(57)【要約】【課題】  単一モード化されたリッジ導波路からなる高効率の波長変換素子および歩留まりの高い波長変換素子の製造方法を提供する。【解決手段】  非線形光学結晶からなるコア３２と、コア３２の基板３１に接していない面が空気層からなるリッジ型の光導波路を有する波長変換素子において、コア３２断面のＬｉの濃度分布は、コア３２の中央部３３から外周部に向かってなだらかに増加している。コア３２断面の屈折率分布は、コア３２の中央部３３から外周部に向かってなだらかに減少している。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学結晶からなるコアと、該コアの基板に接していない面が空気層からなるリッジ型の光導波路を有する波長変換素子において、
前記コア断面のＬｉの濃度分布は、前記コアの中央部から外周部に向かってなだらかに増加していることを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記コア断面の屈折率分布は、前記コアの中央部から外周部に向かってなだらかに減少し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】
前記コアの高さおよび幅は、７ミクロン以上であ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】
前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有することを特徴とする請求項１、２または３に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ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ないし４のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記コアの入力端面に、偏波保持型単一モード光ファイバを光学的に結合したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項７】
非線形光学結晶からなるコアと、該コアの基板に接していない面が空気層からなるリッジ型の光導波路を有する波長変換素子の製造方法において、
非線形光学結晶からなる第１の基板と第２の基板とを、熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第１の工程と、
前記第１の基板を、前記コアを形成するための所定の厚さに研磨する第２の工程と、
前記第１の基板を切削して前記コアを形成し、リッジ型の光導波路を作製する第３の工程と、
前記コア断面のＬｉの濃度分布が、前記コアの中央部から外周部に向かってなだらかに増加するように、Ｌｉイオンを前記コアに拡散する第４の工程と
を備えたことを特徴とする波長変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換素子およびその製造方法に関し、より詳細には、非線形光学媒質中で生じる第二高調波発生、差周波発生、和周波発生効果を用いて信号光の波長を別の波長に変換する波長変換素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光の波長を変換する波長変換素子として、半導体光増幅器を応用した素子、四光波混合を利用する素子等が知られている。しかしながら、これら波長変換素子は、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ができなかった。
【０００３】
一方、二次非線形光学効果の一種である擬似位相整合による第二高調波発生、和周波発生、差周波発生を利用した波長変換素子の応用が期待されている。図１に、従来の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す。波長変換素子は、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制御光Ｂとを合波する合波器１１と、分極反転構造を有する非線形光学結晶からなる導波路１２と、差周波光Ｃと制御光Ｂとを分離するに分波器１３とから構成されている。信号光Ａは、導波路１２において、別の波長を有する差周波光Ｃへと変換され、制御光Ｂと共に出射される。例えば、制御光Ｂの波長λ１＝０．７７μｍとした場合、波長λ２＝１．５５μｍの信号光Ａは、波長λ３＝１．５３μｍの差周波光Ｃに変換される。
【０００４】
このような波長変換素子を、複数の波長の光信号を多重化して伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）伝送システムに適用すると、限られた波長数を有効に利用することができ、加えて、波長群を一括して変換する波長群ルーチングなどの機能を付加することができる。
【０００５】
また、例えば、制御光Ｂの波長λ１＝１．０６μｍとし、波長λ２＝１．５５μｍの信号光Ａを入力すると、波長λ３＝３．３５μｍの中赤外光を差周波発生によって得ることができる。このような波長変換素子を含む中赤外光のレーザ光源を適用すれば、小型で安価なガスセンサーなどを実現することができる。任意の波長の制御光と信号光とを組み合わせることにより、従来のレーザでは得られない新しい波長のレーザ光源を得ることができ、蛍光顕微鏡などの可視光を使った光学機器の高感度化に著しい効果がある。
【０００６】
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方法は、ニオブ酸リチウム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。
【０００７】
しかしながら、プロトン交換導波路は、表面からのプロトンの拡散によって導波路を形成するために、基板の表面近くに高屈折率層が存在し、基板の深さ方向の導波モードの形状が扁平になることが避けられない。このため、励起光の波長よりも長波長である信号光の光電界の中心位置が、励起光の光電界の中心位置よりも下に位置することになる。その結果、信号光と励起光のモード重なりが悪くなり、高効率な波長変換を達成することに難点があった。
【０００８】
そこで、あらかじめ周期的な分極反転構造を有する第１の基板と第２の基板とを貼り合わせ、第１の基板の厚さを薄くして光導波路を形成するための所定の厚さにする、波長変換素子の製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法は、第１の基板と第２の基板とを、熱処理による拡散接合により、直接貼り合わせることを特徴としている。この方法によって作製された波長変換素子の光導波路は、図２に示したように、リッジ型の構造を有し、ステップ型の屈折率分布を有する。コア２２は、基板２１に接していない３つの側面が空気層に接しており、リッジ型の光導波路（以下、リッジ導波路という）は、コア２２と空気クラッドとから構成される。
【０００９】
このようにステップ型の屈折率分布を有するリッジ導波路は、拡散型の屈折率分布をもつプロトン交換導波路よりも励起光と信号光のモード重なりを改善することができる。一方、高効率の波長変換を達成するためには、導波路幅を狭幅化し、単一モード条件を満足するようなリッジ導波路とする必要があった。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−１４０２１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、図２に示した単一モード化されたリッジ導波路は、以下の生産上の問題点があった。第１に、ダイシングソーを用いて狭幅のリッジ導波路を作製しようとすると、ダイシングソーをサブミクロンの精度で駆動させることが必要となる。従って、意図しないチッピングなどの発生によって、歩留まりが悪化するという問題点があった。
【００１２】
第２に、ドライエッチング法を用いて狭幅の導波路を作製する場合には、ＬｉＮｂＯ３材料とマスクとの選択比が取れないために、厚膜でかつ狭幅のマスクを作製する必要がある。従って、フォトリソグラフィを用いたリフトオフのプロセスにおいて、マスクの形状が崩れやすく歩留まりが悪化するという問題点があった。
【００１３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、単一モード化されたリッジ導波路からなる高効率の波長変換素子および歩留まりの高い波長変換素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、非線形光学結晶からなるコアと、該コアの基板に接していない面が空気層からなるリッジ型の光導波路を有する波長変換素子において、前記コア断面のＬｉの濃度分布は、前記コアの中央部から外周部に向かってなだらかに増加していることを特徴とする。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記コア断面の屈折率分布は、前記コアの中央部から外周部に向かってなだらかに減少していることを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記コアの高さおよび幅は、７ミクロン以上であることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１、２または３に記載の前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有することを特徴とする。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ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。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の前記コアの入力端面に、偏波保持型単一モード光ファイバを光学的に結合したことを特徴とする。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、非線形光学結晶からなるコアと、該コアの基板に接していない面が空気層からなるリッジ型の光導波路を有する波長変換素子の製造方法において、非線形光学結晶からなる第１の基板と第２の基板とを、熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第１の工程と、前記第１の基板を、前記コアを形成するための所定の厚さに研磨する第２の工程と、前記第１の基板を切削して前記コアを形成し、リッジ型の光導波路を作製する第３の工程と、前記コア断面のＬｉの濃度分布が、前記コアの中央部から外周部に向かってなだらかに増加するように、Ｌｉイオンを前記コアに拡散する第４の工程とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明によれば、リッジ型の光導波路のコア断面のＬｉの濃度分布を制御して、単一モード化された高効率の波長変換素子を得ることができる。また、リッジ型の光導波路のモード径を、単一モード光ファイバのモード径に容易に近づけることができるので、歩留まりを高くすることが可能となる。
【００２２】
さらに、本発明によれば、リッジ型の光導波路は、波長変換モジュールの実装において光ファイバとの接続損失を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明は、リッジ導波路のコア断面のＬｉの濃度を拡散によって変化させることにより、ＬｉＮｂＯ３（以下、ＬＮという）、ＬｉＴａＯ３（以下、ＬＴという）などの非線形光学結晶の屈折率を制御し、単一モードのリッジ導波路を作製する。
【００２４】
従来、工業的に用いられているＬＮ基板またはＬＴ基板は、コングルエント組成とよばれている。この組成は、化学定量比からきまるストイキオ組成と比較して、Ｌｉの含有量が減少しているという特徴を有する。このことは、Ｌｉの蒸気圧が高いために単結晶の製造工程においてＬｉが欠損したサイトが結晶中に多数発生するためである。このとき、基板の屈折率の値は、コングルエント組成の方がストイキオ組成よりも大きな値を持つことが知られている。
【００２５】
コングルエント組成からなるＬＮ基板またはＬＴ基板に、外部から過剰なＬｉイオンを供給すると、外部から基板中にＬｉが拡散し、欠損しているＬｉのサイトを充填するので、ストイキオ組成に近づけることができる。すなわち、外部からのＬｉの拡散によってリッジ導波路コアの外周部の屈折率を下げることができる。
【００２６】
図３に、本発明の一実施形態にかかる単一モードのリッジ導波路の構成を示す。基板３１に形成されたコア３２に外部からＬｉを拡散させると、上述したように、コア外周部の屈折率が減少して、新たなコア（屈折率の高い部分３３）が形成される。このような構成により、狭幅化されていないリッジ導波路を用いた場合においても、簡便な方法によって単一モード化することができる。すなわち、従来、リッジ導波路を狭幅化することにより単一モード化していたのに対し、狭幅化の必要がないので、高効率の波長変換素子の作製において歩留まりを向上することができる。
【００２７】
また、コアと空気クラッドとからなる従来のリッジ導波路に比較すると、図３に示したリッジ導波路は、コア３２の外周部、すなわちストイキオ組成に近い組成を有する部分と、コア３２の中央部、すなわち従来のコングルエント組成の部分（屈折率の高い部分３３）との比屈折率差が小さい。従って、単一モード条件を満足するコア径は、従来の狭幅化されたリッジ導波路の場合よりも大きく、かつ通常用いられる単一モード光ファイバに近いモード径を有する。このような構成により、光ファイバとの結合が容易であるという実装上の利点も有している。
【００２８】
ここで、導波路断面のＬｉの濃度を制御する手段として、安息香酸リチウム溶液中にリッジ導波路を浸漬し、加熱することによってＬｉイオンを導波路中に拡散させる方法を用いることができる。また、高温の容器中でＬｉ２Ｏの飽和蒸気に、リッジ導波路を暴露する方法によってもよい。さらに別法として、少なくともＬｉ２Ｏを含有し、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＭｇＯ、ＺｎＯからなる群から選ばれた少なくとも１種が混合された原料粉末を用意する。この原料粉末中にリッジ導波路を配置した坩堝を用意し、坩堝を電気炉中で高温に加熱することにより、Ｌｉイオンを導波路中に拡散させる方法を用いてもよい。
【００２９】
Ｌｉの拡散処理がなされる前のリッジ導波路の幅は、７ミクロン以上の幅であることが望ましい。７ミクロン未満の狭幅の導波路に拡散処理を施しても、Ｌｉの拡散によって誘起される比屈折率差が小さいために、導波路全体がコアとして作用する。従って、７ミクロン未満のリッジ導波路を、単一モード化することは難しい。
【００３０】
以下、本発明の実施例を用いて説明するが、本発明はこれら実施例になんら限定されるものではない。
【実施例１】
【００３１】
図４に、実施例１にかかる単一モードのリッジ導波路の作製方法を示す。第１の基板４１は、予め周期的な分極反転構造が作製されているＺカットＺｎ添加ＬｉＮｂＯ３基板であり、第２の基板４２は、ＺカットＭｇ添加ＬｉＮｂＯ３基板である。基板４１，４２は、いずれも両面が光学研磨されている３インチウエハであり、基板の厚さは３００μｍである。第１の基板４１と第２の基板４２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、基板４１，４２を清浄雰囲気中で重ね合わせる。重ね合わせた基板４１，４２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う（第１の工程）。接着された基板４１，４２はボイドフリーであり、室温に戻したときに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、接着された基板４１，４２の第１の基板４１の厚さが１５μｍになるまで研磨加工を施す。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（第２の工程）。薄膜基板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した後、ドライエッチング装置に基板をセットし、ＣＦ４ガスをエッチングガスとして基板表面をエッチングすることによりコアを形成し、リッジ導波路を作製した（第３の工程）。このようにして、高さ１５μｍ、幅１５μｍのコアを有するリッジ導波路を作製することができる。
【００３３】
次に、安息香酸リチウム粉末を充填した石英容器を用意し、１７０℃に加熱する。溶融した安息香酸リチウム中に、作製したリッジ導波路を１時間浸漬したあと、大気中でアニール（３４０℃）することにより、Ｌｉイオンをリッジ導波路のコア内部に拡散させる（第４の工程）。
【００３４】
図５に、拡散処理を施したリッジ導波路断面の屈折率分布を示す。破線Ａ−Ａ’に沿って測定した屈折率である。点線Ｂは、拡散処理を行う前の屈折率分布を示す。拡散処理を施したことにより、コア外周部の屈折率が減少し、コア中央部におよそ５ミクロン幅のコアに相当する導波路構造が作製される。このようにして作製された単一モードのリッジ導波路を、３インチウエハから短冊状に切りだし、導波路端面を光学研磨することによって長さ６０ｍｍの波長変換素子を作製する。
【００３５】
作製した波長変換素子に波長０．７７μｍの制御光と波長１．５５μｍの信号光を入射したところ、波長１．５３μｍの変換光が得られ、効率は、２０００％／Ｗであった。また、作製した１０本の導波路について測定したところ、１０本の導波路のすべてにおいて２０００％／Ｗ以上の波長変換効率が得られた。本実施形態によれば、従来の狭幅の導波路を作製することによって単一モード化していた場合に較べて、波長変換素子を作製する上で歩留まりが大幅に改善される。
【実施例２】
【００３６】
実施例２は、実施例１と同様に、第１の基板４１として、予め周期的な分極反転構造が作製されているＺカットＺｎ添加ＬｉＮｂＯ３基板を用い、第２の基板４２は、ＺカットＭｇ添加ＬｉＮｂＯ３基板を用いる。基板４１，４２は、いずれも両面が光学研磨されている３インチウエハであり、基板の厚さは５００μｍである。基板４１，４２の基板表面を実施例１と同様の方法によって親水化処理を施し、清浄雰囲気中で重ね合わせる。重ね合わせた基板４１，４２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う（第１の工程）。接着された基板４１，４２はボイドフリーであり、室温に戻したときにクラックなどは発生しなかった。
【００３７】
次に、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板４１，４２の第１の基板４１の厚さが１０μｍになるまで研磨加工を施す。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（第２の工程）。研磨された薄膜基板をダイシングソーにセットし、粒子径が４ミクロン以下のダイアモンドブレードを用いた精密加工により、幅１０ミクロンのコアを有するリッジ導波路を作製する（第３の工程）。
【００３８】
次に、Ｌｉ２Ｏ、Ｎｂ２Ｏ５の粉末が充填された白金坩堝を用意し、白金坩堝中に切り出されたリッジ導波路を配置する。これを電気炉中で１１００℃、１時間加熱処理することにより、導波路中にＬｉイオンを拡散させる（第４の工程）。拡散処理を施したコア断面の屈折率分布を測定すると、実施例１の図５と同様の屈折率分布が得られる。このようにして、コア中央部におよそ５ミクロン幅のコアに相当する導波構造が作製される。作製された単一モードのリッジ導波路の導波路端面を光学研磨することによって長さ６０ｍｍの波長変換素子を作製する。
【００３９】
作製した波長変換素子に２０ｍＷ、波長１．０６μｍの制御光と、２０ｍＷ、波長１．３２μｍの信号光を入射したところ、波長０．５９μｍに和周波発生による黄色の波長変換光１０ｍＷが得られ、効率は、２５００％／Ｗ高効率であった。本実施形態によれば、従来の狭幅の導波路を作製することによって単一モード化していた場合に較べて、波長変換素子を作製する上で歩留まりが大幅に改善される。
【００４０】
図６に、実施例２にかかる波長変換素子を用いた波長変換モジュールの構成を示す。上述のようにして作製した波長変換素子６１をキャリア６２上に固定する。波長変換素子６１の入力側には、偏波保持型単一モード光ファイバ６４を接続する。波長変換素子６１の出力側は、レンズモジュール６３と光学的に結合し、フィルタ６５を介して出射される。キャリア６２をパッケージ６６に封入して波長変換モジュールを作製する。従来の狭幅のリッジ導波路にファイバを接続した場合に較べて、接続損失が減少し、０．３ｄＢの接続損失を達成することができた。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す斜視図である。
【図２】従来の単一モード化されたリッジ型の光導波路の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる単一モードのリッジ導波路の構成を示す断面図である。
【図４】実施例１にかかる単一モードのリッジ導波路の作製方法を示す図である。
【図５】実施例１において拡散処理を施したリッジ導波路断面の屈折率分布を示す図である。
【図６】実施例２にかかる波長変換素子を用いた波長変換モジュールを示す構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１１    合波器
１２    非線形導波路
１３    分波器
２１，３１    基板
２２，３２    コア
３３    屈折率の高い部分
４１    第１の基板
４２    第２の基板
６１    波長変換素子
６２    キャリア
６３    レンズモジュール
６４    偏波保持型単一モード光ファイバ
６５    フィルタ
６６    パッケージ
【図１】
2005128255.tif 000003
【図２】
2005128255.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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