(57)【要約】【課題】ＱＰＭ波長を電気的に制御可能とすることにより、ＱＰＭ波長の変換を可能とし、かつ、製造を容易にする。【解決手段】基板２０と、導波路３０と、周期的ドメイン反転構造４０と、抵抗加熱膜５０とを備えている。導波路は、基板の第１の主表面２０ａ側に形成されている。周期的ドメイン反転構造は、基板に、第１ドメイン４２と、第２ドメイン４４とが、導波路の長手方向に沿って周期的に形成された構造である。第１ドメインは、分極の方向が第１の主表面から第１の主表面の反対側の第２の主表面２０ｂに向かう領域である。また、第２ドメインは、分極の方向が第２の主表面から第１の主表面に向かう領域である。抵抗加熱膜は、基板の第１の主表面上に形成されている。また、抵抗加熱膜は、導波路の長手方向に沿って設けられている。【選択図】図１
2009169344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板の第１の主表面側に形成された導波路と、
前記基板に、分極の方向が前記第１の主表面から該第１の主表面の反対側の第２の主表面に向かう第１ドメインと、分極の方向が前記第２の主表面から前記第１の主表面に向かう第２ドメインとが、前記導波路の長手方向に沿って周期的に形成された周期的ドメイン反転構造と、
前記基板の前記第１の主表面上に形成され、前記導波路の長手方向に沿って設けられた抵抗加熱膜と
を備えることを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記抵抗加熱膜が、一定の抵抗率ρを有しており、
前記導波路の長手方向にｘ軸を取ると、前記抵抗加熱膜の幅ｗ（ｘ）が、ｘ座標に対応して異なっている
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】
前記抵抗加熱膜の幅ｗ（ｘ）が、ｗ（ｘ）＝（ａ×ｘ＋ｂ）−１／２の式（ａ、ｂは定数）で与えられる
ことを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、波長変換素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波長変換素子として、周期的ドメイン反転構造が形成された光導波路によって、擬似位相整合（ＱＰＭ：Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ  Ｍａｔｃｈｉｎｇ）を実現して波長変換を行う、擬似位相整合型波長変換素子（以下、ＱＰＭ型波長変換素子と称することもある。）がある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平４−１０７５３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の従来例のＱＰＭ型波長変換素子では、位相整合条件が非常に厳しい。
【０００４】
ＱＰＭ型波長変換素子で、位相整合条件（以下、ＱＰＭ条件と称することもある。）を満たす波長（以下、ＱＰＭ波長と称する。）は、ドメイン反転の周期と屈折率で決まる。例えば、ＬｉＮｂＯ３基板に形成されたＱＰＭ型波長変換素子の場合、波長１．５μｍ帯では、ドメイン反転の周期は１８μｍ程度である。このとき、ＱＰＭ波長の半値幅は０．２ｎｍ程度である。この場合、変換光の波長は、この半値幅の程度でしか変更できない。
【０００５】
ここで、ＱＰＭ型波長変換素子では、ドメイン反転の周期を徐々に変えていくことにより、ポンプ波長帯域、すなわち、ＱＰＭ波長の半値幅を広くすることができる。
【０００６】
しかし、ドメイン反転の周期が１μｍ変化すると、ＱＰＭ波長は１００ｎｍ近く変化する。従って、ＱＰＭ波長を連続的に広げるためには、単一のドメイン反転の周期におけるＱＰＭ波長の半値幅程度ずつ、ドメイン反転の周期を変化させる必要がある。
【０００７】
上述の波長１．５μｍ帯のＱＰＭ型波長変換素子では、ドメイン反転の周期を、数ｎｍ程度で変化させる必要があり、周期的ドメイン反転構造の形成にあたり、厳しい精度が要求される。周期的ドメイン反転構造の形成に当たり、フォトリソグラフィ法が用いられるが、現在、最も高分解能の電子ビーム露光を行った場合でも、その精度は１０ｎｍ程度である。従って、ＱＰＭ波長を連続的に広げるためにドメイン反転の周期を変化させる構造は、製造が困難である。
【０００８】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、ＱＰＭ波長を電気的に制御可能とすることにより、ＱＰＭ波長の変換を可能とし、かつ、製造が容易な波長変換素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した目的を達成するために、この発明のＱＰＭ型の波長変換素子は、光の伝播方向である導波路の長手方向に沿って抵抗加熱膜を備えている。抵抗加熱膜に電流を流すと抵抗加熱膜が有する抵抗分布により、導波路に伝播方向に沿って温度分布が生じる。導波路の温度が変わると、屈折率も変わるので、伝播方向に沿って温度分布を与えることにより、ＱＰＭ波長の幅を広げることができる。
【００１０】
そこで、この発明の要旨によれば、基板と、導波路と、周期的ドメイン反転構造と、抵抗加熱膜とを備える波長変換素子が提供される。
【００１１】
導波路は、基板の第１の主表面側に形成されている。
【００１２】
周期的ドメイン反転構造は、基板に、第１ドメインと、第２ドメインとが、導波路の長手方向に沿って周期的に形成された構造である。第１ドメインは、分極の方向が第１の主表面から第１の主表面の反対側の第２の主表面に向かう領域である。また、第２ドメインは、分極の方向が第２の主表面から第１の主表面に向かう領域である。
【００１３】
抵抗加熱膜は、基板の第１の主表面上に形成されている。また、抵抗加熱膜は、導波路の長手方向に沿って設けられている。
【００１４】
上述した波長変換素子の好適な実施形態によれば、抵抗加熱膜が、一定の抵抗率ρを有しており、導波路の長手方向にｘ軸を取ると、抵抗加熱膜の幅ｗ（ｘ）が、ｘ座標に対応して異なっているのが良い。
【００１５】
また、抵抗加熱膜の幅ｗ（ｘ）が、ｗ（ｘ）＝（ａ×ｘ＋ｂ）−１／２の式（ａ、ｂは定数）で与えられるのが良い。
【発明の効果】
【００１６】
この発明の波長変換素子によれば、抵抗加熱膜に電流を流すとことにより、導波路に温度分布が生じ、この結果、ＱＰＭ波長の幅を広げることができる。
【００１７】
このため、ポンプ光の波長を、広げられたＱＰＭ波長の幅の範囲内で変化させることが可能となるので、結果として、変換光の波長を変化させることができる。
【００１８】
また、抵抗加熱膜に電流を流すことによる温度分布を用いてＱＰＭ波長の幅を広げるので、ドメイン反転の周期を変化させて製造する必要がなく、製造が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【００２０】
（波長変換素子の構造）
図１及び図２を参照して、この発明の波長変換素子について説明する。図１は、波長変換素子を説明するための模式図である。図２は、波長変換素子が備える、抵抗加熱膜の電気抵抗分布と、導波路の温度分布を概略的に示す図である。図２（Ａ）は、波長変換素子の平面図である。図２（Ｂ）は、導波路の光の伝播方向をｘ軸としたときの、ｘ座標と抵抗加熱膜の抵抗値Ｒ（ｘ）の関係を示す図である。また、図２（Ｃ）は、導波路の光の伝播方向をｘ軸としたときの、ｘ座標と導波路の温度Ｔ（ｘ）の関係を示す図である。
【００２１】
図２（Ｂ）では、横軸にｘ座標を取って示し、縦軸に抵抗値Ｒ（ｘ）［Ω］を取って示している。また、図２（Ｃ）では、横軸にｘ座標を取って示し、縦軸に温度［℃］を取って示している。
【００２２】
波長変換素子１０は、基板２０と、基板２０に形成された、導波路３０及び周期的ドメイン反転構造４０と、抵抗加熱膜５０を備えて構成されている。この波長変換素子１０は、擬似位相整合（ＱＰＭ：Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ  Ｍａｔｃｈｉｎｇ）を実現して波長変換を行う波長変換素子である。
【００２３】
基板２０として、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）基板を用いることができる。以下の説明では、基板２０をｚカットされたＬｉＮｂＯ３基板として説明するが、基板２０の材料は、ＬｉＮｂＯ３に限定されない。例えば、基板２０の材料を、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）など、導波路型の波長変換素子に用いられる他の材料としても良い。
【００２４】
ｚカットされたＬｉＮｂＯ３基板は、シングルドメイン結晶基板である。第１の主表面２０ａと、第１の主表面２０ａの反対側の第２の主表面２０ｂに直交する方向に自発分極の向きが揃えられている。第１の主表面２０ａと第２の主表面２０ｂの一方が、自発分極ベクトルの初端側の面（−ｚ面）となり、他方が、自発分極ベクトルの終端側の面（＋ｚ面）となる。
【００２５】
導波路３０は、基板２０の第１の主表面２０ａ側に形成されている。ここで、導波路３０は、基板２０に直線状に形成されていて、長手方向に光が伝播する。以下の説明では、導波路３０の長手方向を光の伝播方向と称することもある。
【００２６】
周期的ドメイン反転構造４０は、基板２０のドメインを、周期的に反転させて形成されている。周期的ドメイン反転構造４０は、導波路３０の長手方向に沿って、第１ドメイン４２と第２ドメイン４４とを周期的に交互に備えている。第１ドメイン４２は、分極の方向が第１の主表面２０ａから第２の主表面２０ｂに向かう領域である。また、第２ドメイン４４は、分極の方向が第２の主表面２０ｂから第１の主表面２０ａに向かう領域である。
【００２７】
この波長変換素子１０は、ポンプ光と信号光が、入力光として導波路３０に入射されると、非線形光学効果により差周波光が発生し、この差周波光が変換光として出力される。この場合、ポンプ光、信号光及び変換光の波長を、それぞれλｐ、λｓ及びλｃとすると、これらの波長は、以下の式（１）の関係を満たす。
【００２８】
１／λｃ＝１／λｐ−１／λｓ              （１）
この変換光の出力を高めるためには、ＱＰＭ条件が満たされている必要がある。ここで、ＱＰＭ条件は、以下の式（２）で与えられる。
【００２９】
２πｎｐ／λｐ−２πｎｓ／λｓ−２πｎｃ／λｃ＝２π／Λ       （２）
ここで、ｎｐ、ｎｓ及びｎｐは、それぞれ、ポンプ光、信号光及び変換光に対する屈折率である。屈折率は、周波数依存性を有しているので、ポンプ光、信号光及び変換光に対して、それぞれ屈折率が異なる。また、Λは周期的ドメイン反転構造の周期である。
【００３０】
例えば、ポンプ光の波長λｐを７７５ｎｍとし、信号光の波長λｓを１５６０ｎｍとすると、変換光の波長λｃは、上記の式（１）から１５４０ｎｍとなる。これらの波長から、上記の式（２）を満たすように、周期的ドメイン反転構造４０の周期Λを設定する。
【００３１】
ここで、周期的ドメイン反転構造４０の形成は、ｚカットされたＬｉＮｂＯ３基板の自発分極の方向を反転させる領域に、Ｔｉを高温熱拡散させるか或いは高電圧を印加することで行えることが知られている。Ｔｉを高温熱拡散させて自発分極の方向を反転させるためには、反転させる領域に真空蒸着法等でＴｉ薄膜を５０ｎｍの厚さに形成し、約１０００℃で１０時間程度熱拡散すれば良い。また、高電圧を印加して自発分極の方向を反転させるためには、反転させる領域に電極を形成して高電圧を瞬間的に印加すれば良い。
【００３２】
続いて、ｚカットされたＬｉＮｂＯ３基板に形成された周期的ドメイン反転構造４０に交差するように導波路３０を形成する。導波路３０は、安息香酸を交換源としたＨ＋−Ｌｉ＋イオン交換法（プロトン交換法とも呼ばれる。）によって形成できることが知られている。例えば、導波路３０を形成する領域のみを空けてその他の領域を金属マスクで覆った状態で、２００℃の安息香酸中に２時間浸して、金属マスク及び安息香酸を除去し、３５０℃のＡｒ雰囲気中で６時間アニール処理することで形成される。
【００３３】
抵抗加熱膜５０は、基板２０の第１の主表面２０ａ上に形成されている。抵抗加熱膜５０は、導波路３０の長手方向に沿って抵抗分布を有している。ここで、抵抗加熱膜５０は、導波路３０の近傍に形成されているのが良い。抵抗加熱膜５０を酸化シリコン膜などの薄膜を介して、導波路３０上に形成しても良い。抵抗加熱膜５０は、例えば、白金、チタン、金などで形成されている。抵抗加熱膜５０は、例えばこれら金属を蒸着した後、フォトリソグラフィ及びエッチングを行うことにより形成される。
【００３４】
また、抵抗加熱膜５０に電流を供給するために、基板２０の第１の主表面２０ａ上には、電極５２及び５４が形成されている。これら電極５２及び５４は、抵抗加熱膜５０の長手方向の両端に設けられていて、抵抗加熱膜５０に電気的に接続されている。これら電極５２及び５４の間に電流を供給する、すなわち、抵抗加熱膜５０に電流を流すと、抵抗加熱膜５０に熱が発生する。抵抗加熱膜５０の抵抗分布により、抵抗加熱膜５０で発生する熱量も一定にはならず分布を有するので、導波路３０に温度分布が生じる。
【００３５】
屈折率には温度依存性もあるので、導波路３０の温度が異なると屈折率も異なり、その結果、ＱＰＭ条件を満たす波長、すなわちＱＰＭ波長も異なることになる。従って、導波路３０に伝播方向に沿って温度分布が生じると、ＱＰＭ波長の幅が広がる。なお、Ｃ．Ｑ．Ｘｕ  ｅｔ  ａｌ．（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．７４  Ｎｏ．１４（１９９９）ｐｐ．１９３３−１９３５）によれば、ドメイン反転の周期が単一のＱＰＭ型波長変換素子では、ＱＰＭ条件を満たす波長の温度依存性は、０．１ｎｍ／Ｋ程度である。
【００３６】
以下の説明では、導波路３０の長手方向をｘ軸として説明する。ここでは、抵抗加熱膜５０の、長手方向の一端５０ｂをｘ座標の原点とする。
【００３７】
抵抗加熱膜５０は、導波路３０の長手方向、すなわちｘ軸に沿って、抵抗分布を有している。このため、抵抗加熱膜５０の単位長さ当たりの抵抗値ΔＲ（ｘ）は、ｘ座標の関数として与えられる。
【００３８】
抵抗加熱膜５０で発生する単位長さ当たりの熱量ΔＱ（ｘ）は、以下の式（３）で与えられる。なお、ここでは、抵抗加熱膜５０の抵抗率ρ及び厚みｄは、一定であり、幅ｗ（ｘ）が導波路３０の長手方向に沿って、すなわち、ｘ座標に応じて異なっているものとしている。また、抵抗加熱膜５０を流れる電流の大きさをＩとする。
【００３９】
ΔＱ（ｘ）＝ΔＲ（ｘ）×Ｉ２＝Ｉ２×ρ／（ｄ×ｗ（ｘ））       （３）
基板２０の熱抵抗をＲｔｈとし、基板２０の抵抗加熱膜５０が形成されている面とは反対側の面、すなわち第２の主表面２０ｂの温度をＴ０とすると、近傍に抵抗加熱膜５０が形成されている導波路の温度Ｔ（ｘ）は、以下の式（４）で与えられる。
【００４０】
Ｔ（ｘ）＝Ｔ０＋Ｒｔｈ×ΔＱ（ｘ） （４）
ここで、熱抵抗Ｒｔｈは、抵抗加熱膜５０の幅ｗ（ｘ）に反比例するため、上記の式（３）及び式（４）から、Ｔ（ｘ）−Ｔ０は、ｗ（ｘ）の２乗に反比例することになる。従って、抵抗加熱膜５０の幅ｗ（ｘ）に与える関数によって、導波路３０に任意の温度分布を与えることができる。
【００４１】
例えば、抵抗加熱膜５０の幅ｗ（ｘ）を与える関数をｗ（ｘ）＝（ａ×ｘ＋ｂ）−１／２（ａ、ｂは定数）とすれば、Ｔ（ｘ）−Ｔ０は、ａ×ｘ＋ｂに比例することになる。すなわち、導波路３０の温度Ｔ（ｘ）は、ｘ座標の一次関数で与えられ、直線的に変化する。このように設定することで、波長変換素子１０の波長帯域幅を広げることができる。
【００４２】
上述したように、この発明の波長変換素子によれば、抵抗加熱膜に電流を流すとことにより、ＱＰＭ条件を満たす波長の幅を広げることができる。このため、ポンプ光の波長を、広げられたＱＰＭ波長の幅の範囲内で変化させることが可能となり、この結果、変換光の波長を変化させることができる。
【００４３】
また、抵抗加熱膜に電流を流すことによる温度分布を用いてＱＰＭ波長の幅を広げるので、ドメイン反転の周期を変化させて製造する必要がない。
【００４４】
ドメイン反転の周期を変化させてＱＰＭ条件を満たす波長の幅を広げる場合、ドメイン反転の周期は数ｎｍ程度の精度で要求される。周期的ドメイン反転構造の形成に当たり、フォトリソグラフィ法が用いられるが、現在、最も高分解能の電子ビーム露光を行った場合でも、その精度は１０ｎｍ程度であるので、ドメイン反転の周期を変化させる構造は、製造が困難である。
【００４５】
これに対し、この発明の波長変換素子では、抵抗加熱膜に電流を流すことにより生じる温度分布を用いて、ＱＰＭ条件を満たす波長の幅を広げている。この場合、抵抗加熱膜の形状は、フォトリソグラフィの精度で制限されるが、抵抗加熱膜の幅が、この製造精度の範囲でばらついたとしても、発生する熱量に与える影響はわずかである。従って、この発明の波長変換素子はドメイン反転の周期を変化させて製造するのに比べて製造が容易になる。
【００４６】
また、周期的ドメイン反転構造に対する導波路の方向を徐々に変えることで、ＱＰＭ条件を満たす波長の幅を広げることも可能であるが、この場合、伝播中の光の損失の影響を受ける。これに対し、この発明の波長変換素子では、導波路は直線上に形成されるので、このような光の伝播方向を変えることによる、光の損失の影響を受けない。
【００４７】
なお、この発明の波長変換素子では、ＱＰＭ条件を満たす波長の幅を広げるために、抵抗加熱膜に電流を流して熱を発生させる。ここで、抵抗加熱膜を流れる電流値が増えるとＱＰＭ条件を満たす波長の幅が広がるとともに、ＱＰＭ条件を満たす中心波長が、長波長側にシフトする。そこで、この波長変換素子を、例えばペルチェ素子などのサーモモジュール上に搭載して、導波路の温度を調整する構成にすれば、中心波長を所望の値に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】波長変換素子を説明するための模式図である。
【図２】電気抵抗分布と温度分布を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０    波長変換素子    
２０    基板
３０    導波路    
４０    周期的ドメイン反転構造    
４２    第１ドメイン
４４    第２ドメイン
５０    抵抗加熱膜
５２、５４    電極    
【図１】
2009169344.tif 000003
【図２】
2009169344.tif 000004