(57)【要約】【課題】直接接合ないし接着剤等を用いて接合された２次非線形光学結晶のリッジ型導波路において、ハイパワー入力が可能で高い変換高率の得ることができ、さらに位相整合特性を状況に応じて適切に調整・変化させることが可能な波長変換素子を提供することにある。【解決手段】ベース基板と、前記ベース基板上に設けられ、入射された光に対して２次の非線形過程により波長を変換して出力する、分極反転構造を有する２次非線形光学結晶により構成されたリッジ導波路と、光の伝搬方向に沿って前記リッジ導波路に配置された１つ以上の電極とを備え、前記電極に電流を供給することにより、該電極に対応する前記リッジ導波路の部分の屈折率を変化させることを特徴とする波長変換素子。【選択図】図１
2014211538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース基板と、
前記ベース基板上に設けられ、入射された光に対して２次の非線形過程により波長を変換して出力する、分極反転構造を有する２次非線形光学結晶により構成されたリッジ導波路と、
光の伝搬方向に沿って前記リッジ導波路に配置された１つ以上の電極とを備え、
前記電極に電流を供給することにより、該電極に対応する前記リッジ導波路の部分の屈折率を変化させることを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記リッジ導波路は、前記ベース基板に直接接合によって接合された導波路基板をエッチングすることにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記電極は、前記リッジ導波路の上部、側壁部、上部かつ側壁部のうちのいずれかの位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記波長変換素子全体の温度調整を行なうための温調器と、前記１つ以上の電極に独立して電流を供給するための電源とを備え、前記リッジ導波路へ入力される光強度が１００ｋＷ／ｃｍ２以上であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の波長変換素子を用いた波長変換装置。
【請求項５】
前記リッジ導波路と前記電極の間に、酸化物材料を用いた緩衝層を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記光の伝搬方向における前記電極の長さが前記ベース基板の厚みよりも大きいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記導波路基板が、ＬｉＮｂＯ３  、ＫＮｂＯ３  、ＬｉＴａＯ３  、ＬｉＮｂ（ｘ）  Ｔａ（１−ｘ）  Ｏ３  （０≦ｘ≦１）又はＫＴｉＯＰＯ４  、或いは、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２から６のいずれか１項に記載の波長変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非線形光学効果を用いた光学素子に関し、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波長変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信における光信号波長変換や光変調、光計測、光加工、医療、生物工学などの応用のための紫外域−可視域−赤外域−テラヘルツ域にわたるコヒーレント光の発生と変調のために、多くの非線形光学デバイス及び電気光学デバイスの開発が進められている。
【０００３】
このような素子に用いられる非線形光学媒質および電気光学媒質としては種々の材料が研究開発されている。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの酸化物系化合物基板は、２次非線形光学定数・電気光学定数が非常に高く有望な材料として知られている。このニオブ酸リチウムの高い非線形性を用いた光デバイスの一例として、擬似位相整合による第二高調波発生・差周波発生・和周波発生を利用した波長変換素子が知られている。
【０００４】
例えば、２μｍから５μｍの中赤外の波長域には様々な環境ガスの基準振動などの強い吸収線が存在するため、小型の中赤外光源の開発が望まれている。このような中赤外域の光源には、技術的に成熟された１μｍ付近の励起光源と通信波長帯の信号光を用いることのできる差周波発生が有望だと考えられている。
【０００５】
また、０．５μｍ付近の可視光の波長域には、半導体レーザでは実現の難しい波長域が存在することから、１μｍ付近の励起光源を用いて、第二高調波発生や和周波数発生により、緑色光などの可視光の発生を行うことのできる波長変換技術が有望視されている。
【０００６】
さらに、差周波発生を用いた波長変換技術を用いると、光ファイバ通信で主に用いられている波長１．５５μｍ帯の光を一括で別の波長帯に変換できることから、波長分割多重方式における光のルーティングや、光ルーティングにおける波長の衝突回避などへ適用が可能であり、波長変換装置は大容量通信光ネットワークを構築するキーデバイスの一つとして考えられている。
【０００７】
波長変換素子において高効率を得るためには、光導波路型のデバイスが有効であり、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。
【０００８】
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から問題があった。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パワーに制限があった。
【０００９】
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等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、接着剤等を用いずに、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。
【００１０】
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、例えば上述した差周波発生による中赤外域の光発生において、接着剤等を用いずに基板同士を強固に接合することのできる直接接合の技術は、不純物の混入や接着剤等の吸収を回避できる点からも有望視されている。
【００１１】
また、直接接合を用いることで、ガラス、半導体、強誘電体、圧電セラミックスなどの様々な材料を高精度に接合することができ、光学素子への応用が期待されている。これまでに、誘電体基板、半導体基板、ガラス基板等の直接接合基板における光学素子が提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】V．G．Dmitriev, G．G． Gurzadyan, and D．N． Nikogosyan, “Handbook of Nonlinear Optical Crystal,” Springer-Verlag (1990) p119．
【非特許文献２】Toshiaki Suhara and Hiroshi Nishihara, “Theoretical Analysis of Waveguide Second-Harmonic Generation Phase Matched with Uniform and Chirped Gratings,” IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol．26 No7． p1265 (1990)．
【非特許文献３】M． H． Chou, K． R． Parameswaran, and M． M． Fejer, “Multiple-channel wavelength conversion by use of engineered quasi-phase-matching structures in LiNbO3 waveguides,” OPTICS LETTERS Vol．24 (1999) p1157．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、高強度の光を導波路中に入射する場合には、導波路内での結晶の光吸収により導波路が加熱され、結果として屈折率が変化してしまう。結晶の光吸収係数はごくわずかではあるものの、完全にゼロではないことに起因して、導波路が光により暖まり屈折率が変化してしまう。これにより位相整合条件が満たされなくなり、高パワーの光入力の場合に変換効率が低下するという問題があった。
【００１４】
導波路の光の吸収には、入力した光パワーの吸収と、変換された光による吸収の両方が存在する。非特許文献１に記述されている通り、変換光が短波の場合、吸収係数が基本波よりも大きくなることが一般的に知られている。変換光は、導波路長の２乗により変化するため、変換光パワーは、入力側よりも出力側の方が強くなる。そのため、変換光に起因した導波路の加熱により出力側がより高い熱分布となってしまう。さらに、基本波光による熱分布の影響も加わるため、導波路内の熱分布は非常に複雑になる。基本波光パワーは、入力側が最大となる。導波路の長手方向に伝搬するにつれ、基本波光からのエネルギーの移行により変換光が生成されるため、基本波光パワーは出力側の方が入力側よりも小さくなる。さらに、光の吸収には、線形吸収と２光子吸収などの線形とは異なる吸収とが存在するため、導波路内の熱分布の把握は非常に難しいという問題があった。
【００１５】
熱分布が、擬似位相整合を用いた波長変換素子に及ぼす影響を説明する。簡単のために第二高調波発生で考えることにする。例えば、素子長５０ｍｍの周期分極反転ニオブ酸リチウム導波路を想定すると、波長１５６０ｎｍの基本波光を入力して波長７８０ｎｍの第二高調波を発生する場合、基本波波長に対する位相整合波長の帯域は０．２ｎｍ程度である。また、位相整合波長は、温度が１℃変わると０．１ｎｍ程度ずれてしまう。このことからもわかる通り、温度分布を１℃よりも十分小さい値に抑える必要がある。特に、１００ｍＷ以上の光を入力する場合はこの導波路内の光による熱分布の影響が無視できないほど発生してしまっていた。
【００１６】
これまでは、波長変換素子全体を温度コントロールすることで位相整合波長を制御する方法が一般的に用いられてきた。均一な温度変化であれば、導波路全体を温度制御することで補正が可能であるが、導波路の長手方向に熱分布を発生させる光起因の熱分布を制御する方法はこれまで実現されていなかった。
【００１７】
さらに、位相整合特性に特殊な形状を持たせている場合にも熱の分布による屈折率変化は問題となる。例えば非特許文献２や非特許文献３にあるように、周期分極反転構造の周期を光の伝搬方向に対して変化させていく方法や、周期分極反転構造の一部に位相反転構造を付与することで、帯域拡張や複数ピーク化などの位相整合特性の形状を設計することができる。しかしながら、これらの手法は、導波路の屈折率分布が均一であることを前提とした上で成立する。つまり、入力する光パワーが比較的小さい場合は所望の特性を得ることができるが、ハイパワー入力により導波路内に屈折率の分布ができてしまうと、設計した位相整合特性は得られず、特性が大幅に低下してしまう。それゆえ通常では、ハイパワー出力のための波長変換には、バルク結晶か導波路幅の広いスラブ型を用いらざるをえなかった。構造を大きくすることで熱の寄与を小さくすることができるからである。
【００１８】
しかしながら、バルクやスラブ型を用いる場合には、変換効率が導波路型に比べると落ちるため、消費電力が大きくなってしまうという問題があった。さらに、バルクやスラブ型の導波路では、波長変換素子をシングルモードで動作させることが難しい。
【００１９】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、本発明の課題は、直接接合ないし接着剤等を用いて接合された２次非線形光学結晶のリッジ型導波路において、ハイパワー入力が可能で高い変換高率の得ることができ、さらに位相整合特性を状況に応じて適切に調整・変化させることが可能な波長変換素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、ベース基板と、前記ベース基板上に設けられ、入射された光に対して２次の非線形過程により波長を変換して出力する、分極反転構造を有する２次非線形光学結晶により構成されたリッジ導波路と、光の伝搬方向に沿って前記リッジ導波路に配置された１つ以上の電極とを備え、前記電極に電流を供給することにより、該電極に対応する前記リッジ導波路の部分の屈折率を変化させることを特徴とする波長変換素子である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施例１に係る波長変換素子の構造概略図である。
【図２】波長変換素子上部からみた場合の電極のレイアウト図である。
【図３】波長変換素子の作成工程を示す図である。
【図４】基本波光パワーに対する第二高調波光パワーの関係を示す図である。
【図５】基本波光パワーの複数の条件における位相整合特性を示す図である。
【図６】位相整合条件が満たされる波長で基本波光を入射した場合の各電極での抵抗値の増加量を示す図である。
【図７】電極を使用した熱分布補償をしたときの位相整合特性を示す図である。
【図８】実施例１の構成と実施例２の構成を比較して示した図である。
【図９】実施例３の構成を示す図である。
【図１０】複数の条件における位相整合特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２３】
本発明の波長変換素子は、ベース基板と、ベース基板上に設けられたリッジ導波路と、光の伝搬方向に沿ってリッジ導波路に配置された１つ以上の電極とを備えている。リッジ導波路は、入射された光に対して２次の非線形過程により波長を変換して出力するための分極反転構造を有する２次非線形光学結晶により構成されている。リッジ導波路に配置された電極に電流を供給することにより、電極に対応するリッジ導波路の部分の屈折率を変化させて、リッジ導波路を光が伝搬することで発生する熱による屈折率分布の変化を補償している。
【００２４】
上記構成の波長変換素子によれば、直接接合ないし接着剤等を用いて接合された２次非線形光学結晶のリッジ型導波路において、ハイパワー入力が可能で高い変換効率の得ることができ、さらに位相整合特性を状況に応じて適切に調整・変化させることが可能な波長変換素子を提供することができる。また、２次非線形材料の光導波路において、ハイパワー光入力時の導波路内の熱分布を制御することで高効率かつ高出力、さらに任意の位相整合特性を得ることが可能な波長変換素子を提供することができる。
【実施例１】
【００２５】
まず、本実施例にかかる波長変換素子の構造概略図を図１に示す。波長変換素子１０は、分極反転構造を施したＺｎドープニオブ酸リチウムからなる導波路基板と、Ｍｇドープニオブ酸リチウムからなるベース基板１とが直接接合法により貼り合わされた後に、導波路基板を加工してリッジ光導波路２ｂと、リッジ導波路２ｂに隣接する台座２ａ、２ｃがリッジ導波路２ｂの長手方向に沿って形成されている。リッジ導波路２ｂの上部には光学的バッファ層(図示せず)を介して、薄膜電極５が形成されている。薄膜電極５には電極パッド５ａが形成されており、電流を供給するための電極ワイヤ６が接続されている。さらに、素子全体の温度調整を行なうために、ベース基板１の下に、半導体を用いたペルチェ素子４が金属板３を介して配置されている。
【００２６】
波長変換素子は、リッジ導波路２ｂに１つ以上の基本波光（入力光）を入射することで、変換光が出力される。非線形過程としては、第二高調波発生、和周波発生、差周波数発生、パラメトリック増幅、およびそれらの複数の組み合わせが可能である。本実施例では、効果を最も簡単に記述できる点から第二高調波発生を行う場合を例に挙げて説明するが、それ以外の非線形過程であっても提供可能である。
【００２７】
リッジ導波路２ｂの上部に形成された薄膜電極５は、熱分布の制御をするための電流が供給される。薄膜電極５は、少なくとも１つ以上形成されていれば後述する熱分布の制御をすることができるが、より好ましくは３つ以上形成することでより制御性が高くなる。それぞれの薄膜電極５の長さは、リッジ導波路２ｂにおける分極反転構造が施された領域の長さよりは短く、リッジ導波路２ｂの一部に形成されている。
【００２８】
図２に波長変換素子上部からみた場合の電極のレイアウトの一例を示す。リッジ導波路２ｂの長さＷ１が５０ｍｍであるのに対し、電極５の長さＷ３は８．２５ｍｍである。電極数は６つであり、リッジ導波路２ｂの光の伝搬する方向に沿って配置している。各電極間隔Ｗ４は１００μｍとした。リッジ導波路２ｂ上の電極へ外部から電気的な接続を可能にするために、各電極５にはパット部５ａが設けられている。パット部５ａの長さＷ５は３ｍｍとした。電極５と電極パッド５ａとの接続部の幅Ｗ２は１００μｍである。本実施例では、同じ長さの６本の電極５を等間隔に配置しているが、各電極５の長さを揃えずに不等間隔に配置してもよい。各電極５に電流を供給するために、それぞれに独立に調整が可能な６つの電源を接続している。
【００２９】
次に、作製工程について説明する。図３は本実施例で用いる波長変換素子を作製する工程を示すフロー図である。本実施例においては、導波路基板２としてＺカットＺｎ添加ＬｉＮｂＯ３  基板を用い、まず基本波光と、結晶内で発生する第二高調波光との間で位相整合条件が満たされる周期分極反転構造を作製する。基本波光の波長および屈折率をλｆ、ｎｆとし、第二高調波の波長および屈折率をλｓｈ、ｎｓｈとすると、擬似位相整合条件を満たす分極反転構造の周期Λは、以下の（式１）で記述される。
Λ＝λｓｈ／（ｎｓｈ−ｎｆ）・・・（式１）
【００３０】
本実施例では、波長１５６０ｎｍの基本波光を入力し、波長７８０ｎｍの第二高調波を発生させる。この場合、分極反転周期はおよそ１７μｍになる。分極反転構造は、電界印加法により形成した。
【００３１】
ベース基板１としてＺカットＭｇ添加ＬｉＮｂＯ３基板を用いた。導波路基板２とベース基板１は、熱膨張係数がほぼ一致している。また、導波路基板２の屈折率とベース基板１の屈折率はほぼ等しいが、ベース基板１のほうが若干小さい。なお、導波路基板２及びベース基板１は何れも両面が光学研磨されてある３インチウエハであり、基板厚さはそれぞれベース基板１が３００μｍであり、導波路基板２が５００μｍである。用意した導波路基板２及びベース基板１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（図３ａ）、これら２つの基板１、２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た（図３ｂ）。そして、この重ね合わせた２つの基板１、２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った。接着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て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かった。
【００３２】
次に、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接合された基板の導波基板２の厚さが１０μｍになるまで研磨加工を施した（図３ｃ）。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た。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インチウエハの周囲を除き、ほぼ全体にわたってサブミクロンの平行度が得られ、波長変換素子の作製に好適な薄膜基板を作製することができた。この薄膜基板は、接着剤を用いず、導波路基板２とベース基板１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インチウエハの全面積にわたって均一な組成、膜厚を持つものであった。
【００３３】
その後、作製した薄膜基板を用い、作製手段としてはドライエッチングプロセスを用いて光導波路を形成した。即ち、薄膜基板（導波基板）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２ｂおよび台座パターン２ａ、２ｃを作製した後、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（導波基板）の表面をエッチングすることによりリッジ型光導波路２ｂおよび台座２ａ、２ｃを作製した（図３ｄ）。リッジ導波路形状は、コア高さ８μｍ、コア幅１０μｍである。本実施形態においては、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たが、ダイシングなどの機械加工の技術を用いてもよい。
【００３４】
作製した直接接合リッジ導波路を覆うように、真空スパッタリング法によりＳｉＯ２を蒸着した。これにより金属が直接リッジ導波路に触れることが避けられ、伝搬損失の増大を防ぐことができる。ＳｉＯ２の厚みは５００ｎｍとし、これにより十分なバッファ層として機能させることができた。本実施例では、バッファ層にＳｉＯ２を用いたが、それ以外の酸化物材料を用いてもよい。
【００３５】
次に、光学的バッファ層（図示せず）を介して、リッジ導波路の上部にＴｉおよびＡｕを用いた薄膜電極５をウエットエッチング法により形成した（図３ｅ）。即ち、ＳｉＯ２バッファ層の上に１０００Åの厚みのＴｉと３０００Åの厚みのＡｕをまず基板全面に蒸着する。フォトリソグラフィのプロセスによってリッジ導波路パターン上部を含む電極の必要な部分のみにレジストを形成した後、ＡｕおよびＴｉが剥離可能な薬液中に基板を入れる。これにより、必要な電極パターン部分のみに金属薄膜５が形成される。
【００３６】
次に、作製したリッジ導波路基板を、金属板３を介して、ペルチェ素子４に貼り合わせる構成をとった（図３ｆ）。各電極パターン５に設けられたパット部５ｂからの電極ワイヤ６用いて、電流制御のための電源と接続した（図３ｇ）。
【００３７】
次に、作製した波長変換素子の動作原理について説明する。リッジ導波路に入射した波長１５６０ｎｍの基本波光は導波路内での第二高調波発生過程により波長７８０ｎｍの光に変換される。第二高調波光パワーは素子長さの２乗で増大する。図４は、基本波光パワーに対する第二高調波光パワーの関係を示す図である。まず、図３に示す工程で作成した波長変換素子において電極パターン５に電流を供給しない場合、即ち、単にリッジ導波路２ｂに基本波光を入射した場合について述べる。この場合に得られた基本波光パワー依存性は図４の破線で示している。ペルチェ４により素子全体を４０℃に温調している。第二高調波光パワーが基本波光パワーに比べ十分小さい状態（小信号近似下）では、第二高調波光パワーは基本波光パワーの２乗に比例して大きくなる。第二高調波光パワーが基本波光パワーと同程度まで増大すると、第二高調波発生に伴う基本波光パワーの減衰が顕著になり、結果として第二高調波光パワーは基本波光パワーにほぼ比例して大きくなる。しかしながら、基本波光パワーがある一定以上を超えると、熱の影響により第二高調波光パワーが線形増加から乖離してくる様子が観測された。
【００３８】
どの程度の入力パワーで熱の影響が現れるかは、結晶品質にも依存するが、およそ１０００ｋＷ／ｃｍ２を超える入力パワーを入れる場合には考慮が必要である。本構成でのリッジ導波路では、１００ｍＷ程度の入力パワーから熱の影響が出始めると考えられる。各基本波光パワーレベルにおける、基本波波長に対する第二高調波光出力依存性（位相整合特性ともいう）を調べた。
【００３９】
図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、基本波光パワーをそれぞれ１ｍＷ、１００ｍＷ、１Ｗとした場合の位相整合特性を示す図である。基本波光パワーが１ｍＷの場合、熱の影響が無視できるほど小さいため、図５（ａ）に示すように、理想的な（ｓｉｎｃ）２の曲線が得られている。熱により導波路内で屈折率の分布ができるということは、位相整合条件（式１）を満たす波長が導波路内で異なることを意味する。つまり、ある一定の基本波波長に対しては、素子の実効長が短くなってしまうことに相当する。変換効率は素子長の２乗に比例するため、素子の実効長が実質的に短くなることは、変換効率に大きな影響を与える。図５（ｂ）の基本波光パワー１００ｍＷに対する位相整合特性を見ると、サイドのピークが大きくなっていることが判る。素子全体はペルチェ素子で温調しているものの、局所的な熱の影響により屈折率分布ができているため、位相整合曲線の形に変化が現れている。図５（ｃ）の基本波光パワー１Ｗに対する位相整合特性を見ると、メインのピークが長い波長にシフトし、かつ複数のピークが発生し、第二高調波光出力が劣化する。
【００４０】
波長変換素子における熱分布の制御方法について述べる。まず、装荷した６つの電極の抵抗値を測定した。光を入射しない状態と光を入射した状態での抵抗値の差分から、導波路の局所的な温度分布がどのようになっているかを測定できることについて説明する。図６は、位相整合条件が満たされる波長で１Ｗの基本波光を入射した場合の各電極での抵抗値の増加量を示す図である。最も入力側に設けられた電極を１番目として、長手方向に昇順に電極が設けられている。基本波光自体が導波路に及ぼす熱と、第二高調波が及ぼす熱の両方が複合的に影響するため、これまで実際の熱分布がどのようになっているかを確かめる方法がなかった。図６に示す通り、導波路の入力側で抵抗値の増加があり、長手方向に進むにつれ抵抗値の増加が一旦は少なくなるが、導波路の中心から出力側にかけて急激に抵抗値が増加している様子がわかる。導波路入力側での抵抗値の増加は主に基本波光によるもので、導波路出力側での抵抗値の増加は主に第二高調波光によるものであると考えられる。
【００４１】
次に、各電極に接続された独立制御可能な電源を用いて、各電極に電流を流すことで導波路の加熱を行った。抵抗値の増加量を参考に、第二高調波が最大になるように各電極に印加する電力量を調整した。図４の実線は、図３に示す工程で作成した波長変換素子において電極パターン５に電流を供給することによって局所的な温度分布の制御を行った場合の、第二高調波光パワーの基本波光パワー依存性を示している。基本波光パワーが小さい間は、生成される第二高調波光も小さいため熱の影響は少ない。熱の影響の出始める基本波光パワーが２００ｍＷを超える頃から明らかに熱分布補償の効果が発揮されている。基本波光パワーが１Ｗを超えても第二高調波光の増加量の減衰がなく、線形に第二高調波光パワーを増大させることができた。熱分布の補償を行わない場合では、１Ｗの基本波に対して、４００ｍＷ程度の第二高調波光パワーしか得られていなかったに対し、局所的な熱分布補償を施すことで、同じ１Ｗの基本波に対して、７００ｍＷ以上の第二高調波光パワーを得ることに成功した。
【００４２】
図７は、図３に示す工程で作成した波長変換素子において電極パターン５に電流を供給した場合の、基本波光パワー１Ｗの位相整合特性を示す図である。電極パターン５に電流を供給しない場合の位相整合特性（図５（ｃ））に比べ、サイドのピークが劇的に低減できている様子が観測された。上記の熱分布の補償により、導波路内での屈折率分布が緩和されることで位相整合特性が改善している。
【００４３】
ここで、電極の分割数について説明する。各電極を短くとり、電極数を増やすほど局所的な温度分布を制御しやすくなる。ただし、電極が短くなり過ぎると各電極間での熱の干渉の影響が出るため、実質的には有効に働く電極の導波路に対する分割数の限界が存在する。本実施例においては、最小電極長さの目安は、およそ基板厚と同じ程度になる。導波路上部からの熱は、基板下部のペルチェ素子により吸熱されるため、基板の厚みと同じ程度の面内方向の熱の拡散が存在する。そのため、電極間には、基板厚みと同程度の長さにわたっては熱の干渉が存在する。本実施例では、各電極長が８ｍｍであり、基板厚み０．５ｍｍに比べて十分大きいため熱の干渉の影響はほとんどなく、個々の電極により、独立に温度分布を制御できた。また、この分布制御に要する時間はｍｓオーダーと非常に短いものであった。
【実施例２】
【００４４】
本実施例では、実施例１とは異なる基板材料を用い、かつ薄膜電極を異なる形態とすることにより、より高い効率の波長変換素子を実現している。図８は、波長変換素子の実施例２の構造と実施例１の構造とを比較して示す図である。図８において、（ａ）が実施例１の構造を示し、（ｂ）が実施例２の構造を示している。本実施例の波長変換素子では、実施例１の波長変換素子と異なり、リッジ導波路８ｂおよび台座８ａ、８ｃを形成する導波路基板として分極反転構造を施したＺカットＺｎドープニオブ酸リチウムを用い、ベース基板７としてＺカット水晶基板からなるベース基板を用いている。さらに、実施例１の薄膜電極５の形態とは異なり、薄膜電極９はリッジ導波路８ｂを覆うように形成されている。
【００４５】
実施例２では、実施例１と同様の作製プロセスを用いて、水晶基板をクラッド層であるベース基板７に用いて、周期分極反転リッジ導波路を作製した。水晶は硬度が高いため、ベース基板の厚みを薄くしても素子の剛性が確保できるため、基板厚を２００μｍと薄い基板を用いることができた。このことにより、基板７の下に配置したペルチェ素子４からの吸熱が早くなり、加熱用の薄膜電極９をより高密度に配置することが可能となった。
【００４６】
さらに、ベース基板７に水晶を用いることで、導波路基板であるニオブ酸リチウムとの屈折率差を大きくとることが可能となった。これにより、リッジ導波コアサイズ（リッジ導波路８ｂの光の伝搬方向に垂直な断面）を３×３μｍと小さくしても十分強い光の閉じ込めを得られた。波長変換素子の変換効率は導波路内の光のパワー密度に比例するため、コアサイズを小さくすることで、高効率化が図れる。しかしながら、導波路サイズが小さくなると、実施例１で用いたような導波路上部のみに電極を配置する形では、ウエットエッチングを行う際に、横方向からのエッチング効果により、電極が極度に細くなってしまうという問題があった。このため、本実施例では、薄膜電極９について図８（ｂ）に示すような導波路８ｂを覆うようなカバー型の電極形状を採用することで、プロセスの歩留まりを向上させた。
【００４７】
コアサイズを小さくするに伴い、高効率化が図れるものの、要求される作製精度も厳しくなる。具体的には、導波路のコアの厚みや幅に作製誤差による不均一性が存在すると、実効的屈折率が変化するため、位相整合条件が変化してしまう。コアサイズの変化量に対する位相整合条件の変化率は、コアのサイズが小さいほど大きくなるため、作製に求められる精度が高くなる。
【００４８】
また、光によって生じる熱に起因した屈折率分布に関しては、コアサイズが小さいほどより顕著になる。光のパワー密度の向上によってより低いパワーでも熱の影響が発生するからである。本実施例で採用した電極９の構造は熱分布を補正することに有用であるが、それと同時に作製の不均一性に伴う屈折率変化の補正にも応用することが可能である。具体的に第二高調波発生で考えると、同じ周期の分極反転導波路を用いた場合に、コアサイズが大きい部分ほど、短い波長で整合する。つまり、コアサイズが大きい部分のみを局所的に加熱することで整合波長を長波長化し、素子全体で均一な整合条件を満たすことができるようになる。
【００４９】
コアサイズ３×３μｍで、素子長２１ｍｍのリッジ導波路を形成した。各電極の長さは２ｍｍであり、個数は１０個である。作製した素子に波長１５６０ｎｍの基本波光を３００ｍＷ入力した場合、電極による屈折率の分布の制御を行わない場合は、得られた第二高調波光パワーは８０ｍＷ程度であった。電極を用いて、出力が最大になるように各電極を調整した結果、３００ｍＷの基本波の入力に対して、２１５ｍＷの第二高調波出力が得られ、本実施例の構造による効果を実証することができた。
【実施例３】
【００５０】
実施例３では、実施例１、２においてハイパワー入力時の位相整合特性の劣化を緩和させていた態様と異なり、各電極により位相整合特性を制御することで、位相整合特性を任意の形状に変化させる。
【００５１】
波長変換素子は、図１に示す実施例１と同様の構成を用いる。ただし、各電極を駆動する電流の制御方法が異なる。本実施例では、ハイパワー入力熱の効果による位相整合曲線の変形を考慮し、調整電極を用いて導波路内の熱分布を段階的に変化させることで、複数の位相整合波長を持つ波長変換素子を提供する。
【００５２】
図９に、本実施例の構成を適用した波長変換装置の適用例を示す。図９に示す波長変換装置２０は、波長がアダプティブに任意に変形可能で、複数の波長に一括で変換可能な波長変換装置である。波長変換装置２０内には図１に示す実施例１と同様の構成の波長変換素子を用い、入出力を光ファイバで結合できるように実装している。
【００５３】
１．５６μｍ帯の基本波光を波長変換導波路に入射し、基本波の第二高調波を発生させる。１．５５μｍ帯の信号光も同時に入射し、波長変換導波路内で発生した基本波光の第二高調波と信号光の間の差周波数により信号光を１．５７μｍ帯に変換する。３つの波長の異なる基本波光を入射し、それぞれに対応した変換光の生成を試みた。
【００５４】
図１０（ａ）（ｂ）は、図９に示す波長変換装置において、電極による熱分布制御なしに基本波光パワーをそれぞれ１ｍＷ、３Ｗとした場合の位相整合特性を示し、図１０（ｃ）は、電極による熱分布制御しながら３つの基本波波長の光を入力した場合の位相整合特性を示す図である。効率の高い変換を行うためには、ハイパワーの入力が必要となる。各波長の基本波光をそれぞれ１Ｗ、合計で３Ｗの基本波光を波長変換導波路に入射した。１ｍＷ程度の低パワーでは図１０（ａ）に示すような単一波長にピークを持つ理想的な位相整合特性が得られていたが、３Ｗのハイパワー入力時には導波路内に熱分布が発生してしまうため、図１０（ｂ）に示すような複数のピークを持つ位相整合特性に劣化してしまう。
【００５５】
ハイパワー入力に伴う熱分布は、電極の抵抗値から推定することができる。推定した熱分布を考慮し、導波路内の熱分布が導波路の長手方向に３段階に変化するように外部から加える熱分布を制御した。３段階に熱分布を持たせることで、単一の分極反転周期であっても、実効的に３つの位相整合条件を同時に満たすようにすることができる。電極による熱分布制御を適用した後の位相整合特性を図１０（ｃ）に示す。電極による熱分布制御と、導波路下に配置したペルチェ素子を用いて、それぞれの位相整合波長が３つの基本波波長に合わせることが可能で、位相整合特性も均等な変換効率を持つ３ピークの形状にすることが可能であった。
【００５６】
３つの基本波の波長は、それぞれ１５５９．５ｎｍ、１５６１ｎｍ、１５６２．５ｎｍである。波長変換装置に３つの基本波光と同時に１５５０ｎｍの信号光を入力した所、波長変換装置の出力には変換されずに通り抜けてきた信号光と共に波長それぞれ１５６９ｎｍ、１５７２ｎｍ、１５７５ｎｍの３つの変換光を同時に得ることができた。
【００５７】
本実施例では、３つの基本波光を用いたがより複数でもよい。また、周期分極反転構造は単一周期のものを用いたが、導波路の伝搬方向に周期分極反転構造に変化を持たせる、もしくは位相調整用の構造を入れるなどして、位相整合特性を所望の形状に設計しておいた状態で本発明を適用してもよい。また、複数の基本波光と同時に入射しているが、取り出したい変換光に合わせた基本波光のみを選んで入射してもよい。その場合、熱分布も同時に制御する必要があるが、本発明ではｍｓオーダーの非常に短い時間で位相整合特性を制御できるため、基本波パワーが変化しても対応が可能となる。
【００５８】
以上の実施例において電極は、リッジ導波路の上部（実施例１）、上部かつ側壁部(実施例２)のいずれかの位置に配置されている場合を例に挙げて説明している。電極を配置する位置はこれに限定されず、例えば側壁部に配置してもよい。
【００５９】
以上の実施例で用いたリッジ導波路を構成する材料は一例にすぎない。すなわち、リッジ導波路は、ＬｉＮｂＯ３  、ＫＮｂＯ３  、ＬｉＴａＯ３  、ＬｉＮｂ（ｘ）  Ｔａ（１−ｘ）  Ｏ３  （０≦ｘ≦１）又はＫＴｉＯＰＯ４  、或いは、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てよい。
【符号の説明】
【００６０】
１    ベース基板
２    導波路基板
２ｂ  リッジ光導波路
２ａ、２ｃ  台座
３    金属板
４    ペルチェ素子
５    薄膜電極
５ａ  電極パッド
６    電極ワイヤ
１０  波長変換素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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