(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期分極反転構造を有する擬似位相整合型波長変換素子に形成されているリッジ構造を有する導波路と光ファイバとを接続する波長変換素子の接続方法であって、
前記波長変換素子を固定するベース基板に凹部を形成し、前記波長変換素子の前記導波路と前記凹部とを対向させ、前記ベース基板を下側に前記波長変換素子を上側にして、前記導波路が前記凹部の底面と接触しないように、前記波長変換素子と前記ベース基板とを接着剤で固定し、前記波長変換素子の前記導波路が形成された面と反対の面に第１のやといを固定し、
基板に形成されたＶ溝に前記光ファイバを把持し、第２のやといを前記基板に固定して前記光ファイバを支持し、
前記導波路の端面、前記ベース基板の端面および前記第１のやといの端面が同一の面上に形成された第１の面と、前記光ファイバの端面、前記基板の端面および前記第２のやといの端面が同一の面上に形成された第２の面とを接合して、前記導波路と前記光ファイバとを光学的に結合することを特徴とする波長変換素子の接続方法。
【請求項２】
前記凹部の深さは、１０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子の接続方法。
【請求項３】
周期分極反転構造を有する擬似位相整合型波長変換素子に形成されているリッジ構造を有する導波路と光ファイバとを接続する波長変換素子の接続方法であって、
前記波長変換素子を固定するベース基板に凹部を形成し、前記波長変換素子の前記導波路が形成された面と反対の面を前記凹部の底面に固定し、前記波長変換素子が前記凹部の側面と接触しないように、前記波長変換素子と前記ベース基板とを固定し、
前記波長変換素子の前記導波路と対向して、第１のやといを前記ベース基板に接着剤で固定することであって、前記第１のやといおよびベース基板を水平に保ち、前記導波路と第１のやといとが接触しないように固定し、
基板に形成されたＶ溝に前記光ファイバを把持し、第２のやといを前記基板に固定して前記光ファイバを支持し、
前記導波路の端面、前記ベース基板の端面および前記第１のやといの端面が同一の面上に形成された第１の面と、前記光ファイバの端面、前記基板の端面および前記第２のやといの端面が同一の面上に形成された第２の面とを接合して、前記導波路と前記光ファイバとを光学的に結合することを特徴とする波長変換素子の接続方法。
【請求項４】
前記凹部の深さは、前記波長変換素子の厚さに１０μｍ以上２００μｍ以下を加えた深さであることを特徴とする請求項３に記載の波長変換素子の接続方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換素子の接続方法に関し、より詳細には、波長変換素子に形成された導波路と光ファイバとを光学的に結合するための波長変換素子の接続方法に関する。
【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、二次非線形光学効果である第二高調波発生、和周波発生、差周波発生を利用した波長変換素子等が知られている（例えば、特許文献１参照）。この中で、ニオブ酸リチウムを用いた擬似位相整合型波長変換素子（以下、ＱＰＭ−ＬＮ素子という）は、ＱＰＭ−ＬＮ素子に入力する１つまたは２つの波長の入射光の組み合わせと、周期的な分極反転構造の周期を変化させることによって、任意の波長の変換光を取り出すことができる。ＱＰＭ−ＬＮ素子を用いた光源により、可視光領域または中赤外領域におけるレーザ光源の実用化が期待されている。
【０００３】
ＱＰＭ−ＬＮ素子を用いた光源のモジュール化のためには、１つまたは２つの半導体レーザの出力する励起光を、光ファイバを介してＱＰＭ−ＬＮ素子の導波路に入射することが必要である。そこで、半導体レーザが１つの場合は、出力用のファイバピグテイルを有する半導体レーザを用意し、ファイバピグテイルをＱＰＭ−ＬＮ素子の導波路に接続する。半導体レーザが２つの場合は、入出力用の光ファイバを備えた波長合分波器により、２つの励起光を合波して、ＱＰＭ−ＬＮ素子の導波路に接続する。それぞれ、光ファイバと導波路との接続は、レンズを用いた光学系により、光学的に結合していた。
【０００４】
例えば、波長２μｍ帯である中赤外光を発生するためには、波長１．５μｍの半導体レーザと波長０．９４μｍの半導体レーザとから出力された励起光を、波長合波器を用いて合波して、ＱＰＭ−ＬＮ素子の導波路に入射する。ＱＰＭ−ＬＮ素子の差周波発生によって得られた変換光を取り出すことにより、中赤外光を出力する。
【０００５】
【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】
【０００６】
しかしながら、レンズを用いた光学系の光回路は、レンズ部品、レンズ部品をＹＡＧ溶接するためのホルダ、金属フェルールなどの部品点数が多く、モジュール化のための作業工程が煩雑であるという問題があった。また、レンズ部品等の個々の部品の値段が高く、モジュールの低価格化が難しいという問題もあった。
【０００７】
また、ＱＰＭ−ＬＮ素子のリッジ構造を有する導波路は、中赤外光が導波路外にもしみだして伝播するので、光ファイバと導波路との接続部において、導波路周囲に接着剤などが付着すると、減衰してしまうという問題もあった。
【０００８】
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、結合部における損失を低減し、簡便な構造で接続が容易な波長変換素子の接続方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、周期分極反転構造を有する擬似位相整合型波長変換素子に形成されているリッジ構造を有する導波路と光ファイバとを接続する波長変換素子の接続方法であって、前記波長変換素子を固定するベース基板に凹部を形成し、前記波長変換素子の前記導波路と前記凹部とを対向させ、前記ベース基板を下側に前記波長変換素子を上側にして、前記導波路が前記凹部の底面と接触しないように、前記波長変換素子と前記ベース基板とを接着剤で固定し、前記波長変換素子の前記導波路が形成された面と反対の面に第１のやといを固定し、基板に形成されたＶ溝に前記光ファイバを把持し、第２のやといを前記基板に固定して前記光ファイバを支持し、前記導波路の端面、前記ベース基板の端面および前記第１のやといの端面が同一の面上に形成された第１の面と、前記光ファイバの端面、前記基板の端面および前記第２のやといの端面が同一の面上に形成された第２の面とを接合して、前記導波路と前記光ファイバとを光学的に結合することを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記凹部の深さは、１０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、周期分極反転構造を有する擬似位相整合型波長変換素子に形成されているリッジ構造を有する導波路と光ファイバとを接続する波長変換素子の接続方法であって、前記波長変換素子を固定するベース基板に凹部を形成し、前記波長変換素子の前記導波路が形成された面と反対の面を前記凹部の底面に固定し、前記波長変換素子が前記凹部の側面と接触しないように、前記波長変換素子と前記ベース基板とを固定し、前記波長変換素子の前記導波路と対向して、第１のやといを前記ベース基板に接着剤で固定することであって、前記第１のやといおよびベース基板を水平に保ち、前記導波路と第１のやといとが接触しないように固定し、基板に形成されたＶ溝に前記光ファイバを把持し、第２のやといを前記基板に固定して前記光ファイバを支持し、前記導波路の端面、前記ベース基板の端面および前記第１のやといの端面が同一の面上に形成された第１の面と、前記光ファイバの端面、前記基板の端面および前記第２のやといの端面が同一の面上に形成された第２の面とを接合して、前記導波路と前記光ファイバとを光学的に結合することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の前記凹部の深さは、前記波長変換素子の厚さに１０μｍ以上２００μｍ以下を加えた深さであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、導波路の周囲に空隙を設けたので、結合部における損失を低減することができ、導波路と光ファイバとを光学的に直接結合するので、簡便な構造で接続することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【実施例１】
【００１６】
図１に、本発明の実施例１にかかる波長変換素子の接続方法を示す。図１（ａ）は、波長変換素子１５と光ファイバ１４が固定された光ファイバ固定部材１１とを側面から見た図であり、図１（ｂ）は、上面から見た図である。図２に、光ファイバ固定部材１１の断面を示す。光ファイバ固定部材１１は、深さ１７５μｍのＶ溝２１が形成された、石英またはパイレックス（登録商標）製の基板１２と、やとい１３とにより構成されている。Ｖ溝２１には、外径１２５μｍの光ファイバ１４が把持され、接着剤によって固定され、基板１２上部には、やとい１３が接着剤によって固定されている。Ｖ溝２１両側の斜面とやとい１３の底面とにより形成される三角形の中に、円形の光ファイバ１４が３点で支持されるように固定されている。
【００１７】
図３に、波長変換素子１５の断面を示す。波長変換素子１５は、ベース基板１６上に、ＱＰＭ−ＬＮ素子２２が接着剤によって固定されており、その上部には、やとい１７が接着剤によって固定されている。ＱＰＭ−ＬＮ素子２２の導波路２３は、リッジ構造を有している。やとい１３，１７は、波長変換素子１６と光ファイバ固定部材１１との接合面積を大きくするための部材である。
【００１８】
図１（ｂ）を参照して、接続部の詳細を示す。なお、図１（ｂ）においては、やとい１３，１７を省略している。波長変換素子１５の端面は、斜め１２度にカットして研磨されている。相対する光ファイバ固定部材１１の端面は斜め１８度に研磨されている。これは、ＱＰＭ−ＬＮ素子２２の屈折率が２．１であるのに対して、石英ガラスの屈折率が１．４８であり、スネルの法則で満足される光の伝播方向に導波路の向きを一致させるためである。
【００１９】
導波路端面を斜めにカットすることにより、端面での反射戻り光を少なくすることができる。垂直にカットされている場合、石英ガラスの屈折率を１．５とすると、フレネル反射によって光ファイバ１４の端面から４％（１４ｄＢ）の反射戻り光が発生する。４０ｄＢ以上の反射減衰量を得るためには、８度より大きい角度で、端面を斜めにカットする必要がある。
【００２０】
図３を参照して、波長変換素子１５の構造を説明する。ＱＰＭ−ＬＮ素子２２は、導波路２３が形成された面と、ザグリ加工が施されたベース基板１６とを対向させ、ＱＰＭ−ＬＮ素子２２の端部とベース基板１６とが接着剤によって固定されている。導波路２３はリッジ構造を有するので、導波路２３を伝播する中赤外光は、導波路外にもしみだして伝播する。このとき、導波路２３の周りに有機物あるいは接着剤が存在すると、しみだした中赤外光の光電界が接着剤により吸収され、減衰してしまう。従って、ＱＰＭ−ＬＮ素子２２の導波路２３上部には、接着剤が流れ込んではならない。
【００２１】
そこで、ベース基板１６にザグリ加工を施して、ＱＰＭ−ＬＮ素子２２とベース基板１６とを接合する接着剤が漏れ出しても、ザグリ加工されたベース基板凹部２４に流し込むことにより、導波路２３に影響を与えないようにする。ベース基板凹部２４の深さは、１０μｍ以上、１００μｍ以下であることが望ましい。深さを１０μｍ以下とすると、ＱＰＭ−ＬＮ素子２２を固定したときに、確実にベース基板１６との間に空隙を維持するのが難しい。また、深さ１００μｍ以上とすると、導波路端面を研磨するときに導波路にかけが発生する可能性がある。好ましくは深さ５０μｍのベース基板凹部２４を形成することが好適である。また、ベース基板凹部２４には、乾燥空気、希ガス、乾燥窒素などの中赤外域に吸収を持たないガスを充填することが望ましい。
【実施例２】
【００２２】
図４に、本発明の実施例２にかかる波長変換素子の構成を示す。ＱＰＭ−ＬＮ素子３４は、導波路３５が形成された面と、やとい３３とを対向させ、ザグリ加工が施されたベース基板３２に接着剤によって固定されている。導波路３５の周りに接着剤が流れ込まないように、ベース基板凹部３６を形成する。ベース基板凹部３６の深さは、ＱＰＭ−ＬＮ素子３４の高さよりも高いことが望ましく、ＱＰＭ−ＬＮ素子３４の厚さに１０μｍから２００μｍを加えた深さであることが望ましい。１０μｍを加えただけでは、ＱＰＭ−ＬＮ素子３４とやとい３３とが接触する恐れがある。また、２００μｍ以上加えると、導波路端面を研磨するときに導波路にかけが発生する可能性がある。好ましくはＱＰＭ−ＬＮ素子３４の厚さに５０μｍを加えた深さのベース基板凹部３６を形成することが好適である。また、ベース基板凹部３６には、乾燥空気、希ガス、乾燥窒素などの中赤外域に吸収を持たないガスを充填することが望ましい。
【００２３】
なお、実施例２では、ベース基板３２にベース基板凹部３６を形成したが、やとい３３に凹部を形成し、ＱＰＭ−ＬＮ素子３４の導波路３５をやとい３３と対向させて固定してもよい。
【００２４】
ベース基板３２またはやとい３３に用いる部材は、熱膨張係数がＬＮの値１７×１０−６（１／Ｋ）に近い部材が、接着応力を少なくする意味で望ましい。熱膨張係数が極端に異なる場合、例えば、石英ガラス（熱膨張係数＜１０×１０−７）を用いた場合、接着後の温度上昇または冷却によって導波路に熱ひずみが発生し、最悪の場合には、導波路が破損する恐れがある。ＬＮ基板を用いることがもっとも望ましいが、タンタル酸リチウム（以下、ＬＴという）基板（熱膨張係数１５×１０−６）、または多成分ガラス（例えば、住田光学ＰＦＫ８５、ＰＦＫ７５ガラス）などを用いることができる。
【００２５】
ベース基板３２の厚さは、ＱＰＭ−ＬＮ素子３４の厚さに４００μｍ以上加えた厚さであることが望ましい。ザグリ加工したベース基板凹部３６の部分の基板厚が４００μｍ以下であると、部材の強度が十分でなく、端面研磨の研磨冶具に固定するさいに破損する恐れがある。また、ＱＰＭ−ＬＮ素子３４の厚さに２ｍｍ以上加えた厚さとすると、部材の熱伝導が悪くなり、ＱＰＭ−ＬＮ素子３４の温度制御が難しくなる。ＱＰＭ−ＬＮ素子３４の厚さが５００μｍである場合は、ベース基板３２の厚さは、１．０ｍｍから１．５ｍｍとすることが望ましい。
【実施例３】
【００２６】
図５に、実施例３にかかるＱＰＭ−ＬＮ素子の製造方法を示す。実施例３おいては、ＺｎドープＬｉＮｂＯ３を用いてリッジ導波路型のＱＰＭ−ＬＮ素子２２，３４を作製する。最初に、予め周期分極反転構造が作製されているＺカットＺｎドープＬｉＮｂＯ３基板４１と、ＺカットＭｇドープＬｉＮｂＯ３基板４２とを用意する。基板４１，４２は、いずれも両面が光学研磨されてある３インチウエハであり、厚さは５００μｍである。
【００２７】
基板４１，４２の表面を通常の酸洗浄またはアルカリ洗浄によって親水性にした後、２つの基板を清浄雰囲気中で重ね合わせる。重ね合わせた基板を電気炉に入れ、５００℃で３時間熱処理することにより接合を行う（第１の工程）。接合された基板はボイドフリーであり、室温に戻してもクラックなどは発生しない。次に、グラインダなどの研削装置および研磨装置を用いて、基板４１の厚さが８μｍになるまで薄膜化する。基板４１の研磨加工の後に、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）。
【００２８】
次に、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、コア幅７μｍのリッジ導波路を作製する（第３の工程）。ダイシング加工によって形成された溝４３ａ，４３ｂは、深さは２０μｍ程度である。溝４３ａ，４３ｂの深さは、コアの膜厚、すなわち１１μｍよりも深いことが望ましい。コアの膜厚よりも浅い場合には、導波路進行方向の溝加工深さのわずかな変動により、導波路の等価屈折率が変化するので、発生する位相整合条件のずれによって変換効率が劣化するからである。好適な溝４３ａ，４３ｂの深さは、コアの膜厚の２倍程度から４０μｍ以下である。４０μｍを超えて深く加工することは、導波路自体の機械的強度が劣化するので好ましくない。作製された基板を短冊状に切りだし、導波路端面を光学研磨することにより、長さ５０ｍｍのＱＰＭ−ＬＮ素子２２，３４が得られる。
【００２９】
なお、予め周期分極反転構造が作製されているＺカットＺｎドープＬｉＮｂＯ３基板４１と、ＬＴ基板とを用いてもよい。また、ノンドープＬｉＮｂＯ３基板とＬＴ基板とを用いてもよいし、ＺカットＭｇドープＬｉＮｂＯ３基板とＬＴ基板とを組み合わせても、ＱＰＭ−ＬＮ素子２２，３４を作製することができる。
【００３０】
基板の厚さは、５００μｍに限らず、厚さ２００μｍ以上１ｍｍ以下の基板を用いることができる。基板厚さが２００μｍ以下の場合には、基板自体のソリによって接合時に接合界面にボイドが発生する恐れがある。また、１ｍｍより厚い基板を用いた場合には、基板自体の材料費が高くなり、製造原価を押し上げる原因となる。
【００３１】
実施例３で作製したＱＰＭ−ＬＮ素子３４を用いて、実施例２の波長変換素子３１を作製する。ＰＦＫ８５ガラスからなるベース基板３２にザグリ加工を施したベース基板凹部３６を形成する。ＱＰＭ−ＬＮ素子３４の厚さは５００μｍであり、ベース基板凹部３６の深さは５５０μｍである。ＱＰＭ−ＬＮ素子３４を、ベース基板凹部３６にＵＶ効果樹脂を用いて接着固定する。次に、やとい３３とベース基板３２とを、ＵＶ効果樹脂を用いて接着固定する。波長変換素子３１の端面を斜め１２度にカットし、光学研磨する。このとき、ＱＰＭ−ＬＮ素子３４の導波路３５にカケなどは発生しない。なお、導波路３５のカケを防止するために、ＵＶ接着剤を用いて、端面から１ｍｍ程度の長さまで導波路３５の上部を埋め込んでから研磨することもできる。
【００３２】
実施例１に示した光ファイバ１４が固定された光ファイバ固定部材１１を用意し、光ファイバ１４に波長１．５μｍの光を入力し、調芯を行った後、接続損失が最小になる位置で波長変換素子３１と光ファイバ固定部材１１とを接着固定する。光ファイバカプラを用いて波長１．５４μｍの光と波長０．９４μｍの光とを合波し、光ファイバ１４に入力したところ５０％／Ｗの効率で波長２．４μｍの中赤外光を得ることができる。
【実施例４】
【００３３】
実施例３で作製したＱＰＭ−ＬＮ素子２２を用いて、実施例１の波長変換素子１５を作製する。ＬＴ基板である、ベース基板１６にザグリ加工を施して、深さ５０μｍのベース基板凹部２４を形成する。ＱＰＭ−ＬＮ素子２２の導波路２３が形成された面と、ベース基板凹部２４とが相対するように配置して、ＱＰＭ−ＬＮ素子２２の端部とベース基板１６とをＵＶ効果樹脂によって固定する。次に、やとい１７とＱＰＭ−ＬＮ素子２２とを、ＵＶ効果樹脂を用いて接着固定する。波長変換素子１５の端面を斜め１２度にカットし、光学研磨する。このとき、ＱＰＭ−ＬＮ素子２２の導波路２３にカケなどは発生しない。なお、導波路２３のカケを防止するために、ＵＶ接着剤を用いて、端面から１ｍｍ程度の長さまで導波路２３の上部を埋め込んでから研磨することもできる。
【００３４】
実施例１に示した光ファイバ１４が固定された光ファイバ固定部材１１を用意し、光ファイバ１４に波長１．５μｍの光を入力し、調芯を行った後、接続損失が最小になる位置で波長変換素子３１と光ファイバ固定部材１１とを接着固定する。光ファイバカプラを用いて波長１．５４μｍの光と波長０．９４μｍの光とを合波し、光ファイバ１４に入力したところ５０％／Ｗの効率で波長２．４μｍの中赤外光を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例１にかかる波長変換素子の接続方法を示す構成図である。
【図２】光ファイバ固定部材の構成を示す断面図である。
【図３】波長変換素子の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の実施例２にかかる波長変換素子の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例３にかかるＱＰＭ−ＬＮ素子の製造方法を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１１  光ファイバ固定部材
１２  基板
１３，１７，３３  やとい
１４  光ファイバ
１５，３１  波長変換素子
１６，３２  ベース基板
２１  Ｖ溝
２２，３４  ＱＰＭ−ＬＮ素子
２３，３５  導波路
【図１】
0004471911.tif 000002
【図２】
0004471911.tif 000003
【図３】
0004471911.tif 000004
【図４】
0004471911.tif 000005
【図５】
0004471911.tif 000006