JP2000267146A

JP2000267146A - 導波路型光変調素子及び波長変換装置

Info

Publication number: JP2000267146A
Application number: JP11076029A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Sonoda; 慎一郎園田
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2000-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】容易に高い波長変換効率を得ることができる
導波路型光変調素子及び波長変換装置を得る。【解決手段】基板１０上に光導波路１２、１４が形成
され、電極１６、１８、２０を有するＥＯＭ素子部３２
と、周期ドメイン反転構造形成用の周期電極３６と平板
電極３８とを有する波長変換部３６から光変調素子を構
成している。周期電極３６と平板電極３８のギャップ長
は、２本の光導波路１２、１４の各々が含まれるよう
に、十分大きく設定され、両電極３６、３８間に電圧を
印加してドメイン反転部２２が形成される。従って、光
変調素子は、光導波路１２、１４の各々において波長変
換作用を有し、変換効率により選択可能とされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導波路型光変調素
子及び波長変換装置にかかり、特に、波長変換素子や電
気光学変調器として用いられる導波路型光変調素子及び
導波路型光変調素子を用いて光の波長を変換する波長変
換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】非線形光学効果を有する強誘電体の自発
分極（ドメイン）を周期的に反転させた領域を設けた光
波長変換素子を用いて、基本波を第２高調波に波長変換
する方法が既にBleombergen等によって提案されている
（Phys.Rev.,vol.127,No.6,1918(1962)参照）。この方
法では、ドメイン反転部の周期Λを、 Λｃ＝２π／｛β（２ω）−２β（ω）｝ただしβ（２ω）は第２高調波の伝搬定数 β（ω）は基本波の伝搬定数で与えられるコヒーレント長Λｃの整数倍になるように
設定することで、基本波と第２高調波との位相整合（い
わゆる疑似位相整合）を取ることができる。このような
周期ドメイン反転構造を、非線形光学材料からなる光導
波路を導波させた基本波を波長変換する光導波路型の光
波長変換素子に形成して、効率良く位相整合を取る試み
もなされている。

【０００３】一例として、波長変換素子と電気光学変調
器とをモノシリックに集積化した光学素子が知られてい
る（特開平４−３３３８３５号公報参照）。この技術で
は、図６及び図７に示すように、光学素子１００とし
て、基板上に導波路１０２、１０４が形成され、電極１
２０、１２２を備えたＥＯＭ素子部（電気光学変調器）
１１４と、周期ドメイン反転構造が形成された波長変換
部１１６とから構成されている。周期ドメイン反転構造
は、クロスポート１０８またはバーポート１１０の何れ
かに形成される。周期ドメイン反転構造が形成されたポ
ートを通過する波長λの光は波長λ／２の光に変換され
て出力される。図６及び図７の例では、導波路１０２側
のバーポート１０６に周期ドメイン反転構造が形成され
ている。

【０００４】上記光学素子１００において、波長λの光
を光導波路１０２に入力する場合、電極１２０、１２２
に電圧を印加しないとき、入力された殆どの光はクロス
ポート１０８に乗り移り、バーポート１０６には光が導
波されない。このとき、電極１２０、１２２に電圧を印
加すると、その印加した電圧に応じてクロスポート１０
８に乗り移る光量は減少してバーポート１０６に光が出
力される。このようにして光変調を行うと共に、波長変
換を可能としている。

【０００５】上記波長変換を効率的に行うため、Ｚカッ
ト基板を用いた技術が知られており、上記の技術では、
光学素子として、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃等のＺカッ
トの基板を用いている。図８及び図９に示すように、電
圧印加法では、周期ドメイン反転を形成した場合、Ｚ軸
に沿って反転領域は延びる性質があるため、Ｚカット基
板を用いた場合、深い周期ドメイン反転構造が形成でき
る。従って、光学素子１３０に周期ドメイン反転構造を
形成し、周期ドメイン反転構造が形成されている領域で
あれば、そこに光導波路１３２を形成することによっ
て、高効率な波長変換を行うことができる。

【０００６】しかしながら、Ｚカット基板を用いると、
ドメイン反転構造が深く形成できるものの、光源として
半導体レーザを用いた場合には、基本波の入射光学系が
複雑になったり、焦電効果やバッファ層の屈折率の微妙
な揺らぎ等の要因で電気光学変調器において高い消光比
が得られなかったりする問題があった。

【０００７】このような周期ドメイン反転構造を形成し
た光導波路型の光波長変換素子について説明する。周期
ドメイン反転構造を形成した光導波路型の光波長変換素
子は、基板の自発分極の向きの点から２つのタイプに大
別されている。一方のタイプの光波長変換素子は図１２
に示すように、一つの基板表面２ａ（それに沿って光導
波路１が延びる基板表面）に対して、矢印Ｐで示す基板
２の自発分極の向きが垂直になっているものであり、別
タイプの光波長変換素子は図１３に示すように、上記基
板表面２ａに対して基板２の自発分極の向きが平行にな
っているものである。

【０００８】図１２に示すタイプの光波長変換素子は、
例えば上記の特開平５−２９２０７号等に示されている
ものであり、ドメイン反転部を基板表面から十分に深く
形成できる反面、半導体レーザと組み合わせて用いる場
合には基本波の入射光学系が複雑化する。以下、この点
について詳しく説明する。

【０００９】図１２の構成において、導波光のビームパ
ターンは図中Ａで示すように、矢印Ｒで示す偏光ベクト
ルの向きに平行な方向のビーム径が小さく、それに直角
な方向のビーム径が大きいものとなる。またこのとき、
偏光ベクトルの向きは基板２の自発分極の向き（一般に
ＬｉＮｂＯ₃等の強誘電体において、自発分極の向きは
Ｚ軸と平行である）と一致し、導波モードはＴＭモード
となる。一方、半導体レーザ３から出射したレーザビー
ム４のビームパターンは、図中Ｂに示すように、矢印Ｑ
で示す偏光ベクトルの向きに平行な方向のビーム径が大
きく、それに直角な方向のビーム径が小さいものとな
る。

【００１０】そこで、半導体レーザ３から出射したレー
ザビーム４を光導波路１に入力させるためにそれぞれの
偏光方向を合わせるとビーム形状がミスマッチし、レー
ザビーム４を効率良く光導波路１に入力させることがで
きない。そうであると、第２高調波の強度が小さいもの
となる。

【００１１】そこで、レーザビーム４のビームパターン
はそのままにしてその偏光方向を９０°回転させるため
に、コリメーターレンズ５と集光レンズ６との間にλ／
２板７を配してなる複雑な基本波入射光学系が必要とな
る。

【００１２】これに対して、図１３に示すタイプの光波
長変換素子の場合は、上記λ／２板７を配さない状態で
レーザビーム４の直線偏光方向と基板２のＺ軸方向とが
一致するので、複雑な基本波入射光学系は不要で、また
半導体レーザ３を光導波路１の端面に直接結合すること
も可能となる。なお、このときの導波モードはＴＥモー
ドとなる。

【００１３】しかしながら、図１３に示すタイプの光波
長変換素子は、ドメイン反転部８を基板表面２ａから十
分に深く形成することができない。この点を、図１４を
参照して詳しく説明する。

【００１４】図１４において、Ｄはドメイン反転部８を
形成するための電極を示している。また、ドメイン反転
部８の並び方向および基板２の厚さ方向は、それぞれ基
板のＸ軸方向およびＹ軸方向である。波長変換する基本
波の実際的な波長を考慮すると、図中ａで示すドメイン
反転部８の周期は数μｍ程度となる。これを便宜的に５
μｍとすると、最大波長変換効率を得るためにドメイン
反転部８の幅と非反転部の幅との比を１：１にするため
には、ドメイン反転部８の幅（図中のｂ寸法）は２.５
μｍとなる。電極Ｄを現在の一般的なプロセスで作成す
る場合、図中ｃで示す電極線幅を０.５μｍよりも細く
するのは困難であり、ｃ＝０.５μｍとすると、電極Ｄ
からドメイン反転部８の並び方向にｄ＝１μｍだけドメ
イン反転部８を成長させれば、ドメイン反転部８の幅が
２.５μｍとなる。

【００１５】ドメイン反転領域の成長速度は、基板２の
自発分極の向きに沿った方向では大きく、自発分極の向
きと垂直な方向（つまりＸ軸方向およびＹ軸方向）では
小さくなっており、また、ドメイン反転領域のＸ軸方向
およびＹ軸方向の成長速度は同じである。したがって、
上述のようにしてドメイン反転部８の幅を２.５ μｍ
とすると、その深さ（Ｙ軸方向の寸法）は１μｍ程度と
なってしまう。

【００１６】以上のような理由により、本タイプの従来
の光波長変換素子においては、ドメイン反転部の深さが
導波光の界分布よりも浅い１μｍ程度にとどまってお
り、そのため、ドメイン反転部と導波光との重なり積分
が小さくて波長変換効率が低いものであった。

【００１７】この問題を解決するために、図１０及び図
１１に示すように、周期ドメイン反転を、Ｚ軸に沿って
所定角度傾いた角度で反転領域を形成させる、すなわち
Ｚ軸を基板の厚み方向に傾けた基板を用いる技術が知ら
れている（特開平１０−１６１１６５号公報参照）。こ
の技術では、波長変換部において高効率な波長変換と共
にＥＯＭ素子部での高い消光比との双方を可能としてい
る。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｚ軸を
基板の厚み方向に傾けた基板を用いた場合は光導波路と
周期ドメイン反転構造のアライメントに対して波長変換
効率が敏感になる。すなわち、光導波路の作製位置にお
ける周期反転と光の重複部分が大きく変化する（図１１
参照）。

【００１９】このように、従来の光学素子では、導波路
と周期ドメイン反転構造にアライメントエラーが起こっ
た場合に波長変換効率が低下することによって素子の歩
留まりが低下するため、アライメントを高精度に行わな
ければならなかった。

【００２０】本発明は、上記事実を考慮して、容易に高
い波長変換効率を得ることができる導波路型光変調素子
及び波長変換装置を得ることが目的である。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の導波路型光変調素子は、表面と強誘電体結晶
の自発分極とのなす角度θが所定角度範囲内（０°＜θ
＜２０°）となるようにカットされかつ、電気光学効果
および非線形光学効果を有する強誘電体結晶基板と、前
記強誘電体結晶基板に形成された複数本の光導波路と、
前記複数本の光導波路に電圧を印加する電極と、前記電
極よりも導波方向下流側において前記複数本の光導波路
の各々に形成された波長変換部と、を有している。

【００２２】上記のように波長変換部は、電極よりも導
波方向下流側において複数本の光導波路の各々に形成さ
れる。このため、各々の光導波路において波長変換が可
能となり、複数本の光導波路から選択的に出射光を用い
ることができる。例えば、出射光の中から高い変換効率
のものを用いることができる。従って、出射光の選択の
みによって、高効率な波長変換と共にＥＯＭ素子部での
高い消光比との双方を可能にすることができる。

【００２３】本発明による導波路型光変調素子は、非線
形光学効果を有する強誘電体結晶基板に、その表面に沿
って延びる光導波路が形成されると共に、この光導波路
に基板の自発分極の向きを反転させたドメイン反転部が
周期的に形成されてなり、該光導波路においてドメイン
反転部の並び方向に導波する基本波を波長変換するもの
であり、基本波の導波方向に垂直な面内において、基板
の自発分極の向きが該基板の上記一表面に対して、角度
θ（０°＜θ＜２０°）をなしている。

【００２４】なお、上記角度θの下限値は、請求項２に
記載のように０．２°＜θとするのが望ましく、請求項
３に記載のように０．５°＜θとすればさらに好まし
い。

【００２５】また、本発明に好適に用いられる強誘電体
結晶基板としては、何もドープされていないＬｉＮｂ_X
Ｔａ_1-XＯ₃（０≦ｘ≦１）や、ＭｇＯがドープされた
ＬｉＮｂＯ₃基板が挙げられるが、本発明ではそれに限
らず、ＺｎがドープされたＬｉＮｂ_XＴａ_1-XＯ₃基板
や、Ｓｃ、ＭｇＯがドープされたＬｉＮｂ_XＴａ_1-XＯ
₃基板や、ＫＴｉＯＰＯ₄、ＫＮｂＯ₃等のその他の材
料からなる基板を用いることも可能である。上記のＭｇ
ＯがドープされたＬｉＮｂＯ₃基板は、光損傷に強いの
で、ノンドープのＬｉＮｂ_XＴａ_1-XＯ₃基板等よりも
好ましい。

【００２６】このような構成を有する波長変換部では、
図１５に示すように基板２の自発分極の向きすなわちＺ
軸方向が、基板表面２ａに対して垂直ではないので、半
導体レーザ３から出射したレーザビーム４をその直線偏
光方向（矢印Ｑ方向）が基板表面２ａと平行となる状態
で光導波路１に入射させても、非線形光学定数ｄ₃₃が利
用されて波長変換が可能となる。なおこの場合、レーザ
ビーム４の電界ベクトルの向きは基板表面２ａと平行な
向きとなり、該レーザビーム４は光導波路１をＴＥモー
ドで導波する。そのときの実効的な非線形光学定数はｄ
₃₃ｃｏｓθとなる。また、図１５では、上記図１２及び
図１３中の要素と同等の要素には、同符号を付した。

【００２７】上記のように、レーザビーム４をその直線
偏光方向が基板表面２ａと平行となる状態で光導波路１
に入射させるのであれば、直線偏光方向を回転させるた
めのλ／２板等は不要で基本波入射光学系は簡単なもの
となり、半導体レーザ３を光導波路１の端面に直接結合
することも可能となる。また、レーザビーム４をこのよ
うにして光導波路１に入射させる場合は、前述したよう
にレーザビーム４の光導波路１への入力効率も高くな
る。

【００２８】そして、基板２の自発分極の向きすなわち
Ｚ軸方向が基板表面２ａに対して角度θをなしていると
き、図１６に示すようにドメイン反転部８の深さｄは基
本的にｄ＝Ｌ・ｔａｎθであるが、図１３を用いて説明
したドメイン反転領域の広がり１μｍを考慮すれば、ｄ＝Ｌ・ｔａｎθ＋１μｍ ……（１）となる。ここで、Ｌの値は、ドメイン反転させるために
電場を印加する手段（図１６では、一例として櫛形電極
１０と平板電極１１を示した）の大きさによって直接的
に定まるものではなく、θの値が大きくなるにつれて増
大する傾向を示す。なお、先に図１３の例ではθ＝０°
としてドメイン反転部８を形成するためＬが最小とな
り、図１２の例ではθ＝９０°としてドメイン反転部８
を形成するためＬが最大（つまり電場印加用電極に対向
する部分全域でドメイン反転が起きる）となる。

【００２９】そこで、θをある程度大きく設定すること
により、ドメイン反転部８の深さｄを十分に大きくする
ことができる。このようにしてドメイン反転部８を十分
に深くすることができれば、ドメイン反転部８と導波光
との重なり積分が大きくなり、高い波長変換効率が得ら
れるようになる。

【００３０】本発明では、上記構成の波長変換部を用い
た上で、実際にレーザビームがＴＥモードで導波するよ
うに半導体レーザを配設したものであり、上述のように
レーザビームの光導波路への入力効率が高くなり、基本
波入射光学系は簡単なものとなり、そして高い波長変換
効率が得られるものとなる。

【００３１】ところで、プロトン交換光導波路において
光ビームがＴＥシングルモードで導波するのは、Ｚ軸と
基板表面とがなす角度φが０°＜φ＜７０°の場合であ
ると考えられている（例えばJournal of Optical Commu
nications ５(１９８４)１.pp１６〜１９参照）。本発
明では、この角度φがすなわち角度θであるから、光導
波路がプロトン交換により形成されたものである場合
は、角度θをθ＜７０°の範囲に設定すると、波長変換
が効率良くなされるようになる。

【００３２】また、プロトン交換およびその後のアニー
ルによって形成された光導波路において光ビームがＴＥ
シングルモードで導波するのは、Ｚ軸と基板表面とがな
す角度φが０°＜φ＜２０°の場合であることが分かっ
ている。従って、光導波路がプロトン交換およびアニー
ルにより形成されたものである場合は、角度θをθ＜２
０°の範囲に設定すると、波長変換が効率良くなされる
ようになる。

【００３３】一方、最大の波長変換効率が得られる最適
なデューティ比を持つ（つまりドメイン反転部と非反転
部の幅の比が１：１である）ドメイン反転構造を形成し
た場合、図１６に示したＬ寸法は、θが数度以内であれ
ば概ね５０μｍとなることが分かった。また一般に、導
波モードの界分布は最も細くすると１.２ μｍ程度に
することができる。したがって前述の（１）式より、θ
＝０.２°とすればドメイン反転部の深さｄ＝１.２μｍ
となり、ドメイン反転部がその深さ方向において導波モ
ードの界分布とほぼ同サイズとなる。したがって、０.
２°＜θとすれば、ドメイン反転部が導波モードの界分
布と重なって余りあるものとなり、波長変換が効率良く
なされるようになる。

【００３４】なお、導波モードの界分布は上述のように
最小で１.２μｍ程度とすることができるが、この界分
布が大きい程、外部光を光導波路に安定して入射させる
ことができる。実際上は、この導波モードの界分布が
１.４μｍより大きければ外部光が光導波路に安定して
入射する。前述の（１）式より、θ＝０.５°とすれば
ドメイン反転部の深さｄ＝１.４μｍとなるので、０.５
°＜θとすれば基本波が光導波路に安定して入射し、ま
たドメイン反転部が導波モードの界分布と重なって波長
変換が効率良くなされるようになる。

【００３５】本発明の導波路型光変調素子において、前
記複数本の導波路は、方向性光結合器を構成することが
できる。方向性光結合器では、導波される光を分岐した
り切り替えたりさせることができ、複数の光導波路のう
ち選択的に変換効率に応じた光導波路の選択が可能とな
る。また、方向性光結合器では、電極を設けることによ
りクロスポートまたはバーポートへ光の導波を制御する
ことができる。従って、電極への印加電圧制御により光
変調を行うと共に、波長変換を共に行うことができる。

【００３６】前記波長変換部は、周期ドメイン反転構造
により構成することができる。周期ドメイン反転構造に
より波長変換は容易に実現させることができる。

【００３７】例えば、周期ドメイン反転構造をＥＯＭ素
子の２本の出射ポー卜両方に設ける。すなわち、周期反
転構造形成用の電極ギャップ中に２本の導波路を作成す
る。このようにすることによって、２本の出射ポートの
何れか波長変換効率が高いほうのポートを選択すること
ができる。

【００３８】本発明の波長変換装置は、前記導波路型光
変調素子と、前記複数本の導波路の何れかに入射された
光による、前記複数本の導波路からの出射光を選択する
選択手段と、を備えている。

【００３９】複数本の導波路の各々からは、光が出射さ
れるが、波長変換にあっては、入射光の波長を変換して
出射するために、出射光は変換された光のみでよい。そ
こで、選択手段によって、複数本の導波路からの出射光
を選択することによって、非選択の光は採用されずに、
本来波長変換された光のみを用いることができる。この
選択手段には、スリットや開口等の単一の光のみを通過
させる通過手段や選択した光以外を遮光する遮光手段が
ある。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１及び図２は、本発明の
実施形態による導波路型光変調素子の斜視形状、平面形
状を示すものである。

【００４１】図１及び図２に示すように、本実施の形態
の導波路型光変調素子は、ＭｇＯが５ｍｏｌ％ドープさ
れたＬｉＮｂＯ₃（以下、ＭｇＯ−ＬＮと称する）の結
晶基板１０上に例えばプロトン交換により形成された２
つの光導波路１２、１４と、これらの光導波路１２、１
４の各々の脇に形成された平板状電極１６、１８、２０
と、波長変換部３４（詳細は後述）とを有している。

【００４２】一方の光導波路１４には、半導体レーザ２
４から発せられた波長９５０ｎｍのレーザビーム２６が
入射される。本実施の形態では、半導体レーザ２４は、
光導波路１４の端面部分において基板１０に直接結合さ
れる。なお、本発明はこれに限定されるものではなく、
基板１０と離間して半導体レーザ２４を設け、レンズ等
の光学系によって収束させたレーザビーム２６を光導波
路１４の端面部分に照射させて、光導波路１４に入射さ
せてもよい。また、半導体レーザ２４の発振波長は、周
知の方法によりロックされている。

【００４３】上記の電極１６は、画像信号Ｓが入力され
る変調駆動回路３０に接続され、電極１８、２０は接地
されている。このＭｇＯ−ＬＮの結晶基板１０上に形成
された２つの光導波路１２、１４と、電極１６、１８、
２０とによって、ＥＯＭ素子（電気光学変調器）３２を
構成している。また、波長変換部３４は、ＳＨＧ素子
（第２高調波発生器）を構成している。波長変換部３４
は、ＭｇＯ−ＬＮ基板１０の自発分極（ドメイン）が反
転したドメイン反転部が所定周期で繰り返してなる周期
ドメイン反転構造を有するものである。

【００４４】以下、上記構成の導波路型光変調素子の作
成方法を説明する。基板１０は、電気光学効果および非
線形光学効果を有する強誘電体であるＭｇＯ−ＬＮのイ
ンゴットを、そのＸ軸をＸＺ面内でＺ軸側にθ＝３°回
転させた軸Ｘ’に垂直となる面でカット、研磨して得ら
れたウエハであり、単分極化処理がなされて例えば厚さ
０.４ｍｍに形成されている。

【００４５】このようして形成されたＭｇＯ−ＬＮ基板
１０の表面１０Ａに、図４に示すように、基板１０上に
周期反転構造形成用の周期電極と平板電極をリゾグラフ
ィと蒸着で作製した。すなわち周期電極として櫛形電極
３６、平板電極３８をリゾグラフィと蒸着で作製した。
上記では、周期電極及び平板電極に用いる電極材料をＣ
ｒとしたが導電性の材料であれば何れでも良い。また、
周期ピッチは例えば９５０ｎｍ→４７５ｎｍの波長変換
においては４．７５μｍとし、９８０ｎｍ→４９０ｎｍ
の波長変換においては５．３μｍとし、１０６０ｎｍ→
５３０ｎｍの波長変換においては６．９７μｍとした。
また、導波路方向の電極長は１０ｍｍとした。ギャップ
長は、２本の光導波路１２、１４の各々が含まれるよう
に、十分大きくしている。本実施の形態では４００μｍ
を採用した。

【００４６】このようにした周期電極形成後に、電圧３
ＫＶを１秒間印加して周期ドメイン反転構造を形成した
ウエハで反転を連続的に行った。すなわち、＋Ｚ側に位
置する櫛形電極３６の方が正電位、−Ｚ側に位置する平
板電極３８の方が負電位となるようにして、両電極３
６、３８間にパルス電圧を印加すると、図４に概略図示
するように、＋Ｚ方向を向いていた基板１０の自発分極
の向きが電圧印加部分において反転して、ドメイン反転
部２２が形成される。なお上記自発分極の向きは、基板
表面１０Ａに対してθ＝３°傾いており、したがってド
メイン反転部２２の分極の向きも基板表面１０Ａに対し
て同様に傾くことになる。

【００４７】なお、ＭｇＯ−ＬＮ基板１０の表面１０Ａ
と平行でＹ軸と直交する方向、および基板表面１０Ａに
対して垂直な方向はそれぞれ、Ｚ軸方向およびＸ軸方向
に対して３°の角度をなす方向となるので、これらの方
向を便宜的にそれぞれＺ’方向、Ｘ’方向と称する。

【００４８】次に、光導波路を作製した。ＴａまたはＴ
ａ／Ａｕ／Ｔａ積層構造の金属マスクをリゾグラフィと
蒸着によって作成した。すなわち、上記ＭｇＯ−ＬＮ基
板１０に、周知のフォトリソグラフィーと蒸着により、
光導波路１２、１４の形状に対応した開口を有する金属
（本例ではＴａ）のマスクを形成する。その後に、この
ＭｇＯ−ＬＮ基板１０を、１００°Ｃから２００°Ｃの
範囲の温度（本実施の形態では、１６０℃）に加熱した
ピロリン酸中に１時間浸漬してプロトン交換を行った。
次に、Ｔａマスクをエッチング液で除去した後、大気中
において３００°Ｃから４００°Ｃの範囲の温度（本実
施の形態では、３５０℃）で１時間アニールする。

【００４９】これらの温度、時間は導波モードが基本波
に対してシングルモードかつ方向性結合器の適当な結合
長４ｍｍから８ｍｍの間で完全結合になるように選択し
た。方向性結合部の２本の導波路のギャップは２μｍ以
上になるように設計した。導波路作製用のマスクを切り
出して電極１６、１８、２０を形成した。この場合、導
波路と金属電極にアライメントエラーが生じないために
ＥＯＭ部３２のロスや駆動電圧のバラツキが小さいとい
う特徴がある。電極の上のＴａをエッチングしてＡｕを
電解メッキによって電極１６、１８、２０を形成した。

【００５０】以上の処理により、図１、図２，及び図３
に示すような光導波路１２、１４が形成される。なおこ
の際光導波路１２、１４は、ドメイン反転部２２が形成
されている部分を、これらのドメイン反転部２２の並び
方向に沿って延びるように形成される。

【００５１】次に、ダイシングソーでウエハから素子を
切断して光を入出力する端面をメカノケミカル研磨して
蒸着でＡＲコートを施し、導波路型光変調素子を形成し
た。

【００５２】図１、図２，及び図３に示す通り、上記構
成の導波路型光変調素子において、レーザビーム２６は
一方の光導波路１４に入力されてそこを導波し、後述の
電位差Ｖに応じて、両光導波路１２、１４が近接してい
る部分（結合部）において他方の光導波路１２に乗り移
る。

【００５３】光導波路１２を導波したレーザビーム２６
は、波長変換部３４において波長が１／２つまり４７５
ｎｍの青色の第２高調波２８に変換される。すなわち、
波長変換部３４では、ドメイン反転部２２がレーザビー
ム２６の導波方向に周期的に繰り返してなる周期ドメイ
ン反転構造により、基本波としてのレーザビーム２６と
その第２高調波２８とが位相整合（いわゆる疑似位相整
合）する。

【００５４】ここで、本実施の形態では、図３及び図４
に示すように、基板１０上に形成された周期ドメイン反
転構造形成用の周期電極３６と平板電極３８のギャップ
長は、２本の光導波路１２、１４の各々が含まれるよう
に、十分大きく設定されている。従って、両電極３６、
３８間にパルス電圧を印加することによって形成され
る、ドメイン反転部２２は、光導波路１２、１４の各々
に変化された状態で形成されることになる。すなわち、
自発分極の向きが基板表面１０Ａに対してθ＝３°傾く
ので、ドメイン反転部２２の分極の向きも基板表面１０
Ａに対して傾き、光導波路の位置によって作用する状態
が異なることになる。このように、本実施の形態の光変
調素子は、光導波路１２、１４の各々において波長変換
作用を有している。

【００５５】次に、光変調素子における変調作用を説明
する。まず、光導波路１２、１４の結合部では、電極１
８、２０の部分は接地電位に保持される。一方、電極１
６には変調駆動回路３０から可変電圧が印加され、電極
１６と電極１８、２０との間の電位差Ｖに応じて、上記
レーザビーム２６の乗り移りが制御される。

【００５６】ここでは、光導波路１４にレーザビーム２
６を入射させた場合を考える。基本的には、電位差Ｖが
０（ゼロ）のとき、光導波路１４に入射されて光導波路
１４を導波されたレーザビーム２６は、全て光導波路１
２に乗り移る。上記で説明したように、本実施の形態で
は、波長変換部３４として、光導波路１２、１４の各々
において波長変換作用を有している。このため、光導波
路１２を導波されたレーザビーム２６は、波長変換部３
４において波長が１／２つまり４７５ｎｍの青色の第２
高調波２８Ａに変換され、出力される。

【００５７】この場合、電極１６への印加電圧すなわち
電位差Ｖの増大に応じてレーザビーム２６の乗り移り量
は低下し、逆に光導波路１４をそのまま導波する光量が
増大する。電位差Ｖが所定値Ｖπのとき、乗り移りがな
くなって、レーザビーム２６はそのまま全て光導波路１
４を導波する。上記説明したように、本実施の形態で
は、波長変換部３４として、光導波路１２、１４の各々
において波長変換作用を有している。このため、光導波
路１４を導波されたレーザビーム２６は、波長変換部３
４において波長が１／２つまり４７５ｎｍの青色の第２
高調波２８Ｂに変換され、出力される。

【００５８】従って、電極１６への印加電圧を画像信号
Ｓに基づいて制御することにより、光導波路１４を導波
するレーザビーム２６を強度変調することができ、青色
の第２高調波２８を画像信号Ｓに基づいて強度変調可能
となる。

【００５９】ところで、本実施の形態の光変調素子は、
光導波路の位置によって作用する状態が異なる、すなわ
ち第２高調波２８への変換効率が異なる。すなわち、ド
メイン反転部２２は、周期電極３６から平板電極３８へ
向けて傾いて形成されるが、光導波路１２、１４の各々
の形成された位置によって、ドメイン反転部２２が作用
する位置が異なり、導波されたレーザビームに対する作
用が異なる。この作用の違いによって、光導波路１２、
１４の各々に対する波長変換効率が異なるものとなる。
従って、第２高調波２８への変換効率が高い光導波路１
２、１４の何れか一方を導波したレーザビームを出力光
として採用すれば、より高効率の波長変換素子として用
いることができる。

【００６０】これによって、完成した光変調素子の２つ
のポートに、すなわち、ＥＯＭ素子３２の出力側の光導
波路１２、１４に、基本波と第２高調波が位相整合する
波長のレーザビームを入力して２つのポート間での波長
変換された光の強度を比較する。このとき、波長変換部
３４において変換効率が高いポート（導波路）を実際に
しようするものとして、基本波発生用の半導体レーザ２
４と光変調素子を光学的に結合させる。

【００６１】以上説明したように、本実施の形態では、
図４に示すように、ＥＯＭ素子の出力側の両方のポート
（クロスポートとバーポート）に周期反転構造を形成す
る。＋Ｚ側の周期電極に近い方が導波モードの基板表面
から遠い方のところに周期反転が形成されている。仮に
導波路と周期反転構造にアライメントエラーが生じても
２本の導波路の波長変換効率の良い方を選別することに
よって歩留まりを向上させることができる。

【００６２】従って、本実施の形態では、波長変換の効
率を選択することができる光変調素子を提供することが
できる。また、この選択によって、より高効率な波長変
換を可能にできる。

【００６３】本発明者は、上記工程で作成した光変調素
子について、波長変換効率試験を行った結果、従来より
２倍から５倍歩留まりが向上するという知見を得た。

【００６４】図５には、本実施の形態の光変調素子を波
長変換装置に用いた場合の装置構成を示したものであ
る。本波長変換装置は、上記光変調素子、波長ロック機
構４０、及び光選択機構５０から構成されている。

【００６５】波長ロック機構４０は、反射鏡４２、レン
ズ４４、狭帯域バンドパスフィルタ等の波長選択光学素
子４６、及びレンズ４８を備えており、半導体レーザ２
４の波長変換素子と逆側に設けられている。半導体レー
ザ２４から出射されたレーザビームは、レンズ４８を介
して波長選択光学素子４６に入射される。波長選択光学
素子４６では、所定波長の光のみを透過させ反射鏡４２
で反射させて半導体レーザ２４へ戻す。このようにし
て、半導体レーザ２４にフィードバックするレーザビー
ムの波長を選択している。この波長ロック機構４０によ
って、半導体レーザ２４での発振波長が固定される。

【００６６】光選択機構５０は、光導波路１２、１４の
何れか一方から出射されるレーザビームを選択するため
のものである。すなわち波長変換装置は、変換されたレ
ーザビームのみを用いるため、１ポートの選択が必要で
ある。このため、光選択機構５０は、光導波路１２、１
４のレーザビームの出射側に設けられた、レンズ５２、
スリットやアパーチャ等の遮光部５４、及びレンズ５６
から構成されている。波長変換部３４の光導波路１２か
ら出射された第２高調波２８Ａと、第２高調波２８Ｂと
は略平行であり、これらの光をレンズ５２によって、光
路を変更し、遮光部５４によって、通過光を第２高調波
２８Ａ、２８Ｂの何れかに設定する。すなわち、遮光部
５４は、第２高調波２８Ａ、２８Ｂのうち一方のみを通
過可能にする開口が設けられており、他の光を遮光す
る。遮光部５４を通過した光は、レンズ５６によって、
第２高調波の出射光と略平行となりように光路が変更さ
れる。従って、遮光部の位置を変更することによって第
２高調波２８Ａ、２８Ｂの何れかを選択することがで
き、さらに不用な光を遮光することができる。

【００６７】なお、本発明は、方向性光結合器によって
導波光を変調する他、例えば特開平７−２９４８６０号
に示されるように、電気光学効果を有する光導波路に電
気光学的回折格子（Electro-Optic Grating ）として作
用する格子状電極を形成し、光導波路を導波する導波光
を、この格子状電極への電圧印加状態に応じて回折させ
て、導波光を変調するようにしてもよい。

【００６８】また、本発明の導波路型光変調素子は、先
に述べたプロトン交換光導波路に限らず、その他のＴｉ
拡散光導波路等を設けて構成することも可能である。

【００６９】さらに、光導波路を形成する基板も、前述
のＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ ₃基板に限らず、そ
の他のＬｉＮｂＯ₃基板やノンドープのＬｉＮｂＯ₃、
ＺｎＯやＳｃがドープされたＬｉＮｂＯ₃基板、ＬｉＴ
ａＯ₃基板、ＭｇＯやＺｎＯがドープされたＬｉＴａＯ
₃基板等を利用することもできる。

【００７０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、波
長変換部が、電極よりも導波方向下流側において複数本
の光導波路の各々に形成されるので、波長変換された複
数の光の中から選択が可能となり、変換効率のばらつき
による歩留まり低下を抑制でき、電気光学変調器と波長
変換素子をモノリシックに集積した素子等の歩留まりを
向上させることができ、コスト低減を図ることができ
る、という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかる導波路型光変調素
子の斜視形状を示すイメージ図である。

【図２】本発明の実施の形態にかかる導波路型光変調素
子の平面形状を示すイメージ図である。

【図３】本発明の実施の形態にかかる導波路型光変調素
子の平面形状について、波長変換部を詳細に示すイメー
ジ図である。

【図４】本発明の実施の形態にかかる導波路型光変調素
子の斜視形状を示し、反転ドメイン構造を説明するため
の説明図である。

【図５】本発明の実施の形態にかかる導波路型光変調素
子を用いた波長変換装置の概略構成を示すブロック図で
ある。

【図６】従来の導波路型光変調素子の斜視形状を示すイ
メージ図である。

【図７】従来の導波路型光変調素子の平面形状を示すイ
メージ図である。

【図８】従来のＺカット基板を用いた導波路型光変調素
子の斜視形状を示すイメージ図である。

【図９】従来のＺカット基板を用いた導波路型光変調素
子の側面形状を示すイメージ図である。

【図１０】従来のＺ軸を基板の厚み方向に傾けた基板を
用いた導波路型光変調素子の斜視形状を示すイメージ図
である。

【図１１】従来のＺ軸を基板の厚み方向に傾けた基板を
用いた導波路型光変調素子の側面形状を示すイメージ図
である。

【図１２】光波長変換素子の一例を示すイメージ図であ
る。

【図１３】光波長変換素子の他例を示すイメージ図であ
る。

【図１４】光波長変換素子の問題点を説明するための説
明図である。

【図１５】光波長変換素子（波長変換部）を説明するた
めの説明図である。

【図１６】基板の分極の向きを説明するための説明図で
ある。

【符号の説明】

１０基板１２光導波路１４光導波路１６電極１８電極２２ドメイン反転部２４半導体レーザ２６レーザビーム２８高調波３０変調駆動回路３２ＥＯＭ素子部３４波長変換部３６周期電極３８平板電極４０波長ロック機構５０光選択機構

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面と強誘電体結晶の自発分極とのなす
角度θが所定角度範囲内（０°＜θ＜２０°）となるよ
うにカットされかつ、電気光学効果および非線形光学効
果を有する強誘電体結晶基板と、前記強誘電体結晶基板に形成された複数本の光導波路
と、前記複数本の光導波路に電圧を印加する電極と、前記電極よりも導波方向下流側において前記複数本の光
導波路の各々に形成された波長変換部と、を有する導波路型光変調素子。
【請求項２】前記角度θは、０．２°を超えることを
特徴とする請求項１に記載の導波路型光変調素子。
【請求項３】前記光導波路は、プロトン交換及びアニ
ールにより形成されかつ、前記角度θは、０．５°を超
えることを特徴とする請求項１に記載の導波路型光変調
素子。
【請求項４】前記複数本の導波路は、方向性光結合器
を構成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のい
ずれか１項に記載の導波路型光変調素子。
【請求項５】前記波長変換部は、周期ドメイン反転構
造により構成されることを特徴とする請求項１乃至請求
項４のいずれか１項に記載の導波路型光変調素子。
【請求項６】請求項１乃至請求項５の何れか１項に記
載の導波路型光変調素子と、前記複数本の導波路の何れかに入射された光による、前
記複数本の導波路からの出射光を選択する選択手段と、を備えた波長変換装置。