(57)【要約】【課題】導波路型の波長変換素子での端面の反射率が低減できるようにする。【解決手段】非線形光導波路１１１は、２次非線形光学特性を持った結晶から構成されて周期分極反転構造のコア部１０１から構成されている。マルチモード型分波器１０２は、非線形光導波路１１１に光接続する。また、マルチモード型分波器１０２は、非線形光導波路１１１で２次非線形光学効果により生成された光とは波長の異なる光を分波してテーパー光導波路１１３の一端側に出力する。テーパー光導波路１１３は、一端がマルチモード型分波器１０２に光接続し、一端から他端の出力端にかけて幅の広くなるテーパー形状とされたテーパーコア部１０３から構成されている。テーパー光導波路１１３は、周期分極反転構造とはされていない。【選択図】  図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次非線形光学特性を持った結晶から構成されて直列に接続した複数の領域から構成されて隣り合う領域は結晶の分極が反転した状態とされている周期分極反転構造のコア部からなる非線形光導波路と、
前記非線形光導波路に光接続するマルチモード型分波器あるいは方向性結合器と、
一端が前記マルチモード型分波器あるいは前記方向性結合器に光接続し、一端から他端の出力端にかけて幅の広くなるテーパー形状とされ、周期分極反転構造とはされていないテーパーコア部からなるテーパー光導波路と
を備え、
前記マルチモード型分波器あるいは前記方向性結合器は、前記非線形光導波路で２次非線形光学効果により生成された光とは波長の異なる光を分波して前記テーパー光導波路の一端側に出力する
ことを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
請求項１記載の波長変換素子において、
前記テーパーコア部の幅の変化は、前記テーパー光導波路を導波する光のモードにとって断熱的な導波路幅変化とみなせる状態とされている
ことを特徴とする波長変換素子。
【請求項３】
請求項２記載の波長変換素子において、
前記テーパーコア部の幅の増加量と前記テーパー光導波路の導波路長との比は、１：５００〜１：１０００とされている
ことを特徴とする波長変換素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の波長変換素子において、
前記結晶は、ニオブ酸リチウムから構成されていることを特徴とする波長変換素子。
【請求項５】
請求項４記載の波長変換素子において、
前記結晶は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎの中の少なくとも１つが添加されていることを特徴とする波長変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形光学結晶を用いた光導波路型の波長変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の問題などが大きく取り上げられており、高感度にメタンや二酸化炭素などを検出するために、２〜５μｍの波長を出力する中赤外域の光源が必要とされている。このような波長域では、従来、半導体レーザの研究開発がなされている。しかしながら、室温で簡易に使用できるような光源が実現されていないのが現状である。これに対し、このような光源から直接発生させることが困難な波長領域の光を、非線形光学効果を用いた波長変換を利用して発生させる技術がある。
【０００３】
また、焼却炉から発生するＣＯ2、ＣＯ、Ｏ2などの濃度観測による燃焼制御により、ダイオキシンの発生が抑制できることから、赤外光ではないが、波長０．７６μｍに存在するＯ2の吸収線観測が注目を浴びている。ガス吸収線に適した０．７６μｍ帯の光を発生させるレーザとして面発光レーザが用いられているが、出力が大きくとれないことから、非線形光学効果を用いた波長変換を利用して、０．７６μｍ帯の光を発生する技術が注目されている。
【０００４】
波長変換素子としては様々な形態のものが開発されているが、実用的な観点から、非線形光学定数を周期的に変調した擬似位相整合を用いた導波路型の波長変換素子が最も有望である。非線形光学定数の周期変調構造を形成するためには、非線形光学定数の符号を交互に反転するか、あるいは、非線形光学定数が大きい部分と小さい部分をほぼ交互に配置する構成が考えられる。
【０００５】
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）のような強誘電体結晶においては、非線形光学定数の正負が自発分極の極性に対応するため、自発分極を反転することにより非線形光学定数の符号を反転することができる。中赤外波長域を発生する素子としては、非特許文献１に示されるように、２つの半導体レーザおよび擬似位相整合を利用した導波路型波長変換素子による差周波発生が知られている。また、０．７６μｍ帯の光を発生する素子としては、非特許文献２に示されるような、導波路型波長変換素子による第２高調波発生が知られている。
【０００６】
以下、差周波発生を元にした波長変換光源について図５を用いて説明する。この波長変換光源３００は、基板３０１と、基板３０１に形成された光導波路３０２と、合波器３０３とを備える。基板３０１は、光導波路３０２の導波方向に、ＬｉＮｂＯ3結晶の分極が隣り合う領域で反転している周期分極反転構造とされている。また、図示していないが、信号光３０４を出射する半導体レーザ、および励起光３０５を出射する半導体レーザを備える。
【０００７】
信号光３０４および励起光３０５は、合波器３０３で合波され、基板３０１に形成された光導波路３０２に入射される。光導波路３０２では、信号光３０４と励起光３０５との差周波光である変換光３０６が発生する。信号光３０４の信号光波長をλa、変換光３０６の変換光波長をλb、励起光３０５の励起光波長をλcとすると、これら３つの波長は、「１／λc＝１／λb＋１／λa・・・（Ａ）」を満たす。
【０００８】
例えば、信号光波長λaを１．５６μｍ、励起光波長λcを１．０６μｍとすれば、変換光波長λb＝３．３１μｍの変換光３０６を発生させることができる。信号光波長λaにおける屈折率をｎa、変換光波長λbにおける屈折率をｎb、励起光波長λcにおける屈折率をｎcとするとき、下記の式（Ｂ)で与えられる非線形光学定数の変調周期Λ0を設定すると、効率よく変換光３０６が発生する。
【０００９】
ｎc／λc−ｎb／λb−ｎa／λa−１／Λ0＝０・・・（Ｂ）
【００１０】
なお、同様にして、２次非線形光学効果である和周波発生と第２高調波発生を利用した場合を説明する。式（Ａ）に即して説明すると、波長λaとλbの光を入力し、新たな光λcが発生する現象を和周波発生と言い、更に、波長λaと波長λbが同じ波長の場合を第２高調波発生と言う。効率よく変換光を発生させるために設定すべき非線形光学定数の変調周期Λ0は、式（Ｂ）と同じである。
【００１１】
次に、差周波発生を利用した光源を用いた従来の分光装置について、図６を用いて説明する。分光装置は、信号光源４０１と、励起光源４０２と、合波器４０３と、導波路型波長変換素子４０４とからなる中赤外光源４０５を備える。導波路型波長変換素子４０４から出射した変換光が、空気中を空間伝搬して受光器４０６で強度が測定される。
【００１２】
励起光波長λcを固定し、信号光波長λaを変化させると、式（Ａ）に従い、導波路型波長変換素子４０４から出射する変換光波長λbが変化する。もしくは、信号光波長λaを固定し、励起光波長λcを変化させると、式（Ａ）に従い、変換光波長λbが変化する。
【００１３】
上述したことを利用し、変換光波長λbを変化させ、中赤外域における測定対象ガスの吸収線の変化を観測した結果について説明する。この観測では、空気中の水分を測定対象ガスとしており、励起光波長λcを０．９８μｍに固定し、信号光波長λaを１．５６２６μｍから１．５６３８μｍに変化させ、変換光波長λbを２．６２５μｍから２．６２８５μｍまで変化させる。中赤外光源４０５と受光器４０６との距離は１ｍとする。
【００１４】
上述した波長変化に対する受光強度の変化について図７に示す。図７に示すように、吸収線（スペクトル）の中央に出力のへこみが見える。これは１ｍの空間の空気中に含まれる水分（水蒸気）の影響で強度が低下したものである。この吸収線のへこみは、湿度が高いと低下が大きくなり、湿度が低いと低下が小さくなった。従って、測定により得られた吸収線におけるへこみの低下具合は、空気中の水分濃度に従って変化し、このへこみの大きさから水分濃度が分かる。
【００１５】
このように、２．６μｍ帯での水の吸収は非常に強いので、吸収線の形状が容易に観測できる。しかしながら、ガス濃度が低い場合では、吸収強度が中赤外域といえども大きくなく、吸収強度が１％以下ということが通常である。吸収強度が１％を切ると、吸収の無い場合のベースラインのノイズによる揺らぎによって、吸収線強度を正確に把握することは困難になってくる。
【００１６】
上述したようなノイズへの対策として、非特許文献３や非特許文献４に記載の吸収線の２次微分成分を観測する波長変調分光法が用いられている。観測のために用いるレーザ光の波長を微小量だけ周波数ｆの正弦波（サイン波）で変調をし、ロックインアンプで変調周波数の２倍の周波数２ｆで強度変化する成分を検波する方法である。多くの場合は、分布帰還型レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）の注入電流を変化させることにより実行される。
【００１７】
吸収線形状を観測するためには、吸収線の波長依存性も観測する必要があるので、周波数ｆの微小なサイン波に加えて変化量の大きい鋸歯状波もしくは三角波を重畳してＤＦＢ−ＬＤの電流注入量を変調させる。実際の吸収量と観測される２ｆ成分の形状との差について、図８を用いて説明する。図８に示すように、吸収量が一番大きいところで、２ｆ成分は最大値を取る。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】O. Tadanaga et al., "Efficient 3-μｍ difference frequency generation using direct-bonded quasi-phase-matched LiNbO3 ridge waveguides", APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol.88, No.6, 061101, 2006.
【非特許文献２】O. Tadanaga et al., "763-nm Laser Light Source for Oxygen Monitoring Using Second Harmonic Generation in Direct-Bonded Quasi-Phase-Matched LiNbO3 Ridge Waveguide", IEICE Trans. Electron. Vol. E89-C, No.7, pp.1115-1117, 2006.
【非特許文献３】I. Linnerud et al., "Gas monitoring in the process industry using diode laser spectroscopy", Appl. Phys. B, Vol.67, pp.297-305, 1998.
【非特許文献４】A. Tokura et al., "Real-Time N２O Gas Detection System for Agricultural Production Using a 4.6-μm-Band Laser Source Based on a Periodically Poled LiNbO3 Ridge Waveguide", Sensors, Vol.13, pp.9999-10013, 2013.
【非特許文献５】竹本菊郎、他３名、「生体・環境計測へ向けた近赤外光センシング技術」、株式会社サイエンスフォーラム、pp.257-261, pp.269-276、1999年。
【非特許文献６】三瀬  一明  他３名、「外部共振器レーザ用曲導波路型ゲインチップ」、アンリツテクニカル、Ｎｏ.83、pp.74-80、2006年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
ところで、光路中に光学部品を挿入すると、一般に、端面間の光の多重反射により透過率の波長依存性に周期的な変調が加わる。この多重反射による透過強度の周期的変調のことをフリンジ（干渉縞）という。導波路型波長変換素子も一種の光学部品であり、導波路端面による反射の影響が発生する。導波路端面の反射の影響を最小にするため、導波路端面を導波方向に垂直な面より傾斜させ（斜めにカットして）、反射モードへの結合を弱くする、または、導波路端面に無反射（ＡＲ）コートを施している。
【００２０】
しかしながら、このような対策を採っても、強度比０．１％程度のフリンジが取りきれない場合がある。上述したフリンジが存在すると、出力の波長依存性に揺らぎが発生し、発生した揺らぎ以下の吸収強度を観測しようとする場合は、フリンジが支配的になるため、２ｆ成分が埋もれてしまい、判別が難しくなる。
【００２１】
例えば、本来であれば、図９の（ｂ）に示すように、吸収線を示す２ｆ成分がほぼ中央の一点鎖線の位置に存在しているが、周囲のフリンジが大きい場合には、図９の（ａ）に示すように、２ｆ成分がフリンジに埋もれてしまい、吸収線の位置を特定することは困難となる。
【００２２】
上述したフリンジの対策として、一般に、出力光を２光路に分岐し、一方はガスの吸収を受けずに受光し、他方はガスの吸収を受けてから受光し、これら２つの受光強度を引き算あるいは割り算する方法がある（非特許文献５参照）。このよう２つの受光強度を引き算あるいは割り算することで、フリンジの影響を相殺し、微小な吸収を観測する。
【００２３】
しかしながら、このような光路を２分岐すると光源の出力が半減し、また、受光器が２台必要となり光学系が複雑になるという問題があった。
【００２４】
また、フリンジの対策として、非特許文献６に示されているように、窓構造や曲がり導波路と斜め端面などの端面の反射率を低減する技術が知られている。しかしながら、デバイス、物性、および導波路構造が異なると、最適な素子構造や作製方法も異なるため、非線形光学効果を用いた導波路型波長変換素子に適した構造は知られていなかった。
【００２５】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、導波路型の波長変換素子での端面の反射率が低減できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明に係る波長変換素子は、２次非線形光学特性を持った結晶から構成されて直列に接続した複数の領域から構成されて隣り合う領域は結晶の分極が反転した状態とされている周期分極反転構造のコア部からなる非線形光導波路と、非線形光導波路に光接続するマルチモード型分波器あるいは方向性結合器と、一端がマルチモード型分波器あるいは方向性結合器に光接続し、一端から他端の出力端にかけて幅の広くなるテーパー形状とされ、周期分極反転構造とはされていないテーパーコア部からなるテーパー光導波路とを備え、マルチモード型分波器あるいは方向性結合器は、非線形光導波路で２次非線形光学効果により生成された光とは波長の異なる光を分波してテーパー光導波路の一端側に出力する。
【００２７】
上記波長変換素子において、テーパーコア部の幅の変化は、テーパー光導波路を導波する光のモードにとって断熱的な導波路幅変化とみなせる状態とされていればよい。例えば、テーパーコア部の幅の増加量とテーパー光導波路の導波路長との比は、１：５００〜１：１０００とされていればよい。
【００２８】
上記波長変換素子において、結晶は、ニオブ酸リチウムから構成されていればよい。また、結晶は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎの中の少なくとも１つが添加されていてもよい。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように、本発明によれば、非線形光導波路に、マルチモード型分波器あるいは方向性結合器を介してテーパー光導波路を接続するようにしたので、導波路型の波長変換素子での端面の反射率が低減できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態における波長変換素子の構成を示す平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態における波長変換素子の一部構成を示す断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の実施の形態における波長変換素子の一部構成を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、従来の構造としている比較の波長変換素子の２ｆ信号強度の変化を示す特性図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、実施例１における波長変換素子の２ｆ信号強度変化を示す特性図である。
【図３Ａ】図３Ａは、従来の構造としている比較の波長変換素子の２ｆ信号強度の変化を示す特性図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、実施例２における波長変換素子の２ｆ信号強度変化を示す特性図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施の形態における他の波長変換素子の構成を示す平面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の実施の形態における他の波長変換素子の構成を示す平面図である。
【図５】図５は、差周波発生を元にした波長変換光源の構成を示す構成図である。
【図６】図６は、差周波発生を利用した光源を用いた従来の分光装置の構成を示す構成図である。
【図７】図７は、吸収率の大きいガスの吸収線を観測した場合に得られるグラフの状態を説明するための説明図である。
【図８】図８は、吸収率の小さいガスの吸収線を観測した場合に得られるグラフの状態を説明するための説明図である。
【図９】図９は、フリンジがある場合の２ｆ成分の観測結果を示す波形図（ａ）およびフリンジがない場合の２ｆ成分の観測結果を示す波形図（ｂ）を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態における波長変換素子の構成を示す平面図である。また、図１Ｂ，図１Ｃは、本発明の実施の形態における波長変換素子の一部構成を示す断面図である。図１Ｂ，図１Ｃは、導波方向に垂直な面の断面を示している。
【００３２】
この波長変換素子は、非線形光導波路１１１と、マルチモード型分波器１０２と、テーパー光導波路１１３とを備える。
【００３３】
非線形光導波路１１１は、２次非線形光学特性を持った結晶から構成されて直列に接続した複数の領域１０１ａ，１０１ｂから構成されて、隣り合う領域１０１ａ，領域１０１ｂは結晶の分極が反転した状態とされている周期分極反転構造のコア部１０１から構成されている。
【００３４】
マルチモード型分波器１０２は、非線形光導波路１１１に光接続する。また、マルチモード型分波器１０２は、非線形光導波路１１１で２次非線形光学効果により生成された光とは波長の異なる光を分波してテーパー光導波路１１３の一端側に出力する。なお、実施の形態において、マルチモード型分波器１０２には、屈曲構造の分岐コア部１０４による分岐導波路１１４も光接続している。
【００３５】
マルチモード型分波器１０２の入力側に、非線形光導波路１１１が光接続し、マルチモード型分波器１０２の出力側に、テーパー光導波路１１３および分岐導波路１１４が光接続している。なお、図１Ａでは、マルチモード型分波器１０２のクロスポートにテーパー光導波路１１３が光接続し、マルチモード型分波器１０２のストレートポートに分岐導波路１１４が光接続しているが、これに限るものではなく、テーパー光導波路１１３に結合させる所望とする光の波長に適合させ、ストレートポートにテーパー光導波路１１３を光接続し、クロスポートに分岐導波路１１４を光接続してもよい。
【００３６】
テーパー光導波路１１３は、一端がマルチモード型分波器１０２に光接続し、一端から他端の出力端（不図示）にかけて幅の広くなるテーパー形状とされたテーパーコア部１０３から構成されている。また、テーパー光導波路１１３は、周期分極反転構造とはされていない。テーパーコア部１０３の幅の変化は、テーパー光導波路１１３を導波する光のモードにとって断熱的な光導波路幅変化とみなせる状態とされていればよい。例えば、テーパーコア部１０３の幅の増加量と、テーパー光導波路１１３の光導波路長との比が１：５００〜１：１０００とされていればよい。
【００３７】
なお、コア部１０１，マルチモード型分波器１０２，テーパーコア部１０３，分岐コア部１０４は、基板１０５の上に形成されている。また、基板１０５の上において、コア部１０１，マルチモード型分波器１０２，テーパーコア部１０３，分岐コア部１０４の形成領域の両脇には、結晶層１０６が配置されている。
【００３８】
コア部１０１，マルチモード型分波器１０２，テーパーコア部１０３，分岐コア部１０４は、例えば、ニオブ酸リチウムから構成すればよい。コア部１０１は、上述した周期分極反転構造とする。マルチモード型分波器１０２，テーパーコア部１０３，分岐コア部１０４は、分極反転構造とはせず、分極の方向が揃った状態とする。また、基板１０５は、タンタル酸リチウムから構成すればよく、クラッド層として機能させることができる。
【００３９】
コア部１０１とする領域に周期分極反転構造が形成されているニオブ酸リチウム結晶板を、タンタル酸リチウムの基板１０５の上に貼り付け、貼り付けたニオブ酸リチウム結晶板をパターニングすることで、上述した構成とすればよい。
【００４０】
以下、本発明における波長変換素子について、より詳細に説明する。波長変換素子の光出射端とする斜め端面における反射率は、「Ｒ＝Ｒ0ｅｘｐ｛−（πｎωθ／λ）2｝・・・（１）」で表される。Ｒ0は、端面におけるフレネル反射、ｎは、光導波路の屈折率、ωは、光のスポットサイズ、θは、端面の傾斜角度である。
【００４１】
屈折率ｎは、光導波路の材質で決定されてしまい、出射光の波長λは所望とする波長に合わせなければならないため、反射率低減に寄与できるのはフレネル反射Ｒ0、スポットサイズω、傾斜角度θである。Ｒ0は、ＡＲコートによって０．１％程度まで低減でき、θは端面形成時におけるチッピング発生による歩留まりや出射光の外部への結合効率との兼ね合いから１０°程度を上限として傾けることが可能である。
【００４２】
更に反射率を低減させるためには、スポットサイズωを大きくし、反射戻り光の結合効率［式（１）右辺のＲ0を除いた部分］を減少させる必要がある。
【００４３】
上述した観点より、本発明では、光の出射端側の光導波路のコア幅を断熱的に広げるテーパー構造を採用した。これによってωを大きくし、反射戻り光の結合効率を減少させることができる。更に、分極反転周期は光導波路幅（コア幅）に大きく依存するため、光導波路幅が連続的に変化するテーパー部分は、分極反転構造としない状態とした。
【００４４】
式（Ｂ）によれば、位相整合条件は光導波路屈折率に依存する。光導波路屈折率は光導波路幅によって変化するため、非線形光学定数の変調周期Λ0も光導波路幅に応じて変化させなければならない。しかしながら、本発明のように緩やかで連続的な光導波路幅の変化に対応させた変調周期Λ0の精密な調整は困難である。変調周期Λ0が所望のものと異なる状態では、信号光あるいは励起光の波長を掃引した場合に、所望の波長以外で波長変換が生じることとなる。所望の波長以外で波長変換が生じると、これに伴って意図した波長とは異なる光が発生することになるため、センシング等の応用には適していない。本発明では、テーパーコア部は、分極反転構造としないことによって、意図した波長とは異なる光が発生することを抑制している。
【００４５】
次に、光の入射端側では、所望のモード以外の波長変換を抑制するために、光導波路にシングルモードで結合する必要がある。このためには、マルチモードを抑制する必要があり、マルチモードが存在しやすくなる光導波路幅（コア幅）の増加は好ましくない。また、波長変換効率は、周期分極反転構造のコア部による光導波路の導波路長Ｌの２乗に比例するため、周期分極反転構造のコア部を長く保持した方が、変換効率には有利である。このため、入射端側は光導波路幅を変えずに周期分極反転構造とすることとし、入力（入射）端と出力（出射）端とで、光導波路幅が異なる（非対称となる）構造をとることとした。
【００４６】
ただし、十分な変換効率が得られる場合には、入射端側にもテーパー構造を採用し、マルチモード入射を抑制するために入射光のモード径を拡張するなどの工夫を施すことも可能である。入射端側にもテーパー構造を採用すれば、反射光が折り返す際の反射率低減が実現できる。
【００４７】
次に、素子構造について説明する。図１Ｂ，図１Ｃに示すように、非線形光導波路１１１を構成するコア部１０１，テーパー光導波路１１３を構成するテーパーコア部１０３，分岐導波路１１４を構成する分岐コア部１０４の左右には溝があり、リッジ型構造とされている。従来の素子も同様のリッジ型構造であるが、従来の素子では、入射端側と出射端側とで、光導波路幅が変わらない構造であり、入射端側から出射端側にかけて、全域が周期分極反転構造とされている。
【００４８】
また、各コア部の下側は、各コア部を構成する材料よりも屈折率が低い材料からなるクラッド層を配置して光の光導波路への閉じ込めを強くする。実施の形態では、基板がクラッド層を兼ねている。各コアと、基板との間に、基板とは異なる材質、例えばＳｉＯ2を主成分とするガラス材料のようなクラッド層を形成する場合もある。
【００４９】
次に、出射端面について説明する。端面は、導波方向に垂直な面より、基板平面には垂直な状態で、１０°程度を上限として数度ほど傾けて形成している。従来の素子では、傾けている出射端面にまで、周期分極反転構造のコア部が到達している。
【００５０】
上述した従来の素子に対し、本発明の素子は、入射端面におけるコア部の状態は、コア幅を含めて同様である。これに対し、本発明の素子では、出射端面においては、コア幅がより広くなり、また、周期分極反転構造とされていない。出射端面に向けて幅が広がるテーパーコア部は、テーパーの変化が緩やかであるために光導波路モードは断熱的に推移し、高次モードの励振が無く、また、電力を失うことなく光導波路端まで到達できるが、光導波路端では幅方向のモード径は光導波路幅の拡大に伴い増大する。
【００５１】
式（１）にあるように、モード径の変化はｅｘｐの中において２乗で効くために、反射戻り光の結合効率は劇的に減少することになる。テーパーコア部の光導波路幅の変化としては、光導波路幅の増加量とテーパーコア部の長さ（導波路長）の比をおよそ１：５００〜１：１０００程度に設定し、断熱的変化となるように十分緩くしている。
【００５２】
テーパーコア部の幅に関しては、１．５５μｍ帯のシングルモード光ファイバの反射戻り光結合効率を基準とし、当該結合効率と同等の値となるコア幅より広い値とすればよい。
【００５３】
例えば、コアを形成する層をニオブ酸リチウムから構成し、クラッド層（基板）をタンタル酸リチウムから構成し、コア部分の厚さ３〜６μｍ、端面角６°の光導波路型波長変換素子により、波長１．５２μｍの基本波光から波長０．７６μｍの第２高調波を発生させる場合を考える。
【００５４】
基本モードの屈折率は、波長１．５２μｍの基本波光では２．１４、波長０．７６μｍの第２高調波では２．１８である。式（１）から、通常良く使用される波長１．５５μｍ、コア屈折率１．４５、スポットサイズ１０μｍ、端面角８°の光ファイバと同等以下の反射率まで反射率を低減できるコア幅は、波長１．５２μｍで１０．６μｍ、波長０．７６μｍで５．２μｍとなる。従ってこの例においては、出射端のコア幅を例えば１１μｍ以上に設定することで効果的に反射戻り光の結合効率を低減させることができる。
【００５５】
次に例えば、コアを形成する層をニオブ酸リチウムから構成し、クラッド層（基板）をタンタル酸リチウムから構成し、コア部分の厚さ１２〜１５μｍ、端面角６°の光導波路型波長変換素子により、波長１．０６μｍの励起光と波長１．４５μｍの信号光から波長４．０μｍの差周波光を発生させる場合を考える。
【００５６】
基本モードの屈折率は、波長１．０６μｍの励起光では２．１６、波長１．４５μｍの信号光では２．１４、波長４．０μｍの差周波光では２．０５である。式（１）から、通常良く使用される波長１．５５μｍ、屈折率１．４５、スポットサイズ１０μｍ、端面角８°の光ファイバと同等以下の反射率まで反射率を低減できるコア幅は、波長１．０６μｍで７．３μｍ、波長１．４５μｍで１０．１μｍ、波長４．０で２９．０μｍとなる。従ってこの例においては、出射端のコア幅を例えば２９μｍ以上に設定することで、効果的に反射戻り光の結合効率を低減させることができる。
【００５７】
上述したスポットサイズ変換は、レーザ素子をはじめ、様々な光学素子で行われているが、本発明では更に工夫を行った。波長変換素子では、主に利用対象である、第２高調波、あるいは差周波光や和周波光の反射を原因とするフリンジ等が問題となる。しかし、差周波光や和周波光の反射を原因とするフリンジだけではなく、変換する際に必要となる基本波光、あるいは励起光および信号光が、反射して折り返す際に再び波長変換が起こり、この変換光が透過光と干渉してフリンジを形成する場合がある。
【００５８】
この問題は、基本波光あるいは励起光および信号光を波長変換後に端面に到達する前に除去することで解決することができる。この問題解決の方法として、マルチモード干渉型（ＭＭＩ）分波器をテーパーコア部の手前に備え、不必要な波長の光を除去あるいは散乱によって弱める構成とした。
【００５９】
例えば、波長１．５２μｍの基本波光から波長０．７６μｍの第２高調波を発生させる場合には、ＭＭＩ分波器により波長１．５２μｍの光を分岐した後、不要となる波長１．５２μｍの光を、光路を曲げた分岐導波路などで散乱させ、強度を弱めることができる。
【００６０】
また、波長１．０６μｍの励起光と波長１．４５μｍの信号光から波長４．０μｍの差周波光を発生させる場合には、ＭＭＩ分波器により波長１．０６μｍの光を分岐して別の光導波路に結合させ、曲げ光導波路等で散乱させると同時に、波長１．４５μｍの光を光導波路の十分手前で収束させて、光導波路への結合効率を低下させることで、励起光および信号光の光強度を十分に弱めることができる。
【００６１】
上述したＭＭＩ分波器による方法で不必要な波長の光を除去あるいは散乱によって弱める構成にすることで、反射光が折り返す際に発生する変換光が透過光と干渉して発生するフリンジを抑制することができる。
【００６２】
［実施例１］
以下、実施例を用いてより詳細に説明する。はじめに、実施例１について説明する。なお、基本的な構成は、図１Ａ，図１Ｂ，図１Ｃを用いて説明しており、省略する。
【００６３】
実施例１では、コア部１０１，マルチモード型分波器１０２，テーパーコア部１０３，分岐コア部１０４の材料として、非線形光学媒質であるＺｎ添加ＬＮ（ＬｉＮｂＯ3：ニオブ酸リチウム）を用いた。また、基板１０５は、ＬＴ（ＬｉＴａＯ3：タンタル酸リチウム）から構成した。
【００６４】
コア部１０１，マルチモード型分波器１０２，テーパーコア部１０３，分岐コア部１０４の周囲には溝が形成されており、上方および左右の空気層と、下方の基板１０５とをクラッド領域とし、これらにより効果的な光の閉じ込めを実現したリッジ型導波路構造とする。なお、基板１０５は、非晶質のＳｉＯ2，石英などであってもよい。
【００６５】
次に、実施例１における波長変換素子の作製方法について説明する。
【００６６】
まず、ＺカットＬｉＴａＯ3からなる第１ウエハを用意する。また、ＺカットＺｎ添加ＬＮからなる第２ウエハを用意する。これらウエハは、非線形光学媒質から構成されていればよく、上記材料に限らず、ＬＮの他に、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂ(x)Ｔａ(1-x)Ｏ3（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ4、または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ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材料を用いることができる。
【００６７】
第２ウエハには、一部に予め１．５μｍ帯の基本波光で第２高調波発生のための位相整合条件が満たされる周期分極反転構造が作製されている。周期分極反転構造は、コア部１０１を形成する領域に形成され、テーパーコア部１０３形成領域を含む他の領域には形成されていない。
【００６８】
ＬｉＮｂＯ3結晶などにおける分極反転格子作製技術については多くの研究がなされ、いくつかの方法が開発されているが、これらの中で好な結果が再現性よく得られる電界印加法により周期分極反転構造を作製すればよい。例えば、第２ウエハの周期反転構造形成領域において、リソグラフィーにより周期レジストパターンを形成し、これをマスクとして利用して周期的な電極（金属薄膜電極、液体電極など）を形成し、形成した電極により電圧パルスを印加することで良好な周期分極反転構造を得ることができる。
【００６９】
なお、上述した構成の第１ウエハおよび第２ウエハは、熱膨張係数がほぼ一致している。また、第２ウエハの屈折率より第１ウエハの屈折率の方が小さい。また、第１ウエハおよび第２ウエハは、共に直径３インチの円形とされている。また、第１ウエハは、厚さ５００μｍであり、第２ウエハは、厚さ３００μｍである。また、これらはいずれも、両面が光学研磨されている。
【００７０】
次に、第１ウエハに第２ウエハを貼り合わせる。例えば、第１ウエハおよび第２ウエハの貼り合わせ面を、よく知られた酸洗浄あるいはアルカリ洗浄によって親水性にした後、これら２つのウエハを、クラス１０〜１００程度のクリーンルーム内など、マイクロパーティクルが極力存在しない清浄雰囲気中で重ね合わせる。次いで、重ね合わせた第１ウエハおよび第２ウエハを電気炉に搬入し、４００℃で３時間熱処理することにより拡散接合を行う。接合されたウエハは、接合面にマイクロパーティクルなどの挟み込みがなく、ボイドフリーであり、室温に戻したときにおいてもクラックなどは発生しない。
【００７１】
次に研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用い、貼り合わせた第２ウエハの厚さが２０μｍ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ことができる。ウエハの平行度（最大高さと最小高さとの差）を光学的な平行度測定機を用いて測定したところ、３インチウエハの周囲を除き、ほぼ全体にわたってサブミクロンの平行度が得られ、実施例における波長変換素子の作製に好適な薄膜基板を作製することができる。この薄膜基板は、接着剤を用いず、熱処理による拡散接合によって直接貼り合わせることにより作製したため、直径３インチのウエハの全面積にわたって均一な組成、厚さを備えた状態が得られる。
【００７２】
以上のようにして薄膜基板を形成したら、第２ウエハによる層をパターニングすることで、図１Ａ，図１Ｂ，図１Ｃを用いて説明したコア部１０１，マルチモード型分波器１０２，テーパーコア部１０３，分岐コア部１０４を形成する。コア部１０１が配置される領域が、上述したように、第２ウエハの周期分極反転構造が形成された領域となる。
【００７３】
例えば、公知のリソグラフィー技術により作製したレジストパターンをマスクとし、よく知られたドライエッチング技術により、第２ウエハによる層をエッチング加工すれば良い。ドライエッチングにおいては、例えば、アルゴンガスを用いれば良い。このパターニングにより、リッジ型光導波路を作製すれば良い。
【００７４】
例えば、高さ（厚さ）５μｍのコア部１０１，マルチモード型分波器１０２，テーパーコア部１０３，分岐コア部１０４を形成する。入力端から出力端までの光路全長は５４ｍｍとした。コア部１０１は、幅６μｍ、長さ４５ｍｍとし、マルチモード型分波器１０２は、幅３０μｍ、長さ３．４４ｍｍとする。マルチモード型分波器１０２には、中心軸から基板１０５の平面上で左右に各５μｍ離れた距離に、結合部の幅６μｍとしたテーパーコア部１０３および分岐コア部１０４が結合する。
【００７５】
マルチモード型分波器１０２のストレートポートとなる分岐コア部１０４には、波長１．５２μｍの光が結合する。また、マルチモード型分波器１０２のクロスポートとなるテーパーコア部１０３には、波長０．７６μｍの光が結合する。
【００７６】
波長１．５２μｍの光が結合するストレートポートでは、接続される分岐コア部１０４による曲げ導波路によって徐々に散乱が起こり、光強度は十分に低下する。クロスポートに接続しているテーパーコア部１０３、長さ６ｍｍとし、出射端での幅は１２μｍとする。テーパーコア部１０３におけるコア幅の増加量と長さとの比は１：１０００とした。
【００７７】
上述したようにコア部１０１，マルチモード型分波器１０２，テーパーコア部１０３，分岐コア部１０４を形成した後に、上述した導波路長になるように入射側および出射側を６°傾斜になるようにカットして端面を形成し、両端面にＡＲコートを施した。ＡＲコートは、波長１．５２μｍおよび波長０．７６μｍにおいて反射率０．１％程度となるように設計した。
【００７８】
比較のため、作製した光導波路の一部についてはテーパー部を設けずに６°傾斜になるようにカットして端面を形成して同様にＡＲコートを施し、従来構造の導波路素子を作製した。分極反転構造が形成されている長さは、同じ４５ｍｍとした。従って、実施例１の波長変換素子と比較の波長変換素子との間で、波長変換効率に差は生じない。
【００７９】
実施例１の波長変換素子と比較の波長変換素子の各々において、ＤＦＢ−ＬＤを用いて波長１．５２μｍの基本波光を入射し、出射端より出射した光の中より、ダイクロイックミラー等の波長フィルタを用い、発生した波長０．７６μｍの第２高調波のみを取り出して光検出器にて検出した。また、ＤＦＢ−ＬＤの注入電流を制御して波長掃引を行うと同時に、周波数ｆが１０ｋＨｚ程度のサイン波を重畳させ、微小な波長変調を施した。光検出器の信号をロックインアンプに入力し、変調周波数の２倍の周波数である２ｆの強度成分を検波して比較した。
【００８０】
フリンジに由来する波長依存性をもつ強度揺らぎが存在するならば、２ｆ成分はピークを持つ。同じ変調条件であって出力光強度で規格化すれば、反射率が大きくフリンジが大きい素子ほど大きなピークとなる。
【００８１】
出力光強度で規格化した結果を図２Ａ，図２Ｂに示す。図２Ａは、従来の構造としている比較の波長変換素子の２ｆ信号強度の変化を示す特性図である。図２Ｂ、実施例１における波長変換素子の２ｆ信号強度変化を示す特性図である。図２Ｂに示すように、実施例１における波長変換素子の方が、著しくピークが減少しフリンジが小さくなっていることが分かる。このように本発明を適用することで、反射戻り光の結合効率を低減し、また戻り光の再変換によって発生するフリンジが抑制された波長変換素子が得られた。
【００８２】
［実施例２］
次に、実施例２について説明する。なお、実施例２においても基本的な構成は、図１Ａ，図１Ｂ，図１Ｃを用いて説明しており、省略する。また、実施例２においても、材料は実施例１と同様であり、実施例１と同様にして波長変換素子を作製した。実施例２においては、第２ウエハのコア部１０１が配置される領域に、波長１．０６μｍ帯の励起光と波長１．４５μｍ帯の信号光から波長４．０μｍ帯の差周波光（ｉｄｌｅｒ光）を発生するための位相整合条件が満たされるように周期分極反転構造を形成しておく。
【００８３】
実施例２では、高さ（厚さ）１４μｍのコア部１０１，マルチモード型分波器１０２，テーパーコア部１０３，分岐コア部１０４を形成する。入力端から出力端までの光路全長は５５．５ｍｍとした。コア部１０１は、幅１５μｍ、長さ４０ｍｍとし、マルチモード型分波器１０２は、幅３０μｍ、長さ７．３８ｍｍとする。マルチモード型分波器１０２には、中心軸から基板１０５の平面上で左右に各５μｍ離れた距離に、結合部の幅１４μｍとしたテーパーコア部１０３、および結合部の幅６μｍとした分岐コア部１０４が結合する。
【００８４】
マルチモード型分波器１０２のクロスポートとなる分岐コア部１０４には、波長１．０６μｍの光が結合する。また、マルチモード型分波器１０２のストレートポートとなるテーパーコア部１０３には、波長１．４５μｍの光および波長４μｍの光が結合する。
【００８５】
波長１．０６μｍの光が結合するクロスポートでは、接続される分岐コア部１０４による曲げ導波路によって徐々に散乱が起こり、光強度は十分に低下する。ストレートポートに接続しているテーパーコア部１０３、長さ７．５ｍｍとし、出射端での幅は３０μｍとする。テーパーコア部１０３におけるコア幅の増加量と長さとの比は１：５００とした。
【００８６】
上述したようにコア部１０１，マルチモード型分波器１０２，テーパーコア部１０３，分岐コア部１０４を形成した後に、上述した導波路長になるように入射側および出射側を６°傾斜になるようにカットして端面を形成し、両端面にＡＲコートを施した。ＡＲコートは、波長１．０６μｍ、波長１．４５μｍ、および波長４．０μｍにおいて反射率０．１％程度となるように設計した。
【００８７】
比較のため、作製した光導波路の一部についてはテーパー部を設けずに６°傾斜になるようにカットして端面を形成して同様にＡＲコートを施し、従来構造の導波路素子を作製した。分極反転構造が形成されている長さは、同じ４０ｍｍとした。従って、実施例２の波長変換素子と比較の波長変換素子との間で、波長変換効率に差は生じない。
【００８８】
実施例２の波長変換素子と比較の波長変換素子の各々において、ＤＦＢ−ＬＤを用いて
波長１．０６μｍの励起光と波長１．４５μｍの信号光とを入射し、出射端より出射した光の中より、ゲルマニウム（Ｇｅ）波長フィルタを用い、発生した波長４．０μｍの差周波のみを取り出して光検出器にて検出した。また、波長１．０６μｍのＤＦＢ−ＬＤの注入電流を制御して波長掃引を行うと同時に、周波数ｆが１０ｋＨｚ程度のサイン波を重畳させ、微小な波長変調を施した。光検出器の信号をロックインアンプに入力し、変調周波数の２倍の周波数である２ｆの強度成分を検波して比較した。
【００８９】
出力光強度で規格化した結果を図３Ａ，図３Ｂに示す。図３Ａは、従来の構造としている比較の波長変換素子の２ｆ信号強度の変化を示す特性図である。図３Ｂ、実施例２における波長変換素子の２ｆ信号強度変化を示す特性図である。図３Ｂに示すように、実施例２における波長変換素子の方が、著しくピークが減少しフリンジが小さくなっていることが分かる。このように本発明を適用することで、反射戻り光の結合効率を低減し、また戻り光の再変換によって発生するフリンジが抑制された波長変換素子が得られた。
【００９０】
なお、図４Ａに示すように、２つのマルチモード型分波器１０２ａおよびマルチモード型分波器１０２ｂを用い、マルチモード型分波器１０２ａの一方の出力ポートとマルチモード型分波器１０２ｂの入力ポートとを直線コア部１０７による直線導波路１１７で接続し、マルチモード型分波器１０２ｂの一方の出力ポートにテーパーコア部１０３によるテーパー光導波路１１３を接続してもよい。
【００９１】
マルチモード型分波器１０２ａの他方の出力ポートには、屈曲している分岐コア部１０８による分岐導波路１１８を接続し、マルチモード型分波器１０２ｂの他方の出力ポートには、分岐コア部１０４による分岐導波路１１４を接続する。このように、２つのマルチモード型分波器１０２ａおよびマルチモード型分波器１０２ｂを用い、マルチモード型分波器１０２ａで、波長１．０６μｍの励起光を分離し、マルチモード型分波器１０２ｂで、波長１．４５μｍの基本波光を分離するようにしてもよい。
【００９２】
また、図４Ｂに示すように、マルチモード型分波器１０２ａおよび方向性結合器１０２ｃを用い、マルチモード型分波器１０２ａの一方の出力ポートを、方向性結合器１０２ｃを備えた直線コア部１０７による直線導波路１１７に接続し、方向性結合器１０２ｃの４．０μｍ波長結合ポートとテーパーコア部１０３によるテーパー光導波路１１３を接続してもよい。方向性結合器１０２ｃは、非線形光導波路１１１で２次非線形光学効果により生成された光とは波長の異なる光を分波してテーパー光導波路１１３の一端側に出力する。なお、方向性結合器１０２ｃの幅および長さは１．４５波長と４．０μｍ波長の分離が最適になされるサイズであることが望ましい。
【００９３】
マルチモード型分波器１０２ａの他方の出力ポートには、屈曲している分岐コア部１０８による分岐導波路１１８を接続し、方向性結合器１０２ｃの１．４５μｍ波長結合ポートには、分岐コア部１０４ａによる分岐導波路１１４を接続する。この接続される分岐コア部１０４による曲げ導波路１１４によって徐々に散乱が起こり、波長１．４５μｍの光の光強度は十分に低下する。このように、マルチモード型分波器１０２ａおよび方向性結合器１０２ｃを用い、マルチモード型分波器１０２ａで、波長１．０６μｍの励起光を分離し、方向性結合器１０２ｃで、波長１．４５μｍの基本波光を分離するようにしてもよい。
【００９４】
以上に説明したように、本発明によれば、非線形光導波路に、マルチモード型分波器を介してテーパー光導波路を接続するようにしたので、導波路型の波長変換素子での端面の反射率が低減できるようなる。本発明による非線形光導波路は、ガスのセンシングや物質の光学分光に用いる光源に好適である。
【００９５】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、第２高調波発生と差周波発生に限らず、和周波発生などの他の２次非線形光学効果を用いた波長変換においても、同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００９６】
１０１…コア部、１０１ａ，１０１ｂ…領域、１０２…マルチモード型分波器、１０３…テーパーコア部、１０４…分岐コア部、１０５…基板、１０６…結晶層、１１１…非線形光導波路、１１３…テーパー光導波路、１１４…分岐導波路。
【図１Ａ】
2017116786.tif 000003
【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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