JP2005128255A - Wavelength conversion element and its manufacturing method - Google Patents

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Yoshiki Nishida
好毅 西田
Masao Yube
雅生 遊部
Hiroshi Miyazawa
弘 宮澤
Osamu Tadanaga
修 忠永
Hiroyuki Suzuki
博之 鈴木
Junji Yumoto
潤司 湯本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high efficiency wavelength conversion element consisting of a single mode ridge waveguide, and also to provide a method for manufacturing the conversion element in a high yield. <P>SOLUTION: In the wavelength conversion element having a core 32 consisting of a nonlinear optical crystal and the ridge optical waveguide in which the surface of the core 32 not in contact with a substrate 31 is formed of an air layer, the concentration distribution of Li on a cross section of the core 32 shows a gradual increase from the center part 33 of the core 32 to the outer peripheral part. Refractive index distribution on the cross section of the core 32 shows a gradual decrease from the center part 33 of the core 32 to the outer peripheral part. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、波長変換素子およびその製造方法に関し、より詳細には、非線形光学媒質中で生じる第二高調波発生、差周波発生、和周波発生効果を用いて信号光の波長を別の波長に変換する波長変換素子およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a wavelength conversion element and a method for manufacturing the same, and more specifically, the wavelength of signal light is changed to another wavelength by using second harmonic generation, difference frequency generation, and sum frequency generation effects generated in a nonlinear optical medium. The present invention relates to a wavelength conversion element for conversion and a manufacturing method thereof.

従来、光の波長を変換する波長変換素子として、半導体光増幅器を応用した素子、四光波混合を利用する素子等が知られている。しかしながら、これら波長変換素子は、システムにおいて求められる、高効率、高速、広帯域、低ノイズ、偏波無依存などの条件を満足させることができなかった。   Conventionally, as a wavelength conversion element for converting the wavelength of light, an element using a semiconductor optical amplifier, an element using four-wave mixing, and the like are known. However, these wavelength conversion elements cannot satisfy the conditions required for the system, such as high efficiency, high speed, wide band, low noise, and polarization independence.

一方、二次非線形光学効果の一種である擬似位相整合による第二高調波発生、和周波発生、差周波発生を利用した波長変換素子の応用が期待されている。図1に、従来の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す。波長変換素子は、比較的小さな光強度を有する信号光Aと、比較的大きな光強度を有する制御光Bとを合波する合波器11と、分極反転構造を有する非線形光学結晶からなる導波路12と、差周波光Cと制御光Bとを分離するに分波器13とから構成されている。信号光Aは、導波路12において、別の波長を有する差周波光Cへと変換され、制御光Bと共に出射される。例えば、制御光Bの波長λ1=0.77μmとした場合、波長λ2=1.55μmの信号光Aは、波長λ3=1.53μmの差周波光Cに変換される。   On the other hand, application of wavelength conversion elements utilizing second harmonic generation, sum frequency generation, and difference frequency generation by quasi phase matching, which is a kind of second-order nonlinear optical effect, is expected. FIG. 1 shows a configuration of a conventional quasi phase matching type wavelength conversion element. The wavelength conversion element includes a multiplexer 11 that combines the signal light A having a relatively small light intensity and the control light B having a relatively large light intensity, and a waveguide made of a nonlinear optical crystal having a polarization inversion structure. 12 and a demultiplexer 13 for separating the difference frequency light C and the control light B. The signal light A is converted into the difference frequency light C having another wavelength in the waveguide 12 and emitted together with the control light B. For example, when the wavelength λ1 = 0.77 μm of the control light B, the signal light A having the wavelength λ2 = 1.55 μm is converted into the difference frequency light C having the wavelength λ3 = 1.53 μm.

このような波長変換素子を、複数の波長の光信号を多重化して伝送する波長分割多重(WDM)伝送システムに適用すると、限られた波長数を有効に利用することができ、加えて、波長群を一括して変換する波長群ルーチングなどの機能を付加することができる。   When such a wavelength conversion element is applied to a wavelength division multiplexing (WDM) transmission system that multiplexes and transmits optical signals of a plurality of wavelengths, a limited number of wavelengths can be used effectively. Functions such as wavelength group routing for batch conversion of groups can be added.

また、例えば、制御光Bの波長λ1=1.06μmとし、波長λ2=1.55μmの信号光Aを入力すると、波長λ3=3.35μmの中赤外光を差周波発生によって得ることができる。このような波長変換素子を含む中赤外光のレーザ光源を適用すれば、小型で安価なガスセンサーなどを実現することができる。任意の波長の制御光と信号光とを組み合わせることにより、従来のレーザでは得られない新しい波長のレーザ光源を得ることができ、蛍光顕微鏡などの可視光を使った光学機器の高感度化に著しい効果がある。   For example, when the wavelength λ1 = 1.06 μm of the control light B and the signal light A having the wavelength λ2 = 1.55 μm are input, the mid-infrared light having the wavelength λ3 = 3.35 μm can be obtained by the difference frequency generation. . If a mid-infrared laser light source including such a wavelength conversion element is applied, a small and inexpensive gas sensor or the like can be realized. By combining control light and signal light of any wavelength, it is possible to obtain a laser light source of a new wavelength that cannot be obtained with conventional lasers, which is remarkable for increasing the sensitivity of optical instruments using visible light such as fluorescent microscopes. effective.

このような、擬似位相整合を利用した波長変換素子を作製する方法は、ニオブ酸リチウムなどの非線形光学結晶基板に周期分極反転構造を作製した後、プロトン交換導波路を作製することによって波長変換素子を作製していた。   A method of manufacturing such a wavelength conversion element using quasi-phase matching is that a wavelength conversion element is prepared by manufacturing a proton exchange waveguide after forming a periodically poled structure on a nonlinear optical crystal substrate such as lithium niobate. Was making.

しかしながら、プロトン交換導波路は、表面からのプロトンの拡散によって導波路を形成するために、基板の表面近くに高屈折率層が存在し、基板の深さ方向の導波モードの形状が扁平になることが避けられない。このため、励起光の波長よりも長波長である信号光の光電界の中心位置が、励起光の光電界の中心位置よりも下に位置することになる。その結果、信号光と励起光のモード重なりが悪くなり、高効率な波長変換を達成することに難点があった。   However, since the proton exchange waveguide forms a waveguide by proton diffusion from the surface, a high refractive index layer exists near the surface of the substrate, and the shape of the waveguide mode in the depth direction of the substrate is flat. It cannot be avoided. For this reason, the center position of the optical field of the signal light having a longer wavelength than the wavelength of the excitation light is positioned below the center position of the optical field of the excitation light. As a result, the mode overlap between the signal light and the excitation light deteriorates, and there is a difficulty in achieving highly efficient wavelength conversion.

そこで、あらかじめ周期的な分極反転構造を有する第1の基板と第2の基板とを貼り合わせ、第1の基板の厚さを薄くして光導波路を形成するための所定の厚さにする、波長変換素子の製造方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。この方法は、第1の基板と第2の基板とを、熱処理による拡散接合により、直接貼り合わせることを特徴としている。この方法によって作製された波長変換素子の光導波路は、図2に示したように、リッジ型の構造を有し、ステップ型の屈折率分布を有する。コア22は、基板21に接していない3つの側面が空気層に接しており、リッジ型の光導波路(以下、リッジ導波路という)は、コア22と空気クラッドとから構成される。   Therefore, the first substrate having the periodic domain-inverted structure and the second substrate are bonded together, and the thickness of the first substrate is reduced to a predetermined thickness for forming the optical waveguide. A method for manufacturing a wavelength conversion element is known (see, for example, Patent Document 1). This method is characterized in that the first substrate and the second substrate are directly bonded together by diffusion bonding by heat treatment. As shown in FIG. 2, the optical waveguide of the wavelength conversion element manufactured by this method has a ridge structure and a step-type refractive index distribution. The core 22 has three side surfaces not in contact with the substrate 21 in contact with the air layer, and a ridge-type optical waveguide (hereinafter referred to as a ridge waveguide) includes the core 22 and an air cladding.

このようにステップ型の屈折率分布を有するリッジ導波路は、拡散型の屈折率分布をもつプロトン交換導波路よりも励起光と信号光のモード重なりを改善することができる。一方、高効率の波長変換を達成するためには、導波路幅を狭幅化し、単一モード条件を満足するようなリッジ導波路とする必要があった。   Thus, the ridge waveguide having the step type refractive index distribution can improve the mode overlap of the excitation light and the signal light as compared with the proton exchange waveguide having the diffusion type refractive index distribution. On the other hand, in order to achieve high-efficiency wavelength conversion, it is necessary to narrow the waveguide width so that the ridge waveguide satisfies the single mode condition.

特開2003−140214号公報JP 2003-140214 A

しかしながら、図2に示した単一モード化されたリッジ導波路は、以下の生産上の問題点があった。第1に、ダイシングソーを用いて狭幅のリッジ導波路を作製しようとすると、ダイシングソーをサブミクロンの精度で駆動させることが必要となる。従って、意図しないチッピングなどの発生によって、歩留まりが悪化するという問題点があった。   However, the single-mode ridge waveguide shown in FIG. 2 has the following production problems. First, in order to produce a narrow ridge waveguide using a dicing saw, it is necessary to drive the dicing saw with submicron accuracy. Therefore, there is a problem that the yield is deteriorated due to unintended chipping.

第2に、ドライエッチング法を用いて狭幅の導波路を作製する場合には、LiNbO材料とマスクとの選択比が取れないために、厚膜でかつ狭幅のマスクを作製する必要がある。従って、フォトリソグラフィを用いたリフトオフのプロセスにおいて、マスクの形状が崩れやすく歩留まりが悪化するという問題点があった。 Secondly, when a narrow waveguide is produced by using a dry etching method, it is necessary to produce a thick and narrow mask because the selection ratio between the LiNbO 3 material and the mask cannot be obtained. is there. Therefore, in the lift-off process using photolithography, there is a problem that the mask shape is liable to be broken and the yield is deteriorated.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、単一モード化されたリッジ導波路からなる高効率の波長変換素子および歩留まりの高い波長変換素子の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a high-efficiency wavelength conversion element formed of a single-mode ridge waveguide and a method of manufacturing a wavelength conversion element with a high yield. Is to provide.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、非線形光学結晶からなるコアと、該コアの基板に接していない面が空気層からなるリッジ型の光導波路を有する波長変換素子において、前記コア断面のLiの濃度分布は、前記コアの中央部から外周部に向かってなだらかに増加していることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the present invention provides a ridge-type optical waveguide in which a core made of a nonlinear optical crystal and a surface of the core not contacting the substrate are made of an air layer. In the wavelength conversion element having the above, the concentration distribution of Li in the core cross section gradually increases from the central portion toward the outer peripheral portion of the core.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の前記コア断面の屈折率分布は、前記コアの中央部から外周部に向かってなだらかに減少していることを特徴とする。   A second aspect of the present invention is characterized in that the refractive index distribution of the core cross section according to the first aspect is gradually decreased from the central portion toward the outer peripheral portion of the core.

請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の前記コアの高さおよび幅は、7ミクロン以上であることを特徴とする。   A third aspect of the present invention is characterized in that the core according to the first or second aspect has a height and width of 7 microns or more.

請求項4に記載の発明は、請求項1、2または3に記載の前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有することを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, the nonlinear optical crystal according to the first, second, or third aspect has a periodic domain-inverted structure.

請求項5に記載の発明は、請求項1ないし4のいずれかに記載の前記非線形光学結晶は、LiNbO、LiTaO、LiNb(x)Ta(1−x)O(0≦x≦1)のいずれかであり、またはこれらにMg、Znからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする。 The invention according to claim 5 is the nonlinear optical crystal according to any one of claims 1 to 4, wherein the nonlinear optical crystal is LiNbO 3 , LiTaO 3 , LiNb (x) Ta (1-x) O 3 (0 ≦ x ≦ 1). Or at least one selected from the group consisting of Mg and Zn as an additive.

請求項6に記載の発明は、請求項1ないし5のいずれかに記載の前記コアの入力端面に、偏波保持型単一モード光ファイバを光学的に結合したことを特徴とする。   The invention described in claim 6 is characterized in that a polarization-maintaining single mode optical fiber is optically coupled to the input end face of the core according to any one of claims 1 to 5.

請求項7に記載の発明は、非線形光学結晶からなるコアと、該コアの基板に接していない面が空気層からなるリッジ型の光導波路を有する波長変換素子の製造方法において、非線形光学結晶からなる第1の基板と第2の基板とを、熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第1の工程と、前記第1の基板を、前記コアを形成するための所定の厚さに研磨する第2の工程と、前記第1の基板を切削して前記コアを形成し、リッジ型の光導波路を作製する第3の工程と、前記コア断面のLiの濃度分布が、前記コアの中央部から外周部に向かってなだらかに増加するように、Liイオンを前記コアに拡散する第4の工程とを備えたことを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a wavelength conversion element manufacturing method including a core made of a nonlinear optical crystal and a ridge-type optical waveguide whose surface not in contact with the substrate is an air layer. A first step of bonding the first substrate and the second substrate to each other by diffusion bonding by heat treatment, and a second step of polishing the first substrate to a predetermined thickness for forming the core And a third step of cutting the first substrate to form the core to produce a ridge-type optical waveguide, and the concentration distribution of Li in the core cross section from the central portion to the outer peripheral portion. And a fourth step of diffusing Li ions into the core so as to increase gently toward the core.

以上説明したように、本発明によれば、リッジ型の光導波路のコア断面のLiの濃度分布を制御して、単一モード化された高効率の波長変換素子を得ることができる。また、リッジ型の光導波路のモード径を、単一モード光ファイバのモード径に容易に近づけることができるので、歩留まりを高くすることが可能となる。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a single-mode high-efficiency wavelength conversion element by controlling the concentration distribution of Li in the core cross section of the ridge-type optical waveguide. Further, since the mode diameter of the ridge-type optical waveguide can be easily brought close to the mode diameter of the single mode optical fiber, the yield can be increased.

さらに、本発明によれば、リッジ型の光導波路は、波長変換モジュールの実装において光ファイバとの接続損失を低減することができる。   Further, according to the present invention, the ridge-type optical waveguide can reduce the connection loss with the optical fiber in mounting the wavelength conversion module.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明は、リッジ導波路のコア断面のLiの濃度を拡散によって変化させることにより、LiNbO(以下、LNという)、LiTaO(以下、LTという)などの非線形光学結晶の屈折率を制御し、単一モードのリッジ導波路を作製する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention controls the refractive index of nonlinear optical crystals such as LiNbO 3 (hereinafter referred to as LN) and LiTaO 3 (hereinafter referred to as LT) by changing the concentration of Li in the core cross section of the ridge waveguide by diffusion. A single mode ridge waveguide is fabricated.

従来、工業的に用いられているLN基板またはLT基板は、コングルエント組成とよばれている。この組成は、化学定量比からきまるストイキオ組成と比較して、Liの含有量が減少しているという特徴を有する。このことは、Liの蒸気圧が高いために単結晶の製造工程においてLiが欠損したサイトが結晶中に多数発生するためである。このとき、基板の屈折率の値は、コングルエント組成の方がストイキオ組成よりも大きな値を持つことが知られている。   Conventionally, industrially used LN substrates or LT substrates are called congruent compositions. This composition is characterized in that the Li content is reduced as compared to the stoichiometric composition determined from the chemical quantitative ratio. This is because many Li-deficient sites are generated in the crystal in the single crystal manufacturing process due to the high vapor pressure of Li. At this time, it is known that the refractive index value of the substrate is larger in the congruent composition than in the stoichiometric composition.

コングルエント組成からなるLN基板またはLT基板に、外部から過剰なLiイオンを供給すると、外部から基板中にLiが拡散し、欠損しているLiのサイトを充填するので、ストイキオ組成に近づけることができる。すなわち、外部からのLiの拡散によってリッジ導波路コアの外周部の屈折率を下げることができる。   When excessive Li ions are supplied from the outside to an LN substrate or LT substrate having a congruent composition, Li diffuses into the substrate from the outside and fills the missing Li sites, so that it can be close to the stoichiometric composition. . That is, the refractive index of the outer peripheral portion of the ridge waveguide core can be lowered by diffusion of Li from the outside.

図3に、本発明の一実施形態にかかる単一モードのリッジ導波路の構成を示す。基板31に形成されたコア32に外部からLiを拡散させると、上述したように、コア外周部の屈折率が減少して、新たなコア(屈折率の高い部分33)が形成される。このような構成により、狭幅化されていないリッジ導波路を用いた場合においても、簡便な方法によって単一モード化することができる。すなわち、従来、リッジ導波路を狭幅化することにより単一モード化していたのに対し、狭幅化の必要がないので、高効率の波長変換素子の作製において歩留まりを向上することができる。   FIG. 3 shows a configuration of a single mode ridge waveguide according to an embodiment of the present invention. When Li is diffused from the outside into the core 32 formed on the substrate 31, as described above, the refractive index of the core outer peripheral portion decreases, and a new core (a portion 33 having a high refractive index) is formed. With such a configuration, even when a ridge waveguide that is not narrowed is used, a single mode can be achieved by a simple method. In other words, the ridge waveguide has been made single mode by narrowing the width of the ridge waveguide, but it is not necessary to narrow the width of the ridge waveguide. Therefore, the yield can be improved in the production of a highly efficient wavelength conversion element.

また、コアと空気クラッドとからなる従来のリッジ導波路に比較すると、図3に示したリッジ導波路は、コア32の外周部、すなわちストイキオ組成に近い組成を有する部分と、コア32の中央部、すなわち従来のコングルエント組成の部分(屈折率の高い部分33)との比屈折率差が小さい。従って、単一モード条件を満足するコア径は、従来の狭幅化されたリッジ導波路の場合よりも大きく、かつ通常用いられる単一モード光ファイバに近いモード径を有する。このような構成により、光ファイバとの結合が容易であるという実装上の利点も有している。   Compared to a conventional ridge waveguide composed of a core and an air cladding, the ridge waveguide shown in FIG. 3 includes an outer peripheral portion of the core 32, that is, a portion having a composition close to the stoichiometric composition and a central portion of the core 32. That is, the relative refractive index difference from the conventional congruent composition portion (the portion 33 having a high refractive index) is small. Therefore, the core diameter satisfying the single mode condition is larger than that of the conventional narrowed ridge waveguide, and has a mode diameter close to that of a commonly used single mode optical fiber. Such a configuration also has a mounting advantage that the coupling with the optical fiber is easy.

ここで、導波路断面のLiの濃度を制御する手段として、安息香酸リチウム溶液中にリッジ導波路を浸漬し、加熱することによってLiイオンを導波路中に拡散させる方法を用いることができる。また、高温の容器中でLiOの飽和蒸気に、リッジ導波路を暴露する方法によってもよい。さらに別法として、少なくともLiOを含有し、Nb、Ta、MgO、ZnOからなる群から選ばれた少なくとも1種が混合された原料粉末を用意する。この原料粉末中にリッジ導波路を配置した坩堝を用意し、坩堝を電気炉中で高温に加熱することにより、Liイオンを導波路中に拡散させる方法を用いてもよい。 Here, as a means for controlling the Li concentration in the waveguide cross section, a method of diffusing Li ions in the waveguide by immersing the ridge waveguide in a lithium benzoate solution and heating it can be used. Alternatively, the ridge waveguide may be exposed to a saturated vapor of Li 2 O in a high temperature container. As another method, a raw material powder containing at least Li 2 O and mixed with at least one selected from the group consisting of Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , MgO, and ZnO is prepared. A method may be used in which a crucible in which a ridge waveguide is disposed in this raw material powder is prepared, and the crucible is heated to a high temperature in an electric furnace to diffuse Li ions into the waveguide.

Liの拡散処理がなされる前のリッジ導波路の幅は、7ミクロン以上の幅であることが望ましい。7ミクロン未満の狭幅の導波路に拡散処理を施しても、Liの拡散によって誘起される比屈折率差が小さいために、導波路全体がコアとして作用する。従って、7ミクロン未満のリッジ導波路を、単一モード化することは難しい。   The width of the ridge waveguide before the diffusion treatment of Li is desirably 7 microns or more. Even if a diffusion treatment is applied to a narrow waveguide having a width of less than 7 microns, the entire waveguide acts as a core because the relative refractive index difference induced by the diffusion of Li is small. Therefore, it is difficult to make a ridge waveguide of less than 7 microns into a single mode.

以下、本発明の実施例を用いて説明するが、本発明はこれら実施例になんら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although demonstrated using the Example of this invention, this invention is not limited to these Examples at all.

図4に、実施例1にかかる単一モードのリッジ導波路の作製方法を示す。第1の基板41は、予め周期的な分極反転構造が作製されているZカットZn添加LiNbO基板であり、第2の基板42は、ZカットMg添加LiNbO基板である。基板41,42は、いずれも両面が光学研磨されている3インチウエハであり、基板の厚さは300μmである。第1の基板41と第2の基板42の表面を、通常の酸洗浄あるいはアルカリ洗浄によって親水性にした後、基板41,42を清浄雰囲気中で重ね合わせる。重ね合わせた基板41,42を電気炉に入れ、400℃で3時間熱処理することにより拡散接合を行う(第1の工程)。接着された基板41,42はボイドフリーであり、室温に戻したときにクラックなどは発生しなかった。 FIG. 4 shows a method for producing a single-mode ridge waveguide according to the first embodiment. The first substrate 41 is a Z-cut Zn-added LiNbO 3 substrate in which a periodic domain-inverted structure is previously prepared, and the second substrate 42 is a Z-cut Mg-added LiNbO 3 substrate. The substrates 41 and 42 are both 3-inch wafers whose surfaces are optically polished, and the thickness of the substrate is 300 μm. After the surfaces of the first substrate 41 and the second substrate 42 are rendered hydrophilic by normal acid cleaning or alkali cleaning, the substrates 41 and 42 are superposed in a clean atmosphere. The superposed substrates 41 and 42 are put into an electric furnace and subjected to diffusion bonding by heat treatment at 400 ° C. for 3 hours (first step). The bonded substrates 41 and 42 were void-free, and no cracks or the like occurred when returned to room temperature.

次に、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板41,42の第1の基板41の厚さが15μmになるまで研磨加工を施す。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより鏡面の研磨表面を得る(第2の工程)。薄膜基板表面に通常のフォトリソグラフィのプロセスによって導波路パターンを作製した後、ドライエッチング装置に基板をセットし、CFガスをエッチングガスとして基板表面をエッチングすることによりコアを形成し、リッジ導波路を作製した(第3の工程)。このようにして、高さ15μm、幅15μmのコアを有するリッジ導波路を作製することができる。 Next, using a polishing apparatus in which the flatness of the polishing surface plate is controlled, polishing is performed until the thickness of the first substrate 41 of the bonded substrates 41 and 42 becomes 15 μm. After the polishing process, a mirror-polished polishing surface is obtained by performing a polishing process (second step). A waveguide pattern is formed on the surface of a thin film substrate by a normal photolithography process, and then the substrate is set in a dry etching apparatus, and the core is formed by etching the substrate surface using CF 4 gas as an etching gas. Was prepared (third step). In this manner, a ridge waveguide having a core having a height of 15 μm and a width of 15 μm can be produced.

次に、安息香酸リチウム粉末を充填した石英容器を用意し、170℃に加熱する。溶融した安息香酸リチウム中に、作製したリッジ導波路を1時間浸漬したあと、大気中でアニール(340℃)することにより、Liイオンをリッジ導波路のコア内部に拡散させる(第4の工程)。   Next, a quartz container filled with lithium benzoate powder is prepared and heated to 170 ° C. The prepared ridge waveguide is immersed in molten lithium benzoate for 1 hour and then annealed in the atmosphere (340 ° C.) to diffuse Li ions into the core of the ridge waveguide (fourth step). .

図5に、拡散処理を施したリッジ導波路断面の屈折率分布を示す。破線A−A’に沿って測定した屈折率である。点線Bは、拡散処理を行う前の屈折率分布を示す。拡散処理を施したことにより、コア外周部の屈折率が減少し、コア中央部におよそ5ミクロン幅のコアに相当する導波路構造が作製される。このようにして作製された単一モードのリッジ導波路を、3インチウエハから短冊状に切りだし、導波路端面を光学研磨することによって長さ60mmの波長変換素子を作製する。   FIG. 5 shows the refractive index distribution of the cross section of the ridge waveguide subjected to the diffusion treatment. It is the refractive index measured along the broken line A-A ′. A dotted line B indicates a refractive index distribution before the diffusion process. By performing the diffusion treatment, the refractive index of the outer periphery of the core decreases, and a waveguide structure corresponding to a core having a width of about 5 microns is produced in the center of the core. The single-mode ridge waveguide thus fabricated is cut into a strip shape from a 3-inch wafer, and the wavelength conversion element having a length of 60 mm is fabricated by optically polishing the end face of the waveguide.

作製した波長変換素子に波長0.77μmの制御光と波長1.55μmの信号光を入射したところ、波長1.53μmの変換光が得られ、効率は、2000%/Wであった。また、作製した10本の導波路について測定したところ、10本の導波路のすべてにおいて2000%/W以上の波長変換効率が得られた。本実施形態によれば、従来の狭幅の導波路を作製することによって単一モード化していた場合に較べて、波長変換素子を作製する上で歩留まりが大幅に改善される。   When control light having a wavelength of 0.77 μm and signal light having a wavelength of 1.55 μm were incident on the prepared wavelength conversion element, converted light having a wavelength of 1.53 μm was obtained, and the efficiency was 2000% / W. Further, when the 10 waveguides thus prepared were measured, a wavelength conversion efficiency of 2000% / W or more was obtained in all 10 waveguides. According to the present embodiment, the yield is greatly improved in the production of the wavelength conversion element as compared with the case where the single mode is achieved by producing a conventional narrow waveguide.

実施例2は、実施例1と同様に、第1の基板41として、予め周期的な分極反転構造が作製されているZカットZn添加LiNbO基板を用い、第2の基板42は、ZカットMg添加LiNbO基板を用いる。基板41,42は、いずれも両面が光学研磨されている3インチウエハであり、基板の厚さは500μmである。基板41,42の基板表面を実施例1と同様の方法によって親水化処理を施し、清浄雰囲気中で重ね合わせる。重ね合わせた基板41,42を電気炉に入れ、400℃で3時間熱処理することにより拡散接合を行う(第1の工程)。接着された基板41,42はボイドフリーであり、室温に戻したときにクラックなどは発生しなかった。 In the second embodiment, similarly to the first embodiment, a Z-cut Zn-doped LiNbO 3 substrate in which a periodic domain-inverted structure is prepared in advance is used as the first substrate 41, and the second substrate 42 is a Z-cut. An Mg-added LiNbO 3 substrate is used. Each of the substrates 41 and 42 is a 3-inch wafer whose both surfaces are optically polished, and the thickness of the substrate is 500 μm. The substrate surfaces of the substrates 41 and 42 are subjected to a hydrophilic treatment by the same method as in Example 1 and are superposed in a clean atmosphere. The superposed substrates 41 and 42 are put into an electric furnace and subjected to diffusion bonding by heat treatment at 400 ° C. for 3 hours (first step). The bonded substrates 41 and 42 were void-free, and no cracks or the like occurred when returned to room temperature.

次に、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板41,42の第1の基板41の厚さが10μmになるまで研磨加工を施す。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより鏡面の研磨表面を得る(第2の工程)。研磨された薄膜基板をダイシングソーにセットし、粒子径が4ミクロン以下のダイアモンドブレードを用いた精密加工により、幅10ミクロンのコアを有するリッジ導波路を作製する(第3の工程)。   Next, using a polishing apparatus in which the flatness of the polishing surface plate is controlled, polishing is performed until the thickness of the first substrate 41 of the bonded substrates 41 and 42 becomes 10 μm. After the polishing process, a mirror-polished polishing surface is obtained by performing a polishing process (second step). The polished thin film substrate is set on a dicing saw, and a ridge waveguide having a core having a width of 10 microns is fabricated by precision processing using a diamond blade having a particle diameter of 4 microns or less (third step).

次に、LiO、Nbの粉末が充填された白金坩堝を用意し、白金坩堝中に切り出されたリッジ導波路を配置する。これを電気炉中で1100℃、1時間加熱処理することにより、導波路中にLiイオンを拡散させる(第4の工程)。拡散処理を施したコア断面の屈折率分布を測定すると、実施例1の図5と同様の屈折率分布が得られる。このようにして、コア中央部におよそ5ミクロン幅のコアに相当する導波構造が作製される。作製された単一モードのリッジ導波路の導波路端面を光学研磨することによって長さ60mmの波長変換素子を作製する。 Next, a platinum crucible filled with Li 2 O and Nb 2 O 5 powder is prepared, and a ridge waveguide cut out in the platinum crucible is disposed. This is heat-treated in an electric furnace at 1100 ° C. for 1 hour to diffuse Li ions in the waveguide (fourth step). When the refractive index distribution of the cross section of the core subjected to the diffusion treatment is measured, a refractive index distribution similar to that of FIG. In this way, a waveguide structure corresponding to a core having a width of about 5 microns is produced at the center of the core. A wavelength conversion element having a length of 60 mm is produced by optically polishing the waveguide end face of the produced single-mode ridge waveguide.

作製した波長変換素子に20mW、波長1.06μmの制御光と、20mW、波長1.32μmの信号光を入射したところ、波長0.59μmに和周波発生による黄色の波長変換光10mWが得られ、効率は、2500%/W高効率であった。本実施形態によれば、従来の狭幅の導波路を作製することによって単一モード化していた場合に較べて、波長変換素子を作製する上で歩留まりが大幅に改善される。   When the control light having a wavelength of 20 mW and a wavelength of 1.06 μm and the signal light having a wavelength of 1.32 μm are incident on the prepared wavelength conversion element, a yellow wavelength conversion light of 10 mW is generated at a wavelength of 0.59 μm by generating a sum frequency. The efficiency was 2500% / W high efficiency. According to the present embodiment, the yield is greatly improved in the production of the wavelength conversion element as compared with the case where the single mode is achieved by producing a conventional narrow waveguide.

図6に、実施例2にかかる波長変換素子を用いた波長変換モジュールの構成を示す。上述のようにして作製した波長変換素子61をキャリア62上に固定する。波長変換素子61の入力側には、偏波保持型単一モード光ファイバ64を接続する。波長変換素子61の出力側は、レンズモジュール63と光学的に結合し、フィルタ65を介して出射される。キャリア62をパッケージ66に封入して波長変換モジュールを作製する。従来の狭幅のリッジ導波路にファイバを接続した場合に較べて、接続損失が減少し、0.3dBの接続損失を達成することができた。   FIG. 6 shows a configuration of a wavelength conversion module using the wavelength conversion element according to the second embodiment. The wavelength conversion element 61 manufactured as described above is fixed on the carrier 62. A polarization maintaining single mode optical fiber 64 is connected to the input side of the wavelength conversion element 61. The output side of the wavelength conversion element 61 is optically coupled to the lens module 63 and emitted through the filter 65. A carrier 62 is enclosed in a package 66 to produce a wavelength conversion module. Compared with the case where a fiber is connected to a conventional narrow ridge waveguide, the connection loss is reduced and a connection loss of 0.3 dB can be achieved.

従来の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the conventional quasi phase matching type wavelength conversion element. 従来の単一モード化されたリッジ型の光導波路の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the conventional ridge type | mold optical waveguide made into single mode. 本発明の一実施形態にかかる単一モードのリッジ導波路の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the single mode ridge waveguide concerning one Embodiment of this invention. 実施例1にかかる単一モードのリッジ導波路の作製方法を示す図である。6 is a diagram illustrating a method for producing a single-mode ridge waveguide according to Example 1. FIG. 実施例1において拡散処理を施したリッジ導波路断面の屈折率分布を示す図である。It is a figure which shows the refractive index distribution of the ridge waveguide cross section which performed the diffusion process in Example 1. FIG. 実施例2にかかる波長変換素子を用いた波長変換モジュールを示す構成図である。It is a block diagram which shows the wavelength conversion module using the wavelength conversion element concerning Example 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

11 合波器
12 非線形導波路
13 分波器
21,31 基板
22,32 コア
33 屈折率の高い部分
41 第1の基板
42 第2の基板
61 波長変換素子
62 キャリア
63 レンズモジュール
64 偏波保持型単一モード光ファイバ
65 フィルタ
66 パッケージ
11 multiplexer 12 nonlinear waveguide 13 duplexer 21, 31 substrate 22, 32 core 33 high refractive index portion 41 first substrate 42 second substrate 61 wavelength conversion element 62 carrier 63 lens module 64 polarization maintaining type Single mode optical fiber 65 Filter 66 Package

Claims (7)

非線形光学結晶からなるコアと、該コアの基板に接していない面が空気層からなるリッジ型の光導波路を有する波長変換素子において、
前記コア断面のLiの濃度分布は、前記コアの中央部から外周部に向かってなだらかに増加していることを特徴とする波長変換素子。
In a wavelength conversion element having a core made of a nonlinear optical crystal and a ridge type optical waveguide whose surface not in contact with the substrate is made of an air layer,
2. The wavelength conversion element according to claim 1, wherein a concentration distribution of Li in the core cross section gradually increases from a central portion toward an outer peripheral portion of the core.
前記コア断面の屈折率分布は、前記コアの中央部から外周部に向かってなだらかに減少し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。   2. The wavelength conversion element according to claim 1, wherein the refractive index distribution of the core cross section gradually decreases from a central portion toward an outer peripheral portion of the core. 前記コアの高さおよび幅は、7ミクロン以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の波長変換素子。   The wavelength conversion element according to claim 1 or 2, wherein the core has a height and a width of 7 microns or more. 前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有することを特徴とする請求項1、2または3に記載の波長変換素子。   The wavelength conversion element according to claim 1, wherein the nonlinear optical crystal has a periodic polarization inversion structure. 前記非線形光学結晶は、LiNbO、LiTaO、LiNb(x)Ta(1−x)O(0≦x≦1)のいずれかであり、またはこれらにMg、Znからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の波長変換素子。 The nonlinear optical crystal is any one of LiNbO 3 , LiTaO 3 , LiNb (x) Ta (1-x) O 3 (0 ≦ x ≦ 1), or selected from the group consisting of Mg and Zn. 5. The wavelength conversion element according to claim 1, wherein at least one kind is contained as an additive. 前記コアの入力端面に、偏波保持型単一モード光ファイバを光学的に結合したことを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の波長変換素子。   6. The wavelength conversion element according to claim 1, wherein a polarization-maintaining single mode optical fiber is optically coupled to the input end face of the core. 非線形光学結晶からなるコアと、該コアの基板に接していない面が空気層からなるリッジ型の光導波路を有する波長変換素子の製造方法において、
非線形光学結晶からなる第1の基板と第2の基板とを、熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第1の工程と、
前記第1の基板を、前記コアを形成するための所定の厚さに研磨する第2の工程と、
前記第1の基板を切削して前記コアを形成し、リッジ型の光導波路を作製する第3の工程と、
前記コア断面のLiの濃度分布が、前記コアの中央部から外周部に向かってなだらかに増加するように、Liイオンを前記コアに拡散する第4の工程と
を備えたことを特徴とする波長変換素子の製造方法。
In a method of manufacturing a wavelength conversion element having a core made of a nonlinear optical crystal and a ridge-type optical waveguide whose surface not in contact with the substrate is made of an air layer,
A first step of bonding a first substrate made of a nonlinear optical crystal and a second substrate by diffusion bonding by heat treatment;
A second step of polishing the first substrate to a predetermined thickness for forming the core;
A third step of cutting the first substrate to form the core and producing a ridge-type optical waveguide;
A fourth step of diffusing Li ions into the core so that the concentration distribution of Li in the core cross section gradually increases from the central portion toward the outer peripheral portion of the core. A method for manufacturing a conversion element.
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