JP2003131182A - 光導波路型光素子およびその製造方法 - Google Patents
光導波路型光素子およびその製造方法Info
- Publication number
- JP2003131182A JP2003131182A JP2001328420A JP2001328420A JP2003131182A JP 2003131182 A JP2003131182 A JP 2003131182A JP 2001328420 A JP2001328420 A JP 2001328420A JP 2001328420 A JP2001328420 A JP 2001328420A JP 2003131182 A JP2003131182 A JP 2003131182A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical
- substrate
- waveguide
- wavelength
- thin film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明の目的は、周期分極反転構造などの微
細構造を消失することなくまた基板へのダメージを少な
い方法で光導波路を形成し、光損傷対策のヒータが不要
で、室温動作でも安定した波長変換を実現できる光素子
を提供することである。 【構成】強誘電体基板１０となる非線型光学結晶として
ネオブ酸カリウム（KN）を用い、周期的１８０度分極反
転を電界印加法により作製する。周期分極構造を作製し
た後に支持基板２０の上に接着剤で貼り付けた後、精密
研磨によりネオブ酸カリウム結晶の厚みが５μｍになる
まで研磨する。さらにその後、TiO2誘電体膜４０をリフ
トオフ法により作製し、強誘電体基板薄板１０上に誘電
体薄膜４０が装荷され、該誘電体薄膜直下に３次元導波
路が形成された光導波路型光素子が得られる。
細構造を消失することなくまた基板へのダメージを少な
い方法で光導波路を形成し、光損傷対策のヒータが不要
で、室温動作でも安定した波長変換を実現できる光素子
を提供することである。 【構成】強誘電体基板１０となる非線型光学結晶として
ネオブ酸カリウム（KN）を用い、周期的１８０度分極反
転を電界印加法により作製する。周期分極構造を作製し
た後に支持基板２０の上に接着剤で貼り付けた後、精密
研磨によりネオブ酸カリウム結晶の厚みが５μｍになる
まで研磨する。さらにその後、TiO2誘電体膜４０をリフ
トオフ法により作製し、強誘電体基板薄板１０上に誘電
体薄膜４０が装荷され、該誘電体薄膜直下に３次元導波
路が形成された光導波路型光素子が得られる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、入力光の波長を別
の波長を持つ光に変換できる波長変換素子や変調器など
になる光導波路型光素子に関する。
の波長を持つ光に変換できる波長変換素子や変調器など
になる光導波路型光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバを用いた通信分野では、大容
量で高速なデータ伝送が要求される。特に波長多重（Ｗ
ＤＭ）や光時分割多重（ＯＴＤＭ）は光ファイバの伝送
容量を格段に増加できる点で有望視されており、複数の
キャリア波長を精度良く制御するための波長制御技術や
あるキャリア波長を別のキャリア波長に変換する波長変
換技術が重要になる。
量で高速なデータ伝送が要求される。特に波長多重（Ｗ
ＤＭ）や光時分割多重（ＯＴＤＭ）は光ファイバの伝送
容量を格段に増加できる点で有望視されており、複数の
キャリア波長を精度良く制御するための波長制御技術や
あるキャリア波長を別のキャリア波長に変換する波長変
換技術が重要になる。
【０００３】たとえば既設の光通信ネットワークでは、
光ファイバの損失が少ない１．３μｍ帯をキャリア波長
とした単一波長の光伝送が主流であり、一般には都市内
の電話通信網を置換する目的で敷設されている。一方、
都市間を結ぶ幹線系の光通信ネットワークでは、波長多
重伝送に好適な１．５μｍ帯をキャリア波長とした波長
多重の光伝送が主流である。
光ファイバの損失が少ない１．３μｍ帯をキャリア波長
とした単一波長の光伝送が主流であり、一般には都市内
の電話通信網を置換する目的で敷設されている。一方、
都市間を結ぶ幹線系の光通信ネットワークでは、波長多
重伝送に好適な１．５μｍ帯をキャリア波長とした波長
多重の光伝送が主流である。
【０００４】両者の光通信ネットワークを接続する場
合、キャリア波長が互いに異なるため、一方のネットワ
ークに流れる光信号をいったん電気信号に変換し、他方
のネットワークに適合するキャリア波長を用いた光信号
に変換する必要がある。すると、光通信の性能が電気信
号処理の能力によって制限されてしまう。そこで、一方
のネットワークのキャリア波長を他方のネットワークの
キャリア波長に直接に変換できれば、電気信号処理が介
在しなくなり、光通信の高い性能を有効に維持できる。
そのため、キャリア波長を変換するための光ミキシング
技術が不可欠となる。こうした波長変換では、非線形光
学効果による第２高調波発生（ＳＨＧ）、和周波発生
（ＳＦＧ）、差周波発生（ＤＦＧ）、パラメトリック変
換、などを利用するため、非線形光学効果の高い材料が
望まれる。
合、キャリア波長が互いに異なるため、一方のネットワ
ークに流れる光信号をいったん電気信号に変換し、他方
のネットワークに適合するキャリア波長を用いた光信号
に変換する必要がある。すると、光通信の性能が電気信
号処理の能力によって制限されてしまう。そこで、一方
のネットワークのキャリア波長を他方のネットワークの
キャリア波長に直接に変換できれば、電気信号処理が介
在しなくなり、光通信の高い性能を有効に維持できる。
そのため、キャリア波長を変換するための光ミキシング
技術が不可欠となる。こうした波長変換では、非線形光
学効果による第２高調波発生（ＳＨＧ）、和周波発生
（ＳＦＧ）、差周波発生（ＤＦＧ）、パラメトリック変
換、などを利用するため、非線形光学効果の高い材料が
望まれる。
【０００５】関連する先行技術として、特開平１０−２
１３８２６号、特開２０００−１０１３０号などがあ
る。関連する論文として、文献１(Ming-Hsien CHOU,et
al.,IEICE TRANS. ELECTRON., VOL. E83-C,NO.6,p.869,
JUNE 2000)、文献２(C.Q.Xu,et al.,Journal Applied
Physics, VOL.87, NO.7, 2000)、文献３(栗原,固体物
理,p.75,Vol.29,No.1,1994)、文献４(古川,佐藤,日本結
晶成長学会誌,p.277,Vol.17,No.3&4,1990)などがある。
１３８２６号、特開２０００−１０１３０号などがあ
る。関連する論文として、文献１(Ming-Hsien CHOU,et
al.,IEICE TRANS. ELECTRON., VOL. E83-C,NO.6,p.869,
JUNE 2000)、文献２(C.Q.Xu,et al.,Journal Applied
Physics, VOL.87, NO.7, 2000)、文献３(栗原,固体物
理,p.75,Vol.29,No.1,1994)、文献４(古川,佐藤,日本結
晶成長学会誌,p.277,Vol.17,No.3&4,1990)などがある。
【０００６】文献１では、導波路構造を持つＰＰＬＮ(p
eriodically-poled lithium niobate：周期分極ニオブ
酸リチウム)素子を用いた差周波発生による光ミキシン
グについて記載されている。文献２では、ニオブ酸リチ
ウムＬｉＮｂＯ3 を用いたＱＰＭ（Quasiphase Matchin
g：疑似位相整合）素子は、高強度の光が入射すると、
フリーキャリア吸収によって局部的に電界が生じ、非線
形光学定数が大きく変動する光損傷(Photorefractive d
amage)について記載されている。文献３，４もニオブ酸
リチウムに関する。
eriodically-poled lithium niobate：周期分極ニオブ
酸リチウム)素子を用いた差周波発生による光ミキシン
グについて記載されている。文献２では、ニオブ酸リチ
ウムＬｉＮｂＯ3 を用いたＱＰＭ（Quasiphase Matchin
g：疑似位相整合）素子は、高強度の光が入射すると、
フリーキャリア吸収によって局部的に電界が生じ、非線
形光学定数が大きく変動する光損傷(Photorefractive d
amage)について記載されている。文献３，４もニオブ酸
リチウムに関する。
【０００７】このように波長変換を行う場合、従来から
非線形光学効果の高いニオブ酸リチウムを使用すること
が多い。ニオブ酸リチウムは、文献２でも言及されてい
るように、光入射開始からの時間経過とともに分単位で
疑似位相整合波長が大きくシフトしてしまい、波長変換
された出力光の強度が大きく変動する。こうした強度変
動の大きさや周期は不規則で、人為的な制御がほとんど
不可能であり、応用上の短所となっている。ただニオブ
酸リチウムの光損傷は結晶温度を８０℃〜２００℃程度
に高く保持することによって緩和できることが判明して
おり、その対策として結晶加熱用のヒータが不可欠とな
る。
非線形光学効果の高いニオブ酸リチウムを使用すること
が多い。ニオブ酸リチウムは、文献２でも言及されてい
るように、光入射開始からの時間経過とともに分単位で
疑似位相整合波長が大きくシフトしてしまい、波長変換
された出力光の強度が大きく変動する。こうした強度変
動の大きさや周期は不規則で、人為的な制御がほとんど
不可能であり、応用上の短所となっている。ただニオブ
酸リチウムの光損傷は結晶温度を８０℃〜２００℃程度
に高く保持することによって緩和できることが判明して
おり、その対策として結晶加熱用のヒータが不可欠とな
る。
【０００８】しかしながら、こうしたヒータの存在は光
通信などへ応用する際に装置の大型化、複雑化、消費電
力の増加を招く。またネオブ酸カリウムは非線形光学効
果が大きいのみでなく、光損傷効果が著しく低い材料で
ある。ネオブ酸カリウムを光通信帯の波長変換として使
用するには、周期分極反転構造を作成しＱＰＭを行う必
要がある。また変換効率を向上させるためには導波路化
することが必要である。
通信などへ応用する際に装置の大型化、複雑化、消費電
力の増加を招く。またネオブ酸カリウムは非線形光学効
果が大きいのみでなく、光損傷効果が著しく低い材料で
ある。ネオブ酸カリウムを光通信帯の波長変換として使
用するには、周期分極反転構造を作成しＱＰＭを行う必
要がある。また変換効率を向上させるためには導波路化
することが必要である。
【０００９】ニオブ酸カリウム結晶は相転移温度が２０
０℃付近に存在し、ネオブ酸リチウム結晶の導波路作製
法として知られている、チタンやＺｎの元素拡散法は使
用できない。また低温プロセスであるプロトン交換など
の簡便な手法でも導波路を作製することはできない。導
波路作成法としてはＨｅ＋イオン打ち込みによる導波路
作成法が知られている(Strohkendl et.al.; J.Appl.Phy
s.,Vol69,No1,84(1991))。加速度２MeV、４Doseの照射
量で波長９８０ｎｍの基本波の第二高調波（ＳＨＧ：波
長４９０ｎｍ）発生、あるいは波長８６０ｎｍの基本波
から波長４３０ｎｍのＳＨＧ光発生用導波路として報告
されている。(Pliska et.al.; J.Appl.Phys.Vol.84,No.
3,1186(1998)) これら基本波の波長が１μｍ以下の光に対しては伝播損
失は小さいが基本波の波長が長くなると基板へのトンネ
リング効果により伝播損失が大きくなる。波長１．５５
μｍの基本波に対しての伝播損失は１０ｄＢ／ｃｍ以上
となり殆ど導波路として機能しない。
０℃付近に存在し、ネオブ酸リチウム結晶の導波路作製
法として知られている、チタンやＺｎの元素拡散法は使
用できない。また低温プロセスであるプロトン交換など
の簡便な手法でも導波路を作製することはできない。導
波路作成法としてはＨｅ＋イオン打ち込みによる導波路
作成法が知られている(Strohkendl et.al.; J.Appl.Phy
s.,Vol69,No1,84(1991))。加速度２MeV、４Doseの照射
量で波長９８０ｎｍの基本波の第二高調波（ＳＨＧ：波
長４９０ｎｍ）発生、あるいは波長８６０ｎｍの基本波
から波長４３０ｎｍのＳＨＧ光発生用導波路として報告
されている。(Pliska et.al.; J.Appl.Phys.Vol.84,No.
3,1186(1998)) これら基本波の波長が１μｍ以下の光に対しては伝播損
失は小さいが基本波の波長が長くなると基板へのトンネ
リング効果により伝播損失が大きくなる。波長１．５５
μｍの基本波に対しての伝播損失は１０ｄＢ／ｃｍ以上
となり殆ど導波路として機能しない。
【００１０】また打ち込みエネルギーが高いため基板に
対するダメーが発生し非線形光学効果の減少を生じると
いった問題もある。またネオブ酸カリウム結晶は分極反
転電圧がネオブ酸リチウム結晶などに比べて著しく低い
電圧で反転現象を生じてしまうため、電荷を持ったイオ
ンを注入する際、基板が帯電し分極反転構造が部分的に
あるいは全面で消失してしまい周期分極反転構造を有す
る導波路作成法としては使用できない。（Pliska et.a
l.; J.Opt.Soc.Am.B, Vol15, No2, 628, 1998）
対するダメーが発生し非線形光学効果の減少を生じると
いった問題もある。またネオブ酸カリウム結晶は分極反
転電圧がネオブ酸リチウム結晶などに比べて著しく低い
電圧で反転現象を生じてしまうため、電荷を持ったイオ
ンを注入する際、基板が帯電し分極反転構造が部分的に
あるいは全面で消失してしまい周期分極反転構造を有す
る導波路作成法としては使用できない。（Pliska et.a
l.; J.Opt.Soc.Am.B, Vol15, No2, 628, 1998）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、周期
分極反転構造などの微細構造を消失することなくまた基
板へのダメージを少ない方法で光導波路を形成し、光損
傷対策のヒータが不要で、室温動作でも安定した波長変
換を実現できる光素子を提供することである。
分極反転構造などの微細構造を消失することなくまた基
板へのダメージを少ない方法で光導波路を形成し、光損
傷対策のヒータが不要で、室温動作でも安定した波長変
換を実現できる光素子を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、強誘電体基板
薄板上に誘電体薄膜が装荷され、該誘電体薄膜直下に３
次元導波路が形成されたことを特徴とする光導波路型光
素子である。この光導波路型光素子は、波長λｐの第１
入力光および波長λｓの第２入力光に関して、式（１）
または式（２）の関係が成立するように、波長λＬの出
力光を発生する光素子である。
薄板上に誘電体薄膜が装荷され、該誘電体薄膜直下に３
次元導波路が形成されたことを特徴とする光導波路型光
素子である。この光導波路型光素子は、波長λｐの第１
入力光および波長λｓの第２入力光に関して、式（１）
または式（２）の関係が成立するように、波長λＬの出
力光を発生する光素子である。
【００１３】
１／λＬ ＝ ２／λｐ − １／λｓ …（１）
１／λＬ ＝ １／λｐ − １／λｓ …（２）
また前記強誘電体は分極が周期的に配列した周期分極反
転構造を有することを特徴とした光導波路型光素子であ
る。ここで用いる前記強誘電体の材料はネオブ酸カリウ
ムであることが好ましい。この場合、前記誘電体薄膜は
Ta2O5もしくはTiO2であることが好ましい。また本発明
は、強誘電体基板を光学基板に装着し、前記強誘電体基
板を所定の厚みに研磨した後、強誘電体基板上にストラ
イプ状に誘電体薄膜を装荷する工程を含む上記の光導波
路型光素子の製造方法である。本発明の光導波路は強誘
電体で形成されるため波長変換素子として、あるいは電
気効果を用いた導波路型位相変調器などとしても用いる
ことができる。
転構造を有することを特徴とした光導波路型光素子であ
る。ここで用いる前記強誘電体の材料はネオブ酸カリウ
ムであることが好ましい。この場合、前記誘電体薄膜は
Ta2O5もしくはTiO2であることが好ましい。また本発明
は、強誘電体基板を光学基板に装着し、前記強誘電体基
板を所定の厚みに研磨した後、強誘電体基板上にストラ
イプ状に誘電体薄膜を装荷する工程を含む上記の光導波
路型光素子の製造方法である。本発明の光導波路は強誘
電体で形成されるため波長変換素子として、あるいは電
気効果を用いた導波路型位相変調器などとしても用いる
ことができる。
【００１４】本発明に従えば、バルク型の光素子では複
数の光路について波長変換が可能になるため、マルチチ
ャネル型の光ミキサを容易に実現できる。また、光素子
を製造する場合、分極反転処理において分極反転の深さ
はニオブ酸リチウムよりもニオブ酸カリウムの方が深く
形成できるため、バルク型ではニオブ酸カリウムを使用
することが好ましい。３次元導波路を形成する手法とし
て、２次元導波路上に空気より屈折率の高い材料でスト
ライプ状のラインを形成し、ストライプ下の領域の実効
屈折率とそれストライプのない領域の実効屈折率の差を
利用して横方向の閉じ込めを利用した装荷型３次元導波
路の形成法が知られている。（西原 浩、他 著「光集積
回路」株式会社オーム社 昭和60年発行） これらの方法として２次元導波路を形成する必要がある
が、基板上に有機高分子をスピンコートした有機導波
路、や無機材料では単結晶基板上に組成比を若干変えて
薄膜をスッパッタもしくは液相エピタキシャル成長する
ことにより２次元導波路を形成する方法が知られてい
る。しかしながらネオブ酸カリウム結晶はこうした手法
が困難であるため均質な２次元導波路を形成することは
困難である。ネオブ酸カリウム結晶の２次元導波路を作
製する方法として、筆者らはネオブ酸カリウム結晶１０
を極薄板研磨し、かつ屈折率の高い誘電体膜４０をスト
ライプ状に装荷することによりストライプの厚みとネオ
ブ酸カリウムの板厚が制御された図１に示すような３次
元導波路が形成できることを見出した。この工程を説明
する。図７に示すように研磨用基板として支持基板２０
の上に導波路形成用ネオブ酸カリウム結晶からなる強誘
電体基板１０、およびヤトイ用のダミー結晶１１として
ネオブ酸カリウム結晶を貼り付ける。この際ヤトイ用の
ダミー結晶１１は研磨スピードを同じにするため導波路
用強誘電体基板となるネオブ酸カリウム結晶と同じカッ
ト角のものを使用することが望ましい。その後通常の研
磨工程により薄く研磨を行いネオブ酸カリウム結晶の厚
みが１０〜５μｍ程度になるまで研磨を行う。支持基板
２０としてネオブ酸カリウム結晶よりも屈折率の低い材
料を用いることが望ましい。たとえば光学ガラスBK7な
どを使用するが、同一材質であるネオブ酸カリウムその
ものを用いても良い。強誘電体の導波路用基板として周
期的分極反転を施した結晶基板を同様に使用することも
可能である。研磨終了後通常のフォトリソグラフィ工程
により、図１に示すように導波路用ネオブ酸カリウム結
晶からなる強誘電体基板１０上にストライプ状に誘電体
膜４０を蒸着し、装荷用ストライプを形成する。この誘
電体膜としては、Ta2O5やTiO2などの屈折率の高い誘電
体が望ましい。
数の光路について波長変換が可能になるため、マルチチ
ャネル型の光ミキサを容易に実現できる。また、光素子
を製造する場合、分極反転処理において分極反転の深さ
はニオブ酸リチウムよりもニオブ酸カリウムの方が深く
形成できるため、バルク型ではニオブ酸カリウムを使用
することが好ましい。３次元導波路を形成する手法とし
て、２次元導波路上に空気より屈折率の高い材料でスト
ライプ状のラインを形成し、ストライプ下の領域の実効
屈折率とそれストライプのない領域の実効屈折率の差を
利用して横方向の閉じ込めを利用した装荷型３次元導波
路の形成法が知られている。（西原 浩、他 著「光集積
回路」株式会社オーム社 昭和60年発行） これらの方法として２次元導波路を形成する必要がある
が、基板上に有機高分子をスピンコートした有機導波
路、や無機材料では単結晶基板上に組成比を若干変えて
薄膜をスッパッタもしくは液相エピタキシャル成長する
ことにより２次元導波路を形成する方法が知られてい
る。しかしながらネオブ酸カリウム結晶はこうした手法
が困難であるため均質な２次元導波路を形成することは
困難である。ネオブ酸カリウム結晶の２次元導波路を作
製する方法として、筆者らはネオブ酸カリウム結晶１０
を極薄板研磨し、かつ屈折率の高い誘電体膜４０をスト
ライプ状に装荷することによりストライプの厚みとネオ
ブ酸カリウムの板厚が制御された図１に示すような３次
元導波路が形成できることを見出した。この工程を説明
する。図７に示すように研磨用基板として支持基板２０
の上に導波路形成用ネオブ酸カリウム結晶からなる強誘
電体基板１０、およびヤトイ用のダミー結晶１１として
ネオブ酸カリウム結晶を貼り付ける。この際ヤトイ用の
ダミー結晶１１は研磨スピードを同じにするため導波路
用強誘電体基板となるネオブ酸カリウム結晶と同じカッ
ト角のものを使用することが望ましい。その後通常の研
磨工程により薄く研磨を行いネオブ酸カリウム結晶の厚
みが１０〜５μｍ程度になるまで研磨を行う。支持基板
２０としてネオブ酸カリウム結晶よりも屈折率の低い材
料を用いることが望ましい。たとえば光学ガラスBK7な
どを使用するが、同一材質であるネオブ酸カリウムその
ものを用いても良い。強誘電体の導波路用基板として周
期的分極反転を施した結晶基板を同様に使用することも
可能である。研磨終了後通常のフォトリソグラフィ工程
により、図１に示すように導波路用ネオブ酸カリウム結
晶からなる強誘電体基板１０上にストライプ状に誘電体
膜４０を蒸着し、装荷用ストライプを形成する。この誘
電体膜としては、Ta2O5やTiO2などの屈折率の高い誘電
体が望ましい。
【００１５】３次元導波路形成の条件を簡単な等価屈折
率法によって計算する（たとえば、岡本勝就著 「光導
波路の基礎」 株式会社コロナ社 １９９２）。３次元
導波路を図６に示すようにストライプ領域５とストライ
プがない領域６の２つの領域で縦方向のスラブ導波路の
実効屈折率を計算する。さらに次に横方向にはこの２つ
の実効屈折率の材料が厚みWの２次元導波路を形成する
として横方向の実効屈折率を計算する。支持基板２０の
材料として光学ガラスBK7、強誘電体基板１０となる導
波路用材料としてスラブ導波路に垂直方向がｃ軸方向の
ネオブ酸カリウム結晶（厚みTc=５μｍ）、装荷ストラ
イプとなる誘電体膜４０としてTa2O5誘電体薄膜（幅W、
厚さTs=０．６μｍ）を仮定している。それぞれ断面
５、６のスラブ導波路での光強度分布を図２に示す。
図２中の５、６は図６のそれぞれ断面５、６の光強度分
布を示している。領域５では装荷ストライプ領域（屈折
率高い）に光の染み出しが大きいため実効屈折率２．０
９６４８は領域６の実効屈折率２．０９４５７に比べて
高くなる。この実効屈折率を用いて、横方向の閉じ込め
状態について厚みWの３層スラブ導波路として横方向の
光強度分布を計算したものを図３に示した。装荷ストラ
イプの幅６μｍの場合モードフィールド径は通信用シン
グルモードファイバのモード径と一致する。ｃ軸方向の
ネオブ酸カリウム結晶の厚みTc=５μｍとした場合、Ta2
O5装荷ストライプ厚みを０．６μｍと一定にし、装荷ス
トライプ幅Wを変えた場合の光導波路の実効屈折率の変
化を図４に示す。このようにネオブ酸カリウム結晶を基
板に貼り付け、結晶厚みを精密研磨により１０ミクロン
以下にし高い屈折率材質をストライプ状に装荷すること
により３次元導波路を形成することがわかった。このよ
うな方法で作製すると、イオン打ち込み法等のような高
いエネルギーを必要としないため、基板に対するダメー
ジが少なく非線形定数の低下もない。またネオブ酸カリ
ウム結晶は分極の反転する反転電圧が他の材料に対して
１桁以上低いため、イオン打ち込みによるチャージアッ
プ、局所応力の発生等により容易に分極が反転、デポー
ルしやすいといった問題があるが、本発明を利用すれば
周期的分極反転を有する材質にも導波路を作製すること
が可能となる利点も有する。本手法により周期分極反転
構造を有するネオブ酸カリウム結晶に光通信帯波長１．
５５μｍで損失の少なく、基板に対するダメージも少な
くまた周期分極反転構造を消失することなく光導波路を
形成できるため、差周波発生による広帯域で高効率な一
括波長変換が可能となった。なお強誘電体基板と誘電体
薄膜の厚さは随時設計で決められる。強誘電体の厚さは
０．１ｍｍ〜１ｍｍが好ましく、誘電体薄膜の厚さは４
μｍ〜１０μｍが好ましい。
率法によって計算する（たとえば、岡本勝就著 「光導
波路の基礎」 株式会社コロナ社 １９９２）。３次元
導波路を図６に示すようにストライプ領域５とストライ
プがない領域６の２つの領域で縦方向のスラブ導波路の
実効屈折率を計算する。さらに次に横方向にはこの２つ
の実効屈折率の材料が厚みWの２次元導波路を形成する
として横方向の実効屈折率を計算する。支持基板２０の
材料として光学ガラスBK7、強誘電体基板１０となる導
波路用材料としてスラブ導波路に垂直方向がｃ軸方向の
ネオブ酸カリウム結晶（厚みTc=５μｍ）、装荷ストラ
イプとなる誘電体膜４０としてTa2O5誘電体薄膜（幅W、
厚さTs=０．６μｍ）を仮定している。それぞれ断面
５、６のスラブ導波路での光強度分布を図２に示す。
図２中の５、６は図６のそれぞれ断面５、６の光強度分
布を示している。領域５では装荷ストライプ領域（屈折
率高い）に光の染み出しが大きいため実効屈折率２．０
９６４８は領域６の実効屈折率２．０９４５７に比べて
高くなる。この実効屈折率を用いて、横方向の閉じ込め
状態について厚みWの３層スラブ導波路として横方向の
光強度分布を計算したものを図３に示した。装荷ストラ
イプの幅６μｍの場合モードフィールド径は通信用シン
グルモードファイバのモード径と一致する。ｃ軸方向の
ネオブ酸カリウム結晶の厚みTc=５μｍとした場合、Ta2
O5装荷ストライプ厚みを０．６μｍと一定にし、装荷ス
トライプ幅Wを変えた場合の光導波路の実効屈折率の変
化を図４に示す。このようにネオブ酸カリウム結晶を基
板に貼り付け、結晶厚みを精密研磨により１０ミクロン
以下にし高い屈折率材質をストライプ状に装荷すること
により３次元導波路を形成することがわかった。このよ
うな方法で作製すると、イオン打ち込み法等のような高
いエネルギーを必要としないため、基板に対するダメー
ジが少なく非線形定数の低下もない。またネオブ酸カリ
ウム結晶は分極の反転する反転電圧が他の材料に対して
１桁以上低いため、イオン打ち込みによるチャージアッ
プ、局所応力の発生等により容易に分極が反転、デポー
ルしやすいといった問題があるが、本発明を利用すれば
周期的分極反転を有する材質にも導波路を作製すること
が可能となる利点も有する。本手法により周期分極反転
構造を有するネオブ酸カリウム結晶に光通信帯波長１．
５５μｍで損失の少なく、基板に対するダメージも少な
くまた周期分極反転構造を消失することなく光導波路を
形成できるため、差周波発生による広帯域で高効率な一
括波長変換が可能となった。なお強誘電体基板と誘電体
薄膜の厚さは随時設計で決められる。強誘電体の厚さは
０．１ｍｍ〜１ｍｍが好ましく、誘電体薄膜の厚さは４
μｍ〜１０μｍが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】（第一の実施形態）図５は本発明
の一実施形態である。強誘電体基板１０となる非線型光
学結晶としてネオブ酸カリウム（KN）を用い、厚み０．
５ｍｍのｚ（ｃ）カット−ｙ（ｂ）伝播基板上に周期Λ
１＝１６．６μｍで周期的１８０度分極反転を電界印加
法により作製する。周期分極構造を作製した後に支持基
板２０の上に接着剤で貼り付けた後、精密研磨によりネ
オブ酸カリウム結晶の厚みが５μｍになるまで研磨す
る。さらにその後、TiO2誘電体膜４０（厚み０．６μ
ｍ）をリフトオフ法により作製する。入射面はｂ軸面と
し、入射面１３、出射面１４は光学研磨を行い１．５５
μｍに対して無反射となる光学多層膜をコーテイングし
ている。
の一実施形態である。強誘電体基板１０となる非線型光
学結晶としてネオブ酸カリウム（KN）を用い、厚み０．
５ｍｍのｚ（ｃ）カット−ｙ（ｂ）伝播基板上に周期Λ
１＝１６．６μｍで周期的１８０度分極反転を電界印加
法により作製する。周期分極構造を作製した後に支持基
板２０の上に接着剤で貼り付けた後、精密研磨によりネ
オブ酸カリウム結晶の厚みが５μｍになるまで研磨す
る。さらにその後、TiO2誘電体膜４０（厚み０．６μ
ｍ）をリフトオフ法により作製する。入射面はｂ軸面と
し、入射面１３、出射面１４は光学研磨を行い１．５５
μｍに対して無反射となる光学多層膜をコーテイングし
ている。
【００１７】ポンプ光は波長λｐ＝０．７８μｍの単一
モード半導体レーザ２１を用い、図面縦方向の偏光（TM
偏波）の光で出射される。ポンプ光は集光レンズ３１を
通して光軸２を通り、ダイクロイックミラー２５で９０
度反射され、集光レンズ３２を通貨して導波路上に集光
入射する。ポンプ光は結晶中央にビームウエストを結ぶ
ように集光レンズ３１の位置を調整する。光ファイバ２
６から出射された波長λｓ＝１．５４５μｍの信号光は
コリメートレンズ３０を通過した後、ダイクロイックミ
ラー２５を全透過し、集光レンズ３２により光導波路上
に集光入射される。ポンプ光の光軸は信号光の光軸と共
軸となるように調整される。入射された信号光λｓ＝
１．５４５μｍとポンプλｐ＝０．７８μｍにより １／λＬ ＝ １／λｐ − １／λｓ なる関係式で変換光λLが発生する。また波長０．７８
μｍのポンプ光を使用する代りに同じ周期分極反転導波
路を利用して１．５６μｍの波長を入射し第二高調波発
生により０．７８μｍの光を発生させさらにλｓとの差
周波を実現するカスケード波長変換を利用することも可
能である。このようにネオブ酸カリウムに対して導波路
化が可能となったため、変換効率の向上が可能となりバ
ルクの結晶では−３０ｄB〜−４０ｄBの変換効率であっ
たが、−１０ｄBの変換効率に向上できた。ネオブ酸カ
リウム結晶を用いて光損傷がなく室温動作が可能で、変
換効率の高い波長変換素子を得ることが可能となった。
モード半導体レーザ２１を用い、図面縦方向の偏光（TM
偏波）の光で出射される。ポンプ光は集光レンズ３１を
通して光軸２を通り、ダイクロイックミラー２５で９０
度反射され、集光レンズ３２を通貨して導波路上に集光
入射する。ポンプ光は結晶中央にビームウエストを結ぶ
ように集光レンズ３１の位置を調整する。光ファイバ２
６から出射された波長λｓ＝１．５４５μｍの信号光は
コリメートレンズ３０を通過した後、ダイクロイックミ
ラー２５を全透過し、集光レンズ３２により光導波路上
に集光入射される。ポンプ光の光軸は信号光の光軸と共
軸となるように調整される。入射された信号光λｓ＝
１．５４５μｍとポンプλｐ＝０．７８μｍにより １／λＬ ＝ １／λｐ − １／λｓ なる関係式で変換光λLが発生する。また波長０．７８
μｍのポンプ光を使用する代りに同じ周期分極反転導波
路を利用して１．５６μｍの波長を入射し第二高調波発
生により０．７８μｍの光を発生させさらにλｓとの差
周波を実現するカスケード波長変換を利用することも可
能である。このようにネオブ酸カリウムに対して導波路
化が可能となったため、変換効率の向上が可能となりバ
ルクの結晶では−３０ｄB〜−４０ｄBの変換効率であっ
たが、−１０ｄBの変換効率に向上できた。ネオブ酸カ
リウム結晶を用いて光損傷がなく室温動作が可能で、変
換効率の高い波長変換素子を得ることが可能となった。
【００１８】（第二の実施形態）以上の実施形態は非線
形光学効果を利用した波長変換素子に応用した例である
が、強誘電体基板は電気光学効果等も有しているため電
気光学効果を利用した光導波路デバイスにも適用可能で
ある。特にネオブ酸カリウム結晶は大きな電気光学効果
を有しているため、これらを利用したバルク型光変調器
なども報告され、駆動電圧２０Ｖ程度の通常より１桁低
い低電圧駆動が報告されている。しかしながらネオブ酸
カリウム結晶はチタン拡散法、プロトン交換法などによ
る導波路形成ができないため、導波路化ができず、光通
信用の光変調器などを作製することができなかった。
形光学効果を利用した波長変換素子に応用した例である
が、強誘電体基板は電気光学効果等も有しているため電
気光学効果を利用した光導波路デバイスにも適用可能で
ある。特にネオブ酸カリウム結晶は大きな電気光学効果
を有しているため、これらを利用したバルク型光変調器
なども報告され、駆動電圧２０Ｖ程度の通常より１桁低
い低電圧駆動が報告されている。しかしながらネオブ酸
カリウム結晶はチタン拡散法、プロトン交換法などによ
る導波路形成ができないため、導波路化ができず、光通
信用の光変調器などを作製することができなかった。
【００１９】第二の実施形態として、ネオブ酸カリウム
結晶の電気光学効果を利用した光導波路型位相変調器の
構成を図８に示した。ネオブ酸カリウム結晶の大きな電
気光学効果ｒ４２を利用するために、光の進行方向がｂ
−ｃ軸面内４５度となるように切り出す。結晶長さは２
ｍｍから３ｍｍ程度である。実施形態１と同様に支持基
板２０の上に接着剤で貼り付けた後、精密研磨によりネ
オブ酸カリウム結晶の厚みが５μｍになるまで研磨す
る。さらにその後、ＴｉＯ2誘電体膜４０からなるスト
ライプ（厚み０．６μｍ）をリフトオフ法により作製す
る。入射面はｂ軸面とし、入射面１３、出射面１４は光
学研磨を行い１．５５μｍに対して無反射となる光学多
層膜をコーテイングしている。
結晶の電気光学効果を利用した光導波路型位相変調器の
構成を図８に示した。ネオブ酸カリウム結晶の大きな電
気光学効果ｒ４２を利用するために、光の進行方向がｂ
−ｃ軸面内４５度となるように切り出す。結晶長さは２
ｍｍから３ｍｍ程度である。実施形態１と同様に支持基
板２０の上に接着剤で貼り付けた後、精密研磨によりネ
オブ酸カリウム結晶の厚みが５μｍになるまで研磨す
る。さらにその後、ＴｉＯ2誘電体膜４０からなるスト
ライプ（厚み０．６μｍ）をリフトオフ法により作製す
る。入射面はｂ軸面とし、入射面１３、出射面１４は光
学研磨を行い１．５５μｍに対して無反射となる光学多
層膜をコーテイングしている。
【００２０】更に主面（ａ軸）上に誘電体膜４０からな
るストライプを挟み込むように金属電極５０，５１を形
成する。金属電極５０，５１の間に電界を印可すること
によりｂ軸方向の電界が発生する。このため電気光学効
果ｒ４２を通してｃ軸方向の屈折率が変化するため、Ｔ
Ｅモードは位相の変調を生じることになる。このように
ネオブ酸「カリウム結晶を導波路化し電界を印加するこ
とにより電界分布と光のモード分布の重なりが良好とな
るためにきわめて低電圧化が可能となる。
るストライプを挟み込むように金属電極５０，５１を形
成する。金属電極５０，５１の間に電界を印可すること
によりｂ軸方向の電界が発生する。このため電気光学効
果ｒ４２を通してｃ軸方向の屈折率が変化するため、Ｔ
Ｅモードは位相の変調を生じることになる。このように
ネオブ酸「カリウム結晶を導波路化し電界を印加するこ
とにより電界分布と光のモード分布の重なりが良好とな
るためにきわめて低電圧化が可能となる。
【００２１】（第三の実施形態）第３の実施形態として
マッハツエンダー型光変調器に適応した例を図９に示
す。実施形態１と同様に支持基板の上に接着剤で貼り付
けた後、精密研磨によりネオブ酸カリウム結晶の厚みが
５μｍになるまで研磨する。さらにその後、マッハツエ
ンダー干渉型導波路をTiO2誘電体膜４０のストライプ
（厚み０．６μｍ）をリフトオフ法により作製する。干
渉計の一方のアーム５２に電界を印加するため導波路５
２をはさんで電極５０、５１を形成する。電極５０，５
１に電界を印加することにより、アーム５２、とアーム
５３の光に位相差πを生じたとき合波した時に導波路漏
洩モート゛となり出力光は０となる。また位相差２πの時に
出力１となる。このように電圧を印加することにより高
速に光を変調できる。
マッハツエンダー型光変調器に適応した例を図９に示
す。実施形態１と同様に支持基板の上に接着剤で貼り付
けた後、精密研磨によりネオブ酸カリウム結晶の厚みが
５μｍになるまで研磨する。さらにその後、マッハツエ
ンダー干渉型導波路をTiO2誘電体膜４０のストライプ
（厚み０．６μｍ）をリフトオフ法により作製する。干
渉計の一方のアーム５２に電界を印加するため導波路５
２をはさんで電極５０、５１を形成する。電極５０，５
１に電界を印加することにより、アーム５２、とアーム
５３の光に位相差πを生じたとき合波した時に導波路漏
洩モート゛となり出力光は０となる。また位相差２πの時に
出力１となる。このように電圧を印加することにより高
速に光を変調できる。
【図１】本発明で得られる波長変換素子の概念斜視図で
ある。
ある。
【図２】スラブ導波路での光強度分布を示す図である。
【図３】スラブ導波路での横方向での光強度分布を示す
図である。
図である。
【図４】装荷層幅（ストライプ幅）と実効屈折率との関
係を示す図である。
係を示す図である。
【図５】本発明の第一実施形態を示す図である。
【図６】本発明の波長変換素子の光導波路のモデル図で
ある。
ある。
【図７】本発明を構成する強誘電体基板を研磨する図で
ある。
ある。
【図８】本発明の第二実施形態を示す図である。
【図９】本発明の第三実施形態を示す図である。
２・・光軸 、 １０・・ 強誘電体基板 、 １１・・ダ
ミー結晶、１３・・入射面、 １４
・・出射面、２０ ・・支持基板、 ２
１・・半導体レーザ、２５・・ ダイクロミックミラ
ー、 ２６・・光ファイバー 、３０・・コリメート
レンズ、 ３１、３２・・集光レンズ、４０・
・誘電体膜、 ５０，５１・・ 電極
ミー結晶、１３・・入射面、 １４
・・出射面、２０ ・・支持基板、 ２
１・・半導体レーザ、２５・・ ダイクロミックミラ
ー、 ２６・・光ファイバー 、３０・・コリメート
レンズ、 ３１、３２・・集光レンズ、４０・
・誘電体膜、 ５０，５１・・ 電極
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｇ０２Ｂ 6/12 Ｊ
Ｆターム(参考） 2H047 KA02 KA04 KA11 KA12 KB04
LA00 LA18 NA08 PA03 PA21
PA24 QA01 QA04 RA08
2H079 AA02 AA12 BA03 CA05 DA03
EA05
2K002 AA02 AB12 CA02 DA06 HA19
HA20
Claims (6)
- 【請求項１】強誘電体基板薄板上に誘電体薄膜が装荷さ
れ、該誘電体薄膜直下に３次元導波路が形成されたこと
を特徴とする光導波路型光素子。 - 【請求項２】波長λｐの第１入力光および波長λｓの第
２入力光に関して、式（１）または式（２）の関係が成
立するように、波長λＬの出力光を発生することを特徴
とする請求項１記載の光導波路型光素子。 １／λＬ ＝ ２／λｐ − １／λｓ …（１） １／λＬ ＝ １／λｐ − １／λｓ …（２） - 【請求項３】前記強誘電体は分極が周期的に配列した周
期分極反転構造を有することを特徴とした請求項１また
は２に記載の光導波路型光素子。 - 【請求項４】前記強誘電体はネオブ酸カリウムであるこ
とを特徴とした請求項１から３のいずれかに記載の光導
波路型光素子。 - 【請求項５】前記誘電体薄膜はTa2O5薄膜もしくはTiO2
薄膜であることを特徴とした請求項４の光導波路型光素
子。 - 【請求項６】強誘電体基板を光学基板に装着し、前記強
誘電体基板を所定の厚みに研磨した後、強誘電体基板上
にストライプ状に誘電体薄膜を装荷する工程を含む請求
項１から５のいずれかに記載の光導波路型光素子の製造
方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001328420A JP2003131182A (ja) | 2001-10-25 | 2001-10-25 | 光導波路型光素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001328420A JP2003131182A (ja) | 2001-10-25 | 2001-10-25 | 光導波路型光素子およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003131182A true JP2003131182A (ja) | 2003-05-08 |
Family
ID=19144484
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001328420A Pending JP2003131182A (ja) | 2001-10-25 | 2001-10-25 | 光導波路型光素子およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003131182A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004081646A1 (ja) * | 2003-03-11 | 2004-09-23 | Ngk Insulators Ltd. | 波長変換素子 |
| JP2012118333A (ja) * | 2010-12-01 | 2012-06-21 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 波長変換素子 |
| CN104678494A (zh) * | 2013-11-28 | 2015-06-03 | 日本碍子株式会社 | 光波导器件 |
-
2001
- 2001-10-25 JP JP2001328420A patent/JP2003131182A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004081646A1 (ja) * | 2003-03-11 | 2004-09-23 | Ngk Insulators Ltd. | 波長変換素子 |
| JP2004295088A (ja) * | 2003-03-11 | 2004-10-21 | Ngk Insulators Ltd | 波長変換素子 |
| US7164525B2 (en) | 2003-03-11 | 2007-01-16 | Ngk Insulators, Ltd. | Wavelength converting devices |
| JP2012118333A (ja) * | 2010-12-01 | 2012-06-21 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 波長変換素子 |
| CN104678494A (zh) * | 2013-11-28 | 2015-06-03 | 日本碍子株式会社 | 光波导器件 |
| CN104678494B (zh) * | 2013-11-28 | 2019-05-21 | 日本碍子株式会社 | 光波导器件 |
| US10564513B2 (en) | 2013-11-28 | 2020-02-18 | Ngk Insulators, Ltd. | Optical waveguide devices |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5943464A (en) | Nonlinear optical device including poled waveguide and associated fabrication methods | |
| JP2002250949A (ja) | 光導波路素子、光波長変換素子および光導波路素子の製造方法 | |
| JP7062937B2 (ja) | 光学素子およびその製造方法 | |
| CN101154790A (zh) | 激光光源装置、具备其的图像显示装置以及监视器装置 | |
| EP0554334A1 (en) | Thickness variation insensitive frequency doubling polymeric waveguide | |
| JP2003131182A (ja) | 光導波路型光素子およびその製造方法 | |
| JP2725302B2 (ja) | 導波路型波長変換素子 | |
| JP5814183B2 (ja) | 波長変換デバイス | |
| Feng et al. | A bond-free PPLN thin film ridge waveguide | |
| JPH0651359A (ja) | 波長変換素子、短波長レーザ装置および波長可変レーザ装置 | |
| JP2899345B2 (ja) | 光学装置 | |
| JP2765112B2 (ja) | 光導波路デバイス、光波長変換素子および短波長レーザ光源 | |
| KR100749871B1 (ko) | 광도파로와 광변조 전극이 융합된 파장가변기 | |
| Tong Ph. D et al. | Electro-optic waveguides | |
| JP3178849B2 (ja) | 導波路型ｓｈｇ素子 | |
| US12007666B2 (en) | Wavelength conversion element and method for producing same | |
| JP2635986B2 (ja) | 光導波路スイッチ | |
| JP2658381B2 (ja) | 導波路型波長変換素子 | |
| US20220011647A1 (en) | Wavelength Conversion Element and Method for Producing Same | |
| You et al. | Lithium niobate on insulator–fundamental opto-electronic properties and photonic device prospects | |
| JP3883613B2 (ja) | 電気光学素子 | |
| JP5013377B2 (ja) | 光デバイス | |
| JP2666540B2 (ja) | 導波路型波長変換素子 | |
| JP2606552B2 (ja) | 光制御デバイス | |
| JPH0519310A (ja) | 光変調波長変換素子 |