＬＮ導波路から、前記第２の分波器と、前記第２の合波器と、前記第４のＰＰＬＮ導波路とを伝搬して前記偏波結合手段に至る光路の光路長とが等しいことを特徴とする位相感応型光増幅装置。
3. 前記第１及び第２の分波器は、複数の入出力導波路と、前記第二高調波光を反射し前記基本波光の反射を防止する光学膜がコーティングされた反射端面とを備え、前記第１及び第２の分波器の光軸方向の長さは前記第二高調波光が１：Ｎ（Ｎ≧１）に結像する長さの半分に調整され、
   前記第１及び第２の合波器は、複数の入出力導波路を備え、光軸方向の長さは前記第二高調波光又は前記基本波光が１：１に結像する長さに調整されることを特徴とする請求項１又は２に記載の位相感応型光増幅装置。
4. 前記第１及び第２の分波器及び前記第１及び第２の合波器は、マルチモード干渉型光学素子または方向性結合器から構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の位相感応型光増幅装置。
5. 二次非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する位相感応型光増幅装置であって、
   基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、
   励起光を用いて前記信号光を増幅する二次非線形光学素子と、
   位相変調器と、
   前記信号光の位相と前記励起光の位相とを同期する同期手段とを備え、
   前記二次非線形光学素子は、
   前記信号光を分離する偏波分離手段と、
   前記偏波分離手段の一方の出力に接続された第１の偏波回転手段と
   が集積された第１の平面光波回路と、
   前記基本波光から前記励起光である第二高調波光を発生させるための第１のＰＰＬＮ導波路と、
   前記第１のＰＰＬＮ導波路に接続され、前記基本波光と前記第二高調波光とから前記第二高調波光のみを分離する分波器と、
   光導波路を介して前記第１の偏波回転手段の出力と前記分波器とに接続され、前記第二高調波光を分波し、前記信号光と前記第二高調波光とを合波する合分波器と、
   光導波路を介して前記偏波分離手段の他方の出力と前記合分波器とに接続され、前記信号光と前記第二高調波光とを合波する合波器と、
   前記合分波器に接続され、前記第二高調波光を用いて前記信号光のパラメトリック増幅を行うための第２のＰＰＬＮ導波路と、
   前記合波器に接続され、前記第二高調波光を用いて前記信号光のパラメトリック増幅を行うための第３のＰＰＬＮ導波路と
   が集積されたＬＮ基板と、
   前記第２のＰＰＬＮ導波路と前記第３のＰＰＬＮ導波路とに接続された偏波結合手段と、
   前記第２のＰＰＬＮ導波路と前記偏波結合手段との間に接続された第２の偏波回転手段と
   が集積された第２の平面光波回路と
   を備え、
   前記偏波分離手段と前記偏波結合手段との間において、前記偏波分離手段で分離された前記信号光がそれぞれ伝搬する光路の光路長はともに等しく、
   前記合分波器と前記偏波結合手段との間において、前記合分波器で分波された前記第二高調波光がそれぞれ伝搬する光路の光路長はともに等しいことを特徴とする位相感応型光増幅装置。
6. 前記分波器は、複数の入出力導波路と、前記第二高調波光を反射し前記基本波光の反射を防止する光学膜がコーティングされた反射端面とを備え、前記分波器の光軸方向の長さは前記第二高調波光が１：Ｎ（Ｎ≧１）に結像する長さの半分に調整され、
   前記合分波器及び合波器は、複数の入出力導波路を備え、光軸方向の長さは前記第二高調波光又は前記基本波光が１：１に結像する長さに調整されることを特徴とする請求項５に記載の位相感応型光増幅装置。
7. 前記分波器、合分波器及び合波器は、マルチモード干渉型光学素子または方向性結合器から構成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の位相感応型光増幅装置。
8. 前記二次非線形光学素子の非線形光学材料は、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ₄、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ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の位相感応型光増幅装置。

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