(57)【要約】【課題】構造を単純にすることができる位相整合方法及び非線形光学デバイスを提供する。【解決手段】  非線形デバイス１は、コア層２と、前記コア層２の一側主面2a及び他側主面2bのそれぞれの面上に形成されたクラッド層３とを備える。前記コア層２は、前記クラッド層３よりも屈折率が高く、前記一側主面2a及び前記他側主面2bの長さが、前記一側主面2aと前記他側主面2bとの間の長さより長い扁平形状である。これにより、従来のように高屈折率の半導体薄膜と低屈折率の誘電体薄膜とを交互に積層したり、高屈折率の半導体薄膜と低屈折率の誘電体薄膜とを周期的に繰り返し形成したりすることなく、構成を単純化することができる。【選択図】図１
2009229656.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア層と、前記コア層の一側主面及び他側主面のそれぞれの面上に形成されたクラッド層とを備え、前記コア層と前記クラッド層のうち少なくとも一方が非線形光学材料であり、前記非線形光学材料は、非線形相互作用に関わる光波を異なる偏光配置とする配向を有する非線形光学デバイスを用いて、
前記クラッド層よりも屈折率が高く、前記一側主面及び前記他側主面の長さが、前記一側主面と前記他側主面との間の長さより長い扁平形状に形成された前記コア層に入力光を入射し、
前記入力光と前記非線形光学デバイスから出力される出力光との間で位相整合を行なう
ことを特徴とする位相整合方法。
【請求項２】
コア層と、前記コア層の一側主面及び他側主面のそれぞれの面上に形成されたクラッド層とを備え、
前記コア層は、前記クラッド層よりも屈折率が高く、前記一側主面及び前記他側主面の長さが、前記一側主面と前記他側主面との間の長さより長い扁平形状であり、
前記コア層と前記クラッド層のうち少なくとも一方が、非線形光学材料であって、
前記非線形光学材料は、非線形相互作用に関わる光波を異なる偏光配置とする配向を有する
ことを特徴とする非線形光学デバイス。
【請求項３】
前記コア層が、閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する化合物半導体を主成分として形成されたことを特徴とする請求項２記載の非線形光学デバイス。
【請求項４】
前記コア層が、ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＺｎＳｅ，及び３Ｃ−ＳｉＣのうちいずれか一種からなる半導体を主成分として形成されたことを特徴とする請求項２記載の非線形光学デバイス。
【請求項５】
前記クラッド層が、ＡｌＯｘ又はＳｉＯ２の酸化物を主成分として形成されたことを特徴とする請求項２又は３記載の非線形光学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相整合方法及び非線形光学デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、波長が短いレーザー光は、材料加工、半導体分野におけるリソグラフィー用の光源、さらに物質の表面改質、医療分野、環境ガスの計測、通信分野などにおいて広く用いられている。
【０００３】
例えば、通信分野においては、インターネットの普及に伴い、一本の光ファイバーケーブルに複数の異なる波長の光信号を同時に乗せる光波長多重通信（WDM: Wavelength Division Multiplex）によって高速かつ大容量の情報通信が可能となっている。ところが、同時に乗せる波長数の増加に伴い、光ファイバーから入力された光信号を別の光ファイバーに出力する光クロスコネクトにおける信号処理が膨大になるという問題がある。この光クロスコネクトとしては、内部で一旦電気的な信号に変換してから別の光信号に変換し直すものもあるが、上記したような増加する波長データを高速で信号処理することは困難である。これに対し、光信号を電気的な信号に変換することなく、光信号のままで信号処理を行なう波長変換素子が注目されている。
【０００４】
この種の波長変換素子としては、高い光学的非線形性を有する閃亜鉛鉱型化合物半導体を用いたものが、先行の強誘電体結晶に比べはるかに高効率なデバイスとなる可能性があり、高効率化に欠かせない位相整合の手法がいくつか提案されている。例えば、高屈折率の半導体薄膜と低屈折率の誘電体薄膜とを交互に積層して多層膜としたform birefringence（例えば、非特許文献１）や、slot導波路における強い複屈折性を位相整合に利用する試み（例えば、非特許文献２）が報告されている。これらの波長変換素子は、入射された光と、出力される光との位相を媒質中の光路の全てでそろえること（位相整合）により、強い光を出力させることができるので、効率よく波長を変換することができる。
【非特許文献１】A.Fiore, V.Berger, E.Rosencher, P.Bravetti, and J.Nagle, Nature 391, 463(1998)
【非特許文献１】A.D.Falco, C.Conti, and G.Assanto, Opt. Lett. 31, 3146(2006)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記したような従来の手法では、高屈折率の半導体薄膜と低屈折率の誘電体薄膜とを交互に積層したり、高屈折率の半導体薄膜と低屈折率の誘電体薄膜とを周期的に繰り返し形成したりする必要があるので、構造が複雑になってしまうという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は上記した問題点に鑑み、構造を単純にすることができる位相整合方法及び非線形光学デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、コア層と、前記コア層の一側主面及び他側主面のそれぞれの面上に形成されたクラッド層とを備え、前記コア層と前記クラッド層のうち少なくとも一方が非線形光学材料であり、前記非線形光学材料は、非線形相互作用に関わる光波を異なる偏光配置とする配向を有する非線形光学デバイスを用いて、前記クラッド層よりも屈折率が高く、前記一側主面及び前記他側主面の長さが、前記一側主面と前記他側主面との間の長さより長い扁平形状に形成された前記コア層に入力光を入射し、前記入力光と前記非線形光学デバイスから出力される出力光との間で位相整合を行なうことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、コア層と、前記コア層の一側主面及び他側主面のそれぞれの面上に形成されたクラッド層とを備え、前記コア層は、前記クラッド層よりも屈折率が高く、前記一側主面及び前記他側主面の長さが、前記一側主面と前記他側主面との間の長さより長い扁平形状であり、前記コア層と前記クラッド層のうち少なくとも一方が、非線形光学材料であって、前記非線形光学材料は、非線形相互作用に関わる光波を異なる偏光配置とする配向を有することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に係る発明は、前記コア層が、閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する化合物半導体を主成分として形成されたことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４に係る発明は、前記コア層が、ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＺｎＳｅ，及び３Ｃ−ＳｉＣのうちいずれか一種からなる半導体を主成分として形成されたことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項５に係る発明は、前記クラッド層が、ＡｌＯｘ又はＳｉＯ２の酸化物を主成分として形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の請求項１記載の位相整合方法、及び、請求項２〜４に記載の非線形デバイスは、従来に比べ単純な構成で、位相整合を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。図１に示す非線形光学デバイス１は、コア層２と、前記コア層２の一側主面2a及び他側主面2bのそれぞれの面上に形成されたクラッド層３とからなる導波路を備える。コア層２は、一側主面2a及び他側主面2bとしての上下面が前記クラッド層３に挟まれている一方で、左右側面が外気に曝されている。
【００１４】
本発明においては、前記コア層２と前記クラッド層３のうち少なくとも一方が非線形光学材料である。また、この非線形光学材料は、非線形相互作用に関わる光波を異なる偏光配置とする配向を有する、すなわち、非線形相互作用に関わる光波が全て同じ偏光配置にならないような非線形光学テンソルを有する配向を選択する点が、本発明の特徴である。尚、図１は、手前側から奥側へ光が進行するものとし、非線形デバイス１の奥行き側の構成は、一様な構造であるものとする。
【００１５】
コア層２は、前記クラッド層３よりも屈折率が高く、前記一側主面2a及び前記他側主面2bの長さ（以下、コア層幅という）Ｗが、前記一側主面2aと前記他側主面2bとの間の長さ（以下、コア層厚という）Ｄより長く、断面形状が扁平の矩形形状に形成されている。非線形光学デバイス１は、コア層幅Ｗとコア層厚Ｄとを適宜選択することで、変換効率を向上することができる。
【００１６】
このコア層２を構成する材料は、屈折率が高く、非線形光学定数テンソルの非対角成分が利用できるものでなければならない。また、コア層２を構成する材料は、非線形性が高いものが好ましい。このように構成されるコア層２は、閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する化合物半導体、例えば、ＧａＡｓ，ＧａＰ，及びＩｎＰや、その混晶としてのＡｌＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓＰなどの立方晶系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の他、ＺｎＳｅなどの立方晶系ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体や、３Ｃ−ＳｉＣの中から選択される薄膜で形成することができ、本図では、ＡｌＧａＡｓ薄膜を用いた場合を示している。また、クラッド層３を構成する材料は、屈折率が低く、上記したコア層２の形成材料とプロセス整合性があると良い。具体的には、クラッド層３は、ＡｌＯｘ又はＳｉＯ２等の酸化物で形成することができ、本図では、ＡｌＯｘ薄膜を用いた場合を示している。
【００１７】
このような非線形光学デバイス１を製造するには、ＧａＡｓ基板上にクラッド層３として厚さ３μｍのＡｌＡｓ薄膜を形成する。次いで、ＡｌＡｓ薄膜上にコア層２として厚さ０．０９８μｍのＡｌＧａＡｓ薄膜を形成し、さらにＡｌＧａＡｓ薄膜上に、クラッド層３として厚さ３μｍのＡｌＡｓ薄膜を形成する。薄膜の形成には、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ; Molecular Beam Epitaxy）や有機金属気相成長法(ＭＯＶＰＥ；Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy)を用いた。次いで、上方のＡｌＡｓ薄膜から下方のＡｌＡｓ薄膜まで深さ方向にエッチング処理をし、幅１．３５μｍのリブ構造を作製する。そして、ＡｌＡｓ薄膜を強制酸化して、ＡｌＯｘ薄膜を形成する。
【００１８】
本実施形態に係る非線形光学デバイス１は、コア層２とクラッド層３との屈折率差を大きくした高屈折率差導波路において、異なる偏光の組み合わせを使用できる場合に、複屈折位相整合を達成することができる。
【００１９】
また、非線形デバイス１は、材料の屈折率の波長依存によって生じる波長分散を、上記したような構成、すなわちコア層幅Ｗをコア層厚Ｄより長くしたことにより、補償することができる。
【００２０】
図２に示す非線形光学デバイス10は、上記実施形態の変形例であり、扁平形状に形成されたコア層２がクラッド部11内に埋め込まれた状態で構成されている。このようにコア層２とクラッド部11とを構成しても、上記したように、構成が単純で、かつ、効率よく位相整合を行なうことができる。
【００２１】
上記した構成に基づく非線形光学デバイスにおいて、位相整合を達成できる理由について考える。まず、非線形光学デバイスをモデル化し、コア層幅Ｗを固定（例えば、１．３５μｍ）してコア層厚Ｄを変化させたときの入力光としての基本波（ＴＥ様モード）と、出力光としての第二高調波（ＴＭ様モード）との等価屈折率の変化を求めた結果を図３に示す。基本波（ＴＥ様モード）は、コア層厚Ｄを大きくしても、もともと電場主成分の振動方向の幅としてのコア層幅Ｗが大きいので、基本波（ＴＥ様モード）の等価屈折率におけるコア層厚Ｄの依存性が小さい。すなわち、図３において曲線（一点鎖線）の傾きは小さい。これに対し、第二高調波（ＴＭ様モード）は、コア層厚方向が電場主成分の振動方向と重なるから、等価屈折率におけるコア層厚Ｄの依存性が大きい。すなわち図３において曲線（実線）の傾きが大きくなる。そうすると、図３に示すように、基本波（ＴＥ様モード）と第二高調波（ＴＭ様モード）との等価屈折率が重なる、すなわち一致する点が存在することとなる。これは、基本波（ＴＥ様モード）と第二高調波（ＴＭ様モード）との位相速度が一致することと同義なので、この点において位相整合を行うことができる。本実施形態では、コア層幅Ｗが１．３５μｍのときに基本波（ＴＥ様モード）と、第二高調波（ＴＭ様モード）との等価屈折率が一致し、そのときのコア層厚Ｄが０．０９８μｍであることを確認し、この組み合わせのときに位相整合が達成できることが分かった。
【００２２】
次いで、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの薄膜で形成したコア層厚Ｄが０．０９８μｍ、コア層幅Ｗが１．３５μｍのコア層と、ＡｌＯｘの薄膜で形成したクラッド層とをモデル化し、モード電場分布をシミュレーションにより求めた（図４）。この図に示すように、第二高調波（ＴＭ様モード）の電場がクラッド層に強くしみだしていることが確認できた。これにより、位相整合が達成できるものと考えられる。
【００２３】
また、コア層におけるコア層幅Ｗとコア層厚Ｄの最適な組み合わせを求めた。まず、コア層幅Ｗを変化させた場合に、位相整合を達成できる、すなわち基本波（ＴＥ様モード）と、第二高調波（ＴＭ様モード）との等価屈折率が一致するコア層厚Ｄを求め、各位相整合を達成できるコア層幅Ｗとコア層厚Ｄとの組み合わせを求めた（図５の一点鎖線）。次いで、上記したように求めた各位相整合を達成できるコア層幅Ｗとコア層厚Ｄとの組み合わせにおいて、規格化変換効率を計算した（図５の実線）。この結果から、コア層幅Ｗが１．３５μｍ、コア層厚Ｄが０．０９８μｍの組み合わせのときに、規格化変換効率が最大となることが分かった。
【００２４】
このように、本実施形態に係る非線形デバイスは、単純な構成で、かつ、効率よく位相整合を達成できることが確認できた。特に、非線形デバイスは、コア層厚Ｄが０．０９８μｍ、コア層幅Ｗが１．３５μｍのときに効率が最大となることが分かった。
【００２５】
本実施形態に係る非線形光学デバイス１では、従来のように高屈折率の半導体薄膜と低屈折率の誘電体薄膜とを交互に積層したり、高屈折率の半導体薄膜と低屈折率の誘電体薄膜とを周期的に繰り返し形成したりすることなく、単に、単一層で構成したコア層と、前記コア層を挟み込むように形成したクラッド層とで構成したから、構成を単純化することができ、かつ、コア層幅Ｗとコア層厚Ｄとを適宜選択することにより、効率よく位相整合を行なうことができる。
【００２６】
次に、非線形光学効果としてのＤＦＧにおける効果を確認した。すなわち、モデル化により最適化したコア層厚Ｄが０．０９８μｍ、コア層幅が１．３５μｍの非線形デバイスに対し、波長が０．７７５μｍのポンプ光（ＴＭ様モード）と、波長が１．５μｍの帯信号光（ＴＥ様モード）とを入力することとし、非線形デバイスの長さＬを適宜変えた場合（１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ）における信号波長と規格化変換効率との関係を求めた。その結果を図６に示す。この結果から、非線形デバイスの長さＬが１ｍｍであっても、２００％／Ｗの高い規格化変換効率が得られ、しかも７０ｎｍにも及ぶ広い帯域における波長変換が可能であることが確認できた。
【００２７】
上記した実施形態に係る非線形デバイスは、ＷＤＭ通信ネットワーク、例えば、伝送、多重化、多重分離、交換、経路制御などのネットワーク機能を、すべて光技術だけで行うフォトニックネットワークにおける光クロスコネクトの波長変換素子に適用することができる。例えば、図７に示すように、波長０．７７５μｍのポンプ光ｗｐを連続波で波長変換素子に入力しておくと、この連続波との間のＤＦＧによって波長１．５４μｍの信号光ｗｓの情報を波長１．５６μｍの出力光ｗｉに電気信号に置き換えることなく光のまま変換することができる。
【００２８】
また、非線形デバイスは、近赤外固体レーザ、又は半導体レーザのＤＦＧによって、波長を人為的に変えることができる赤外コヒーレント光源の波長変換素子に適用することができる。例えば、近赤外固体レーザ又は半導体レーザと、励起レーザとの組み合わせと、波長変換素子の構成とを適宜変更することにより、波長領域が３〜１５μｍの領域に対し対応することができる。この中赤外の波長領域は分子振動吸収の指紋領域にあたり、本発明によって超小型で高効率の光源を提供できることにより、レーザレーダやリモートセンシングなどを用いた環境モニタリングや大気分析への応用が期待できる。
【００２９】
本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、本実施例では、コア層の断面形状が矩形状である場合について確認したが、コア層厚Ｄがコア層幅Ｗに比べ小さい扁平形状であれば、矩形状に限らず、例えば、長円形状、楕円形状、扇形状などでも同様の効果が得られると考えられる。その際、コア層の断面形状の変更に伴い、コア層厚Ｄ及びコア層幅Ｗは適宜変更すべきことはいうまでもない。
【００３０】
また、上記した実施形態では、コア層２が非線形性が高い材料で構成されている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、コア層２の断面形状が扁平の矩形形状に形成されていれば位相整合を達成することができるので、クラッド層３を非線形性の高い材料で構成することとしてもよい。この場合、コア層の非線形性が低くても、クラッド層の非線形性を利用して波長変換が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本実施形態に係る非線形デバイスの構成を示す断面図である。
【図２】本実施形態の変形例に係る非線形デバイスの構成を示す断面図である。
【図３】コア層幅Ｗを１．３５μｍに固定してコア層厚Ｄを変化させたときの基本波（ＴＥ様モード）と、第二高調波（ＴＭ様モード）との等価屈折率の変化を示す図である。
【図４】モード電場分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】コア層幅Ｗを変化させて位相整合を達成できるコア層厚Ｄを求め、規格化変換効率を計算した結果を示す図である。
【図６】非線形デバイスの長さＬを適宜変えた場合（１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ）における信号波長と規格化変換効率との関係を示す図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る概念を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    非線形デバイス
２    コア層
３    クラッド層
【図１】
2009229656.tif 000003
【図２】
2009229656.tif 000004
【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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