JPH01298325A - 光周波数変換素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光周波数変換素子に関し、特に、周波数を精
密かつ比較的広範囲に変化させることのできる光周波数
変換素子に関するものである。

〔従来技術〕

近年における光通信技術、あるいは光計測技術の進展に
伴い、光源の波長あるいは周波数を任意に調整する技術
の必要性が高まってきた。光周波数変換素子としては、
物質の非線形効果を利用した２次高周波発生（ＳＨＧ）
素子、あるいは光波混合素子が研究されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前記従来の光周波数変換素子は、前述の
ように非線形効果を用いるため、特性が入力光の強度に
依存し、かつ、光周波数変換効率が低いという問題があ
った。また、微細かつ任意な光周波数変換を行うことが
できないという問題があった。

一方、分布帰還形半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）などス
ペクトル純度の高い光源の開発、原子の吸光スペクトル
あるいは分子共鳴準位を用いた光源の安定化技術の進展
等に伴い、光源の周波数を微細かつ安定に調整すること
のできる素子の実現が望まれている。

本発明は、前記問題点を解決するためになされたもので
ある。

本発明の目的は、効率良く微細に光の周波数を変換する
光周波数変換素子を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の課題と新規な特徴は、本
明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろ
う。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成するために１本発明の光周波数変換素子
は、少なくとも１個の音響光学変調器と。

該音響光学変調器の出力を増幅する少なくとも１個の半
導体光増幅素子とを同一基板上に配設して光周波変換素
子を構成し、前記音響光学変調器の所定の１個又は複数
個の変調出力を得る手段を設けたことを最も主要な特徴
とする。

また、複数個の音響光学変調器と、該音響光学変調器の
出力を増幅する半導体光増幅素子とを同一基板上に配設
して前記音響光学変調器と半導体光増幅素子とを接続し
た光周波数変換素子であって、前記複数個の音響光学変
調器の所定の１個又は複数個の変調出力を光スイッチ素
子によって選択出力する手段を設けたことを特徴とする
。

また、本発明の光周波数変換素子は、１枚の半導体基板
上に、音響光学変調器、半導体光学増幅素子及び光スイ
ッチ素子を形成したことを特徴とする。

〔作用〕

前述の手段によれば、音響光学素子と光増幅素子とを用
いることにより、音響光学素子により得られた周波数シ
フト光を光増幅素子を通して増幅するので、入射光に対
して得られた周波数が変化し、かつ入射光と同程度の強
度を有する光を得ることができる。これにより、非線形
現象を用いることなく、光の周波数を微細に調整するこ
とができるため、特性を安定にすることができる。

また、音響光学素子と光増幅素子とを多段構成とするこ
とにより、広い周波数シフト範囲を得ることができる。

更に、半導体光増幅素子と同一の基板上に音響光学素子
及び光スイッチ素子を形成したモノリシック集積回路型
の光周波数変換素子が構成されるので、素子の小型化を
はかることができる。

〔発明の原理〕

以下、本発明の原理を図面を用いて具体的に説明する。

第１図は、本発明の光周波数変換素子の原理を説明する
ためのブロック図である。

本発明の光周波数変換素子は、第１図に示すように、音
響光学変調器（以下、ＡＯセルという）１．２，３，４
、光増幅素子５，６，７，８．前記各ＡＯセル１〜４を
駆動するための高周波源１０、前記各光増幅素子５〜８
を駆動するための直流電源１１で構成されている。第１
図において、２０は入力光、２１．２３は回折光、２２
は増幅された回折光。

２４は出力光、２５は弾性波、２６は非回折光である。

次に１本発明の光周波数変換素子の動作原理を説明する
。

第１図において、ＡＯセル１〜４は、それぞれ高周波源
１０により駆動されており、弾性波２５がそれぞれＡＯ
セル１〜４中を伝播している。この状態において、入力
光２０がＡＯセル１に入射されると、音響光学効果によ
りブラッグ回折を受け、回折光２１が得られる。入力光
２０の周波数をｆ。、回折光２１の周波数をｆｌ、弾性
波２５の周波数をＦＡとすると、これらの間には式（１
）が成り立つ。

ｆ□＝ｆ、±ＦＡ　・・・・　（１） ここで、複合上は入力光２０と弾性波２５の伝搬方位、
すなわち１両者の波数ベクトルの角度関係により、正符
号あるいは負符号をとるが、第１図のように波数ベクト
ルの和となる様に設定した場合には正符号をとる。

式（１）の如く、回折光２１の周波数は、入力光２０の
周波数に比べて１弾性波２５の周波数ＦＡだけシフトし
ている。例えば、波長１ミクロンの入力光２０を３ＧＨ
ｚの弾性波２５で回折させる場合についてみると、ｆ、
＝　３　Ｘ　１０”Ｈｚであるから、入力光２０と回折
光２１の間の相対周波数偏差は、約１×１０−Ｓとなる
。ところで、ＡＯセル１による回折効率は、ＡＯセル１
に用いた弾性波伝播材料の材料定数、弾性波のモード、
弾性波２５の強度等に依存するが、高い周波数の弾性波
２５で高効率を得ることは一般的に極めて困難である。

このため１回折光２１の強度は、入力光２０に比べて微
弱になることは避けられない。

前述の如く、ＡＯセル１段当りの周波数シフト量は、高
々１０ｐｐｍ程度のわずかな値であり、かつ１回折光強
度も入力光に比べて弱いので、第１図の説明図において
は、光増幅素子５によって回折光２１を増幅した後、そ
の増幅された回折光２２をＡ　Ｏセル２に入射させて再
び１次回折光２３を得た後、再度光増幅素子６に入力し
て増幅し、ＡＯセル３に入力する。同様の過程を経て出
力光２４を得る。この結果、出力光２４の周波数は入力
光２０に比べて、弾性波周波数の４倍だけ周波数シフト
する。

また、出力光２４の強度は、ＡＯセルの回折効率と光増
幅素子の増幅度に依存するが、回折効率を１０％、増幅
率を１０倍（１０ｄＢ）とすれば、入力光２０と同一強
度の出力光２４が得られることになる。

以上、周波数シフトを得る原理をＡＯセル４段について
説明したが、前述の説明から明らかなように、一般にＮ
段（Ｎは正の整数）とすれば、周波数シフト量はＦＡの
Ｎ倍となるから、必要に応じた段数の構成とすれば良い
。

光増幅素子５〜８としては、レーザーダイオード（ＬＤ
）において、光共振系を取り除いた形態の半導体光増幅
素子を用いればよい。ＡＯセルで回折効率１０％程度を
得ることは可能であり、また、半導体光増幅素子により
、１０ｄＢ程度の光増幅利得を実現することも容易であ
るから、入力光と同一強度の周波数のシフト光を得るこ
とが可能である。

また、前述の説明では、各Ａ○セル１〜４に対応して光
増幅素子を設ける構成について述べたが。

必ずしも各段毎に光増幅素子を設ける必要はなく、適当
な段階毎に光増幅を行えばよい。例えば、第１図におい
て、光増幅素子５及び７を省略し、２段毎に設ける構成
も可能である。

〔発明の実施例〕

以下５前述の本発明の原理に基づいてなされた一実施例
を図面を用いて具体的に説明する。

第２図は、本発明の光周波数変換素子の一実施例の概略
構成を説明するためのブロック図である。

本実施例の光周波数変換素子は、第２図に示すように、
ＡＯセル３１〜３４と、光増幅素子４１〜４４と、光ス
イッチ素子５１〜５５とを同一基板３０上に形成して集
積型構造とし、かつ、ＡＯセル３１〜３４のうちから任
意のＡ○セルの出力光を光スイッチ素子５１〜５５によ
って選別して取り出すことにより、任意窃周波数シフト
光が得られるようにしたものである。

第２図において、６０は先導波路、６１は入力光、６２
は出力光（周波数シフト光）、６３はＡＯセル３１〜３
４を駆動する高周波源、６４は高周波スイッチ、６５は
光増幅素子４１〜４４を制御する光増幅素子制御回路、
６６は光スイッチ素子５１〜５５を制御する光スイッチ
素子制御回路である。

前記基板３０は、例えばＧａＡｓ　（又はＧ　ａ　Ａ　
ＩＡ　ｓ　）系化合物半導体へのへテロ接合構造のもの
を用い、ＡＯセル３１〜３４は、基板表面に例えばＺｎ
○等の圧電薄膜を形成した上に、交差指電極形表面弾性
波トランスジューサを設けた構造のものを用いる。そし
て、光増幅素子４１〜４４は、ペテロ接合における光増
幅特性を用いて形成し、光スイッチ素子５１〜５５につ
いても同様にペテロ接合部の注入電流の制御による光ス
イッチング特性を利用して形成する。すなわち、素子全
体を１枚の半導体基板上に形成する、いわゆるモノリッ
ク集積回路にすることにより小型にしている。

なお、本発明は、前記本実施例のモノリック集積回路に
限定されず、ＡＯセル、光増幅素子、光スイッチ素子等
を個別のチップで形成し、それらを１枚の基板上に取り
付ける、いわゆるハイブリッド集積回路の構成を採用し
てもよい。

本実施例の光周波数変換素子は、Ａ○セル３１〜３４．
光増幅素子４１〜４４及び光スイッチ素子５１〜５５の
動作状態を制御することにより１周波数が段階的にシフ
トさせて取り出すことができる。例えばＡＯセル３１と
光増幅素子４１のみを駆動し、光スイッチ素子５２をオ
ン状態とし、他の光スイッチ素子をオフ状態とすれば、
出力としてはＡＯセル３１による回折光のみが現われる
から、入力光に対して弾性波数ＦＡだけ周波数のシフト
した光が得られる。

また、ＡＯセル３１〜３４及び光増幅素子４１〜４４の
すべてを停止状態とし、光スイッチ素子５１のみをオン
状態にすれば、入力光６１がそのまま出力されるから、
周波数シフトは０となる。同様にして、各ＡＯセル、光
増幅素子及び光スイッチ素子の動作状態と、出力光の入
力光に対する周波数シフトとの関係を示すと表１のよう
にまとめられる。

以下余白 表１に示されるように、出力光の周波数は動作状態に応
じ、周波数シフトの生じない場合を含めて５段階に設定
することができる。同様にして。

ＡＯセル、光増幅素子及び光スイッチ素子の段数を増せ
ば、段数に応じた多段階の出力周波数制御が可能である
。なお、表１には示してないが、ＡＯセル及び光増幅素
子をすべて動作状態とし、さらに光スイッチ素子もすべ
てオン状態とすれば、周波数シフト量がＯを含む（Ｎ＋
１）波の等隔に並んだ光波を同様に出力することができ
る。ただし、ＮはＡＯセルの段数である。この場合、各
光増幅素子の利得を適当に調整しておけば、前記（Ｎ＋
１）波のそれぞれの強度を同一にすることもできる。ま
た、光スイッチ素子のオン、オフ状態を適当に制御する
ことにより、前記（Ｎ＋１）波のうちの任意の組合せで
出力させることもできる。

ＡＯセルの動作周波数は、表面弾性波によれば１段当り
数ＧＨｚまで可能であるから、数１０段構成により、数
ＧＨｚのステップ周波数で１００ＧＨｚ程度の範囲にお
いて周波数シフト量を調整することができる。

以上、本発明を実施例に基づき具体的に説明−したが１
本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その
要旨を逸脱しない範囲において種々変更し得ることは言
うまでもない。

例えば、前述の原理説明において述べたように、光増幅
素子は、Ａ○セル毎に設けず、適当な段数毎に備える構
成としても良いことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、音響光学変調器
による光周波数のシフトを利用するので、微細な間隔で
光の周波数を制御できる。

また、多段構成をとることにより、制御可能範囲が大き
く、安定した特性が得られるので、光通信あるいは光物
性研究等に対して、その効果は絶大である。

また、半導体光増幅素子と同一の基板上に行啓光学素子
及び光スイッチ素子を形成したモノリシック集積回路型
の光周波数変換素子が構成されるので、光周波数変換素
子の小型化をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の光周波数変換素子の原理を説明する
ためのブロック図、 第２図は、本発明の光周波数変換素子の一実施例の概略
構成を説明するためのブロック図である。 図中、１〜４・・・ＡＯセル、５〜８・・・光増幅素子
、１０・・・高周波源、１１・・直流電源、２０・・・
入力光、２１゜２３・・・回折光、２２・・・増幅され
た回折光、２４・・・出力光。 ２５・・・弾性波、２６・・・非回折光、３１〜３４・
・・ＡＯセル、４１〜４４・・・光増幅素子、５１〜５
５・・・光スイッチ素子、６０・・・先導波路、６１・
・・入力光、６２・・・出力光、６３・・・高周波源、
６４・・・高周波スイッチ、６５・・・光増幅素子制御
回路、６６・・・光スイッチ素子制御回路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも１個の音響光学変調器と、該音響光学
   変調器の出力を増幅する少なくとも１個の半導体光増幅
   素子とを同一基板上に配設して光周波数変換素子を構成
   し、前記音響光学変調器の所定の１個又は複数個の変調
   出力を得る手段を設けたことを特徴とする光周波数変換
   素子。
2. （２）複数個の音響光学変調器と、該音響光学変調器の
   出力を増幅する半導体光増幅素子とを同一基板上に配設
   して前記音響光学変調器と半導体光増幅素子とを接続し
   た光周波数変換素子であって、前記複数個の音響光学変
   調器の所定の１個又は複数個の変調出力を光スイッチ素
   子によって選択出力する手段を設けたことを特徴とする
   光周波数変換素子。
3. （３）１枚の半導体基板上に、音響光学変調器、半導体
   光学増幅素子及び光スイッチ素子を形成したことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の光周波
   数変換素子。