JP2004219751A - 光導波路デバイスならびにそれを用いた光導波路レーザおよびそれを備えた光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長の異なる光をシングルモードに伝搬可能な、光導波路デバイスならびにそれを用いた光導波路レーザおよびそれを備えた光学装置を提供する。
【解決手段】光導波路デバイス１００は、入射光の波長を変換して変換光を出射する導波層１０２を備えている。導波層１０２には、リッジ導波路１０３と、リッジ導波路１０３の両側に２つの凹部１０４を介して形成されたスラブ導波路１０５とが設けられている。導波層１０２は、入射光に対してマルチモード条件を満足し、リッジ導波路１０３を伝搬する光はシングルモードである。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理および光通信分野で利用される光導波路デバイスならびにそれを用いた光導波路レーザおよびそれを備えた光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光情報処理分野、光通信分野において、光多重通信による通信容量の増大が図られている。１つのファイバー内に多数の波長を電送する波長多重方式によりファイバー内を電送する容量を飛躍的に増大させることが可能となる。波長多重方式の伝送において、光を波長によって分波合波する光ルーティングが重要なデバイスとなる。特定の波長を異なる波長の光に変換することで信号光を制御する。この光ルーティングの方式として非線形光学効果を利用した差周波変換が利用されている。信号光とポンプ光を非線形光学素子内に導き、信号光とポンプ光の差周波を新たな信号光とすることで、信号光の波長を一括して波長変換することが可能となる。非線形光学効果を利用するため高速な波長変換が可能となる。このような波長変換素子として擬似位相整合を利用した導波路型の差周波発生素子が提案されている（非特許文献１）。
【０００３】
図８は、従来の光導波路型差周波発生素子の構成図である。ＬｉＮｂＯ_３基板に周期状分極反転構造８０１とプロトン交換導波路８０２が形成されている。光導波路の入射部には、セグメントテーパ導波路８０３が形成されている。信号光として波長１．５６μｍ帯の光、ポンプ光は波長０．７８μｍ、差周波は波長１．５６μｍ帯である。光導波路は１．５６μｍの信号光と差周波が導波する条件であるため、波長０．７８μｍのポンプ光に対してはマルチモード条件の導波路となる。マルチモード条件のプロトン交換導波路にシングルモードの光を結合させるのは難しい。このため、信号光とポンプ光の入射部を別にし、かつポンプ光にはセグメントテーパ導波路８０３を用いている。
【０００４】
セグメントテーパ導波路８０３は、導波路の入射部においてはポンプ光の光に対してシングルモード条件であり、徐々にマルチモード条件の光導波路に導波光を導くことで、マルチモード導波路内をシングルモードで伝搬させている。つまり、セグメントテーパ導波路を用いて導波路内でシングルモード導波路のシングルモード伝搬光をマルチモード導波路のシングルモード伝搬光に変換していた。信号光、ポンプ光を、分極反転構造を有する光導波路内でシングルモード伝搬させることで、導波路内でのオーバラップが増大し、高効率で差周波を発生することが可能となる。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｍ．Ｈ．Ｃｈｏｕ， ｅｔ ａｌ．， ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ， １９９８， ｖｏｌ．２３， Ｎｏ．１３， ｐ１００４−１００６）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の光導波路デバイスに用いられている光導波路はストライプ状の３次元導波路であり、屈折率分布が対称構造ではない。このため、マルチモード導波路に外部からシングルモードのみを励振することは非常に困難であり、トレランスも非常に狭いという課題があった。これは、外部からの入射光のビームスポットの電界分布を光導波路のシングルモードの電界分布に正確に一致させないと、マルチモードが容易に励振されてしまうからである。通常のレンズ結合や光ファイバー結合ではマルチモード導波路においてシングルモードのみを選択的に励起できない。
【０００７】
本発明は上述の問題点に鑑み、波長の異なる光をシングルモードに伝搬可能な、光導波路デバイスならびにそれを用いた光導波路レーザおよびそれを備えた光学装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の光導波路デバイスは、入射光の波長を変換して変換光を出射する導波層を備えた光導波路デバイスであって、前記導波層に設けられたリッジ導波路と、前記リッジ導波路の両側に凹部を介して形成されたスラブ導波路とを備え、前記導波層は、前記入射光に対してマルチモード条件を満足し、前記リッジ導波路を伝搬する光はシングルモードである。
【０００９】
リッジ導波路の両側に凹部を介してスラブ導波路を設けた構成としたことにより、マルチモード条件にもかかわらず、シングルモード光を選択的に励振することができる光導波路デバイスを実現できる。
【００１０】
本発明の光導波路デバイスにおいて、入射光の波長は、前記変換光の波長よりも小さいことが好ましい。それにより、高効率な波長変換素子が実現できる。
【００１１】
本発明の光導波路デバイスにおいて、前記導波層は、非線形光学結晶からなり、前記変換光の波長は、前記入射光の波長の２倍であることが好ましい。それにより、高効率なダウンコンバージョンの光導波路デバイスが実現できる。
【００１２】
本発明の光導波路デバイスにおいて、前記導波層は、非線形光学結晶からなり、前記入射光は、複数の波長の光であり、前記入射光と共にポンプ光がさらに入射され、前記変換光は、前記ポンプ光と前記入射光の差周波光であることが好ましい。それにより、差周波を用いた波長変換素子である光導波路デバイスが実現できる。
【００１３】
本発明の光導波路デバイスにおいて、前記リッジ導波路が周期状の分極反転構造を有することが好ましい。それにより、高効率な波長変換素子が実現できる。
【００１４】
本発明の光導波路デバイスにおいて、前記分極反転構造は、分極反転周期が互いに異なる２つの領域を、光の伝搬方向に対して直列に有し、前記入射光は、複数の波長の光であり、前記入射光と共に第１および第２のポンプ光がさらに入射され、前記２つの領域のうち光の入射側に近い領域を第１の領域とし、もう１つの領域を第２の領域とすると、前記第１領域で、前記入射光が第１のポンプ光との差周波光に変換され、前記第２領域で、前記第１領域で変換された差周波光が、第２のポンプ光との差周波光に変換されることが好ましい。それにより、波長変換させた信号光の周波数の大小が変わらない光導波路デバイスを実現できる。
【００１５】
本発明の光導波路デバイスにおいて、前記リッジ導波路の幅が前記スラブ導波路の幅より狭いことが好ましい。それにより、リッジ導波路の実効屈折率は、スラブ導波路の実効屈折率よりも小さくなるため、マルチモードの導波光がスラブ導波路に引き寄せられる。そのため、シングルモードの伝搬が効果的に起こる。
【００１６】
本発明の光導波路デバイスにおいて、前記導波層は、非線形光学結晶の薄膜からなることが好ましい。結晶を薄膜化した導波路構造は、導波路内に不純物を含まないため、低損失で、非線形光学定数が高く、耐光損傷強度に優れる。これにより、高出力のポンプ光の導波が必要な差周波デバイスにおいても、安定な出力特性が得られる。
【００１７】
本発明の光導波路デバイスにおいて、前記薄膜は、光学基板に接着されていることが好ましい。あるいは、前記薄膜が、光学基板に直接接合されていることも好ましい。
【００１８】
本発明の光導波路デバイスにおいて、２層以上のクラッド層が積層されていることが好ましい。それにより、マルチモード条件にもかかわらず、シングルモード伝搬が可能な波長領域が広い、光導波路デバイスが実現できる。
【００１９】
上記構成の光導波路デバイスにおいて、前記クラッド層のうち、前記リッジ導波路に接するクラッド層は、他のクラッド層より高い屈折率を有することが好ましい。また、前記リッジ導波路に接するクラッド層は、Ｎｂを含む酸化物であることがさらに好ましい。
【００２０】
本発明の光導波路デバイスにおいて、前記導波層は、深さ方向にステップ状の屈折率分布を有していることが好ましい。それにより、シングルモード光を選択的に励振することができる光導波路デバイスを実現できる。
【００２１】
また、本発明の光導波路レーザは、光源と、上述のいずれかの構成にかかる光導波路デバイスとを備えた光導波路レーザであって、前記光導波路デバイスの導波層がレーザ媒質である。それにより、高効率で安定した光導波路レーザが実現できる。
【００２２】
前記導波層は、Ｅｒ，Ｎｄ，Ｐｒ、Ｔｕの少なくとも１つを含むことが好ましい。
【００２３】
また、本発明の光学装置は、上述のいずれかの構成にかかる光導波路デバイスを備えている。それにより、高速動作が可能な光学装置を実現できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
まず、光導波路の横モードのシングル、マルチモードについて説明する。導波路を伝搬する光の電界分布は導波路の屈折率、形状、大きさにより決定される。導波路の形状を光の波長と同程度のサイズにすると、導波路を伝搬する電界分布が離散的に存在するようになり横モードに分離できる。導波路形状が小さくなり、一つの横モードしか存在しえない状態になったときの導波路をシングルモード導波路という。導波路内に２つ以上の横モードが存在可能になった場合をマルチモード導波路という。導波路サイズが小さくなって光の伝搬が困難になった場合をカットオフ状態という。導波路をシングルモードにするかマルチモードにするかは、導波路の形状、屈折率、光の波長、等により設計するが、通常の光導波路デバイスは導波光に対してシングルモード条件に設計される。シングルモード条件とは、マルチモードに対して光導波路がカットオフとなる条件で、導波路はシングルモードの導波光しか導波しない。この理由は主に、結合における問題と導波路デバイスの特性に起因する。
【００２５】
マルチモード導波路がデバイス特性に与える影響とは、導波路に伝搬定数の異なる複数の導波光（マルチモード）が存在することに起因する。導波光を何らかの形で制御する場合、複数の伝搬定数の光が存在すると、それぞれが異なった影響を及ぼすため効果が低減する。例えば、光波長変換素子においては、伝搬定数により位相整合条件が異なるため変換効率が大幅に低下するし、電気光学効果を利用したスイッチ等でも同様に効果が低下するため、スイッチング特性のＳ／Ｎ比が大幅に低下する。このため、導波路を用いたデバイスにおいては、シングルモード伝搬で、伝搬光をひとつに制限することでデバイス特性の向上を図っている。
しかしながら、シングルモード導波路の使用が絶対的な条件ではない。マルチモード導波路においてもシングルモードを選択的に励起することが可能となれば、シングルモード導波路と同様にひとつの伝搬定数を持った光しか導波しないため、デバイス特性の劣化は防止できる。
【００２６】
また直交関係が成り立っているので、摂動等が存在しない限り、導波路内でシングルモードからマルチモードに光が変換されることはない。マルチモード導波路の最大の欠点は、結合の問題である。光導波路に光を入射する場合、レンズによる集光光またはファイバーによる結合により導波光を励起する。導波路と入射光の電界分布が一致すれば高効率で導波光を励起できる。マルチモード導波路においても、シングルモードの電界分布と全く等しい電界分布を外部から励起すればシングルモードのみ選択的に励起できる。
【００２７】
しかしながら、実際にはモードの電界分布を完全に一致させることは非常に難しく、結合ずれ等のトレランスも非常に厳しくなる。このため容易にマルチモードの導波光が励起されてしまいシングルモードのみでの励起が難しくなる。さらに、通常用いられているようなプロトン交換またはＴｉ拡散等の拡散を利用した光導波路は、屈折率分布がグレーディッドになっており、深さ方向に非対称な屈折率分布を持った構造である。このため導波モードも複雑な非対称構造をとり、マルチモード導波路におけるシングルモード励起をより難しくしている。
【００２８】
これらの理由より、入射光および導波光の波長が同程度の場合、導波路はこれらの光に対して、構造がシングルモードのみ導波するシングルモード条件に設計する。しかし、波長が大きく異なる光の導波が必要で、かつ入射光として波長の短い光の入射が必要な場合は、デバイスの特性劣化が問題となってくる。
【００２９】
以下に、波長の異なる光のシングルモード伝搬が可能であり、デバイスの特性劣化が生じない、本発明の具体的な実施形態について説明する。
【００３０】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る光導波路デバイスについて図１を用いて説明する。
図１において、光導波路デバイス１００は、ＬｉＮｂＯ_３からなる基板１０１上にプロトン交換ＬｉＮｂＯ_３からなる導波層１０２が形成された構成である。導波層１０２には、２つの凹部１０４が形成され、これらの凹部１０４に挟まれたリッジ導波路（光導波路）１０３が形成されている。２つの凹部１０４の外側には、スラブ導波路１０５が形成されている。つまり、導波層１０２は、リッジ導波路１０３の両側に、凹部１０４を介して、スラブ導波路１０５が形成された構成である。
【００３１】
また、リッジ導波路１０３には周期状の分極反転構造１０６が形成されている。アニールしないプロトン交換導波路構造を用いているため、深さ方向の屈折率分布はステップ状である。
【００３２】
このような構成の光導波路デバイス１００の導波層１０２は、マルチモード導波路構造であってもシングルモード導波光を選択的に励振することが可能である。リッジ導波路１０３に、波長が１．５６μｍ帯の光が導波可能なように、リッジ導波路幅ｄ１を６μｍ、導波層の深さｄ２を５μｍ、凹部の深さｄ３を２μｍとした。この導波層１０２は、波長１．５６μｍの光に対してシングルモード条件となった。
【００３３】
次に、波長０．７８μｍの赤外光をレンズ等の集光光学系を用いて、導波層１０２に入射して結合実験を行った。その結果、導波層１０２は波長０．７８μｍの光に対して２次の横モードマルチ条件（シングルモード以外に１次、２次の高次のマルチモードが伝搬可能）であった。以上の結合実験において、導波層１０２に結合する光はすべてシングルモードであり、マルチモード条件にもかかわらず、シングルモード光を選択的に励振することが可能であることがわかる。この理由を、モードプロファイルを基に解析した。以下にこの理由について説明する。
【００３４】
図２は、実施の形態１に係る光導波路の入射端面における電界分布を示す図である。導波層１０２中を、伝搬する光のモードを導波路形状から解析すると、図２に示すように、３種類の電界分布を有するモードが励起されることが明らかになった。図２（ａ）は０次モード（シングルモード）、図２（ｂ）は１次モード、図２（ｃ）は２次モードである。図から分かるように、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示されたマルチモードの場合は、凹部１０４の下側の導波層に電界１０７が大きく浸みだしているのがわかる。さらに凹部の外側に形成されているスラブ導波路１０５に、マルチモードの電界１０７が吸収されている。それにより、導波層１０２の伝搬損失が大幅に増大することが判明した。スラブ導波路１０５はリッジ導波路１０３に対して実効屈折率が大きいため、スラブ導波路１０５へ浸みだした光はすぐにスラブ導波路１０５へ吸収され、導波損失となる。すなわち、実施の形態１の導波層１０２においては、マルチモードは存在するが、伝搬損失が非常に大きく、ほとんど励振されないことがわかる。導波層１０２へ光が入射された場合、入射光との結合部においてマルチモード光は放射される。そのため、結合効率を最大にとる条件でシングルモードが選択的に励起される。つまり、実施の形態１の光導波路デバイス１００の導波層１０２は、マルチモード光の伝搬損失が非常に大きいため、マルチモード条件にもかかわらず、シングルモード光を選択的に励振することが可能である。
【００３５】
なお、リッジ導波路１０３の幅ｄ１がスラブ導波路１０５の幅ｄ５より狭くなるようにすると好ましい。導波路の実効的な屈折率を表わす実効屈折率は、導波路を形成する材質の屈折率と形状に依存する。リッジ導波路１０３の幅ｄ１がスラブ導波路１０５の幅ｄ５より狭くなるようにすることで、リッジ導波路１０３の実効屈折率がスラブ導波路１０５の実効屈折率よりも小さくなる。そのため、スラブ導波路１０５へ浸みだした光はすぐにスラブ導波路１０５へ吸収され、導波損失となる。このように、リッジ導波路１０３の幅ｄ１がスラブ導波路１０５の幅ｄ５より狭くなると、マルチモード光の伝搬損失が非常に大きくなる。そのため、マルチモード条件にもかかわらず、シングルモード光を選択的に励振することが可能である。
【００３６】
この導波層１０２において、凹部１０４の幅ｄ４は、リッジ導波路１０３の幅ｄ１の５０％よりも大きく２００％程度までが望ましい。広すぎるとリッジ導波路１０３への影響が無くなりマルチモードの伝搬損失が増加しない。また、５０％以下であるとリッジ導波路１０３中の光の伝搬に大きく影響を与えるため、シングルモードの伝搬損失自体も増大してしまうためである。
【００３７】
なお、リッジ導波路１０３がステップ状の屈折率分布を有することも、導波層１０２が、シングルモード光を選択的に励振する理由でもある。以下に具体的に説明する。仮に、リッジ導波路１０３がグレーディッドな屈折率分布を持つとき、屈折率はリッジ導波路１０３の表面から下部に行くほど連続的に小さくなる。したがって、導波モードはリッジ導波路１０３の表面近傍を中心に閉じ込められる。このため、マルチモードも表面近傍に偏った電界分布をとり、実施の形態１と同様の光導波路構造であっても、凹部１０４の下側の導波層を介したスラブ導波路１０５への漏れが非常に小さくなる。そのため、マルチモードの伝搬損失が小さくなり、シングルモードのみを選択的に励起するのが難しくなる。
【００３８】
以上のように、実施の形態１の光導波路デバイスにおいては、マルチモード条件にもかかわらず、シングルモード光を選択的に励振することが可能である
また、このリッジ導波路構造の光導波路デバイス１００を、２重クラッド構造とすることで、マルチモード条件の導波路においても、シングルモード伝搬が可能な波長領域をさらに広げることが可能になる。
【００３９】
以下に、２重クラッド構造の光導波路デバイスについて図３を用いて説明する。 図３は、２重クラッド構造の光導波路デバイスの構成図であり、図３（ａ）は光導波路デバイスの斜視図で、図３（ｂ）は、入射端面図である。２重クラッド構造の光導波路デバイス２００は、シングルモード伝搬の条件を緩和する。
【００４０】
図３（ａ）に示すように、光導波路デバイス２００は、リッジ導波路１０３のクラッド層として２層クラッド（クラッド２０１，クラッド２０２）を設けた構造である。リッジ導波路１０３に接する方のクラッド２０２にはリッジ導波路１０３と屈折率が近い材料を用いることが好ましい。たとえば、Ｎｂを含む酸化物を含む構成であるとしてもよい。具体的には、透過特性の高い高屈折率材料としてＮｂ_２Ｏ_５とＴａ_２Ｏ_５の混合膜を用いることができる。
【００４１】
図３（ｂ）に示すように、このような構造の光導波路デバイス２００には、波長の異なる２つの光が伝搬し、伝搬する領域は同一ではない。例えば、波長０．７８μｍの光と波長１．５６μｍの光を伝搬させると、波長の短い光（波長０．７８μｍ）は、リッジ導波路１０３内の領域２０７を導波し、波長の長い光（波長１．５６μｍ）はクラッド層２０２を含む領域２０８を導波する。
【００４２】
以上説明した２重クラッドのリッジ導波路構造の光導波路デバイス２００は、シングルモード伝搬の条件を緩和する。このように、実施の形態１の光導波路デバイスを２層クラッドとすることで、さらに、性能を上げることができる。
【００４３】
また、本実施形態の光導波路デバイスは高調波発生にも有効である。２次、３次高調波発生の場合、変換光に対して、入射光の波長が長いため、入射光に対して最適な設計が可能であり、シングルモード化が容易である。しかしながら、マルチモード条件に設計することで、光導波路の伝搬損失が大幅に低減できることより、本発明の構成は高効率化に有効である。
【００４４】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る光導波路デバイスについて説明する。実施の形態２の光導波路デバイスは、ダウンコンバージョンの光導波路デバイスである。ダウンコンバージョンとは、波長λの光を波長２λの光に変換するデバイスである。
【００４５】
入射する光の波長λが、変換光の波長２λより短いため、従来の光導波路では導波路条件を変換光に合わせて設計すると、入射光に対してマルチモード条件になる。そのため、波長λに合わせて光導波路をシングルモードに設計すると２λの光はカットオフになるため、デバイスが実現できない。
【００４６】
実施の形態２の光導波路デバイスは、波長λの光を波長２λの光に変換するデバイスである。実施の形態２の光導波路デバイスは、図１に示す実施の形態１の光導波路デバイスと同様の構成である。この構成のダウンコンバージョンの光導波路デバイスを実際に作製した。導波層１０２を形成する基板にＭｇドープのＬｉＮｂＯ_３基板を用い、リッジ度導波路１０３には周期状の分極反転構造を形成した。
【００４７】
この導波層１０２に波長０．４μｍの光を入射すると、周期状の分極反転構造（周期：約２．７μｍ）によって波長０．８μｍの赤外光に変換された。リッジ導波路１０３の構造は、リッジ導波路幅ｄ１が４μｍ程度である。導波層１０２は、光導波路としてはストレートな構造で、光の入射部に、光の結合特性を制御してシングルモード化するようなテーパ構造は設けなかった。導波層１０２は波長０．４μｍの青色光に対してはマルチモード条件であるが、レンズを組み合わせた集光光学系を用いて、波長０．４μｍの青色光をシングルモードの状態で選択的に入射することができた。結合効率は８０％であり、マルチモードの導波は観測されなかった。また結合のトレランスもシングルモードの導波路に励起する場合と差がなかった。
【００４８】
ダウンコンバージョンの変換効率は１０％程度であり、導波層１０２を波長０．４μｍの光がシングルモード伝搬し、かつ屈折率分布がステップ形状であるため、波長０．８μｍの光との大きなオーバラップが得られ、高効率の変換を達成した。なお、素子長は１０ｍｍであった。
【００４９】
通常テーパ等を形成するとテーパ部のスペースとして、１〜２ミリ程度必要となるため、効率は１０％から２０％低下する。さらにテーパで効率よく導波モードを変換するのが難しいため、効率はさらに低下するし、作製歩留まりも悪い。
【００５０】
これに対して、実施の形態２の導波層１０２は、形状が簡単であるため歩留まりも高く、再現性の良い高効率変換特性が得られた。導波層１０２を用いて、高効率なダウンコンバージョンの光導波路デバイスが実現できる。
【００５１】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る光導波路デバイスについて説明する。実施の形態３の光導波路デバイスは差周波デバイスである。
【００５２】
波長多重光通信において、信号を搬送する光の波長を変換する光ルータが必要となる。現在は、光を一旦、電気信号に変換し、これを再び光に変換することで波長の変換を実現している。しかし、高速化を実現するには、光−光波長変換が必要となる。これを実現するには、差周波を利用した波長変換が有効である。例えば、入力光として信号光である波長１．５６μｍ帯の光とポンプ光である波長０．７８μｍ帯の光とを差周波デバイスに入射することで、信号光を波長０．７８μｍのポンプ光の差周波に変換できる。また、波長１．５６μｍ近傍の光を一括して差周波に変換できる。
【００５３】
図４は、実施の形態３に係る光導波路デバイスの波長変換を説明する図である。図４（ａ）は光導波路デバイスの構成図であり、図４（ｂ）は信号光と差周波光との周波数と強度の関係を示す図である。
【００５４】
実施の形態３の光導波路デバイス３００は、図１に示した実施の形態１の光導波路デバイス１００と同様の構成である。光導波路デバイス３００は、ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ_３からなる導波層３０１を備えている。導波層３０１は、周期状の分極反転構造３０５を有するリッジ導波路３０２と、凹部３０３と、スラブ導波路３０４とを備えていて、基板３０６上に形成されている。導波層３０１に、ポンプ光として波長λ_０の光と信号光として複数の波長λ_ｉｎの光を入射すると、波長λ_ｉｎとλ_０の差周波λ_ｏｕｔの光が出射される。ポンプ光として周波数ω０＝２π／λ_０の光を、信号光として周波数ω１＝２π／λ_１と、周波数ω２＝２π／λ_２の２つの光を導波層３０１に入射させると、周波数ω１の信号光は周波数（ω０−ω１）の光に変換され、ω２の信号光は周波数（ω０−ω２）の光に変換される。これらの光のスペクトル図は、図４（ｂ）に示されている。横軸は周波数であり、縦軸は光の強度を示している。このように、光導波路デバイス３００は、差周波デバイスとして用いることができる。
【００５５】
ＭｇドープのＬｉＮｂＯ_３を用い、周期状の分極反転を形成した導波層にリッジ導波路構造を形成した光導波路デバイスの場合を考える。この導波路では波長１．５６μｍ帯の光の導波が必要なため、波長０．７８μｍのポンプ光に対しては、マルチモード条件となってしまう。しかしながら、実施の形態３の光導波路デバイス３００であれば、ポンプ光をシングルモードで導波させることが可能となり、高効率な波長変換が実現でき、素子長１０ｍｍで、変換効率９０％以上を達成できた。
【００５６】
また、差周波デバイスとして、リッジ導波路３０２における分極反転構造３０５の分極反転周期が途中で変化する光導波路デバイスも、本発明の一実施形態である。図５を用いてこの光導波路デバイスについて説明する。図５は、実施の形態３に係る他の構成の光導波路デバイスを説明する図であり、図５（ａ）は光導波路デバイスの構成図で、図５（ｂ）は信号光と差周波光との周波数と強度の関係を示す図である。
【００５７】
図４に示された光導波路デバイス３００では、図４（ｂ）に示されているように、周波数ω１の信号光は周波数（ω０−ω１）の光に変換され、周波数ω２の信号光は周波数（ω０−ω２）の光に変換されている。ω１は、ω２よりも小さいが、（ω０−ω１）は、（ω０−ω２）よりも大きい。したがって、信号光は、変換後には、周波数の大小が逆になっている。
【００５８】
図５の光導波路デバイス４００は、変換後においても周波数の大小が逆転しない。光導波路デバイス４００は、リッジ導波路３０２における分極反転構造３０５の分極反転周期が、第１の領域３０７と第２の領域３０８において異なる。
【００５９】
光導波路デバイス４００に、信号光として波長の異なる複数の光（λ_ｉｎ）とポンプ光として波長λ_ａ、λ_ｂの光を入射する。信号光（λ_ｉｎ）として、周波数ω１の光と周波数ω２の光がリッジ導波路３０２に入射されると、まず、第１の領域３０７で、これらの信号光と波長λ_ａのポンプ光との差周波光（（ωａ−ω１）と（ωａ−ω２））に変換される。なお、第１の領域３０７は、ポンプ光ωａと信号光とが位相整合するよう分極反転周期が設計されている。
【００６０】
次に、この差周波光が、第２の領域３０８に入射され、ポンプ光λ_ｂとの差周波光（（ωｂ−ωａ＋ω１）と（ωｂ−ωａ＋ω２））に変換される。なお、第２の領域３０８は、ポンプ光ωｂと第１の領域３０７からの差周波光が位相整合するよう分極反転周期が設計されている。このように信号光が２回、差周波光に変換される。
【００６１】
以上の関係を図５（ｂ）に示している。このように、最終的な変換光の波長の大小関係は、信号光の大小関係と同じになる。（ωｂ−ωａ＋ω１）は、（ωｂ−ωａ＋ω２）よりも小さいので、元の信号光の周波数ω１、ω２との大小関係と等しい。したがって、光導波路デバイス４００を用いることで、信号光の波長の関係を変えることなく、一括して波長を変換できる。
【００６２】
実施の形態３では、光導波路構造として、プロトン交換層に形成したリッジ導波路構造を示したが、エピ基板または非線形光学結晶を薄膜化した導波路構造としてもよい。すなわち、非線形光学結晶を光学基板に接着または直接接合し、これを研磨により薄膜化（光学薄膜）して導波層を形成して、さらに導波層をリッジ加工することで光導波路を形成できる。例えば、図６（ａ）および（ｂ）に、その光導波路デバイスの二つの構成例を示す。図６（ａ）に示している光導波路デバイスは、ＬｉＮｂＯ_３からなる基板１０１上に接着剤１１０を介して導波層１０２が接着された構成である。導波層１０２は、周期状の分極反転構造１０６を有するＭｇＯドープしたＬｉＮｂＯ_３基板を薄膜化し、これにリッジ加工を施して、２つの凹部１０４と、これらの凹部１０４に挟まれたリッジ導波路（光導波路）１０３と、２つの凹部１０４の外側にスラブ導波路１０５とを形成したものである。図６（ｂ）に示している光導波路デバイスは、上述のように形成された導波層１０２上の凹部１０４が形成された側に、接着剤１１０を介して基板１０１が接着された構成である。
【００６３】
結晶を薄膜化した導波路構造は、導波路内に不純物を含まないため、低損失で、非線形光学定数が高く、高効率な差周波、ダウンコンバージョンデバイスが実現できる。また、耐光損傷強度に優れるため、高出力のポンプ光の導波が必要な差周波デバイスにおいても安定な出力特性が得られた。導波層１０２としては、非線形材料でなくても、ガラス、シリコン、レーザ媒質、半導体等の利用が可能である。導波光に対して透明な材料であれば導波路形状に加工することで導波路が実現できる。なお、光学基板とは、その表面精度が光の波長オーダ以下の高精度で研磨されている基板である。
【００６４】
上記説明では、信号光としては２種類の波長の光で説明したが、波長多重の場合は複数の異なる波長の信号光が多数利用される。実施の形態３の光導波路デバイスはこれらの波長を一括して波長変換することが可能である。波長変換可能な波長範囲は分極反転周期構造に依存する。また、位相整合波長範囲を拡大するため、分極反転の周期構造を単一周期ではなく、部分的に変調した周期構造にすることも有効である。
【００６５】
また、波長λ_ａ、λ_ｂは異なる値であり、それらの波長の光と位相整合するように、領域３０７、３０８の位相整合波長も異なるように設計するのが好ましい。そうすることで、信号光が目的と異なる波長に変換されてしまうことを防ぐことができる。そのため、ノイズの発生および信号強度の低下も防ぐことができる。
【００６６】
以上の実施の形態１〜３では、光導波路デバイスにおいて、ＬｉＮｂＯ_３結晶でリッジ導波路を形成する例を説明したが、他にＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰ等の非線形材料で形成してもよい。
【００６７】
また、光導波路デバイスの高効率化のためオフカット基板で導波層を構成することが望ましい。オフカット基板を用いて、分極反転構造を形成することで、分極反転厚みが増大し、光導波路とのオーバラップの増加が可能となるため、変換効率の向上を図ることができる。なお、Ｘ板の結晶において結晶Ｙ軸を中心にＸ、Ｚ軸をθ°回転させたときのθをオフカット角度とすると、分極反転厚みはオフカット角とともに増大する。オフカット角度θとしては３°〜１５°程度が望ましい。
【００６８】
また、Ｚカット基板で導波層を構成してもよい。Ｚカット基板は深い分極反転が形成で、かつ分極反転が形成されている領域を広くできるため有効である。だたし、この場合、半導体レーザと偏光を合わせるためλ／２板が必要である。また、通信用の１．５μｍ帯のレーザは出射ビームの広がり角が縦横同程度に制御されているものもあるので、これを用いればλ／２板が必要なくなり、低コスト化に有効である。
【００６９】
光導波路内に複数の波長の異なる光を入射する方法としては、光学フィルターを用いて、複数の光を同一光路に合波した後、集光光学系を用いて導波路に入射する方法がある。本発明の光導波路デバイスは、波長の異なる光に対してシングルモード励起が容易なため、集光光学系による光励起によって、効率よくシングルモード励起が可能となる。
【００７０】
さらに複数の波長の光を励起する方法としては光ファイバーカップラを利用する方法もある。波長の異なる光を光ファイバーカップラにより一つの光ファイバーに合波し、これを本発明の光導波路に結合させる。光ファイバーカップラは市販されており、異なる波長を効率よく合波できる。光ファイバーはリッジ導波路端面に直接結合させればよい。光ファイバーカップラにより合波した光を効率よく光導波路に結合させることができる。このときの、結合効率は８０％以上であり、光導波路と光ファイバーの結合ずれに対しても、広い許容度が得られた。図７は、光ファイバーと光導波路の結合ズレに対する結合パワー特性を示している。図７（ａ）は、本発明の光導波路デバイスによるものであり、図７（ｂ）は従来のマルチモードの埋め込み側光導波路によるものである。
【００７１】
位置ズレは、導波路幅方向のズレを示している。ファイバーを最適位置に調整しても、導波路を伝搬するモードの電界分布とファイバーを伝搬する導波光の電界分布の違いにより０次モードと１次モードが同時に伝搬してしまう。さらにファイバーが結合位置の最適値からわずかにずれると、１次モードの割合が増大し、０次モードが大幅に低下する。このように、従来のマルチモード導波路においては、シングルモードを選択的に導波させることが非常に難しく。また位置ズレに対してもマルチモード化が激しくなるため、調整が非常に難しかった。これに対して、本発明の光導波路デバイスの結合特性は、位置ズレに対するマルチモード化が抑圧されている。このため、マルチモード導波路においてもシングルモード励起が容易で結合ズレに対して、大きな許容度を有する。
【００７２】
なお、光ファイバー結合に対する特性は、集光光学系による導波路の結合特性についても同様である。
【００７３】
また、上述の各実施形態では、直線導波路を用いた光導波路デバイスについて説明したが、その他、Ｙ分岐、方向性結合器、曲がり導波路等を用いた光導波路構造でもよい。
【００７４】
本発明の光導波路デバイスは、例えば、光導波路レーザ、光増幅導波路、複数の光を制御する光導波路デバイス等に用いると有効である。導波路レーザ、導波路増幅器は、ポンピング光として短波の光が必要であり、レーザ光または光増幅として長波の光を発生する。光導波路レーザは、本発明の光導波路デバイスの導波層に、Ｅｒ，Ｎｄ，Ｐｓ、Ｔｕ等をドープしたレーザ媒質を用いることで実現できる。光導波路レーザでは、入射光（ポンプ光）に対して導波光（レーザ光）は長波長となり、導波路設計上、入射光に対してマルチモードになる。しかしながら、ポンプ光をマルチモード伝搬させるとポンプ効率が大幅に低下する。これを防止するため、本発明の光導波路デバイスは非常に有効である。ポンプ光、レーザ光ともにシングルモード伝搬が可能なため、高効率の導波路レーザが実現できる。
【００７５】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る光学装置について説明する。実施の形態１〜３の光導波路デバイスの光導波路の入出射端面に光ファイバーを結合させることで、様々な光学装置が実現できる。例えば、波長多重通信において、複数の波長の光を一括して他の波長に変換できる。また、非線形光学効果を利用した波長変換であるため、非常に高速であり、高速通信には非常に有効である。
【００７６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、マルチモード条件の光導波路であるにもかかわらず、シングルモード光を選択的に励振することが可能な光導波路デバイスならびにそれを用いた光導波路レーザおよびそれを備えた光学装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光導波路デバイスの構成図
【図２】実施の形態１に係る光導波路の入射端面における電界分布を示す図
【図３】２重クラッド構造の光導波路デバイスの構成図であり、図３（ａ）は光導波路デバイスの斜視図で、図３（ｂ）は入射端面図
【図４】本発明の実施の形態３に係る光導波路デバイスの波長変換を説明する図であり、図４（ａ）は光導波路デバイスの構成図で、図４（ｂ）は信号光と差周波光との周波数と強度の関係を示す図
【図５】本発明の実施の形態３に係る他の構成の光導波路デバイスの波長変換を説明する図であり、図５（ａ）は光導波路デバイスの構成図で、図５（ｂ）は信号光と差周波光との周波数と強度の関係を示す図
【図６】本発明の他の構成の光導波路デバイスの構成図
【図７】光ファイバーと光導波路の結合ズレに対する結合パワー特性を示す図であり、図７（ａ）は、本発明の光導波路デバイスの特性図であり、図７（ｂ）は従来のマルチモードの埋め込み側光導波路デバイスの特性図
【図８】従来の光導波路デバイスの構成を示す図
【符号の説明】
１００、２００、３００、４００ 光導波路デバイス
１０１、３０６ 基板
１０２、３０１ 導波層
１０３、３０２ リッジ導波路
１０４、３０３ 凹部
１０５、３０４ スラブ導波路
１０６、３０５ 分極反転構造
１０７ 電界分布
１１０ 接着剤
２０１、２０２ クラッド層
３０７、３０８ 領域
８０１ 周期状分極反転構造
８０２ プロトン交換導波路
８０３ セグメントテーパ導波路

Claims (17)

1. 入射光の波長を変換して変換光を出射する導波層を備えた光導波路デバイスであって、
   前記導波層に設けられたリッジ導波路と、
   前記リッジ導波路の両側に凹部を介して形成されたスラブ導波路とを備え、
   前記導波層は、前記入射光に対してマルチモード条件を満足し、
   前記リッジ導波路を伝搬する光はシングルモードである、光導波路デバイス。
2. 前記入射光の波長は、前記変換光の波長よりも小さい、請求項１に記載の光導波路デバイス。
3. 前記導波層は、非線形光学結晶からなり、
   前記変換光の波長は、前記入射光の波長の２倍である、請求項１に記載の光導波路デバイス。
4. 前記導波層は、非線形光学結晶からなり、
   前記入射光は、複数の波長の光であり、
   前記入射光と共にポンプ光がさらに入射され、
   前記変換光は、前記ポンプ光と前記入射光の差周波光である請求項１に記載の光導波路デバイス。
5. 前記リッジ導波路が周期状の分極反転構造を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光導波路デバイス。
6. 前記分極反転構造は、分極反転周期が互いに異なる２つの領域を、光の伝搬方向に対して直列に有し、
   前記入射光は、複数の波長の光であり、
   前記入射光と共に第１および第２のポンプ光がさらに入射され、
   前記２つの領域のうち光の入射側に近い領域を第１の領域とし、もう１つの領域を第２の領域とすると、
   前記第１領域で、前記入射光が第１のポンプ光との差周波光に変換され、
   前記第２領域で、前記第１領域で変換された差周波光が、第２のポンプ光との差周波光に変換される、請求項１に記載の光導波路デバイス。
7. 前記リッジ導波路の幅が前記スラブ導波路の幅より狭い、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光導波路デバイス。
8. 前記導波層は、非線形光学結晶の薄膜からなる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光導波路デバイス。
9. 前記薄膜は、光学基板に接着されている、請求項８に記載の光導波路デバイス。
10. 前記薄膜が、光学基板に直接接合されている、請求項８に記載の光導波路デバイス。
11. 前記導波層に、２層以上のクラッド層が積層されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光導波路デバイス。
12. 前記クラッド層のうち、前記リッジ導波路に接するクラッド層は、他のクラッド層より高い屈折率を有する、請求項１１に記載の光導波路デバイス。
13. 前記リッジ導波路に接するクラッド層は、Ｎｂを含む酸化物である、請求項１１または１２に記載の光導波路デバイス。
14. 前記導波層は、深さ方向にステップ状の屈折率分布を有している、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光導波路デバイス。
15. 光源と、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光導波路デバイスとを備えた光導波路レーザであって、
    前記光導波路デバイスの導波層がレーザ媒質である、光導波路レーザ。
16. 前記導波層は、Ｅｒ，Ｎｄ，Ｐｒ、Ｔｕの少なくとも１つを含む、請求項１５に記載の光導波路レーザ。
17. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光導波路デバイスを備えた、光学装置。

Images