(57)【要約】【課題】光ファイバアンプやパルスレーザを使用することなく、波長5μｍ〜10μｍの中赤外、遠赤外光を高出力かつ狭いスペクトル線幅で可変発振させる。【解決手段】ポンプ光からポンプ光よりも長波長の波長５〜１０μｍのアイドラー光を発振する波長変換素子を提供する。波長変換素子は、非線形半導体光学結晶からなる厚さ５０μｍ以下の波長変換層５であって、一定周期で結晶方位が反転する結晶方位反転構造を有しており、かつ少なくとも一つの平坦な主面５ｂを有している波長変換層５、波長変換層５の温度を制御するペルチェ素子２、および波長変換層の平坦な主面５ｂと接合されており、かつ波長変換層とペルチェ素子との間に設けられているクラッド部４を備える。ポンプ光、アイドラー光および信号光が位相整合条件を満足している。【選択図】                                  図３
2013127545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ光からポンプ光よりも長波長の波長５〜１０μｍのアイドラー光を発振する波長変換素子であって、
半導体非線形光学結晶からなる厚さ５０μｍ以下の波長変換層であって、一定周期で結晶方位が反転する結晶方位反転構造を有しており、かつ少なくとも一つの平坦な主面を有している波長変換層、
前記波長変換層の温度を制御するペルチェ素子、および
前記波長変換層の前記平坦な主面と接合されており、かつ前記波長変換層と前記ペルチェ素子との間に設けられているクラッド部
を備えており、前記ポンプ光、前記アイドラー光および信号光が下記式（１）の位相整合条件を満足しており、式（１）において、ｎｐは、前記ポンプ光に対する前記波長変換層の屈折率であり、λｐは、前記ポンプ光の波長であり、ｎｓは、信号光に対する前記波長変換層の屈折率であり、λｓは、前記信号光の波長であり、ｎｉは、前記アイドラー光に対する前記波長変換層の屈折率であり、λｉは、前記アイドラー光の波長であり、Λは、前記結晶方位の反転周期であることを特徴とする、波長変換素子
（ｎｐ／λｐ）＝（ｎｓ／λｓ）＋（ｎｉ／λｉ）＋（1/Λ）・・・（１）
【請求項２】
前記半導体非線形光学結晶が、GaAs、ZnSe、GaP、InPおよびInSbからなる群より選ばれていることを特徴とする、請求項１記載の素子。
【請求項３】
支持基板、および前記波長変換層と前記支持基板とを接着する接着層を備えており、前記接着層が前記クラッド部であることを特徴とする、請求項１または２記載の素子。
【請求項４】
前記半導体非線形光学結晶の熱膨張率に対する前記支持基板の材質の熱膨張率の比率が５０〜１５０％であり、前記支持基板の材質が、ガラス、半導体またはセラミックス基板であることを特徴とする、請求項３記載の素子。
【請求項５】
前記クラッド部が前記波長変換層に直接接合されており、前記半導体非線形光学結晶よりも屈折率の低い材質からなる基板であることを特徴とする、請求項１または２記載の素子。
【請求項６】
前記波長変換層にリッジ導波路が形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の素子。
【請求項７】
前記ペルチェ素子によって前記波長変換層の温度を制御することによって、前記アイドラー光の波長を制御することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の素子。
【請求項８】
前記ポンプ光を前記波長変換層に入射させ、前記アイドラー光および前記信号光をパラメトリック発振させることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載の素子。
【請求項９】
前記ポンプ光および前記信号光を前記波長変換層に入射させ、前記アイドラー光を差周波発振させることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載の素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一つの請求項に記載の波長変換素子、および前記ポンプ光を発振する分布帰還形レーザを備えていることを特徴とする、赤外光発振光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体波長変換素子および赤外光発振光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波長５〜１０μｍ帯の中赤外線、遠赤外線は、各種ガスや生体細胞の強い吸収スペクトルが存在することから、赤外分光などによる計測、分析応用で注目されている。しかし、赤外分光を行うには、ガス等の吸収スペクトルの周辺波長をスキャンさせる必要があり、５GHｚ以下のスペクトル線幅の狭い、波長可変可能な光源が必要である。
【０００３】
半導体レーザは、近赤外分光ではガス分析などで広く応用されているが、波長３μｍ前後までであり、中赤外、遠赤外には対応できない。
【０００４】
量子カスケードレーザは、中赤外〜テラヘルツ波領域まで発振可能で応用が期待されているが、波長可変が困難であり分光用途での利用は難しい。
【０００５】
一方、波長変換方式は、LNなどの擬似位相整合（ＱＰＭ）を利用した素子を用いて、差周波発振やパラメトリック発振により、近赤外から中赤外領域に波長変換可能である。しかし、材料中での赤外光の吸収により、４．５μｍ以上の波長変換は困難である。
【０００６】
これに対し、GaAsやZnSeなどの半導体は１μｍから１０μｍまで透過する。また、非特許文献１記載のように、結晶成長により結晶方位を反転させたQPM素子（ＯＰ−ＧａＡｓ：Orientation Patterned GaAs）を製造することが可能である。
【０００７】
次に、上記したOP-GaAsの位相整合特性を図１に示す。コヒーレンス長の２倍が反転周期Λである。波長１μｍ〜４μｍのポンプ光に対して、反転周期Λを最適設計することにより、波長２μｍから１０μｍの赤外光に変換することが可能であることがわかる。ただし、図１に示した式において、ｎｐは、ポンプ光に対するOP-GaAsの屈折率であり、λｐは、ポンプ光の波長であり、ｎｓは、信号光に対するOP-GaAsの屈折率であり、λｓは信号光の波長であり、ｎｉは、アイドラー光に対するOP-GaAsの屈折率であり、λｉは、アイドラー光の波長である。
【０００８】
こうした素子のアイドラー光発生方式は二つある。一つは、バルク型OP-GaAs素子に対してポンプ光とシグナル光とを入射させ、アイドラー光を射出させるものである。しかし、変換効率が低く、入射光の入射強度を高くする必要があることから、ポンプ光とシグナル光とを共にＣＷ光として入射させ、光ファイバアンプにより増幅する必要がある。
【０００９】
また、バルク型OP-GaAs素子に対してポンプ光を入射させ、アイドラー光とシグナル光とをパラメトリック発振させるものがある（非特許文献２）。しかし、変換効率が低く、入射光の入射強度を高くする必要があることから、ポンプ光としてパルスレーザを使用し、ピーク強度を高くし、変換効率を高めている。
【００１０】
非特許文献２には、典型的なOP-GaAs素子の導波路構造が記載されている。こうした半導体素子の場合、光導波路はリッジ型である。例えば図2に示すように、横方向はリッジ形状により光を閉じ込めている。また、リッジ導波路の深さ方向について、Alの混晶比を変えることでコアを形成し、またコアの上下にそれぞれクラッド層を形成することで、深さ方向の光の閉じ込めを実現している。例えば、深さ方向はAl67％のコアを形成する。
【００１１】
一方、QPM構造を有したGaAs素子では、例えば厚み５００μｍのバルク素子が知られている（特許文献１）。  
また、非特許文献３には、スタンフォード大学による赤外発振装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】US 6273949
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】L. A. Eyres, et.al., “All-epitaxial fabricationof thick, orientation-patterned GaAs films for nonlinear optical frequencyconversion”,Appl. Phys. Lett., Vol. 79, No. 7, 13 August 2001
【非特許文献２】Xiaojun Yu, “MBE GROWTH OF III-VMATERIALS WITH ORIENTATION-PATTERNED STRUCTURES FOR NONLINEAR OPTICS”, A DISSERTATION SUBMITTED TO THEDEPARTMENT OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING AND THE COMMITTEE ON GRADUATESTUDIES OF STANFORD UNIVERSITY,IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTSFOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY,  March 2006
【非特許文献３】Thierry Jacques Pinguet, “ORIENTATION-PATTERNED GALLIUM ARSENIDE FORQUASI-PHASEMATCHED INFRARED NONLINEAR OPTICS”,  ADISSERTATION SUBMITTED TO THE DEPARTMENT OF APPLIED PHYSICS AND THE COMMITTEEON GRADUATE STUDIES OF STANFORD UNIVERSITY IN PARTIAL FULFILLMENT OF THEREQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY, March 2002
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、半導体プロセスによってリッジ型光導波路をQPM形成した後に、導波路形成すると、コア部に凹凸ができる。このため、伝搬損失が不可避的に大きくなっていた。このように、OP-GaAsは中、遠赤外用波長変換素子として高いポテンシャルをもっているが、上述のように、低損失の光導波路を形成することが困難であり、高い変換効率を得るには、入力光のパワー強度を上げるため、光ファイバアンプやナノ秒以下のパルスレーザを使用するしかない。
【００１５】
一方、ＧａＡｓを利用した厚板からなるバルク素子の場合には、たとえば厚み５００μｍのバルク素子が使用される。このとき、ポンプ光はレンズで集光しバルク中で１００〜２００μｍのスポットサイズとなっている。したがって、波長5μｍ以上のアイドラー光を発生させた場合、スポットサイズは約2倍以上となり、２００μｍ以上となる。波長チューニングする場合、温度は素子の結露を防止するために２０℃〜１５０℃の範囲で制御する。
【００１６】
本発明者は、GaAsなどの半導体波長変換素子を用い、位相整合波長を温度制御によって可変させることを試みた。しかし、この結果、スペクトル線幅が広がり、出力が低下するという問題が生じた。実際に、スポットサイズ内の温度分布が０．４℃以上であると、波長変換されたアイドラー光のスペクトル線幅は５ＧＨｚを超えてしまうことがわかった。
【００１７】
本発明の課題は、光ファイバアンプやパルスレーザを使用することなく、波長5μｍ〜10μｍの範囲内にある中赤外、遠赤外光を高出力かつ狭いスペクトル線幅で可変発振させることのできる、波長変換構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、ポンプ光からポンプ光よりも長波長の波長５〜１０μｍのアイドラー光を発振する波長変換素子を提供する。波長変換素子は、
非線形半導体光学結晶からなる厚さ５０μｍ以下の波長変換層であって、一定周期で結晶方位が反転する結晶方位反転構造を有しており、かつ少なくとも一つの平坦な主面を有している波長変換層、
波長変換層の温度を制御するペルチェ素子、および
波長変換層の前記平坦な主面と接合されており、かつ波長変換層とペルチェ素子との間に設けられているクラッド部
を備えている。ポンプ光、アイドラー光および信号光が下記式（１）の位相整合条件を満足している。式（１）において、ｎｐは、ポンプ光に対する波長変換層の屈折率であり、λｐは、ポンプ光の波長であり、ｎｓは、信号光に対する波長変換層の屈折率であり、λｓは信号光の波長であり、ｎｉは、アイドラー光に対する波長変換層の屈折率であり、λｉは、アイドラー光の波長であり、Λは、結晶方位の反転周期である。
（ｎｐ／λｐ）＝（ｎｓ／λｓ）＋（ｎｉ／λｉ）＋（1/Λ）・・・（１）
【発明の効果】
【００１９】
上述したように、ＧａＡｓ等の半導体からなるバルク素子を利用した波長変換素子は、導波路コアを平坦に形成できるので、出力を高くできるポテンシャルを有している。しかし、ＧａＡｓのバルク素子の温度を制御することで波長可変とした構造に適用すると、スペクトル線幅の増大と出力低下が生じたため、産業上の利用は困難であった。
【００２０】
本発明者は、ＧａＡｓのバルク素子の温度を制御することで波長可変とした構造について、スペクトル線幅の増大と出力低下が生じた原因について検討した。こうした検討は、これまで行われてこなかった。
【００２１】
ＧｓＡｓバルク素子から出射するアイドラー光の位相整合波長は温度に敏感であり、５ｎｍ／℃の温度特性をもつ。しかし、バルク素子の温度制御は精密に行われているので、位相整合波長の誤差は小さいと考えられた。しかし、現実には、スペクトル線幅の増大が生じていた。この原因についてさらに検討をする過程で、バルク素子の底面に設置したペルチェ素子の温度を変化させたときに、バルク素子内で温度分布が生じていることを見いだした。特にパルク素子内の厚み方向で温度分布があると、発生するアイドラー光の位相整合波長が厚み方向で僅かながら異なってくる。この結果として、スペクトル線幅が広がり、出力が低下するものと考えられた。
【００２２】
この問題の対策として、非線形光学半導体結晶の基板の厚みを５０μｍ以下に薄くして厚み方向の温度分布を小さくすることを試みた。すなわち、温度制御に使用するペルチェ素子の上に厚さ５０μｍ以下の半導体薄板を設置し、ポンプ光を入力することを試みた。しかし、アイドラー光の基板厚み方向のスポットサイズが基板厚と同程度になることから、光がペルチェ素子の金属板で吸収されてしまい、光の伝搬損失が大きくなることを見いだした。
【００２３】
このため本発明者は、非線形半導体光学結晶を用いた波長変換素子において、ペルチェ素子を用いて温度制御することでアイドラー光を波長可変とする構造において、波長変換層の厚さを５０μｍ以下とすると共に、ペルチェ素子と波長変換素子との間にクラッドの機能をもつ層を設けることで、ペルチェ素子への光の吸収を防止することを試みた。この結果、光の伝搬損失の低下は防止され、かつスペクトル線幅の増大も生じないことを見いだし、本発明に到達するに至った。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】ＯＰ−ＧａＡｓについて、各光の位相整合波長を示すグラフである。
【図２】半導体プロセスによってコアを形成した波長変換素子を示す模式図である。
【図３】本発明の波長変換素子１を模式的に示す斜視図である。
【図４】図３の波長変換素子１を模式的に示す正面図である。
【図５】他の実施形態に係る波長変換素子１Ａを模式的に示す正面図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、赤外光発振光源を示す模式図である。
【図７】実施例において波長変換層の作製に使用する基板材料１２の面方位を示す図である。
【図８】信号光およびアイドラー光と温度との関係を示すグラフである。
【図９】実施例で用いた発光装置の構成例である。
【図１０】ＱＰＭのピッチと信号光、アイドラー光との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図３、図４は、本発明の一実施形態に係る波長変換素子１を示すものである。
ペルチェ素子２は制御装置９によって駆動され、その温度制御面２ａにおける温度を精密に制御することができる。ペルチェ素子の構成は周知であるので、説明を省略する。ペルチェ素子の底面２ｂは、図示しない基板の上に設置することができる。ペルチェ素子の温度制御面は、金属などの熱伝導性の良い材質からなっている。
【００２６】
本例では、ペルチェ素子２の温度制御面２ａ上に、支持基板３を設置している。支持基板３の底面２ｂはペルチェ素子２の温度制御面２ａに設置され、支持基板３の接着面３ａに対して接着層４を介して波長変換層５の主面５ｂが接着されている。主面５ｂは平坦面とする。波長変換層５の上面５ａ側にはリッジ溝６が形成されており、その間にリッジ型導波路７が形成されている。また、波長変換層には結晶方位反転構造が形成されており、リッジ型光導波路の伝搬方向に見たときの反転周期がΛである。
【００２７】
図５は、本発明の他の実施形態に係る波長変換素子１Ａを示すものである。
ペルチェ素子２は制御装置９によって駆動され、その温度制御面２ａにおける温度を精密に制御することができる。
【００２８】
本例では、ペルチェ素子２の温度制御面２ａ上にクラッド基板１０の底面１０ｂが設置され、クラッド基板１０の上面１０ａ上に波長変換層５が直接接合されている。クラッド基板１0の屈折率は波長変換層の材質の屈折率よりも低くする。波長変換層の構成は図3、図4のものと同じである。
【００２９】
図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、赤外光発振装置を示す模式図である。
図６（ａ）の例では、シングルパス（ＯＰＧ）型の発振装置を示す。ポンプ光の光源２０から矢印のようにポンプ光λｐを発振し、素子に入射させる。本例ではパラメトリック発振によってアイドラー光λｉとシグナル光λｓとを発振させる。光フィルタ２１を用いることでシグナル光をカットし、目的とするアイドラー光λｉを透過させ、光源として利用する。
【００３０】
図６（ｂ）の例では、共振器（ＯＰＯ型）の発振装置を示す。ポンプ光の光源２０から矢印のようにポンプ光λｐを発振し、素子に入射させる。本例ではパラメトリック発振によってアイドラー光λｉとシグナル光λｓとを発振させる。一対の共振器ミラー１１を利用することで、目的とするアイドラー光λｉを透過させ、光源として利用する。
【００３１】
ポンプ光とは、結晶方位反転構造においてアイドラー光を発振させるための主要なエネルギー源である。ポンプ光の波長は、位相整合条件によって決定され、位相整合条件は、目的とするアイドラー光の波長およびシグナル光の波長、波長変換層の温度によって決定されるものである。
【００３２】
前述したスペクトル線幅とは、ポンプ光の線幅とシグナル光の線幅との合計値である。しかしながら、実際には、ＱＰＭ位相整合波長特性（許容幅）と光源由来のスペクトル線幅の積になるので、上記スペクトル線幅よりも小さくなる。したがって、ポンプ光、シグナル光の線幅が５ＧＨｚ以下の光源を使用すれば、仕様の１０ＧＨｚ以下は達成できる。具体的には、ＤＦＢレーザやＦＢＧなど外部共振器型のレーザを使用することが好ましい。
【００３３】
波長変換層を構成する非線形半導体光学結晶は、半導体からなり、かつ非線形光学特性を有する結晶である。これは単結晶が好ましい。また、
非線形光学結晶は、具体的には、
非線形光学定数が30pm/V以上で、透過波長が少なくとも波長５μｍから１０μｍであることが好ましく、GaAs、ZnSe、GaP、InPおよびInSbからなる群より選ばれた一種以上のものが更に好ましい。
【００３４】
波長変換層の厚さを５０μｍ以下とすることによって、発振するアイドラー光の波長を温度制御によって可変させることができ、かつそのときのスペクトル線幅を小さくできる。この観点からは、波長変換層の厚さを３０μｍ以下とすることが更に好ましく、２０μｍ以下とすることが最も好ましい。また、本発明の観点からは波長変換層の厚さの下限は特にないが、アイドラー光の出力を増大させるという観点からは、３μｍ以上が好ましい。
【００３５】
波長変換層には、一定周期で結晶方位が反転する結晶方位反転構造を設ける。例えば図７の基板材料では、半導体基板材料１２に一定周期で結晶方位の反転した部分１３ａと１3ｂとが交互に設けられている。好ましくは、こうした基板材料１２の主面を研磨加工することによって、波長変換層を設ける。
【００３６】
波長変換層５の主面５ｂ側は平坦面となっており、平坦面５ｂが、クラッドとして機能する接着層やクラッド基板に対して接合されている。こうした構造であれば、半導体プロセスで結晶方位反転構造およびコアを形成する素子と異なり、結晶方位の反転に起因する段差がコアに残留しない。従って、基本的にアイドラー光の発振効率を高くすることが可能な構造である。
【００３７】
波長変換層の平坦な主面は、図７に示すような材料１２を研磨加工、研削加工などの機械加工することによって形成することができる。この場合、平坦面とは、中心線平均表面粗さＲａが１００オングストローム以下の面が好ましい。また、主面の前面にわたって平坦であって凹凸がないことが好ましいが、部分的に凹部および／または突起を設けることは許容され、凹部や突起以外が平坦面であれば良い。
【００３８】
波長変換層の上面にはオーバークラッド層を形成することができるが、直接雰囲気に面していても良い。また、波長変換層の底面にはアンダークラッド層を形成しても良いが、波長変換層の底面がクラッドに対して直接接していることが好ましい。
【００３９】
波長変換層の温度を制御するペルチェ素子は、通常のものを利用できる。
【００４０】
本発明では、ポンプ光、アイドラー光および信号光が式（１）の位相整合条件を満足している。そして、ペルチェ素子を発熱させることで各光に対する波長変換層の材質の屈折率を変化させ、これによって位相整合条件を可変とする。
【００４１】
好適な実施形態においては、波長変換素子が支持基板を備えており、波長変換層と支持基板とを接着する接着層が、クラッド部として機能する。
【００４２】
本実施形態では、支持基板の材質の屈折率は、波長変換層の材質の屈折率以下であってよく、またそれ以上であってもよい。一方、非線形光学結晶の熱膨張率（１００％）に対する支持基板の材質の熱膨張率の比率は５０〜１５０％であることが好ましい。また、支持基板の材質は、ガラス、半導体またはセラミックス基板であることが好ましい。支持基板の材質と波長変換層の材質とが同じであってもよい。また、このガラス、半導体、セラミックスとして、以下が特に好ましい。
ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、青板ガラス、白板ガラス、アルミニウムガリウム砒素、アルミナ、水晶。
【００４３】
本実施形態では、波長変換層と支持基板とを接着する接着剤は、波長変換層の材質よりも低誘電率である材料からなることが好ましい。また、波長変換層の屈折率よりも接着層の屈折率が低いことが必要であり、この屈折率差は0.3以上が好ましい。具体的には、接着層の屈折率が２以下であることが好ましい。接着層の具体例は特に限定されないが、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、アロンセラミックスＣ（商品名、東亜合成社製）（熱膨張係数１３×１０−６／Ｋ）を例示できる。
【００４４】
接着層の厚さは特に限定されないが、ペルチェ素子による光の吸収を抑制するという観点からは、接着層の厚さを０．１μｍ以上とすることが好ましく、０．５μｍ以上とすることが更に好ましい。また、波長変換層における温度分布を抑制するという観点からは、接着層の厚さを３μｍ以下とすることが好ましく、１．５μｍ以下とすることが更に好ましい。
【００４５】
また、支持基板の屈折率が波長変換層の屈折率よりも低く、かつ接着層が薄い場合には、支持基板の上部も接着層と共にクラッドとして機能する。例えば、支持基板がガラスやセラミックスからなる場合には、支持基板の屈折率を波長変換層の屈折率よりも低くし、接着層と共にクラッドとして機能させることができる。この形態では、支持基板の材質の屈折率と波長変換層の材質の屈折率との差は、0.5以上であることが好ましく、1以上であることが更に好ましい。また、具体的には、支持基板の材質の屈折率は、2.5以下であることが更に好ましい。
【００４６】
また、好適な実施形態においては、クラッド基板が波長変換層に直接接合されており、クラッド基板が非線形光学結晶よりも屈折率の低い材質からなる。この形態では、クラッド基板の材質の屈折率と波長変換層の材質の屈折率との差は、0.1以上であることが好ましく、0.5以上であることが更に好ましい。例えば、波長変換層がGaAsの場合、クラッド基板の材質の屈折率は、3.4以下であることが好ましい。
こうしたクラッド基板の材質は、好ましくは以下のものである。
アルミニウムガリウム砒素、アルミナ、水晶。
【００４７】
また、ペルチェ素子による光の吸収を抑制するという観点からは、クラッド基板の厚さを５０μｍ以上とすることが好ましく、１００μｍ以上とすることが更に好ましい。また、波長変換層における温度分布を抑制するという観点からは、クラッド基板の厚さは５００μｍ以下とすることが好ましく、３００μｍ以下とすることが更に好ましい。
【００４８】
好適な実施形態においては、波長変換層にリッジ導波路が形成されており、これによってアイドラー光の出力を増大させることができる。しかし、リッジは必須ではなく、他の形態の導波路であってもよい。
【００４９】
好適な実施形態においては、ポンプ光を波長変換層に入射させ、アイドラー光および信号光をパラメトリック発振させる。他の好適な実施形態においては、ポンプ光および信号光を波長変換層に入射させ、アイドラー光を差周波発振させる。こうした発振方法それ自体は知られている。
【００５０】
本発明の素子では、レーザ光源からのポンプ波を各導波路に直接入射させることができる。この場合には、レーザ光源を導波路に対して直接バットジョイントさせることができ、あるいはレンズ結合させることができる。また、レーザ光源からのポンプ波を、光ファイバ、フェルールなどの光伝送部材を用いて伝送することができる。この場合には、光伝送部材の端面を導波路に対してバットジョイントさせることができ、あるいはレンズ結合させることができる。
【実施例】
【００５１】
（実施例１）
図３、図４を参照しつつ説明した波長変換素子を作製し、図６（ｂ）を参照しつつ説明した共振器型の赤外発振装置を組み立てた。
【００５２】
最初にGaAsの主な物性値を示す。
密度：             5.316     g/cm3
融点：             1238      ℃
熱膨張係数：     6.86    X
10-6 /K   @ 300K
熱伝導：           55       W/m・K
誘電率：        11.53、  10.10    ( ε0、ε∞ )  
屈折率：       3.3 - 3.7
【００５３】
具体的には、図７に示すように、反転周期Λが58μｍの２インチOP-GaAsウエハ１２を準備した。これを、熱膨張７ｐｐｍ／℃、厚み0.5ｍｍのガラスウエハ２に対して、屈折率1.9の接着層４（材質：カルドポリマー）にて貼り合せをした。接着層の厚みは0.5μｍとした。次に、接着したＯＰ-GaAsウエハを研磨定盤に貼り付け、GaAsウエハ側を研磨することで、厚さを１０μｍとした。その後、ダイシングソーにて長さ１０ｍｍ、幅２ｍｍに切断し、両端面を光学研磨した。端面研磨したOP-GaAs素子を図３、４、６（ａ）に示すようにペルチェ素子２にマウントし、素子１を得た。
【００５４】
波長1874nm、出力3mW、スペクトル線幅１GHｚのＤＦＢレーザの近赤外光（ポンプ光）をレンズで集光し、GaAs基板に入力した。ポンプ光の偏光方向は結晶軸（001）とした。チップ温度２２℃にしチップ端面の両側にミラー１１を配置してシグナル光(波長2517nm）に対して共振器（ＳＲＯ：Single
Reflection Oscilator）を構成した。このとき波長7333nmのアイドラー光が偏光方向結晶軸（110）に発生した。出力は200μW、スペクトル線幅２GHｚであった。
【００５５】
また、ペルチェ素子の温度を150℃まで上昇させると、アイドラー光の波長が徐々に大きくなり、8198nmまで可変できることがわかった（図８参照）。
また、表１に、本実施例の素子の具体的仕様を示す。
このときアイドラー光の出力は、全ての波長域で３０％以内の変動になった。またスペクトル線幅についても、２GHｚ以内であった。
【００５６】
【表１】
2013127545.tif 000003
【００５７】
（実施例２）
実施例１と同様にして、図３、図４に示す形態の素子１を作製した。
次いで、図６（ａ）に示すように、シンクルパス型の赤外発振装置を作製した。
具体的には、端面研磨したOP-GaAs素子を図６（ａ）のようにペルチェ素子にマウントし、波長1874nm、3nsec、10μJでＤＦＢレーザ２０を動作させた。スペクトル線幅１GHｚの近赤外光（ポンプ光）をレンズで集光し、GaAs基板に入力した。ポンプ光の偏光方向は結晶軸（110）とした。このとき波長7333nmのアイドラー光が偏光方向結晶軸（001）に発生した。出力は200nJ、スペクトル線幅２GHｚであった。
【００５８】
また、ペルチェ素子の温度を150℃まで上昇させると、アイドラー光の波長が徐々に大きくなり8198nmまで可変できることがわかった。このとき出力は、全ての波長域で３０％以内の変動になった。またスペクトル線幅についても、２GHｚ以内であった。
【００５９】
（比較例１）
図７に示すように、反転周期Λが58μｍの２インチ、厚み0.5ｍｍのOP-GaAsウエハをダイシングソーにて長さ１０ｍｍ、幅２ｍｍに切断し、両端面を光学研磨した。
端面研磨したOP-GaAs素子を、実施例１と同じようにペルチェ素子にマウントして、波長1874nm、出力3mW、スペクトル線幅１GHｚのＤＦＢレーザの近赤外光（ポンプ光）をレンズで集光し、GaAs基板に入力した。ポンプ光の偏光方向は結晶軸（110）とした。チップ温度２２℃にしチップ端面の両側にミラーを配置してシグナル光(波長2517nm）に対して共振器（ＳＲＯ：Single
Reflection Oscilator）を構成した。
【００６０】
このとき波長7333nmのアイドラー光が偏光方向結晶軸（001）に発生した。出力は200nW、スペクトル線幅１５GHｚであった。変換効率は、実施例１の1/1000となることがわかった。
【００６１】
（比較例２および実施例３、４）
図９は、非特許文献３に記載のスタンフォード大学による赤外発振装置を示す。波長１．３μｍのポンプ光Ｐ１と波長１．５５μｍの信号光Ｐ３とを、比較例１と同様のＧａＡｓバルクからなる波長変換素子に入射させた。発振したアイドラー光をＧｅフィルターに通し、出力させた。波長λｉは約８μｍであり、出力は１１４ｎｍである。
【００６２】
これに対して、ＧａＡｓバルク素子を、上記の実施例１で使用した素子１に変更した。得られたアイドラー光の出力Ｐ２および変換効率ηを表２に示す。ただし、Ｌは素子長さである。
【００６３】
【表２】
2013127545.tif 000004
【００６４】
この結果、本発明の素子を採用することで、既存の赤外発振装置と比べて、アイドラー光の出力を著しく改善できることが判明した。
【００６５】
（実施例５）
反転周期Λ＝２５μｍとし、実施例１と同様な方法で素子１を使用し、差周波発生を試みた。
ただし、本素子をペルチェ素子上にマウントした。
波長1300nm、出力50mW、スペクトル線幅１GHｚのＤＦＢレーザの近赤外光（ポンプ光）をレンズで集光し、GaAs基板に入力した。ポンプ光の偏光方向は結晶軸（100）とした。これと共に、波長1540〜1570nm、出力５０mW、スペクトル線幅１GHｚのＤＦＢレーザの近赤外光（シグナル光）をレンズで集光し、GaAs基板に入力した。シグナル光の偏光方向は結晶軸（001）とした。
【００６６】
チップ温度２２℃にしシングルパス型赤外線発振装置を作製した。このとき波長7500nmのアイドラー光が偏光方向結晶軸（001）に発生した。出力は７０μW、スペクトル線幅２GHｚであった。
【００６７】
また、ペルチェ素子の温度を150℃まで上昇させると、アイドラー光の波長が徐々に大きくなり、8200nmまで可変できることがわかった（図１０参照）。
また、表３に、本実施例の素子の具体的仕様を示す。
このときアイドラー光の出力は、全ての波長域で３０％以内の変動になった。またスペクトル線幅についても、２GHｚ以内であった。
【００６８】
【表３】
2013127545.tif 000005
【図１】
2013127545.tif 000006
【図２】
2013127545.tif 000007
【図３】
2013127545.tif 000008
【図４】
2013127545.tif 000009
【図５】
2013127545.tif 000010
【図６】
2013127545.tif 000011
【図７】
2013127545.tif 000012
【図８】
2013127545.tif 000013
【図９】
2013127545.tif 000014
【図１０】
2013127545.tif 000015