(57)【要約】【課題】本発明は効果的な導波路長の長尺化により波長変換効率の向上可能な波長変換素子を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の波長変換素子は、ベース基板上に設けられた二次の非線形光学材料からなる三次元光導波路を備え、三次元光導波路は、周期分極反転構造が施された複数の直線導波路と、複数の直線導波路のうちの２つの直線導波路を結合する、周期分極反転構造が施されていない曲線導波路とを含み、直線導波路はベース基板における周期分極反転構造を形成できる方向と平行になるように設けられ、曲線導波路は、２つの直線導波路を導波する光の位相が整合するように長さが調整され、ベース基板は導波路の屈折率より０．７５％以上低い屈折率を有するクラッド領域を含み、光導波路とベース基板のクラッド領域とが直接接合によって接合され、曲線導波路の曲率半径が０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下である。【選択図】図２
2014222331.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た二次の非線形光学材料からなる三次元光導波路と
を備えた波長変換素子であって、
前記三次元光導波路は、周期分極反転構造が施された複数の直線導波路と、前記複数の直線導波路のうちの２つの直線導波路を結合する、周期分極反転構造が施されていない曲線導波路とを含み、
前記曲線導波路は、前記２つの直線導波路をそれぞれ導波する光の位相が整合するように長さが調整されており、
前記ベース基板は前記導波路の屈折率より０．７５％以上低い屈折率を有するクラッド領域を含み、前記光導波路と前記ベース基板の前記クラッド領域とが直接接合によって接合されており、前記曲線導波路の曲率半径が０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記クラッド領域を含む前記ベース基板は、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂxＴａ1-xＯ3（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ4、若しくは、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する材料、又は石英、酸化珪素を含む高融点材料からな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】
前記ベース基板の前記クラッド領域上及び前記三次元光導波路上に、クラッド領域が更に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記曲線導波路の上面、または側面、または前記ベース基板上に前記曲線導波路に沿って電極が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記非線形光学材料は、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂxＴａ1-xＯ3（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する材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記１又は複数の曲線導波路の各々は、２つの９０°導波路部分からなる曲線導波路であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記１又は複数の曲線導波路の各々は、６０°曲線導波路及び１２０°曲線導波路のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項８】
前記曲線導波路は、前記２つの直線導波路をそれぞれ導波する光の位相が整合するように長さが調整された直線導波路部分を含むことを特徴とする１乃至７のいずれか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、波長変換素子に関し、より詳細には曲げ導波路を利用した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、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。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、種々の材料が研究開発されている。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3、以下、ＬＮという）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。ＬＮ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差周波発生を利用した波長変換素子が知られている。
【０００３】
近年、光通信システムの通信容量の増大を図るために、波長の異なる複数の光を多重化して伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）通信システムが積極的に導入されている。このようなＷＤＭ通信システムにおいては、限られた波長数を有効に利用するために、信号波長を任意の信号波長に変換する波長変換デバイスの実用化が求められている。
【０００４】
従来、光の波長を変換する波長変換素子としては、半導体光増幅器を用いるもの、四光波混合を利用するもの等が知られている。しかしながら、これらの波長変換素子においては光通信システムにおいて求められる、高効率、高速、広帯域、低ノイズ、偏波無依存などの条件を満足させることはできていなかった。
【０００５】
図１に、従来のＬＮを用いた擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す。図１に示されるように、比較的小さな光強度を有する信号光Ａと比較的大きな光強度を有する励起光Ｂとは、合波器１により合波され、分極反転構造を有する非線形光学媒質の光導波路２に入射される。光導波路２中で信号光Ａは、非線形光学効果による差周波波発生により別の波長を有する変換光Ｃへと変換される。変換光Ｃは、励起光Ｂと共に光導波路２から出射される。出射された変換光Ｃと励起光Ｂは、分波器３により分離される。信号光Ａ、励起光Ｂの波長をそれぞれλ1、λ3とすると変換光Ｃの波長λ2は、以下の式（１）を満たす。  
１／λ2＝１／λ3−１／λ1      式（１）
【０００６】
変換光Ｃの波長λ2は、信号光の波長λ1を励起光波長λ3の２倍の波長を軸に折り返した波長となる。例えば、励起光Ｂの波長λ3＝０．７８μｍとした場合、波長λ1＝１．５４μｍの信号光Ａを、波長λ2＝１．５８μｍの差周波光である変換光Ｃへと変換することができる。
【０００７】
信号光Ａ及び変換光Ｃに対する変換帯域は、励起光の波長に対して±３０ｎｍ以上と広く、例えば、波長分割多重（ＷＤＭ）光通信に用いられる波長帯域Ｃ帯に束ねられたＷＤＭ信号をＬ帯へ、またはＬ帯からＣ帯へといった波長群の一括変換が可能である。
【０００８】
このような擬似位相整合を利用した波長変換素子を作製する従来の方法においては、ＬＮなどの非線形光学結晶基板に周期分極反転構造を作製した後、プロトン交換導波路を作製することによって波長変換素子を作製していた。これに対して、光導波路中への光閉じ込めを改善し、バルクもしくはバルクに近い非線形効果を利用した高効率な波長変換を実現するために、リッジ型の光導波路構造を有する波長変換素子が提案されている。
【０００９】
一般的なリッジ型光導波路を作製する方法を説明する。まず、Ｍｇ添加ＬＮ基板に周期分極反転構造を作製した後、別に用意したＬＮ基板に接着剤等を用いて接着する。Ｍｇ添加ＬＮ基板の基板厚さを平面研削加工によって薄くした後、ダイシングソーを用いた精密研削加工リッジ型導波路を作製する（例えば、非特許文献１参照）。導波路作製方法としては、リソグラフィーを用いたドライエッチングプロセスを使用することもある。
【００１０】
一方、通信波長帯における波長変換器のほか、擬似位相整合型の波長変換素子を用いて、半導体レーザで実現されていない可視域でのレーザ光源の実用化が行なわれている。現在、実用化されているレーザには、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、Ａｒレーザなどのガスレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザなどの固体レーザ、色素レーザおよび半導体レーザが知られている。近年、可視および近赤外領域の波長帯を中心に、小型・軽量、安価な半導体レーザが普及している。特に、光通信の分野では、信号光源用の１．３μｍ帯および１．５μｍ帯半導体レーザと、ファイバアンプ励起用の０．９８μｍ帯および１．４８μｍ帯半導体レーザとが普及している。また、光記録媒体の読取装置のピックアップ用の光源として、ＣＤ（０．７８μｍ帯）、ＤＶＤ（０．６５μｍ帯）・ブルーレイ（０．４μｍ帯）の半導体レーザも普及している。
【００１１】
しかしながら、半導体で実現することは難しい波長帯が存在することから、高効率な非線形光学媒質と広く普及している波長帯の半導体レーザを組み合わせたレーザ光源装置の開発が行われている。例えば、緑・黄緑・橙といった波長０．５〜０．６μｍのレーザを、半導体で実現することは難しく、高効率な非線形光学媒質による第二高調波発生や和周波発生を用いたレーザ光源が実用化されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許３８４８０９３号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】川口竜生 他、「ＬｉＮｂＯ3エピタキシャル成長と超精密加工技術による導波路型ＳＨＧデバイス」、レーザ研究、２０００年９月、第２８巻、第９号、p.600-603
【非特許文献２】T. Umeki, Osamu Tadanaga, and Masaki Asobe, “Highly Efficient Wavelength Converter Using Direct-Bonded PPZnLN Ridge Waveguide”, IEEE Journal of Quantum Electronics, 2010年, Vol.46, No.8, p.1206-1213
【非特許文献３】M. Ito, Shin kamei, Motohaya Ishii, Tomohiro Shibata, Munehisa Tamura and Yasuyuki Inoue, “Ultra Small 100 GHz 40 ch Athermal AWG Module Using 2.5%-ΔSilica-Based Waveguides”, ECOC2008, 2008年, Vol.1, p.91-92
【非特許文献４】西原浩 他、「光集積回路」、第１版、オーム社、昭和６０年、p.47-49
【非特許文献５】K. Mitsunaga, K. Murakami, M. Masuda, and J. Koyama, “Optical LiNbO3 3-branched waveguide and its application to a 4-port optical switch”, Applied Optics, 1980年, Vol.19, No.22, p.3837-3842
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述したように、様々な分野への応用が検討されている波長変換素子であるが、高機能なデバイスを実現するためには克服すべき問題が存在する。問題の一つは波長変換効率である。波長変換効率が高くなれば、第二高調波発生や和周波発生を用いたレーザ光源では出力が上がり、より高性能となる。また、差周波発生の一部であるパラメトリック増幅においては、変換効率の増加によって増幅利得の飛躍的な向上が実現できる。二次の非線形光学素子を用いた導波路型波長変換素子の変換効率ηは、以下の式（２）が成り立つことが知られている。
η∝Ｌ２／Ａｅｆｆ      式（２）
【００１５】
ここで、Ｌは導波路長、Ａｅｆｆは導波路の有効断面積である。つまり、導波路型波長変換素子の変換効率を大きくするためには、導波路の面積を小さくし導波路長を長くすればよいことになる。導波路の面積を小さくする場合には、導波路内への光の閉じ込めを強めなくてはならないため、導波路とベース基板との間、あるいは導波路とクラッドとの間に大きな屈折率差が必要となる。
【００１６】
しかしながら、この強い閉じ込め条件では、光のシングルモード条件及び光の伝播条件が導波路サイズの影響を受けやすい。そのため、波長変換素子として充分機能させるためには、導波路を作製する際の作製誤差を非常に小さく抑えなくてはならなくなり、面積の小型化には限界がある。現在、厚さ４μｍ×幅５μｍ程度まで小型化されているが（例えば非特許文献２参照）、厚さ２μｍ×幅２μｍ以下のサイズへのさらなる小型化は非常に困難である。
【００１７】
一方、導波路の長さ方向への拡張は、長距離に渡って均一な導波路を作製しなくてはならないものの、式（２）に示されるように変換効率ηが導波路長Ｌの二乗に比例するため、非常に期待されている。しかし、単純には、ウエハサイズを大きくして直線導波路として切り出せる長さを増やせばよいが、プロセス装置との適合性やウエハ全面に渡って作製誤差を小さくすることが困難といった問題がある。また、現在でも５０ｍｍ程度の素子長があるが、それ以上、すなわち１００ｍｍを超えるような波長変換素子は、形状やサイズの側面においても、また素子内の温度を均一に保つ側面においても、デバイスとして利用しにくくなる。そこで、石英上のプレーナ光波回路やＬＮ変調器で行われているような曲げ導波路を利用することが検討されている（例えば非特許文献３〜５参照）。
【００１８】
しかしながら、周期的な分極反転構造を備えた波長変換素子に曲げ導波路構造を適応することにより、効果的な導波路の長尺化と、当該長尺化による変換効率の向上を実現した発明および作製方法は開示されていない。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
このような目的を達成するために、請求項１に記載の波長変換素子は、ベース基板と、前記ベース基板上に設けられた二次の非線形光学材料からなる三次元光導波路とを備えた波長変換素子であって、前記三次元光導波路は、周期分極反転構造が施された複数の直線導波路と、前記複数の直線導波路のうちの２つの直線導波路を結合する、周期分極反転構造が施されていない曲線導波路とを含み、前記曲線導波路は、前記２つの直線導波路をそれぞれ導波する光の位相が整合するように長さが調整されており、前記ベース基板は前記導波路の屈折率より０．７５％以上低い屈折率を有するクラッド領域を含み、前記光導波路と前記ベース基板の前記クラッド領域とが直接接合によって接合されており、前記曲線導波路の曲率半径が０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００２０】
請求項２に記載の波長変換素子は、請求項１に記載の波長変換素子であって、前記クラッド領域を含む前記ベース基板は、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂxＴａ1-xＯ3（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ4、若しくは、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する材料、又は石英、酸化珪素を含む高融点材料からなることを特徴とする。
【００２１】
請求項３に記載の波長変換素子は、請求項１又は２に記載の波長変換素子であって、前記ベース基板は、前記ベース基板の前記クラッド領域上及び前記三次元光導波路上に、クラッド領域が更に設けられていることを特徴とする。
【００２２】
請求項４に記載の波長変換素子は、請求項１乃至３のいずれかに記載の波長変換素子であって、前記曲線導波路の上面、または側面、または前記ベース基板上に前記曲線導波路に沿って電極が設けられていることを特徴とする。
【００２３】
請求項５に記載の波長変換素子は、請求項１乃至４のいずれかに記載の波長変換素子であって、前記非線形光学材料は、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂxＴａ1-xＯ3（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する材料からなることを特徴とする。
【００２４】
請求項６に記載の波長変換素子は、請求項１乃至５のいずれかに記載の波長変換素子であって、前記１又は複数の曲線導波路の各々は、２つの９０°導波路部分からなる曲線導波路であることを特徴とする。
【００２５】
請求項７に記載の波長変換素子は、請求項１乃至５のいずれかに記載の波長変換素子であって、前記１又は複数の曲線導波路の各々は、６０°曲線導波路及び１２０°曲線導波路のいずれかであることを特徴とする。
【００２６】
請求項８に記載の波長変換素子は、請求項１乃至７のいずれかに記載の波長変換素子であって、前記曲線導波路は、前記２つの直線導波路をそれぞれ導波する光の位相が整合するように長さが調整された直線導波路部分を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように、本発明によれば、素子サイズの増大を抑えつつ、効果的な導波路長の長尺化が可能となり、それにより波長変換効率の向上を実現でき、従来に比べ著しく高性能な波長変換素子デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】ＬＮを用いた擬似位相整合型の従来の波長変換素子の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係る波長変換素子を示す上面図である。
【図３】本発明の実施例１に係る波長変換素子の拡大図である。
【図４】本発明の実施例１に係る波長変換素子を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例１に係る波長変換素子の他の例を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例１に係る波長変換素子のさらに他の例を示す断面図である。
【図７】本発明に係る波長変換素子の作製方法を示す図である。
【図８】本発明の実施例２に係る波長変換素子を示す上面図である。
【図９】本発明の実施例２に係る波長変換素子を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施例３に係る波長変換素子を示す上面図である。
【図１１】本発明の実施例４に係る波長変換素子を示す上面図である。
【図１２】本発明の実施例５に係る波長変換素子を示す上面図である。
【図１３】本発明の実施例５に係る波長変換素子における、６０°曲線導波路部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る波長変換素子の各実施例について詳細に説明する。
【００３０】
（実施例１）
図２に、本発明の実施例１に係る波長変換素子の上面図を示す。図２には、直線導波路１０１及び１０３と、直線導波路１０１及び１０３を結合する曲線導波路１０２とがベース基板１１０に設けられた波長変換素子１００が示されている。直線導波路１０１及び１０３は、幅３μｍ、厚さ３μｍ、長さ５０ｍｍの周期的分極反転構造が施されたリッジ型の三次元光導波路とすることができ、曲線導波路１０２は、幅３μｍ、厚み３μｍのリッジ型の三次元光導波路とすることができる。
【００３１】
三次元光導波路とは、上下および左右方向に光を閉じ込め、長さ方向に光を伝播する導波路を意味し、リッジ型導波路はその一例である。周期的分極反転構造は直線導波路１０１及び１０３のみに施されており、曲線導波路１０２には施されていない。直線導波路１０１の入射端から入射された光は、直線導波路１０１及び直線導波路１０３で波長変換されながら、直線導波路１０３の出射端から出射する。
【００３２】
図３に、本発明に係る波長変換素子１００における曲線導波路１０２の拡大図を示す。図３に示されるように、Ｕ字曲線形状の曲線導波路１０２は、直線導波路部分１０２１、９０°導波路部分１０２２及び１０２３とから構成されている。直線導波路１０１は、９０°導波路部分１０２２を介して直線導波路１０１の導波路方向を９０°変更されて直線導波路部分１０２１に接続されており、直線導波路部分１０２１は９０°導波路部分１０２３を介して直線導波路部分１０２１の導波路方向を９０°変更されて直線導波路１０３に接続されている。９０°導波路部分１０２２及び１０２３の曲率半径Ｒはおよそ０．５ｍｍとし、直線導波路部分１０２１の直線領域Ｓ０はおよそ０．５ｍｍとすることができる。
【００３３】
三次元導波路としては、ＬＮ結晶からなる基板を用いることができる。非線形光学材料であるＬＮのＺ面は３回対称の結晶構造を有しているため、直線導波路１０１及び直線導波路１０３において周期分極反転構造を形成できる方向は１方向だけでなく３方向存在する。直線導波路１０１及び直線導波路１０３は、上記のように曲線導波路１０２を介して接続されることにより、その導波路方向がＬＮのＺ面における周期分極反転構造を形成できる３方向のうちの１方向と平行となるように設けられている。
【００３４】
曲線導波路１０２のＵ字曲線部分には、周期分極反転構造が施されていないため、直線導波路１０１から直線導波路１０３に伝播する際、波長変換に関わる光同士の位相整合がとれていなければ効果的な変換が達成されない。そのため、例えば直線導波路部分１０２１の直線領域Ｓ０の長さを調整することによって位相の調整を行い、直線領域Ｓ０の長さを直線導波路１０１の導波光の位相と直線導波路１０３の導波光の位相とが整合する長さとすることにより、変換効率の劣化を抑制している。
【００３５】
一方、非特許文献３及び４に示されるように、損失無く曲げられる曲率半径Ｒは、導波路とクラッド領域との屈折率差に依存している。非特許文献３やＢＰＭ（Beam Propagation Method）によるシミュレーションによると、埋め込み導波路の場合は以下の式（３）〜式（７）の関係がある。  
屈折率差Δ＝０．７５％の時、最小曲率半径Ｒｍｉｎ≒５ｍｍ      式（３）  
屈折率差Δ＝１．５％の時、最小曲率半径Ｒｍｉｎ≒２ｍｍ      式（４）  
屈折率差Δ＝２．５％の時、最小曲率半径Ｒｍｉｎ≒１ｍｍ      式（５）  
屈折率差Δ＝５％の時、最小曲率半径Ｒｍｉｎ≒０．８ｍｍ      式（６）  
屈折率差Δ＝１０％の時、最小曲率半径Ｒｍｉｎ≒０．５ｍｍ      式（７）
【００３６】
導波路とクラッド領域との屈折率差Δが０．７５％未満である場合、曲率半径Ｒは５ｍｍ超となり、基板を有効に利用することができず、素子サイズが大きくなってしまう。一方、最小曲率半径Ｒｍｉｎが０．２ｍｍを下回るような高屈折率差の場合、導波路への閉じ込めが強すぎ、シングルモードにするためにはコアサイズを非常に小さくしなくてはならなくなる。その場合、前述したように許容される作製誤差が小さくなりすぎてしまい、現在の技術では均一な素子を作製することができず、逆に変換効率が低下する。
【００３７】
実施例１に係る波長変換素子１００では、導波路の屈折率がおよそ２．１であり、ベース基板１１０のクラッド領域の屈折率差Δをおよそ１０％に設定した。クラッド領域は、高融点のＳｉＯ２から構成し、その厚みを調整することで両層の実効屈折率差を調整した。導波路長を徐々に短くして導波損失を調べるカットバック法によると、９０°の曲げによる損失は一個あたりおよそ−０．０５ｄＢであり、合計で−０．１ｄＢ程度であった。
【００３８】
図４に、本発明の実施例１に係る波長変換素子１００の断面図を示す。図４には、ベース基板１１０と、ベース基板１１０上に設けられた三次元光導波路１２０とを備えた波長変換素子１００が示されている。波長変換素子１００の三次元光導波路１２０には、非線形光学媒質であるＺカットＺｎ添加ＬＮを用いた。ベース基板１１０は、ＺカットＭｇ添加ＬＮ基板１１１とプラズマＣＶＤ法でＺカットＭｇ添加ＬＮ基板１１１上に蒸着した高融点ＳｉＯ２層からなるクラッド領域１１２により構成し、蒸着量の調整により三次元光導波路１２０とクラッド領域１１２との実効屈折率の調整が可能な構造となっている。三次元光導波路１２０の周辺には溝１３０が形成されており、三次元光導波路１２０の上方および左右の空気層と、三次元光導波路１２０の下方のクラッド領域１１２により効果的な光の閉じ込めが実現できるリッジ構造となっている。
【００３９】
クラッド領域１１２としては、高融点ＳｉＯ２あるいは石英等の材料を用いることが望ましい。クラッド領域１１２として高融点の材料を用いる理由は、温度耐性のためである。入出力光の一部は、導波路に吸収されて熱に変換される。本発明は高変換効率による高性能波長変換素子を実現することを目的としているため、非常に強い入力および出力になる可能性がある。このため、クラッド領域１１２が低融点ガラスや接着剤からなる場合、融点が低いために、クラッド領域の屈折率が熱による温度上昇の影響を受けやすく、特性が安定しないという欠点がある。また、導波路領域のクラッド層の厚みをリソグラフィーとエッチングによって調整することもあるため、クラッド領域１１２としてこれらの技術に適合性がある高融点ＳｉＯ２あるいは石英（水晶）等の材料を用いることが望ましい。
【００４０】
また、本発明に係るクラッド領域１１２は、高融点を有するように構成されているため、素子作製時において低融点ガラスや接着剤のような導波路層とベース基板との接合を促進する接着効果は薄く、両者を接合させる接合層としての役割はない。この点、特許文献１に開示された接着効果を有する接合層を介した光導波路素子とは異なる。
【００４１】
図５は、本発明の実施例１に係る波長変換素子の他の例を示す。図５には、ベース基板２１０と、三次元光導波路２２０と、上部クラッド領域２３０とを備えた波長変換素子２００が示されている。波長変換素子の構造は図４に示される構造だけでなく、図５に示すように、ベース基板２１０全体がクラッド領域であり、また、このベース基板２１０のクラッド領域上及び三次元光導波路２２０上にさらに上部クラッド領域２３０が設けられたような構造としてもよい。図５に示される波長変換素子２００では、ベース基板２１０としてＺカット水晶基板を使用し、上部クラッド領域２３０としてスパッタ法で堆積したＴａ２Ｏ５を使用した。
【００４２】
図６は、本発明の実施例１に係る波長変換素子のさらに他の例を示す。図６には、ＬＮ基板３１１と下部クラッド領域３１２とからなるベース基板３１０と、三次元光導波路３２０と、上部クラッド領域３３０とを備えた波長変換素子３００が示されている。図６に示すように、下部クラッド領域３１２及び上部クラッド領域３３０で三次元光導波路３２０を挟み込むように、下部クラッド領域３１２に対向する上部クラッド領域３３０を基板の直接接合により接合することもできる。図６に示される波長変換素子３００では、ＬＮ基板３１１としてＺカットＭｇ添加ＬＮ基板を使用し、下部クラッド領域３１２としてプラズマＣＶＤ法で蒸着した高融点ＳｉＯ２層を使用し、上部クラッド領域３３０としてＺカット水晶基板を使用した。
【００４３】
次に、図７を用いて本発明に係る波長変換素子の作製方法を説明する。図７（ａ）ではベース基板としてプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ２を堆積したＺカットＭｇドープＬＮ基板を用いた例を示し、図７（ｂ）はベース基板として水晶基板を用いた例を示す。図７において、非線形光学材料である導波路用基板にはＺカットＺｎ添加ＬＮ基板を使用することができ、予め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。また、導波路用基板には、直線導波路１０１及び１０３を構成する周期分極反転構造が形成された部分と、曲線導波路１０２を構成する周期分極反転構造が形成されていない部分とが作り込まれている。
【００４４】
導波路用基板及びベース基板は熱膨張係数がほぼ一致しており、導波路用基板及びベース基板の何れも両面が光学研磨されてある３インチウエハとすることができる。導波路用基板の厚さは３００μｍとすることができ、ベース基板の厚さはおよそ５００μｍとすることができる。なお、導波路用基板の非線形光学媒質として、ＬＮの他に、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂxＴａ1-xＯ3（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する材料を用いることができる。また、ベース基板として、ＬＮの他に、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂxＴａ1-xＯ3（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する材料、石英(水晶)、酸化珪素を含む高融点材料を用いることができる。
【００４５】
用意した導波路用基板及びベース基板の表面を、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、導波路用基板及びベース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。そして、重ね合わせた導波路用基板及びベース基板を電気炉に入れ、４００℃で３時間程度熱処理することにより、導波路用基板及びベース基板の拡散接合を行う。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。なお、導波路を形成する導波路用基板の接合面に高融点ＳｉＯ２を適切な量蒸着して接合面の材質をそろえることにより、接合強度を高めることもできる。
【００４６】
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路用基板部分の厚さがおよそ６μｍになるまで研磨加工を施す。研磨加工の後に、さらにポリッシング加工を行うことにより、所望の基板厚みで、鏡面の研磨表面を得ることができる。
【００４７】
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て、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を得ることにより、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る。この薄膜基板は、接着剤を用いずに導波路用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接合することにより作製したものであるため、３インチウエハの全面積にわたって均一な組成及び膜厚を有する。
【００４８】
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、薄膜基板において波長変換導波路を作製する。薄膜基板のうちの導波路用基板部分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の導波路用基板の表面をエッチングすることにより、図２に示すようなリッジ型の三次元光導波路を形成して、図１に示されるような波長変換素子１００を作製した。
【００４９】
波長変換デバイスとしての特性を得るために、作製した波長変換素子１００の直線導波路１０１の入射端から１．５６μｍ帯の信号光を入力することによって直線導波路１０３の出射端から出力された第二高調波により、波長変換の効率を評価した。本発明の実施例１に係る波長変換素子においては、幅３μｍ、厚さ３μｍという小さい導波路サイズ、高屈折率差による強い閉じ込め、および合計１００ｍｍという長い波長変換領域の結果、規格化変換効率は波長１５５５ｎｍの光を入力光とした場合において６０００％／Ｗと高い値が得られた。上述のように曲線領域による損失は非常に小さかった。
【００５０】
（実施例２）
次に、図８及び図９を用いて本発明の実施例２に係る波長変換素子を説明する。図８は、本発明の実施例２に係る波長変換素子の上面図を示す。図８には、直線導波路４０１及び４０３と、直線導波路４０１及び４０３を結合する曲線導波路４０２とがベース基板４１０上に設けられた波長変換素子４００が示されている。図８に示されるように、ベース基板４１０上には後述するバッファー層４４４を介して底面電極４４１が設けられており、曲線導波路４０２上にはバッファー層４４４を介して上部電極４４２及び側面電極４４３が設けられている。
【００５１】
また、図９に、本発明の実施例２に係る波長変換素子４００の断面図を示す。図４には、ＬＮ基板４１１及びクラッド領域４１２からなるベース基板４１０と、ベース基板４１０上に設けられた三次元光導波路４２０と、クラッド領域４１２及び三次元光導波路４２０上に設けられたバッファー層４４４と、バッファー層４４４上に三次元光導波路４２０に沿って設けられた底面電極４４１と、三次元光導波路４２０の上面のバッファー層４４４上に設けられた上部電極４４２と、三次元光導波路４２０の側面の一方のバッファー層４４４上に設けられた側面電極４４３とを備えた波長変換素子４００が示されている。各電極の下には、導波領域に金属が存在することよる光の損失を回避するために、スパッタ法により堆積したおよそ０.５μｍ厚のＳｉＯ２をバッファー層４４４として形成している。
【００５２】
上述のように、分極反転を形成していない曲線導波路部分は位相を調整する必要がある。通常、この位相調整は曲線導波路の直線領域Ｓ０の長さを調整することで行うが、素子作製のばらつきにより設計と若干のずれが生じることがある。このずれを補正するために、図８及び図９に示すように底面電極４４１と上部電極４４２と側面電極４４３とを形成することができる。
【００５３】
図８及び図９に示される上部電極４４２及び側面電極４４３を作製した場合、上部電極４４２及び側面電極４４３間に電流を流すことにより三次元光導波路４２０を加熱し、温度による屈折率変化を発生するＴＯ効果を利用して位相のずれを補正することができる。また、上部電極４４２と、図８で示される底面電極４４１とを形成し、底面電極４４１と上部電極４４２との間に電界を印加することで電界による屈折率変化を発生するＥＯ効果を利用して位相のずれを補正してもよい。ＥＯ効果を用いる場合は、底面電極を三次元導波路４２０の両側に挟み込むように形成し、両側の底面電極の電位を揃える構成にしてもよい。
【００５４】
（実施例３）
次に、本発明の実施例３に係る波長変換素子を説明する。図１０は、本発明の実施例３に係る波長変換素子の上面図を示す。図１０には、直線導波路５０１、５０３及び５０５と、直線導波路５０１及び５０３を結合する曲線導波路５０２と、直線導波路５０３及び５０５を結合する曲線導波路５０４とがベース基板５１０上に設けられた波長変換素子５００が示されている。
【００５５】
図１０に示される波長変換素子５００は、図２に示される波長変換素子１００にさらに直線導波路を結合した構成であり、直線導波路５０１の入射端から光を入射し、直線導波路５０５の出射端から出射する。直線導波路５０１、５０３及び５０５の長さは５０ｍｍとすることができる。実施例３に係る波長変換素子５００によると、実施例１に示される波長変換素子１００よりも直線導波路５０５の長さ分だけ長さがさらに増えたことにより変換効率が増加し、規格化変換効率は波長１５５５ｎｍの光を入力光とした場合において１００００％／Ｗと高い値が得られた。長さの二乗で増加しないのは、わずかに生じる作製の不均一さのため全ての領域が変換に寄与しないためである。
【００５６】
（実施例４）
次に、本発明の実施例４に係る波長変換素子を説明する。図１１は、本発明の実施例４に係る波長変換素子の上面図を示す。図１１には、直線導波路６０２、６０４、６０６、６０８及び６１０と、直線導波路６０２に接続された曲線導波路６０１と、直線導波路６０２及び６０４を結合する曲線導波路６０３と、直線導波路６０４及び６０６を結合する曲線導波路６０５と、直線導波路６０６及び６０８を結合する曲線導波路６０７と、直線導波路６０８及び６１０を結合する曲線導波路６０９とがベース基板６２０上に設けられた波長変換素子６００が示されている。
【００５７】
図１１に示される波長変換素子６００では、Ｓ字形状を有する曲線導波路６０１の入射端から光を入射し、直線導波路６０２、６０４、６０６、６０８、６１０及びこれらの直線導波路を結合するＵ字形状の曲線導波路６０３、６０５、６０７、６０９を介して直線導波路６１０の出射端から出射する。
【００５８】
図１１に示される波長変換素子６００は、図１０に示される波長変換素子５００にさらに直線導波路を２本結合した構成を有しており、直線導波路が５本結合されている。実施例４に係る波長変換素子６００は、波長変換素子６００の中央部分に光の入出力端が存在し、光ファイバ等との結合に有利な形状となっている。
【００５９】
図１１に示される波長変換素子６００において、直線領域Ｓ１は５０ｍｍとし、入出力部分Ｓ２はおよそ０．５ｍｍとし、非分極反転直線導波路Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５は各々およそ１．５ｍｍ、およそ０．５ｍｍ、およそ２.５ｍｍとし、導波路間隔Ｄは０．５ｍｍとし、曲率半径Ｒは０．５ｍｍとした。波長変換素子６００においては、非分極反転領域において位相整合がとれるように曲線導波路の直線導波路部分の長さが調整されている。実施例４に係る波長変換素子６００の規格化変換効率としては、波長１５５５ｎｍの光を入力光とした場合に２００００％／Ｗが得られた。
【００６０】
（実施例５）
次に、本発明の実施例５に係る波長変換素子を説明する。図１２は、本発明の実施例４に係る波長変換素子の上面図を示す。図１２には、複数の直線導波路７０２と、複数の直線導波路７０２のうちの２つを結合する複数の１２０°曲線導波路７０１及び６０°曲線導波路７０３とがベース基板７１０上に形成された波長変換素子７００が示されている。図１２に示されるように、波長変換素子７００では、複数の直線導波路７０２が１２０°曲線導波路７０１又は６０°曲線導波路７０３で結合されることにより、ベース基板７１０上で導波路全体が正三角形の渦巻き型形状に形成されている。
【００６１】
上述のように、非線形光学材料であるＬＮのＺ面は３回対称の結晶構造を有しているため、周期分極反転構造を形成できる方向は１方向だけでなく３方向存在する。そこで、図１２に示すような６０°方向に曲がる６０°曲線導波路７０３、あるいは１２０°方向に曲がる１２０°曲線導波路７０１で直線導波路７０２を結合することにより、図１３に示すような渦巻き型の波長変換素子７００の作製も可能である。実施例５に係る波長変換素子７００は正三角形の３辺に対応する方向に沿って分極反転構造が形成されている。実施例５に係る渦巻き型の波長変換素子７００は、基板を効率的に利用できるという利点を有する。
【００６２】
上述してきた本発明に係る波長変換素子によると、適切な実行屈折率差を生じる高融点のクラッド領域の採用と、直線導波路を適切な曲率半径を有する曲線導波路によって結合する構造を採用することにより、従来とほぼ等しい素子サイズで、変換効率が著しく向上した高性能な波長変換素子を実現することができる。
【符号の説明】
【００６３】
合波器  １
光導波路  ２
分波器  ３
波長変換素子  １００、２００、３００、４００、５００、６００、７００
直線導波路  １０１、１０３、４０１、４０３、５０１、５０３、５０５、６０２、６０４、６０６、６０８、６１０、７０２
曲線導波路  １０２、４０２、５０２、５０４、６０１、６０３、６０５、６０７、６０９
ベース基板  １１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６２０、７１０
ＬＮ基板  １１１、３１１、４１１
クラッド領域  １１２、４１２
三次元光導波路  １２０、２２０、３２０、４２０
溝  １３０、２４０、３４０
上部クラッド領域  ２３０、３３０
下部クラッド領域  ３１２
底面電極  ４４１
上部電極  ４４２
側面電極  ４４３
バッファー層  ４４４
１２０°曲線導波路  ７０１
６０°曲線導波路  ７０３
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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