JP2011186180A - 波長変換用光導波路素子 - Google Patents

Abstract

【課題】位相整合条件を緩和しうる範囲が広く且つ製造しやすい波長変換用光導波路素子を提供する。
【解決手段】光伝播方向に沿って分極が周期的に反転するコア部（１）と、コア部（１）に沿って設けられコア部（１）よりも屈折率が低いクラッド部（２ａ，２ｂ）とを有する波長変換用光導波路素子において、コア部（１）の幅を光伝播方向に沿って変化させる。
【効果】導波路の導波パラメータに影響を効率的に与えうるコア部（１）の幅の範囲が広いため、位相整合条件を緩和しうる範囲を広くしうる。コア部（１）の幅を変化させるのは一般的な加工技術で足り、製造しやすくなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、波長変換用光導波路素子に関し、さらに詳しくは、位相整合条件を緩和しうる範囲が広く且つ製造しやすい波長変換用光導波路素子に関する。

従来、非線形光学材料からなる素子基板に、分極が導波方向に沿って周期的に反転する分極反転構造を採る導波路を有する波長変換素子であって、導波方向において膜厚が変化する付加層を導波路に形成して導波路の導波パラメータを導波方向に変化させた波長変換素子が知られている（特許文献１参照。）。

特開平５−３３３３９１号公報

上記従来の波長変換素子では、導波方向において膜厚が変化する付加層を形成することで、位相整合条件を緩和している。
しかし、導波路の導波パラメータに影響を効率的に与えうる付加層の膜厚の範囲が狭いため、位相整合条件を緩和しうる範囲が制限されると共に、高度の加工技術が必要であり製造しにくい問題点がある。
そこで、本発明の目的は、位相整合条件を緩和しうる範囲が広く且つ製造しやすい波長変換用光導波路素子を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、光伝播方向に沿って分極が周期的に反転するコア部（１）と、前記コア部（１）に沿って設けられ前記コア部（１）よりも屈折率が低いクラッド部（２ａ，２ｂ）とを有し、前記コア部（１）の幅が光伝播方向に沿って変化していることを特徴とする波長変換用光導波路素子（１０）を提供する。
上記第１の観点による波長変換用光導波路素子（１０）では、コア部（１）の幅が光伝播方向に沿って変化しているため、導波路の導波パラメータが光伝播方向に沿って変化し、位相整合条件を緩和することが出来る。そして、導波路の導波パラメータに影響を効率的に与えうるコア部（１）の幅の範囲が広いため、位相整合条件を緩和しうる範囲を広くしうると共に、幅を変化させるのは一般的な加工技術で足り製造しやすくなる。

第２の観点では、本発明は、光伝播方向に沿って分極が周期的に反転するコア部（２１）と、前記コア部（２１）に沿って設けられ前記コア部（２１）よりも屈折率が低いクラッド部（２ａ，２２ａ〜２２ｇ）とを有し、前記クラッド部（２２ａ〜２２ｇ）の屈折率が光伝播方向に沿って変化していることを特徴とする波長変換用光導波路素子（２０）を提供する。
上記第２の観点による波長変換用光導波路素子（２０）では、クラッド部（２２ａ〜２２ｇ）の屈折率が光伝播方向に沿って変化しているため、導波路の導波パラメータが光伝播方向に沿って変化し、位相整合条件を緩和することが出来る。そして、導波路の導波パラメータに影響を効率的に与えうるクラッド部（２２ａ〜２２ｇ）の屈折率の範囲が広いため、位相整合条件を緩和しうる範囲を広くしうると共に、クラッド部（２２ａ〜２２ｇ）の屈折率を変化させるのは組成を変化させることで可能であり製造しやすくなる。

本発明の波長変換用光導波路素子によれば、位相整合条件を緩和しうる範囲を広くすることが出来る。また、製造しやすくなる。

実施例１に係る波長変換用光導波路素子を示す斜視図である。 実施例１に係る波長変換用光導波路素子を示す分解斜視図である。 実施例１に係るコア部を示す平面図である。 コア部の幅と位相整合波長の関係を示すグラフである。 実施例１に係る波長変換用光導波路素子の製造工程の第１段階を示す斜視図である。 実施例１に係る波長変換用光導波路素子の製造工程の第２段階を示す斜視図である。 実施例１に係る波長変換用光導波路素子の製造工程の第３段階を示す斜視図である。 実施例１に係る波長変換用光導波路素子の製造工程の第４段階を示す斜視図である。 実施例１に係る波長変換用光導波路素子の製造工程の第５段階を示す斜視図である。 実施例１に係る波長変換用光導波路素子の製造工程の第６段階を示す斜視図である。 実施例２に係るコア部を示す平面図である。 実施例３に係るコア部を示す平面図である。 実施例４に係るコア部を示す平面図である。 実施例５に係る波長変換用光導波路素子を示す斜視図である。 実施例５に係る波長変換用光導波路素子を示す分解斜視図である。 実施例５に係る波長変換用光導波路素子の製造工程の第３段階を示す斜視図である。 実施例５に係る波長変換用光導波路素子の製造工程の第４段階を示す斜視図である。 実施例５に係る波長変換用光導波路素子の製造工程の第５段階を示す斜視図である。 実施例５に係る波長変換用光導波路素子の製造工程の第６段階を示す斜視図である。

以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

−実施例１−
図１は、実施例１に係る波長変換用光導波路素子１０の斜視図である。
この波長変換用光導波路素子１０は、光伝播方向に沿って分極が周期的に反転するコア部１と、コア部１に沿って設けられコア部１よりも屈折率が低いクラッド部２ａ，２ｂとと、基台材３ａ，３ｂとを具備している。
コア部１の屈折率は例えば“２．２”である。
クラッド部２ａ，２ｂの屈折率は例えば“１．５”である。

励起レーザ光Ｌｉがコア部１の光入射面に入射されると、波長変換レーザ光Ｌｏがコア部１の光出射面から出射される。

図２は、波長変換用光導波路素子１０の分解斜視図である。
コア部１の幅（リッジ形状部分の幅）は、光伝播方向に沿って変化している。

図３は、コア部１の平面図である。
コア部１の光入射面における幅Ｗｉおよび光出射面における幅Ｗｏは例えば３．０μｍであり、コア部１の光伝播方向中央部における幅Ｗｃは例えば２．０μｍである。
また、コア部１の光伝播方向の長さＬは例えば１０ｍｍである。
また、コア部１の厚さＴは例えば２．９μｍである。
なお、基板部１ａの厚さτは例えば１．９μｍである。

図４は、コア部幅が一定の波長変換用光導波路素子（＝従来の波長変換用光導波路素子）の位相整合波長を示すグラフである。
例えばコア部の分極反転周期が７．０μｍであるとき、コア部幅が３．０μｍで一定の場合の位相整合波長は約１０３７ｎｍであり、コア部幅が２．０μｍで一定の場合の位相整合波長は約１０４１ｎｍである。
従って、例えば３．０μｍから２．０μｍまで変化するコア部１を持つ波長変換用光導波路素子１０では、位相整合波長は約１０３７ｎｍ〜約１０４１ｎｍとなり、約４ｎｍ変化する。すなわち、位相整合条件を大きく緩和することが出来る。

図５〜図１０を参照して、波長変換用光導波路素子１０の製造工程を説明する。
（１）タンタル酸リチウムｚ板ウエハのｚ＋面に周期６μｍ〜７μｍの櫛形電極を形成し、ｚ−面に一様な電極を形成する。櫛形電極の細線はｙ軸に平行とし、ｘ軸に垂直とする。適切な条件で分極反転を行い、デューティー比５０％の分極反転構造を形成する。この後、櫛形電極を酸で除去し、図５の分極反転基板１１を得る。
（２）図５に示すように、分極反転基板１１のｚ＋面を、厚さ０．２ｍｍの基台材基板（タンタル酸リチウムｚ板ウエハ）１３ａのｚ−面に、光学用接着剤１２ａで貼り付ける。光学用接着剤１２ａは、クラッド部２ａとなる。
（３）図６に示すように、分極反転基板１１のｚ−面に研磨あるいはイオンミリングを施し、厚みが４μｍ〜５μｍの分極反転基板１１’とする。
（４）図７に示すように、分極反転基板１１’のｚ−面に、ｘ方向に沿って幅が変化するフォトレジスト１４を形成する。
（５）図８に示すように、分極反転基板１１’の厚みの０．６〜０．７倍の深さまで分極反転基板１１’のｚ−面をイオンミリング等で掘り込んでリッジ形状を形成し、フォトレジスト１４を除去し、リッジ形状を形成した分極反転基板１１”とする。
（６）図９に示すように、分極反転基板１１”のｚ−面に、厚さ０．２ｍｍの基台材基板（タンタル酸リチウムｚ板ウエハ）１３ｂのｚ＋面を、光学用接着剤１２ｂで貼り付ける。光学用接着剤１２ｂは、クラッド部２ｂとなる。
（７）この後、ｘ方向の両端面を１０度の角度を付けてダイシングし研磨し、図１０の二点鎖線で示す部分で切断し、同時に複数個の波長変換用光導波路素子１０を得る。

実施例１に係る波長変換用光導波路素子１０では、位相整合条件を緩和することが出来る。そして、導波路の導波パラメータに影響を効率的に与えうるコア部１の幅の範囲が広いため、位相整合条件を緩和しうる範囲を広くしうる。さらに、幅を変化させるのは一般的な加工技術で足り、製造しやすくなる。

−実施例２−
図１１に示すように、コア部１の光入射面における幅および光出射面における幅よりも光伝播方向中央部における幅を広げてもよい。

−実施例３−
図１２に示すように、コア部１の光入射面における幅から光出射面における幅まで単調に幅を狭めてもよい。

−実施例４−
図１３に示すように、コア部１の光入射面における幅から光出射面における幅まで単調に幅を広げてもよい。

−実施例５−
図１４は、実施例５に係る波長変換用光導波路素子２０の斜視図である。
この波長変換用光導波路素子２０は、光伝播方向に沿って分極が周期的に反転するコア部２１と、コア部２１に沿って設けられコア部２１よりも屈折率が低いクラッド部２ａ，２２とと、基台材３ａ，３ｂとを具備している。
コア部２１の屈折率は例えば“２．２”である。
クラッド部２ａの屈折率は例えば“１．５”である。
クラッド部２２の屈折率は光伝播方向に沿って７段階に変化しており、光入射面側から順に２２ａの部分では例えば“１．５”，２２ｂの部分では例えば“１．６”，２２ｃの部分では例えば“１．７”，２２ｄの部分では例えば“１．８”，２２ｅの部分では例えば“１．９”，２２ｆの部分では例えば“２．０”，２２ｇの部分では例えば“２．１”である。

励起レーザ光Ｌｉがコア部２１の光入射面に入射されると、波長変換レーザ光Ｌｏがコア部２１の光出射面から出射される。

図１５は、波長変換用光導波路素子２０の分解斜視図である。
コア部２１の幅（リッジ形状部分の幅）は、光伝播方向に沿って一定であり、例えば３．０μｍである。
また、コア部２１の光伝播方向の長さは例えば１０ｍｍである。
また、コア部２１のリッジ形状部の高さは例えば２．９μｍである。
なお、基板部２１ａの厚さは例えば１．９μｍである。

図５，図６，図１６〜図１９を参照して、波長変換用光導波路素子２０の製造工程を説明する。
（１）タンタル酸リチウムｚ板ウエハのｚ＋面に周期６μｍ〜７μｍの櫛形電極を形成し、ｚ−面に一様な電極を形成する。櫛形電極の細線はｙ軸に平行とし、ｘ軸に垂直とする。適切な条件で分極反転を行い、デューティー比５０％の分極反転構造を形成する。この後、櫛形電極を酸で除去し、図５に示す分極反転基板１１を得る。
（２）分極反転基板のｚ＋面を、厚さ０．２ｍｍの基台材基板（タンタル酸リチウムｚ板ウエハ）１３ａのｚ−面に、光学用接着剤１２ａで貼り付ける。光学用接着剤１２ａは、クラッド部２ａとなる。
（３）図６に示すように、分極反転基板１１のｚ−面に研磨あるいはイオンミリングを施し、厚みが４μｍ〜５μｍの分極反転基板１１’とする。
（４）図１６に示すように、分極反転基板１１’のｚ−面に、ｘ方向に沿って幅が一定のフォトレジスト２４を形成する。
（５）図１７に示すように、分極反転基板１１’の厚みの０．６〜０．７倍の深さまで分極反転基板１１’のｚ−面をイオンミリング等で掘り込んでリッジ形状を形成し、フォトレジスト２４を除去し、リッジ形状を形成した分極反転基板１１”とする。
（６）図１８に示すように、分極反転基板１１”のｚ−面に、厚さ０．２ｍｍの基台材基板（タンタル酸リチウムｚ板ウエハ）１３ｂのｚ＋面を、屈折率が異なる光学用接着剤３２ａ〜３２ｇで貼り付ける。光学用接着剤３２ａ〜３２ｇは、クラッド部２２ａ〜２２ｇとなる。
（７）この後、ｘ方向の両端面を１０度の角度を付けてダイシングし研磨し、図１９の二点鎖線で示す部分で切断し、同時に複数個の波長変換用光導波路素子２０を得る。

実施例５に係る波長変換用光導波路素子２０では、位相整合条件を緩和することが出来る。そして、導波路の導波パラメータに影響を効率的に与えうるクラッド部２２ａ〜２２ｇの屈折率の範囲が広いため、位相整合条件を緩和しうる範囲を広くしうると共に、クラッド部２２ａ〜２２ｇの屈折率を変化させるのは組成を変化させることで可能であり製造しやすくなる。

−他の実施例−
（ａ）クラッド部２ａ，２ｂ，２２ａ〜２２ｇとしてＳｉ３Ｎｉ４以外の誘電体を用いてもよい。
（ｂ）クラッド部２２ａ〜２２ｇの屈折率を変える段階が７段階以外でもよい。また、屈折率を不均等な段階で変えてもよい。
（ｃ）分極反転基板１１’をエッチングして分極反転基板１１”を作成したが、薄い膜を成膜しエッチングすることを繰り返して分極反転基板１１”を形成してもよい。

本発明の波長変換用光導波路素子は、波長変換レーザ装置などに利用できる。

１ コア部
１ａ 基板部
２ａ，２ｂ クラッド部
３ａ，３ｂ 基台材
１０ 波長変換用光導波路素子
２１ コア部
２１ａ 基板部
２２ａ〜２２ｇ クラッド部
２０ 波長変換用光導波路素子

Claims (2)

1. 光伝播方向に沿って分極が周期的に反転するコア部（１）と、前記コア部（１）に沿って設けられ前記コア部（１）よりも屈折率が低いクラッド部（２ａ，２ｂ）とを有し、前記コア部（１）の幅が光伝播方向に沿って変化していることを特徴とする波長変換用光導波路素子（１０）。
2. 光伝播方向に沿って分極が周期的に反転するコア部（２１）と、前記コア部（２１）に沿って設けられ前記コア部（２１）よりも屈折率が低いクラッド部（２ａ，２２ａ〜２２ｇ）とを有し、前記クラッド部（２２ａ〜２２ｇ）の屈折率が光伝播方向に沿って変化していることを特徴とする波長変換用光導波路素子（２０）。

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