(57)【要約】【課題】異なる波長の光が伝播されてきても、その波長の光を反射することができる回折格子および光モジュールを提供することを課題とする。【解決手段】回折格子１０は、互いに種類が異なる複数の周期的分極反転構造部１１ｒ１〜ｒ５が直列に配置された強誘電体結晶基板１１と、強誘電体結晶基板１１を挟むように配置された絶縁層１２ａ、１２ｂと、絶縁層１２ａ、１２ｂの外側に配置され、周期的分極反転構造部１１ｒ１〜ｒ５の各々に独立に電圧を印加して電界を発生させる電極部２０ｒ１〜ｒ６と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに種類が異なる複数の周期的分極反転構造部が直列に配置された強誘電体結晶基板と、
前記強誘電体結晶基板を挟むように配置された絶縁膜と、
前記絶縁膜の外側に配置され、前記周期的分極反転構造部の各々に独立に電圧を印加して電界を発生させる電極部と、
を備えることを特徴とする回折格子。
【請求項２】
前記周期的分極反転構造部によって光導波路が形成されていることを特徴とする請求項１記載の回折格子。
【請求項３】
前記強誘電体結晶基板が、ＭｇＯをドープしたＬｉＴａＯ３またはＬｉＮｂＯ３で構成され、
分極方向に垂直な偏光に対して光進行方向とドメイン界面とがなす角度がブリュースタ角をなすことにより、ドメイン界面で反射せず、分極方向に平行な偏光のみ反射する構成にされたことを特徴とする請求項１記載の回折格子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の回折格子と、
前記回折格子を構成する前記強誘電体結晶基板の光出射側に波長変換部と、
を備えることを特徴とする光モジュール。
【請求項５】
前記波長変換部が前記強誘電体結晶基板に一体的に形成されていることを特徴とする請求項４記載の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周期的分極反転構造を有する強誘電体結晶基板を備えた回折格子および光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体結晶の非線形光学効果や電気光学効果を利用した光導波路素子が知られている。この光導波路素子に関しては、目的とする光を得るために、入射基本波に作用する構造を光導波路に設け、波長変換や光変調を行う素子が提案されている。
【０００３】
また、周期的分極反転構造が形成された強誘電体結晶基板からなる光導波路は、電気光学効果により結晶基板内部に誘起される周期的な屈折率分布を持った回折格子を構成することができ、光導波路内を伝播する光を制御することができる。例えば、ＤＢＲ（Distributed bragg refrector）は、特定波長の光を導波路内でブラッグ反射し、導波路を逆方向に伝播する光に変換することができる。この一例として、特許文献１では、残留電界を利用する分極反転型の回折格子を光導波路素子内に形成した波長変換素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１３００８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のように残留電界を利用する分極反転型の回折格子では、光導波路の作製時における加工歪や応力等の影響により残留電界の制御が難しく、結果として回折効率がばらついてしまう。また、回折効率を任意に変調することができないという難点もある。
【０００６】
この対策として、周期的分極反転構造部が配置された光導波路を有する強誘電体結晶基板を回折格子に設ける対策が考えられる。
【０００７】
しかし、想定していた波長とは異なる波長の光が回折格子に入射する場合では一つのタイプ（種類）の回折格子では対応できず、このため、複数の発振波長に対応できるように、幾つかのタイプの回折格子を用意しておく必要があるという難点がある。
【０００８】
なお、回折格子を用いて外部共振器を形成する場合、回折格子の後段側に設けられる素子（例えば非線形光学結晶素子が設けられた波長変換素子）の品質のばらつきが製造上で生じ易い。このため、回折格子に入射する光の波長を変更することが必要になることがしばしば生じ、上記の難点はより顕著なものになる。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、異なる波長の光が伝播されてきても、その波長の光を反射することができる回折格子および光モジュールを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、互いに種類が異なる複数の周期的分極反転構造部が直列に配置された強誘電体結晶基板と、前記強誘電体結晶基板を挟むように配置された絶縁膜と、前記絶縁膜の外側に配置され、前記周期的分極反転構造部の各々に独立に電圧を印加して電界を発生させる電極部と、を備える回折格子が提供される。
【００１１】
また、本発明の別の一態様によれば、請求項１〜３のいずれか１項記載の回折格子と、前記回折格子を構成する前記強誘電体結晶基板の光出射側に波長変換部と、を備える光モジュールが提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、異なる波長の光が伝播されてきても、その波長の光を反射することができる回折格子および光モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態の回折格子の要部を説明する側面断面図である。
【図２】第１実施形態の回折格子の周期的分極反転構造の構成を説明する、光導波路に直交する側面断面図である。
【図３】第２実施形態の光モジュールの要部を説明する側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。ただし、図面は模式的なものであり、寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１５】
また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。
【００１６】
［第１実施形態］
まず、第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態の回折格子の要部を示す側面断面図である。図２は、本実施形態の回折格子の周期的分極反転構造の構成を説明する、光導波路に直交する側面断面図である。
【００１７】
本実施形態では、回折格子として光導波路型回折格子を例に挙げて説明する。本実施形態の回折格子１０は、コア形状がリッジ型とされ、かつ、通常結晶部と周期的分極反転構造部とを交互に配置している光導波路１１ｇを備えた強誘電体結晶基板１１と、強誘電体結晶基板１１を挟むようにクラッド状に配置された絶縁層１２（１２ａ、１２ｂ）と、絶縁層１２の外側に配置され、各周期的分極反転構造部１１ｒ１〜ｒ５にそれぞれ電圧を印加して電界を発生させる電極部２０と、を備える。なお、本明細書で周期的分極反転構造部とは、光伝播方向（強誘電体結晶基板１１の長手方向）に沿って分極方向が周期的に変化することを意味する。
【００１８】
強誘電体結晶基板１１は、光導波路１１ｇに通常結晶部１１ｐおよび周期的分極反転構造部１１ｒが交互に直列に設けられた構造になっている。また、光導波路１１ｇのコア形状はリッジ型とされている。
【００１９】
電極部２０は、各周期的分極反転構造部１１ｒ１〜１１ｒ５に電圧を印加するように、各周期的分極反転構造部１１ｒ１〜１１ｒ５に応じて絶縁層１２ａ（一方の絶縁層）の外側に分割して配置された電極部２０ｒ１〜２０ｒ５と、絶縁層１２ｂ（他方の絶縁層）の外側で１つに繋がっている電極部２０ｒ６と、で構成される。従って、電極部２０ｒ１〜２０ｒ５と電極部２０ｒ６とは強誘電体結晶基板１１のＣ軸方向に対向して配置されている。電極部２０は、密着性の優れたスパッタ法で成膜可能な金属薄膜（Ａｌ、Ｃｒ、Ｔａ等）とすることが好ましい。
【００２０】
また、平面視で、支持体１６ａ、１６ｂ、および、電極部２０の幅寸法（図１の紙面直交方向の長さ）を強誘電体結晶基板１１よりも大きい寸法とすることで、支持体と回折格子電極部２０とのコンタクト構造を容易かつ確実に形成することができている。
【００２１】
（強誘電体結晶基板）
強誘電体結晶基板１１としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）またはタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）の単結晶を用いる。なお、光損傷を抑制するためには、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎの元素のうち少なくとも１つがドープされた強誘電体結晶基板を用いることが好ましい。
【００２２】
更に、入射光あるいは出射光として短波長領域（例えば、青色光やＵＶ光）で設計する場合には、光損傷や透明波長領域の観点から、Ｌｉ２Ｏ／（Ｔａ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率が0.495以上で0.505未満であり、かつＭｇＯをドープした、単一分極にされた定比組成または定比組成に近いタンタル酸リチウムの単結晶（ＭｇＯＳＬＴ）を強誘電体結晶基板１１として用いることが好ましい。
【００２３】
図２に示すように、光導波路１１ｇは、伝播効率が高められるリッジ型とされており、リッジ高さＨ（厚み）は、強誘電体結晶基板１１を薄膜化加工することにより形成することができる。なお、ダイシング等の機械加工やフォトリソグラフィを利用したドライエッチング加工によりリッジ（溝）形状に加工することもできる。また、リッジ型の光導波路１１ｇ以外に、平面型の光導波路を用いてもよい。
【００２４】
（周期的分極反転構造部）
各周期的分極反転構造部１１ｒ１〜ｒ５は、それぞれ種類が異なっており、各周期的分極反転構造部１１ｒ１〜ｒ５に電界を印加することにより、各周期的分極反転構造部１１ｒ１〜ｒ５が回折格子として駆動される構造になっている。本明細書で種類が異なるとは、反射する光の波長（波長域）が異なっていることを意味している。従って、回折格子を作動させないときのドメイン幅が同一であっても、作動時の印加電圧などが異なることにより反射する光の波長が異なる場合には、周期的分極反転構造部の種類が異なることになる。
【００２５】
ここで、ドメイン幅とは、分極の方向が同一の連続した領域であるドメインＤの幅のことであって光学的厚みを意味するものであり、周期的分極反転構造部１１ｒ１〜ｒ５の＋方向の分極幅ｄ+（ｄ１+〜ｄ５+）と、−方向の分極幅ｄ-（ｄ１-〜ｄ５-）とによって示される値である。そして、分極反転周期Λは、ドメイン幅を用いて
Λ＝ｄ+ ＋ ｄ-
によって示される。
【００２６】
本実施形態では、図１に示したように、強誘電体結晶基板１１には、種類が互いに異なる、すなわち回折格子１０として動作するときのドメイン幅が互いに異なる複数種の周期的分極反転構造部１１ｒ１〜ｒ５が形成されている。
【００２７】
回折格子１０の駆動原理としては、印加された電界Ｅにより分極反転周期と一致した回折率分布ｎ±Δｎが誘起され、回折格子が形成される。ここで、Δｎは、ｒ３３（電気光学定数）を用いて以下の式で決定される値である。
【００２８】
Δｎ＝−ｎ３・ｒ３３・Ｅ／２
なお、強誘電体結晶基板１１としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）またはタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）の単結晶を用い、ｚ軸方向に電界が掛かり、光がｘまたはｙ軸方向に進む場合、
Δｎｅ＝−ｎｅ３・ｒ３３・Ｅ／２
Δｎｏ＝−ｎｏ３・ｒ１３・Ｅ／２
となる（ｒ１３は電気光学定数）。
【００２９】
また、入射基本波に合わせた分極反転周期は、ミクロン〜サブミクロンの範囲のピッチであり、フォトリソグラフィ法でプロセスした電極に電圧を印加して得る方法、あるいは電子ビーム照射による分極反転手法が知られている。
【００３０】
本実施形態では、電極部２０ｒ１〜ｒ６の材質としてはＴａ（タンタル）、Ａｌ（アルミニウム）等を用いる。また、電極部２０ｒ６は接地されており、電極部２０ｒ１〜ｒ５によって各周期的分極反転構造部１１ｒ１〜ｒ５に独立して電圧を印加することができる。従って、電圧がかかった領域が所望の特性を有する回折格子として機能し、全体としては電圧印加部（電極部２０ｒ１〜ｒ５に電圧を印加するもの）が与える電圧の周期によって定められる回折格子特性が示される。
【００３１】
周期的分極反転構造部１１ｒ１〜ｒ５の各ドメイン幅は、所定の電圧（各領域ｋ（ｋは自然数）に対してＶｋ）が印加された際に、入射波長λｋに対し、（λｋ×1/4）の奇数倍の光路長となるようにする。
【００３２】
また、本実施形態では、回折格子１０の光入射側にレーザダイオードを配置して、該レーザダイオードから入射した光の一部を周期的分極反転構造部１１で反射させて外部共振器を形成することが可能である。この構造では、どの周期的分極反転構造部にどのような電圧を印加するかによって、外部共振器の発振波長を選択することができる。例えば、電極部２０ｒ１に電圧Ｖ１を印加することで周期的分極反転構造部１１ｒ１により波長λ１で発振し、電極部２０ｒ２に電圧Ｖ２を印加することで周期的分極反転構造部１１ｒ２により波長λ２で発振する。
【００３３】
（絶縁層）
回折格子１０を構成する絶縁層１２は、ＳｉＯ２、ＳｉＯｘＮｙ（酸化窒素膜）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）などの透明誘電体膜、あるいは透過性の良い接着剤で構成させることができ、強誘電体結晶基板１１（コア）との屈折率差により光閉じ込めを行う構成である。また、導光波の安定的かつ高い光閉じ込め効果のためにも絶縁層１２の厚みを0.5μｍ以上とすることが好ましい。
【００３４】
（支持体）
上述した支持体１６ａ、１６ｂとしては、強誘電体結晶基板１１と相似する基板を用いることが好ましい。例えばＭｇＯＳＬＴと相似する基板としては、ＣＬＴ基板やＢＬＴ基板（ＣＬＴ基板に鉄をドープしたもの）を用いることにより、素子として環境温度変化から受ける影響を小さく抑える効果が得られ、低コストで製造することが可能になる。
【００３５】
（作用、効果）
以下、本実施形態の作用、効果について説明する。本実施形態の回折格子１０は、互いに種類が異なる複数の周期的分極反転構造部１１ｒ１〜ｒ５を備えており、各周期的分極反転構造部１１ｒ１〜ｒ５には、電極部２０ｒ１〜ｒ５によって独立して電圧を印加することができる。従って、電圧を印加した周期的分極反転構造部のみを回折格子として機能させることができるため、種々の波長の光が伝播する場合であっても、その波長に対応する周期的分極反転構造部に所定の電圧を印加することで反射させることができ、他の素子の特性のばらつきに対応することができる。
【００３６】
例えば、波長λ１に対しては周期的分極反転構造部１１ｒ１を回折格子として作用させ、波長λ２に対しては周期的分極反転構造部１１ｒ２を回折格子として作用させ、波長λ３に対しては周期的分極反転構造部１１ｒ３を回折格子として作用させ、波長λ４に対しては周期的分極反転構造部１１ｒ４を回折格子として作用させ、波長λ５に対しては周期的分極反転構造部１１ｒ５を回折格子として作用させる。
【００３７】
よって、１つの回折格子１０を備えておくことで、各波長に応じた回折格子を備えておかなくても各波長の光を反射させることができるので、装置構成を従来に比べて大幅に小型化、簡素化することができる。
【００３８】
なお、本実施形態では、回折格子として光導波路型回折格子を例に挙げて説明したが、光導波路型でなくても同様の効果を奏することができる。
【００３９】
なお、強誘電体結晶基板１１が、ＭｇＯをドープしたＬｉＴａＯ３またはＬｉＮｂＯ３で構成され、分極方向に垂直な偏光に対して光進行方向とドメイン界面（隣り合うドメインＤ同士が隣接している面）とがなす角度がブリュースタ角をなすことにより、ドメイン界面で反射せず、分極方向に平行な偏光のみ反射する構成にしてもよい。
【００４０】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。図３は、本実施形態の光モジュールの要部を説明する側面断面図である。
【００４１】
本実施形態の光モジュール３０は、第１実施形態で説明した回折格子１０と、回折格子１０の光入射側に配置された波長変換部３２とを備えている。本実施形態では、周期的分極反転構造部１１ｒ１〜ｒ５と波長変換部３２とは強誘電体結晶基板３１（強誘電体結晶基板１１と同様の結晶基板）に一体的に形成されている。
【００４２】
この構成により、回折格子１０で入射基本波波長の狭帯域化や波長安定化を図り、その基本波が、同一光導波路上に形成された擬似位相整合（ＱＰＭ）周期ΛＱＰＭの波長変換部３２によって波長変換されて出射される。
【００４３】
以上、これらの実施形態では、回折格子や光モジュールの入出力端面は光学研磨され、入出射効率を高めるためのＡＲコーティングや、戻り光を防止するための端面カットオフ加工を実施していることが好ましい。
【００４４】
また、これらの実施形態で説明した回折格子や光モジュールは、可視光やＵＶ光を発するレーザ光源装置、ディスプレイ、プロジェクタ光源装置などに用いることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０  回折格子
１１  強誘電体結晶基板
１１ｇ  光導波路
１１ｒ１〜ｒ５  周期的分極反転構造部
１２、１２ａ、１２ｂ  絶縁層（絶縁膜）
２０ｒ１〜ｒ６  電極部
３０  光モジュール
３１  強誘電体結晶基板
３２  波長変換部
Ｄ  ドメイン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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