(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、１チップ内での複数の擬似位相整合波長変換素子の特性を個別に制御することが可能で、これにより、並列（平面）方向に複数の導波路を備えた高機能な非線形デバイスを提供すること。【解決手段】ベース基板と、前記ベース基板上に２つ以上並列して設けられ、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
2014211539.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２つ以上並列して設けられ、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２つ以上のリッジ導波路が光の伝搬方向に並行して配列されてい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】
光合分波器をさらに備え、一部もしくは全ての前記リッジ導波路が該光合分波器を介して接続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から３のいずれか１項に記載の波長変換素子。
【請求項５】
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を用いた波長変換装置。
【請求項６】
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に記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記リッジ導波路が、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１から６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。
【００１２】
擬似位相整合素子の導波路化には、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できる可能性があることである。しかしながら、擬似位相波長変換素子を１チップに複数集積したデバイスはほとんど実現がなされていなかった。
【００１３】
擬似位相波長変換素子を用いて、複数の非線形過程を行う方法としては、周期分極反転構造を直列（タンデム）に接続する方法が提案されている。他にも、非特許文献１に示されているような、周期分極反転構造を入れ子にする方法も提案されている。非特許文献１では、第二高調波発生と和周波発生の位相整合条件がみたされるように２種類の周期分極反転構造を直列（タンデム）にかつ入れ子状に接続することで、第三高調波発生を達成している。
【００１４】
別の形態としては、非特許文献２に示されているような周期分極反転構造を合分波器を介して直列（タンデム）に接続する方法が提案されている。非特許文献２においては、第二高調波光を発生させる周期分極反転導波路と、パラメトリック増幅のための周期分極反転導波路とが、合分波器を介して直列に接続することで、縮退パラメトリック増幅によるスクィズド光の生成に成功している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Shi-ning Zhu, Yong-yuan Zhu, Nai-ben Ming,“Quasi-Phase-Matched Third-Harmonic Generation in a Quasi-Periodic Optical Superlattice,”Science, Vol. 278 No5339． p843 (1997)．
【非特許文献２】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)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、周期分極反転構造を直列（タンデム）に接続する構成では擬似位相整合素子の相互作用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２乗で変化するため、集積度を上げていくと急激に変換効率が下がってしまうという問題がある。素子の最大長さはウエハサイズにより制限される。一般的に広く流通している３インチのニオブ酸リチウム基板を用いる場合は、導波路長として５０〜６０ｍｍ程度を確保することができる。しかしながら、タンデムに周期分極反転構造を接続する場合、１つ１つの非線形過程のための導波路長さは短くなってしまう。均等に分割する場合では、２つを直列に接続する場合は素子長さが最大長さの１／２となり、変換効率は理想的な場合であっても、１／４に低下する。３つの非線形過程を集積する場合は、効率が１／９、４つでは１／１６と、急激に変換効率が低下してしまう。よって、本来の擬似位相整合デバイスの集積素子は、導波路が並列（平面）方向に配列できることが望まれていた。
【００１７】
しかしながら、周期分極反転デバイスを並列（平面）方向に配列した集積素子を実現するのは非常に困難を伴うものであった。１つ目の理由としては、集積素子を実現するための作製精度の厳しさが挙げられる。例えば、ニオブ酸リチウムを用いた５０ｍｍ長の周期分極反転導波路による、第二高調波発生を考えてみる。波長１５６０ｎｍの光を波長７８０ｎｍに変換するとし、導波路コアサイズは約１０μｍ程度と仮定する。この場合、位相整合波長の半値全幅は０．２ｎｍ程度である。２つの導波路を並列（平面）方向に集積するためには、２つの導波路の位相整合波長が完全に同じとできる程度の作製精度が必要となる。しかしながら、２つの導波路間の相対的な位相整合波長の誤差を０．１ｎｍ以下に抑えるためには、導波路の作製精度を０．２％以下にする必要があり、作製精度としては非常に高いものが要求されてしまう。
【００１８】
２つ目の理由としては、仮に作製精度を高めることで、まったく同じ位相整合特性を持つ導波路を並列（平面）方向に配置することができたとしても、入力のパワーレベルが異なる場合には、素子全体の効率が低下してしまう。入力や変換光に対して、基本的には透明な材料を用いるのが一般的であるが、光学結晶にはわずかながらの吸収が残留する。それゆえ、高強度（ハイパワー）の光を用いる場合には、若干の導波路の光吸収による熱の影響で屈折率が変化し、位相整合特性に変化が生じてしまう。それゆえ、複数の導波路を集積しても、それぞれの導波路に用いる光のパワーレベルが異なる場合は、１チップに集積した素子を効率よく動作させるのは困難であった。
【００１９】
３つ目の理由としては、２次非線形光学効果の特徴として、高効率なデバイスを実現するためには、素子全体に渡って均一な導波路を作る必要があることが挙げられる。一般的な線形のパッシブデバイスであれば行路の一部を調整すれば特性の調整を行なうことができる。例えば、１つの光を２つに分けた後干渉させる、マッハツェンダ干渉計を光導波路を用いて構成する場合、２つの干渉アームに対応する導波路の実効長（屈折率×素子長）を合わせればよいため、導波路の一部のみを調整して局所的に屈折率を変化させるだけで、調整が可能である。一方、２次非線形効果を用いた、擬似位相整合素子においては、導波路内の各箇所から非線形現象により発生する光の総和を変換光として用いるため、複数の導波路の特性を一致させるためには、局所的な調整手段では対応することが困難であった。
【００２０】
このようなことから、これまでは、１つの擬似位相整合デバイスには、１つの光導波路を用いる構成が用いられてきた。
【００２１】
本発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、１チップ内での複数の擬似位相整合波長変換素子の特性を個別に制御することが可能で、これにより、並列（平面）方向に複数の導波路を備えた高機能な非線形デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
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２つ以上並列して設けられ、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】
【００２３】
【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】波長変換素子の作成工程を示す図である。
【図３】電極を使用した熱分布補償の有無による位相整合特性の変化を示す図である。
【図４】実施例２に係る波長変換素子の構造概略図である。
【図５】実施例３に係る波長変換素子の構造概略図である。
【図６】電極を使用した熱分布補償の有無による位相整合特性の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２５】
本発明の波長変換素子は、ベース基板と、ベース基板上に並列して設けられた２つ以上のリッジ導波路と、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、作製誤差に起因した実効屈折率のバラつきや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。
【００２６】
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、１チップ内での複数の擬似位相整合波長変換素子の特性を個別に制御することが可能で、これにより、並列（平面）方向に複数の導波路を備えた高機能な非線形デバイスを提供することができる。
【実施例１】
【００２７】
本実施例にかかる光波長変換素子の構造概略図を図１に示す。光波長変換素子は、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とが熱拡散を用いた直接接合法により貼り合わされた後、導波路基板を加工して形成されたリッジ導波路２ｂ、２ｄ、２ｆを２つ以上備えている。さらに、リッジ導波路２ｂ、２ｄ、２ｆに隣接する台座２ａ、２ｃ、２ｅがリッジ導波路２ｂ、２ｄ、２ｆの長手方向に沿って形成されている。
【００２８】
光波長変換素子では、それぞれのリッジ導波路２ｂ、２ｄ、２ｆ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用いて説明するが、それ以外の非線形過程であってもよい。
【００２９】
リッジ導波路２ｂ、２ｄ、２ｆ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３が形成されている。それぞれの薄膜電極３の長さは、リッジ導波路２ｂ、２ｄ、２ｆにおける分極反転構造が施された領域とほぼ同じか、分極反転領域よりも長いことが望ましく、リッジ導波路２ｂ、２ｄ、２ｆの上部もしくは導波路を覆うような形態で形成されている。電極３は導波路の光の伝搬方向に沿って形成されている。本実施例では、各リッジ導波路２ｂ、２ｄ、２ｆ全てに電極３を形成しているが、使用形態によっては必ずしも全ての導波路上に電極３が形成されていなくても後述する屈折率の制御ができる。
【００３０】
図１に示す本実施例の形態では２つのリッジ導波路２ｂ、２ｄ、２ｆにそれぞれ光の伝搬方向に沿った電極３が形成されている。リッジ導波路２ｂ、２ｄ、２ｆの長さは５４ｍｍであり、周期分極反転領域が５０ｍｍで、電極３の長さは５１ｍｍである。電極数はそれぞれの導波路に１つずつであり、リッジ導波路２ｂ、２ｄ、２ｆの光の伝搬する方向に沿って配置している。各電極間は２００μｍとした。
【００３１】
リッジ導波路２ｂ、２ｄ、２ｆ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３にはパット部３ａが設けられている。パッド部３ａはリッジ導波路２ｂ、２ｄ、２ｆに隣接する台座２ａ、２ｃ、２ｅ上に設けられている。パット部３ａの長さは３ｍｍとした。本実施例では、同じ長さの２本の電極３を等間隔に配置しているが、各電極３の長さを揃えずに不等間隔に配置してもよい。各電極３に電流を流すために、それぞれに独立に調整が可能な電源を接続している。さらに、ベース基板１の下には、素子全体の温度調整を行なうために、半導体を用いたペルチェ素子が配置されていてもよい。
【００３２】
次に、作製工程について説明する。図２は本実施例に用いた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、導波基板として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）
【００３３】
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光波長変換素子を作製する。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。
【００３４】
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３００μｍ、５００μｍである。
【００３５】
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２ａ）、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２ｂ）。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１、２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。
【００３６】
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の厚さが１０μｍになるまで研磨加工を施した(図２ｃ)。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、導波基板とベース基板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。
【００３７】
その後、作製した薄膜基板を用い、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。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および台座パターンを作製した後、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、２ｄおよび台座２ｃ、２ｅを作製した（図２ｄ）。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。
【００３８】
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。
【００３９】
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を用いた薄膜電極をウエットエッチング法により形成した。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が形成される。各電極パターン３にパット部３ａを設けて波長変換素子を作製した(図２ｅ)。作製した波長変換素子には、パット部３ａからの電極ワイヤ用いて、電流制御のための電源と接続した。なお、作製した波長変換素子を金属板を介して、ペルチェ素子に貼り合わせる構成としてもよい。
【００４０】
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。周期分極反転による位相整合条件が満たされている波長において高効率な波長変換が達成される。それぞれの周期分極反転リッジ導波路の、基本波波長に対する第二高調波光強度（位相整合特性ともいう）を測定した。入力の基本波は１ｍＷであり、それぞれの導波路においてピーク値で１０μＷの第二高調波光出力が得られた。位相整合波長の帯域を調べた所、半値全幅で０．２ｎｍであった。
【００４１】
図２で示す工程で作製した波長変換素子の電極３に電流を供給する前の、第一のリッジ導波路２ｂと第二のリッジ導波路２ｄそれぞれの位相整合特性を図３（ａ）、（ｂ）に示す。それぞれの導波路で同じ程度の第二高調波の出力が得られているものの、第一のリッジ導波路２ｂの位相整合波長に比べ、第二のリッジ導波路２ｄの整合波長は０．２ｎｍ長波長であった。設計では同じ周期分極反転周期を持ち、かつ同じ導波路構造を持つリッジ導波路２ｂ、２ｄを形成したが、位相整合波長のずれが発生した。これは、例えば第一のリッジ導波路２ｂと第二のリッジ導波路２ｄを同じ基本波光光源を用いて第二高調波発生を行うとすると、光源を第一のリッジ導波路２ｂの整合波長に一致させてしまうと、第二のリッジ導波路２ｄからの第二高調波はほとんど出力されないことになる。また、第一のリッジ導波路２ｂの整合波長と第二のリッジ導波路２ｄの整合波長の間の波長に光源波長を設定しても、それぞれの導波路の最大出力の半分程度しか出力が得られないことになる。
【００４２】
第一のリッジ導波路２ｂと第二のリッジ導波路２ｄの間の位相整合波長のずれは、作製誤差に起因する。作製誤差の要因としてはいくつか原因が考えられるが、例えば、周期分極反転構造の誤差による周期の違いや、導波路コア厚みの誤差による実効屈折率の違いや、導波路コア幅の誤差による実効屈折率の違いにより位相整合波長に差が生じる。どの程度の作製誤差により位相整合波長のずれが生じるかの一例として、本実施例の導波路コア幅がどの程度変化すると位相整合波長のずれが生じるかを計算した。本実施例では、コア幅は１０μｍである。コア幅の変化による導波路の実効的屈折率の変化量を計算することで、どの程度位相整合波長にずれが生じるかを見積もることができる。各導波路の幅が４０ｎｍ異なるだけで、０．２ｎｍのずれは生じることになる。４０ｎｍの導波路誤差は、導波路幅１０μｍに対して０．４％の精度で導波路を作製しないと複数の導波路を１チップに集積し、動作させることができないことを意味する。なお、作製誤差は導波路が小さくなればなるほど厳しくなる。
【００４３】
また、擬似位相整合波長変換素子が、実際の作製において作製誤差に対する許容度が非常に厳しい別の要因も存在する。擬似位相整合素子では導波路長の２乗に従って変換効率が増大するため、高変換効率を達成するためには、一般的に数ｃｍから数十ｃｍオーダーの素子長が求められる。フォトリソグラフィの変わりに、電子ビームリソグラフィなどを用いることで、作製精度を高めることもできるが、その場合素子の長さに制限が発生してしまうなどの問題が生じる。このように素子長さが短いほど隣接導波路間の作製精度を高めることができるが、導波路長の確保という観点からは困難が伴う。つまり、十分に長い導波路長を確保しつつ、かつ長尺な導波路の全域にわたって非常に高い精度で作製が可能な技術開発なしには、擬似位相整合波長変換素子を集積することは非常に困難であった。特に擬似位相整合導波路を平面方向に展開し、１チップに集積する手段は提供されていなかった。
【００４４】
図２に示す工程で作製した波長変換素子の電極３に電流を供給して、それぞれの導波路に対する位相整合波長を同一になるように調整することを試みた。位相整合波長が短波長であった第一のリッジ導波路２ｂ上に配置した電極３に電流を流すことで、第一のリッジ導波路２ｂを加熱することで屈折率を変化させることで位相整合波長を長波長にシフトさせる。第一のリッジ導波路２ｂ上の電極に１Ｗの電力を供給した時の第一リッジ導波路２ｂの位相整合波長を測定した所、０．２ｎｍのシフトが観測された。この時、第一のリッジ導波路２ｂ上の電極３を用いた加熱の影響が、第二のリッジ導波路２ｄへどの程度どの程度であるかを把握するために、第二のリッジ導波路２ｄの位相整合波長も調べた結果、第一のリッジ導波路２ｂの波長シフト０．２ｎｍの１／３程度であった。つまり、第一のリッジ導波路２ｂに約１．５Ｗ程度の電力を供給することで、第一のリッジ導波路２ｂの位相整合波長は電力を供給しない状態から０．３ｎｍだけ長波にシフトさせ、第二のリッジ導波路２ｄの位相整合波長は０．１ｎｍ長波長のみのシフトに留めることができるため、結果として第一のリッジ導波路２ｂの位相整合波長と第二のリッジ導波路２ｄの位相整合波長を同一波長にすることが可能となった。同一となる波長は、電力を供給しない状態の第一のリッジ導波路２ｂの整合波長からは０．３ｎｍ、電力を供給しない状態での第二のリッジ導波路２ｄの整合波長からは０．１ｎｍだけずれているが、これは、波長変換素子全体を温度制御しているペルチェ素子を用いて調整することができる。つまり、電極３に電力を供給した状態で、全体の温度を１〜３℃程度下げることで、それぞれの位相整合波長が同一の状態で、かつ所望の整合波長とすることが可能となった。図３（ｃ）、（ｄ）に電極３に電流を供給した場合の、第一のリッジ導波路２ｂおよび第二のリッジ導波路２ｄのそれぞれの位相整合特性を示す。第一のリッジ導波路２ｂの整合波長に２つの整合波長を完全に一致させられていることが分かる。
【００４５】
この例では、第一のリッジ導波路２ｂの位相整合波長の方が短波長であっため、第一のリッジ導波路２ｂ上の電極３に電力を供給したが、第二のリッジ導波路２ｄの整合波長の方が短波長であれば、第二のリッジ導波路２ｄ上の電極３に電力を供給すればよい。また、本実施例では、リッジ導波路２ｂ、２ｄの本数が２本であったが、２つ以上の複数本であっても位相整合波長がより短波なものから電力量を調整してそれぞれの導波路の供給することで同一波長とすることができる。
【実施例２】
【００４６】
この実施例では、複数波長の光に対する一括波長変換素子について説明する。図４に実施例２にかかる波長変換素子の構成を示す。本実施例の波長変換素子は、可視光領域、特に複数波長の緑色光を１チップで同時に実現可能で、ハイパワーの出力が可能である。
【００４７】
図４に示す本実施例の形態では３つの周期分極反転リッジ導波路２ｇ、２ｈ、２ｉを有し、それぞれが並列に配置されている。さらにそれぞれ光の伝搬方向に沿った電極が形成されている。リッジ導波路２ｇ、２ｈ、２ｉの長さは２２ｍｍであり、周期分極反転領域が２０ｍｍで、電極３の長さは２１ｍｍである。電極数はそれぞれの導波路に１つずつであり、リッジ導波路２ｇ、２ｈ、２ｉの光の伝搬する方向に沿って配置している。３つのリッジ導波路２ｇ、２ｈ、２ｉに形成されている周期分極反転構造の反転周期はそれぞれ異なる。第一のリッジ導波路２ｇは、波長１０３０ｎｍの光の第二高調波発生を行うためのものであり、波長１０３０ｎｍと波長５１５ｎｍの光との間で、擬似位相整合条件が満たされるように第一のリッジ導波路の分極反転周期を設定している。第二のリッジ導波路２ｈは、波長１０６４ｎｍの光の第二高調波発生を行うためのものであり、波長１０６４ｎｍと波長５３２ｎｍの光との間で、擬似位相整合条件が満たされるように第二の導波路の分極反転周期を設定している。第三のリッジ導波路２ｉは、波長１１２０ｎｍの光の第二高調波発生を行うためのものであり、波長１１２０ｎｍと波長５６０ｎｍの光との間で、擬似位相整合条件が満たされるように第三の導波路の分極反転周期を設定している。台座を設けない以外は、実施例１で示した作製方法と同様の手法を用いて波長変換素子を作製した。
【００４８】
第一のリッジ導波路２ｇ、第二のリッジ導波路２ｈ、および第三のリッジ導波路２ｉにそれぞれ、波長１０３０ｎｍの第一の基本波光、波長１１２０ｎｍの第二の基本波光、波長１１２０ｎｍの第三の基本波光を入射する。それぞれの基本波光の光源に高強度の出力が可能なファイバレーザ４を用いることで、各導波路に２Ｗ以上の光の入力が可能となる。使用したファイバレーザ４では波長が掃引できないため、素子全体の温度を変化させて、各波長に対する位相整合特性を調べた。３つの基本波光を入れた状態で、温度を変化させて調べた結果、第一のリッジ導波路２ｇでは素子温度が４５℃の時に位相整合条件が満たされ高強度の変換光が得られた。また、第二のリッジ導波路２ｈでは素子温度が４４℃、第三のリッジ導波路２ｉでは素子温度が４７℃の時に位相整合条件が満たされ高強度の変換光が得られた。このことからも分かるように、素子全体の温調のみの制御では、導波路に対する最大効率を３つ同時に達成することはできなかった。
【００４９】
第一のリッジ導波路２ｇ上の電極に１．０Ｗ、第二のリッジ導波路２ｈ上の電極に１．５Ｗ、の電力を供給することで、位相整合波長の調整を行なった。この時、素子全体の温度も調整している。これにより、各導波路からそれぞれ波長５１５ｎｍ、５３２ｎｍ、５６０ｎｍの光を同時にかつそれぞれの導波路の最大効率で出力することができた。
【実施例３】
【００５０】
この実施例では、複数の非線形過程を１チップ内で連続して一体で行うことのできる波長変換素子について説明する。実施例２では、それぞれの導波路で独立の非線形過程を行ったが、本実施例では、２つの非線形過程を一体で行うことにより信号光の縮退パラメトリック増幅を１チップで実現できる高機能素子を用いている。
【００５１】
図５に実施例３における波長変換素子の構成を示す。第２高調波発生による励起光生成過程と、生成された励起光を用いたパラメトリック増幅過程を１チップで、かつ高効率に発生させることのできる波長変換素子を提供するための構成を例に示す。２つの周期分極反転リッジ導波路２ｊ、２ｋを有し、それぞれが並列に配置されている。さらにそれぞれ光の伝搬方向に沿った電極３が形成されている。リッジ導波路２ｊ、２ｋの長さは４２ｍｍであり、周期分極反転領域が４０ｍｍで、電極長さは４１ｍｍである。第一のリッジ導波路２ｊは、波長１５６０ｎｍの基本波光に対して第二高調波発生により波長７８０ｎｍの励起光を生成するための導波路である。第二のリッジ導波路２ｋは、波長７８０ｎｍの光を励起光とした波長１５６０ｎｍの信号光の縮退パラメトリック増幅を行うための導波路である。第一のリッジ導波路２ｊと第二のリッジ導波路２ｋの周期分極反転構造の周期は同じである。
【００５２】
第一のリッジ導波路２ｊと第二のリッジ導波路２ｋは、波長１５６０ｎｍの光と波長７８０ｎｍの光の合分波器５ａ、５ｂを備えている。それぞれの合分波器５ａ、５ｂの入出力導波路の一方が接続導波路６を介して接続されている。第一のリッジ導波路２ｊに波長１５６０ｎｍの基本波光Ｌ１を入射することで生成された波長７８０ｎｍの励起光は、第一の合分波器５ａにより出力基本波光Ｌ２とは分波される。分波された励起光と波長１５６０ｎｍの信号光Ｌ３は、第二の合分波器５ｂにより合波された後、第二のリッジ導波路２ｋに入射され、パラメトリック増幅した光Ｌ４が得られる。
【００５３】
このような、複数の非線形過程を連続して行う必要のある場合、それぞれの導波路の変換効率が高かったとしても、その位相整合特性が合致しない限りは、素子全体として高い効率を達成するこができなかった。
【００５４】
特に、異なる非線形過程を１チップ内で連続して同時に行う場合、入力するパワーレベルが異なるためより実現が難しくなる。本実施例では、ハイパワーの励起光を生成するために、Ｗクラスのハイパワーの基本波光を導波路に入射する。一方で、信号光のパワーは基本波光パワーに比べ小さい。実施例１では、導波路の作製精度を上げることで位相整合特性のズレを緩和できる可能性もあるが、本実施例のように、入力のパワーレベルが異なる場合は熱の影響まで考慮しなくてはならないため実現には困難を伴う。導波路は、基本波光および励起光に対して透明ではあるものの若干の吸収があるため、ハイパワーの入力により導波路がわずかながら加熱されることで屈折率が変化し、位相整合波長が変化してしまう。つまり、仮に導波路がまったく均一に作製できたとしても、パワーレベルの異なる状態で波長変換素子を動作させると、図６（ａ）、（ｂ）に示すように位相整合波長にズレが生じてしまう。電極３に電流を供給することにより、導波路の作製誤差以外にも熱の影響による屈折率変化も補償できるため、２つの非線形過程の最大効率を同時に実現することができる。
【００５５】
リッジ導波路２ｊ、２ｋ上に形成された電極３に電流を供給することで、図６（ｃ）、（ｄ）に示すように、それぞれの導波路の位相整合特定を完全に合致させることができた。これにより、位相整合の調整のない状態に比べ、３倍以上のパラメトリック利得の改善をすることを確認することができた。
【００５６】
本実施例では、第二高調波発生とパラメトリック増幅過程を連続して行う例を示したが、他の非線形過程の組み合わせでもよい。例えば、第二高調波発生と差周波発生を連続して行うことや、第二高調波発生と和周波発生を連続して行うことで第三高調波発生などを行う場合にも本実施例の構成は適用可能である。
【００５７】
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】
【００５８】
１    ベース基板
２    導波路基板
２ｂ、２ｄ、２ｆ  リッジ導波路
２ａ、２ｃ、２ｅ  台座
３    電極
３ａ  パット部
４    ファイバレーザ
５ａ、５ｂ  合分波器
６    接続導波路
【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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