(57)【要約】【課題】非線形光学材料を用いた光学の熱制御性の向上による、位相整合条件を制御可能なアレイ導波路を実現すること。【解決手段】低熱伝導性材料を用いて構成された基板１と、光の導波方向において周期的な分極反転構造を有する二次非線形光学媒質で構成され、前記基板１上に並列に配置された複数の導波路２と、高熱伝導性材料を用いて構成され、前記複数の導波路２の長手方向に沿って前記複数の導波路２の各導波路２をそれぞれ別々に取り囲むように形成された導波路包囲構造６とを備え、前記導波路２と前記導波路包囲構造６とは互いに接触しないように形成されていることを特徴とする光学素子である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低熱伝導性材料を用いて構成された基板と、
光の導波方向において周期的な分極反転構造を有する二次非線形光学媒質で構成され、前記基板上に配置された複数の導波路と、
高熱伝導性材料を用いて構成され、前記複数の導波路の長手方向に沿って前記複数の導波路の各導波路をそれぞれ別々に取り囲むように形成された導波路包囲構造とを備え、
前記導波路と前記導波路包囲構造とは互いに接触しないように形成されていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記導波路の前記基板とは反対側の面に、前記導波路包囲構造とは接触しないように配置されたヒータをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記導波路と前記ヒータとの間に、前記導波路の屈折率よりも屈折率が低い誘電体層が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記導波路包囲構造は、前記導波路と同じ材料で構成される放熱リッド保持部と前記高熱伝導性材料により構成される放熱リッド部とを有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項５】
前記放熱リッド部がＣｕまたはＴｅを添加したＣｕを用いて構成されていることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記導波路がＬｉＮｂＯ３またはＬｉＮｂＯ３に、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎのうちの少なくとも一種を添加物として含有する材料から構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の光学素子。
【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光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
（非線形光学への期待と非線形光学の基本的効果）
非線形光学効果を用いた光応用技術は、新しい光通信分野や光を用いた量子情報通信分野において期待されている。非線形光学効果の中でも基本的な効果として波長変換が知られている。波長変換では非線形光学媒質へ入射する光を別の周波数を有する光に変換することができる。この特性を利用し、レーザー単体では発振が困難な波長帯の光を生み出す技術として広く知られている。特に二次の非線形光学効果を示す材料であって大きな非線形定数を持つニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を用いた周期分極反転導波路は、その非線形光学効果の効率の高さから既に市販されている光源内に組み込まれている。
【０００３】
二次の非線形光学効果では、波長λ１、λ２の光を入力して新たな波長λ３を発生させる。
１／λ３＝１／λ１＋１／λ２（式１）
（式１）を満たす波長変換を和周波発生（ＳＦＧ）とよび、λ１＝λ２の場合、すなわち（式１）を変形すると（式２）が得られる。
λ３＝λ１／２（式２）
（式２）を満たす波長変換を第二高調波発生（ＳＨＧ）と呼ぶ。さらに、
１／λ３＝１／λ１―１／λ２  （式３）
（式３）を満たす波長変換を差周波発生（ＤＦＧ）と呼ぶ。さらにはλ１のみ入力し（式３）を満たすλ２、λ３を発生する光パラメトリック効果も存在する。特にＳＨＧ、ＳＦＧは入力光に対して短波長の光、すなわちエネルギーの高い光を新たに発生し、可視光域の発生などに良く利用される。
【０００４】
これらの二次の非線形光学効果を効率良く起こすためには、相互作用する３波長の位相不整合量が０であることが求められる。そこで二次の非線形光学効果を示す材料の分極を光の導波方向において周期的に反転させることにより疑似的に位相不整合量を０にすることができる。その時の反転周期をΛとすると、式１で示される和周波発生において波長λ１、λ２、λ３に対して以下の（式４）を満たすΛを設定すれば良い。
ｎ３／λ３−ｎ２／λ２−ｎ１／λ１−１／Λ＝０      （式４）
ここでｎ１は波長λ１での屈折率、ｎ２は波長λ２での屈折率、ｎ３は波長λ３での屈折率である。
【０００５】
このような周期分極反転構造に加え、導波路化することにより高効率な波長変換が可能となる。非線形光学効果は非線形相互作用を引き起こす光の重なり密度が高いほどその効果も大きくなる。従って、光を小さい断面積に閉じ込め、かつ長い距離にわたって光を導波させることが可能な導波路構造の採用により高効率な波長変換が可能になる。
【０００６】
（直接接合型リッジ導波路）
非線形光学結晶を用いた導波路構造の実現にはＴｉ拡散やプロトン交換による手法が一般的であった。しかし、近年では波長変換素子として非特許文献１に記載されている様に、結晶のバルクの特性をそのまま利用でき、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を持つリッジ型の光学が研究開発されている。このリッジ型光学は、二枚の基板を接合した後一方の基板を薄膜化し、さらにリッジ加工を施すことにより形成される。この基板を接合する際に、接着剤等を用いず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。この技術を用いた直接接合型リッジ型導波路は強い光を入射することができ、非特許文献２に記載されている様に導波路化技術の進展と共に小コア化に成功しており、その非線形光学効果の効率は向上の一途をたどっている。
【０００７】
（応用技術と要求）
強い光を入射することができるこの周期分極反転構造を持つ直接接合型の非線形光学結晶による導波路は、単なる波長変換素子としてだけでなく、低雑音な光増幅器や量子もつれ光子対の発生器として近年期待されている。これらの応用技術では複数の非線形光学導波路の特性を揃え、かつ入射する光の位相を厳密に制御することが重要となる。例えば、非特許文献３に記載されているように、片偏波でのみ動作する位相感応増幅器を現在の長距離通信に応用する場合、偏波多重された光を一旦分離し別々の非線形光学導波路で光を増幅した後、再度二つの光の位相を揃えて合波することが必要となる。この時、非線形光学導波路はまったく等しい光学特性を有することが理想となる。これは合波時の位相ずれや偏波間利得差に起因した伝送路におけるクロストークが最終的に信号劣化を引き起こしてしまうからである。
【０００８】
（集積化およびアレイ導波路への期待）
このような応用技術において、非線形光学導波路の特性を揃え、かつ入射する光の位相を厳密に制御することが可能な石英系平面光回路と非線形光学素子の集積化が期待される。
【０００９】
近年半導体微細加工を利用した石英を用いた平面光回路はその加工精度の高さから厳密な光路長制御が可能であり、現在の光通信システムへ実用化されている。また、二次の非線形光学効果を利用した光信号処理に関しても、非特許文献４、非特許文献５に記載されているように二次の非線形光学効果を有する光学を平面展開した技術が報告されている。これらは、ＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  Ｐｏｌｅｄ  Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｎｉｏｂａｔｅ：周期分極リチウムナイオベート）導波路をアレイ展開（ＰＰＬＮアレイ導波路）し、一つのデバイスの中で複数の並列した非線形光学操作を行うことで、光位相レベルの厳密な光信号処理を可能としている。
【００１０】
したがって、加工精度の高い石英系平面光回路とＰＰＬＮアレイ導波路の集積化は、前述の位相感応増幅器の様な非線形光学応用技術に対して有効な手法となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１５−２１５５０１号公報
【特許文献２】特開２０１４−２１１５３９号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Y. Nishida, H. Miyazawa, M. Asobe, O. Tadanaga, and H. Suzuki,“Direct-bonded QPM-LN ridge waveguide with high damage resistance at room temperature,” Electronics Letters, Vol.39, No.7, p.609-611, 2003.
【非特許文献２】T. Umeki, O. Tadanaga, and M. Asobe, ‘Highly Efficient Wavelength Converter Using Direct-Bonded PPZnLN Ridge Waveguide’ IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 46, No. 8, pp. 1206-1213, 2010.
【非特許文献３】T. Umeki, T. Kazama, O. Tadanaga, K. Enbutsu, M. Asobe, Y. Miyamoto, and H. Takenouchi, “PDM Signal Amplification Using PPLN-Based Polarization-Independent Phase-Sensitive Amplifier,” Journal of Lightwave Technology, Vol. 33, No. 7, p. 1326-1332, 2015.
【非特許文献４】T. Kazama, T. Umeki, M. Asobe, and H. Takenouchi, “Single-Chip Parametric Frequency Up/Down Converter Using Parallel PPLN Waveguides,” IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 26, No. 22, p. 2248-2251, 2014.
【非特許文献５】H. Jin, F. M. Liu, P. Xu, J. L. Xia, M. L. Zhong, Y. Yuan, J. W. Zhou, Y. X. Gong, W. Wang, and S. N. Zhu, “On-Chip Generation and Manipulation of Entangled Photons Based on Reconfigurable Lithium-Niobate Waveguide Circuits,” Physical Review Letters, Vol. 113, 103601, 2014.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
（アレイ化導波路への要求）
ここでＰＰＬＮアレイ導波路を構成する各導波路の揃えるべき特性として位相整合波長が挙げられる。位相整合波長は非線形光学媒質が最も効率よくＳＨＧ光を放出する波長のことであり、非線形光学効果を決定する重要なパラメータである。位相整合波長は導波路の実効屈折率や分極反転周期により決定される。位相感応増幅器への応用を考えた場合、位相整合波長は素子全体で±０．５ｎｍ以内に抑える必要がある。
しかし、アレイ導波路で位相整合波長をこの値以内に揃えることは以下二つの理由により難しい。一つ目が導波路加工誤差に起因した位相整合波長のずれ、二つ目が導波路の発熱による位相整合波長のずれである。
【００１４】
（１．導波路加工誤差に起因したずれ）
位相整合波長は導波路の実効屈折率に敏感なパラメータである。図１に、直接接合型ＰＰＬＮ導波路における導波路（コアともいう）幅と位相整合波長の関係を示す。ここではコアの厚みを５μｍ、反転周期を１８．４μｍとしている。図からおよそ０．１μｍの幅の差が波長３ｎｍのずれを引き起こしている。つまりこの場合、位相整合波長を±０．５ｎｍ以内に抑えるには導波路幅を２０ｎｍのずれ以内に抑える必要がある。ＰＰＬＮ導波路はフォトリソグラフィ技術によって作製され、その導波路幅の誤差は加工プロセスの均一性により決定される。加工プロセスの均一性を考慮した場合、アレイ導波路の導波路間隔を狭めることで、位相整合波長の誤差を小さくすることができる。しかし、単に導波路間隔を狭めるだけでは後述の導波路発熱による位相整合波長ずれの影響が大きくなってしまう。
【００１５】
（２．導波路発熱によるずれ）
位相感応増幅といった高い強度の光を導波路中に入射する必要がある場合、導波路の位相整合波長制御が一段と難しくなる。これは、強い光を利用する場合、導波路母材の光吸収により導波路が加熱され、屈折率変化が生じ、位相整合条件が満たされなくなってしまうからである。位相整合条件がずれることにより光入力パワーを大きくすると非線形光学効率が低下してしまう。また、その発熱は以下に示す要因から複雑なものとなり、素子内に温度分布を生じてしまう。
【００１６】
光の吸収には、入力した光の吸収と、変換された光の吸収との２パターンが存在する。入力光である基本波の光強度は、入力側が最大となり、導波路内を伝搬するにつれ波長変換が生じ、基本波の光強度は小さくなる。従って、基本波の吸収に起因した発熱は導波路の入射側で大きく、出射側で小さくなる。一方、波長変換光の強度は導波路を伝播するにつれて大きくなる。非特許文献１に記載されている通り、変換光が短波長の場合、変換光の吸収係数が基本波光よりも大きくなることが一般的に知られており、変換光に起因した導波路の加熱は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。
【００１７】
アレイ導波路の場合は、利用する導波路間の距離が短いことから、導波路で発生した熱が隣の導波路へ熱干渉してしまうことが問題となる。熱干渉による温度上昇に起因した屈折率変化自体が、前述のように光吸収に起因した発熱にも影響を及ぼすし、場合によっては温度が振動し一定にならず、光学特性が安定しなくなることもある。
【００１８】
素子全体の温度上昇を抑制するために、従来のＰＰＬＮ素子では図２に示す構成がよく用いられる。図２に示す従来のＰＰＬＮ素子では、基板１の上に導波路２が直接接合され、基板１の導波路２とは反対の面に金属板３と熱制御素子４とが形成された構成を有している。これは、素子を支える金属キャリアの下に熱制御素子としてのペルチェ素子を配置することで素子全体の温度上昇を抑制可能であるが、前述の導波路方向の熱分布を抑制する効果は小さい。
【００１９】
また、この導波路方向に生じる熱分布を抑制する簡易的な方法として図３に示すような構造が提案されてきた（特許文献１）。特許文献１の素子は、基板１上に設けられた導波路２の周囲を導電性樹脂５で覆って、さらに金属板３と熱制御素子４とを設けた構成である。この方法は導波路２で生じた熱を効率よく金属板３に放熱することで素子全体の温度勾配を低減し、かつ素子全体の温度を一定にすることが可能であり、単一導波路の熱分布抑制の観点からは大きな効果を発揮する。しかし、アレイ導波路にはこの方法は適用できない。
【００２０】
位相感応増幅器といった高パワーの光を利用する非線形光学応用技術に非線形光学結晶アレイ導波路を適用するには、位相整合波長の揃ったアレイ導波路を実現する必要がある。これには加工精度の観点からアレイ導波路間隔を狭めること、および各導波路における複雑な熱分布を抑制し、かつ隣接導波路への熱干渉を抑制することの実現が課題となる。ここで、アレイ導波路の各導波路の位相整合波長を制御するには特許文献２に記載されているような、個別導波路の上にヒータを設置する手法が提案されている。この場合個別導波路の各々の導波路に対して個別に熱を加えることが可能であるが、熱を逃がすことはできず熱制御性は不十分である。また、当手法では熱干渉は抑制できない。他にも、図２に示す従来の素子構造の導波路それぞれ上にヒータを形成する手法があるが、ヒータと熱制御素子との間の距離に比べて隣接する導波路上に設けられたヒータ間の距離の方が短いため、隣接導波路からの熱干渉の影響を抑制することはできない。
【００２１】
本発明は上記従来の問題に鑑みなされたものであり、本発明の課題は、非線形光学材料を用いた光学の熱制御性の向上によって、位相整合条件をより正確に制御可能なアレイ導波路構造を有する光学素子を提供することである。
【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、低熱伝導性材料を用いて構成された基板と、光の導波方向において周期的な分極反転構造を有する二次非線形光学媒質で構成され、前記基板上に並列に配置された複数の導波路と、高熱伝導性材料を用いて構成され、前記複数の導波路の長手方向に沿って前記複数の導波路の各導波路をそれぞれ別々に取り囲むように形成された導波路包囲構造とを備え、前記導波路と前記導波路包囲構造とは互いに接触しないように形成されていることを特徴とする光学素子である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】直接接合型ＰＰＬＮ導波路における導波路幅と位相整合波長の関係を示す図である。
【図２】従来のＰＰＬＮ素子の構造例を示す図である。
【図３】従来のＰＰＬＮ素子の構造の他の例を示す図である。
【図４】本発明の光学素子の構造例を示す図である。
【図５】実施例１の波長変換素子の断面構造を示す図である。
【図６】実施例２の波長変換素子の断面構造を示す図である。
【図７】実施例３の位相変調器の断面構造を示す図である。
【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】
図４は本実施形態の光学素子の構成例を示す図である。本実施形態の光学素子は、図４に示すように、基板１と、この基板１上に配置された複数の導波路２と、複数の導波路２の長手方向に沿って複数の導波路２をそれぞれ別々に取り囲むように形成された導波路包囲構造６とを備えた波長変換素子として構成される。導波路２は光の導波方向において周期的な分極反転構造を有する二次非線形光学媒質で形成されており、基板１は低熱伝導性材料を用いて構成され、導波路包囲構造６は高熱伝導性材料を用いて構成されている。導波路２と導波路包囲構造６とは互いに接触しないように形成されている。
【００２６】
また光学素子は、図４に示すように、導波路２の一部にヒータ７２が設けられていてもよく、導波路包囲構造６の一部には熱制御素子４を設けてもよい。また、本実施形態の光学素子における導波路２は、リッジ型またはリブ型の導波路に形成される。リッジ型の導波路は基板の上に細長く設けられた導波路であり、リブ型の導波路はリッジ型の上部構造とこの上部構造よりも幅広の下部構造とが長手方向に亘って延びた構成を有する導波路である。従って、導波路２における光の導波方向は導波路２の長手方向となる。
【００２７】
複数の導波路２をそれぞれ別々に取り囲む導波路包囲構造６は、導波路２とは接触しないように形成されているので、個々の導波路２の周囲には断熱層となる空気の層が形成される。したがって、導波路２で発生した熱は基板１に伝導する。基板１は低熱伝導性材料を用いて構成されている一方で、導波路包囲構造６は高熱伝導性材料を用いて構成されているので、基板１に伝導した熱は隣接する導波路２よりも手前に存在する導波路包囲構造６に優先的に熱伝導することとなり、隣接する導波路２に対する熱干渉が抑制される。さらに導波路包囲構造６に伝導した熱は導波路２に対して基板１とは反対側に位置する導波路包囲構造６から放熱されるため、導波路２に熱がこもらず、導波路２の熱分布が抑制されることにより、導波路２の温度制御性がよくなる。
【００２８】
また、導波路２と導波路包囲構造６との間に断熱層として存在する空気の層により、基板１を介して導波路２から導波路包囲構造６に伝導した熱が、隣接する導波路２に対して断熱される。
【００２９】
導波路２を構成する二次非線形光学媒質は、二次の非線形光学効果に使用する波長に対して吸収損失の少ない誘電体であり、例えばＬｉＮｂＯ３を用いることができ、このＬｉＮｂＯ３にはＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、およびＩｎのうちの少なくとも一種が添加物として含有することができる。
【００３０】
導波路包囲構造６は、導波路２の両脇において基板１から基板１の反対方向へと延びる放熱リッド保持部６１と、少なくとも２つの放熱リッド保持部６１に支持され、導波路２に対して基板１とは反対側で導波路２を覆う放熱リッド部６２とから構成されている。放熱リッド保持部６１と放熱リッド部６２とは同じ材料で構成されていてもよいし、異なる材料でもよい。放熱リッド部６２および放熱リッド保持部６１は、いずれも金属や熱伝導性樹脂などの熱伝導性の高い材料で構成することができる。金属としては、導波路２を構成する二次非線形光学媒質と近い熱膨張係数を有する金属を用いることができ、例えばＣｕを用いることができる。このＣｕにＴｅを添加物として含有させてもよい。熱伝導性樹脂は、接着剤などを用いることができる。
【００３１】
また、放熱リッド保持部６１の作製方法によっては、放熱リッド保持部６１は上記の材料に限らず、導波路２と同じ材料を用いて構成することができる。例えば、導波路２を構成する層と基板１とを直接接合し、導波路２を構成する層をエッチングすることにより基板１上に導波路部分と放熱リッド保持部６１を形成する場合は、放熱リッド保持部６１は二次非線形光学媒質で構成される導波路２と同じ材料で構成されることとなり、放熱リッド保持部６１は放熱リッド部６２とは異なる材料となる。
【００３２】
リッド保持構造６１を上記のようにエッチングにより形成した場合は、表面をダイシングなどでその上面を平坦面とした後に、平坦面に放熱リッドを貼り合せることができるので作製が容易である。
【００３３】
導波路２にヒータ７２を作製する場合は、導波路上面に、導波路２を構成する二次非線形光学媒質よりも屈折率の低い誘電体膜７１を積層し、その上にヒータ７２となる金属電極を積層した構造が望ましい。導波路２に伝搬する光を閉じ込めて金属による光の吸収を回避することができるからである。積層される誘電体膜７１としては、例えばＳｉＯ２を用いることができる。
【００３４】
ヒータ７２は導波路２の長手方向に分割されていてもよく、分割数を多くすることでより詳細な熱分布制御が可能となる。
【００３５】
導波路２から放熱リッド部６２までの距離は、ヒータ７２を含む導波路２の上面と放熱リッド部６２との間に空気層が形成されれば、基板厚みよりも短い距離でよい。
【００３６】
放熱リッド部６２の基板１とは反対側の面には、ペルチェ素子やヒータから構成される熱制御素子４が設置された構成が望ましい。これは放熱リッド部６２自体の温度が変化してしまうのを防ぐことで各導波路２の熱制御性が向上するからである。熱制御素子４としてヒータを用いることにより、導波路包囲構造６の外部の温度が低すぎる場合などに、環境温度の影響を抑える。
【００３７】
また、導波路２の周囲に形成される空気の層によって、ヒータ７２で発生する熱が効率よく導波路に伝わることとなるので、同じ温度に導波路２を制御する際にヒータ７２を駆動するための電力が小電力ですむため、位相整合条件の制御が可能となる。ヒータ７２から生じた熱や、非線形光学媒質の光吸収によって生じた熱は、放熱リッド保持構造を介して、導波路構造上面側に覆いかぶした放熱リッドから放熱される。これにより、図４のようなアレイ構造であっても隣接導波路への熱流入を抑制することが可能である。また、空気層は導波路構造に伝搬する光を閉じ込めて包囲部を構成する金属による光の吸収を回避する効果も担う。
【００３８】
以上の実施形態では、光学素子として波長変換素子を例に挙げて説明したが、導波路２の上にヒータ７２を設ける構成に代えて、導波路２毎に光制御を行うための電極を形成してもよい。その一例としては、非特許文献５のように導波路２に電界を印可し、ポッケルス効果に起因した屈折率変化を利用する位相変調器を構成することができる。
【実施例１】
【００３９】
図５は実施例１に係る波長変換素子の断面構造を示す図である。この実施例の波長変換素子は、図５に示すように、タンタル酸リチウムからなる基板１の上に、リッジ型の構造を有する導波路２としての周期分極反転構造が施されたニオブ酸リチウムが直接接合され、導波路２の上部には誘電体膜７１であるＳｉＯ2と、ヒータ７２となるＡｕ７２が形成されている。この実施例では、ヒータとしてＡｕに加えてＴｉ７３を用いている。この導波２路を有する基板１上には導波路包囲構造６として、導波路２の両脇に導波路２と同じ高さのニオブ酸リチウムが放熱リッド保持部６１となるように基板１に接合され、導電性材料としての金属で構成された放熱リッドが放熱リッド保持部６１に支持された構成を有している。放熱リッドは溝を有する金属板を用いている。放熱リッドの溝でない部分が放熱リッド保持部６１と接合されている。さらに、放熱リッド部６２の基板１側とは反対面（上面）には熱制御素子４としてペルチェ素子が設けられている。
【００４０】
図５に示す波長変換素子の作製方法について説明する。まず、厚さ５００μｍのタンタル酸リチウムからなる基板１を用意する。この基板１に平板状のニオブ酸リチウムを接合した後、研削と研磨により５μｍまで平板状のニオブ酸リチウムを薄膜化し、ニオブ酸リチウムの導波路２となる部分にオーバークラッド層となるＳｉＯ2をスパッタリングにより１μｍ以上堆積させた後、ドライエッチングによりパターニングして導波路２を形成する。
【００４１】
オーバークラッド層の材質はＳｉＯ2以外にも五酸化タンタルなど、７８０ｎｍ帯及び１５５０ｎｍ帯の双方に対して透明な物質であればよい。オーバークラッド層は金属による光電界の吸収を抑制する為に形成される。導波路２は互いに平行に設けられており、導波路間隔は１００μｍとされる。導波路中心から放熱リッド保持部６１までの間隔は３０μｍである。隣接する導波路２との間隔よりも放熱リッド保持部６１までの距離が短いことから、熱干渉の抑制に効果がある。ここで、従来構造以上の熱分布抑制効果を実現する為には、導波路２から放熱リッド保持部６１までの距離を基板厚よりも短い距離にすることが望ましい。
【００４２】
導波路２上のヒータ７２は、ドライエッチングによる導波路形成後に作製される。導波路形成後にＴｉ７３・Ａｕ７２の順番で金属が蒸着され、その後レジストの塗布・現像により電極のパターニングが行われ、最終的に不要な金属部分をウェットエッチングにより溶かすことでヒータ７２が形成される。Ｔｉ７３をＡｕ７２の前に蒸着するのは、密着性を良くするためであるが、金属膜が一層以上形成されていればこの構成に限らない。金属の蒸着には電子ビーム蒸着器を用いた。
【００４３】
放熱リッド部６２を構成する金属はニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムと近い熱膨張係数を有するＣｕまたはＴｅ添加されたＣｕが用いることができるが、本実施例ではウェットエッチングにより微細加工を施して溝を形成したＣｕを導波路２の上から覆い被せて、溝でない部分を放熱リッド保持部６１と接着させた。放熱リッド部６２は構造上デバイスの表面に導波路２が形成される導波路２を保護する役割を有し、外気やゴミの付着等の外乱要因の影響を抑制する効果もある。
【００４４】
放熱リッド部６２として用いられる金属の溝の深さはオーバークラッドとヒータ７２の厚さ＋１．０μｍ以上となるようにしている。これはヒータ７２と金属からなる放熱リッドの絶縁をとるためである。放熱リッド部６２と放熱リッド保持部６１との接着には熱伝導性の高い導電性樹脂を用いた。なお、ＣｕまたはＴｅ添加されたＣｕの板の微細加工はダイシングやドライエッチングによるものでも良い。二次非線形光学媒質により形成された放熱リッド保持部６１と基板１とが可視域に対して透明であるので、光学顕微鏡を用いて基板背面からの観測により金属キャリアとの接続の位置合わせが可能である。放熱リッド部６２の基板１とは反対側の面にはペルチェ素子を熱制御素子４として張り合わせている。
【００４５】
波長変換素子の分極反転周期は１５６０ｎｍの光を高効率に７８０ｎｍの光へと変換するピッチ周期に設定されている。また素子長は４ｃｍとした。波長変換といった非線形光学効果は光波相互作用長の二乗に比例するので、素子長は長い方が高効率となる。
【００４６】
導波路２の温度がヒータ７２により＋１．０℃温度上昇したときの、１００μｍ離れた隣接する導波路の熱干渉による温度上昇を調べた。
【００４７】
図２に示す従来構造の波長変換素子では高排熱性を有するＣｕがタンタル酸リチウムからなる基板１の下面に接着されており、５００μｍの基板１を介して導波路の熱が放熱される。導波路が＋１．０℃温度上昇した際に隣接する導波路２の温度上昇を調べたところ、従来構造の波長変換素子では＋０．４５℃以上に上昇するのに対し、本実施例の波長変換素子では＋０．１℃以下の温度上昇となった。従って、本施策の効果により隣接導波路への熱干渉の低減に成功しているといえる。
【実施例２】
【００４８】
図６は、実施例２に係る波長変換素子の断面構造を示す図である。本実施例の波長変換素子は実施例１と同様の媒質からなる４本の導波路２を有するアレイ導波路である。導波路間隔は１００μｍであり、放熱リッド保持構造の幅は７０μｍとした。この実施例では、実施例１と異なり、導波路包囲構造６の放熱リッド部６２と放熱リッド保持部６１とが一体に形成したものを用いることができる。導波路包囲構造６は熱伝導性材料である金属を用いて構成されている。
【００４９】
図６に示す波長変換素子において、タンタル酸リチウムからなる基板１は厚さ５００μｍである。導波路２としてのニオブ酸リチウムはタンタル酸リチウム基板に接合された後、研削と研磨により５μｍまで薄膜化され、ドライエッチングによりパターニングされた導波路構造になっている。
【００５０】
導波路包囲構造６を構成する熱伝導性材料としての金属は、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムと近い熱膨張係数を有するＣｕまたはＴｅ添加されたＣｕが用いられる。これはニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムといった強誘電体結晶が一般的な導波路媒体として知られるＳｉＯ2に比べて歪に対する耐性が小さく割れやすい特性を有することから、熱伝導材料の熱膨張係数がアレイ導波路と大きく異なると温度制御の際の膨張率の差から導波路２が破壊されてしまうからである。放熱リッドの基板１側とは反対面（上面）にはペルチェ素子を熱制御素子４として貼り合わせている。
【００５１】
本実施例では導波路包囲構造６としてウェットエッチングにより微細な溝加工を施したＣｕを導波路の上から覆い被せた。溝の深さは基板１からの導波路２の高さ（リッジ高さ）＋１．０μｍ以上となるようにしている。これは導波路２内を通る光のエバネッセント成分が金属からなる導波路包囲構造６に捕捉されるのを防ぐ為である。導波路包囲構造６と基板１との接着は熱伝導性の高い導電性樹脂により実施した。なお、ＣｕまたはＴｅ添加されたＣｕの板の微細加工はダイシングやドライエッチングによるものでも良い。波長変換素子の分極反転周期は１５６０ｎｍの光を高効率に７８０ｎｍの光へと変換するピッチ周期に設定されている。また素子長は４ｃｍとした。
【実施例３】
【００５２】
図７は実施例３に係る光学素子の断面構造を示す図である。本実施例の位相変調器は、実施例１の波長変換素子において、ニオブ酸リチウムを用いて構成されていた導波路２と放熱リッド保持部６１とをＭｇＯがドープされたニオブ酸リチウムにより構成している。本実施例の光学素子は、２本の導波路２を有するアレイ導波路である。導波路間隔は１００μｍであり、放熱リッド保持部６１の幅は３０μｍとした。
【００５３】
また、導波路２の上には実施例１と同様にＳｉＯ2とＴｉ７３とＡｕ７２とが積層された電極が形成されており、導波路２と導波路２の両脇の放熱リッド保持部６１との間に、Ｔｉ７３とＡｕ７２を積層した電極が形成されている。本実施例の光学素子は、これらの電極により、導波路２に電気光学効果を発現させて高い光パワーにおいても動作する位相変調器として動作することができる。
【００５４】
ニオブ酸リチウムからなる基板１は厚さ５００μｍである。導波路としてのＭｇＯをドーピングされたニオブ酸リチウムが基板１に接合された後、研削と研磨により５μｍまで薄膜化され、ドライエッチングによりパターニングされることにより導波路２が形成された構造になっている。
【００５５】
導波路２に電界をかけるための電極を、ドライエッチングによる導波路形成後に導波路２上と導波路２脇に電極が作製される。導波路形成後にＴｉ７３・Ａｕ７２の順番で金属が蒸着され、その後レジスト塗布・現像により電極のパターニングが行われ、最終的に不要な金属部分をウェットエッチングにより溶かすことでヒータ７２が形成される。Ｔｉ７３をＡｕ７２の前に蒸着するのは、Ａｕ７２と基板１またはＳｉＯ2との密着性を良くするために導入しているが、金属膜（Ａｕ）が一層以上形成されていればこの構成に限らない。金属の蒸着には電子ビーム蒸着器を用いた。
【００５６】
さらに、放熱リッドの基板１側とは反対面（上面）にはペルチェ素子を熱制御素子４として貼り合わせている。
【００５７】
放熱リッド部６２を構成する熱伝導性材料としての金属はニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムと近い熱膨張係数を有するＣｕまたはＴｅ添加されたＣｕが用いられる。本実施例では実施例１と同様に、ウェットエッチングにより微細加工を施したＣｕを導波路２の上から覆い被せて、溝でない部分を放熱リッド保持部６１と接着させた。
【００５８】
本実施例の光学素子は、導波路に電気光学効果を発現させて高い光パワーにおいても動作する位相変調器として動作することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１    基板
２    導波路
３    金属板
４    熱制御素子
５    導電性樹脂
６    導波路包囲構造
６１  放熱リッド保持部
６２  放熱リッド部
７１  誘電体膜
７２  ヒータ（Ａｕ）
７３  Ｔｉ
【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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