JP2013250403A - 光合分波器および波長変換デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】十分な波長選択性を有した反射型の光合分波器を提供する。
【解決手段】光合分波器は、第１の入出力導波路１０２と第２の入出力導波路１０３とが接続された入出力端面と、該入出力端面と対向する面に短波長の光を反射し長波長の光の反射を防止する光学膜１０５がコーティングされた反射端面とを有するマルチモード干渉導波路１０４を備え、前記マルチモード干渉導波路の光軸方向の長さは、前記短波長の光と前記長波長の光のビート長の最小公倍数となる長さの半分の長さである。
【選択図】図８

Description

本発明は、導波路型反射素子および波長変換デバイスに関し、より詳細には、マルチモード干渉（ＭＭＩ：Multi-Mode Interference）を利用した光合分波器と、光合分波器を用いた波長変換デバイスに関する。

従来、光通信における光信号波長変換、光変調、光計測、光加工、医療、生物工学などの応用のため、紫外域−可視域−赤外域−テラヘルツ域にわたるコヒーレント光の発生と変調を行うことができる、多くの非線形光学デバイスおよび電気光学デバイスの開発が進められている。このような素子に用いられる非線形光学媒質および電気光学媒質として、種々の材料が研究開発されている。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３、以下、ＬＮという）などの酸化物系化合物基板は、２次非線形光学定数、電気光学定数が非常に高く有望な材料として知られている。ＬＮの高い非線形性を用いた光デバイスの一例として、擬似位相整合による差周波発生を利用した波長変換素子が知られている。

近年、光通信システムの通信容量の増大を図るために、波長の異なる複数の光を多重化して伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）通信システムが積極的に導入されている。このようなＷＤＭ通信システムにおいては、限られた波長数を有効に利用するために、信号波長を任意の信号波長に変換する波長変換デバイスの実用化が求められている。

従来、光の波長を変換する波長変換素子としては、半導体光増幅器を用いるもの、四光波混合を利用するもの等が知られている。しかしながら、これらの波長変換素子においては、光通信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はできていなかった。

図１に、従来のＬＮを用いた擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す。比較的小さな光強度を持つ信号光Ａと、比較的大きな光強度を持つ励起光Ｂは、合波器１により合波され、分極反転構造を有する非線形光学媒質の光導波路２に入射される。光導波路２中で信号光Ａは、非線形光学効果による差周波波発生により別の波長を持つ変換光Ｃへと変換される。変換光Ｃは、励起光Ｂと共に光導波路２から出射される。出射された変換光Ｃと励起光Ｂは、分波器３により分離される。信号光Ａ、励起光Ｂの波長をそれぞれλ_１、λ_３とすると変換光Ｃの波長λ_２は、
１／λ_２＝１／λ_３−１／λ_１
を満足する。変換光Ｃの波長λ_２は、励起光波長λ_３の２倍の波長を中心軸にして、信号光の波長λ_１を中心軸の反対側に折り返した波長となる。例えば、励起光Ｂの波長λ_１＝０．７８μｍとした場合、波長λ_１＝１．５４μｍの信号光Ａを、波長λ_２＝１．５８μｍの差周波光である変換光Ｃへと変換することができる。

信号光Ａ及び変換光Ｃに対する変換帯域は、励起光の波長に対して±３０ｎｍ以上と広く、例えば、波長分割多重（ＷＤＭ）光通信に用いられる波長帯域Ｃ帯に束ねられたＷＤＭ信号をＬ帯へ、またはＬ帯からＣ帯へといった波長群の一括変換が可能である。

従来、このような擬似位相整合を利用した波長変換素子は、ＬＮ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実現されていた。これに対して、光導波路中への光閉じ込めを改善し、バルクもしくはバルクに近い非線形効果を利用した高効率な波長変換を実現するために、リッジ型の光導波路構造を有する波長変換素子が提案されている。

リッジ型光導波路を作製する方法を説明する。まず、Ｍｇ添加ＬＮ基板に周期分極反転構造を作製した後、別に用意したＬＮ基板に接着剤を用いて接着する。Ｍｇ添加ＬＮ基板の基板厚さを平面研削加工によって薄くした後、ダイシングソーを用いた精密研削加工によってリッジ型導波路を作製する（例えば、非特許文献１参照）。

このような擬似位相整合を利用したＬＮからなる波長変換素子において、励起光は、差周波発生による１．５μｍ帯の波長変換を行なうために必要な励起波長の２倍の波長を持つ光が用いられることが多かった。これは、第二高調波発生（ＳＨＧ）と差周波発生（ＤＦＧ）のカスケード励起（以下、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法という）と呼ばれる手法を用いるためである。図１で説明した波長変換素子の例では、波長λ_３＝０．７８μｍの代わりに、波長λ_３’＝１．５６μｍの励起光が用いられる。波長λ_３’＝１．５６μｍの励起光Ｂは、非線形光学媒質内部で第二高調波（波長＝０．７８μｍ）に変換され、非線形光学媒質内部で発生した第二高調波と信号光Ａとの差周波発生により、さらに変換光Ｃが得られる。

励起光に０．７８μｍ帯を用いる方法では、０．７８μｍ帯域において安定で波長精度が高く、高出力な光源が広く普及しておらず、簡単に準備することが困難であった。また、信号光と励起光の波長が半分も異なることから、光導波路の最適サイズが異なる。これにより導波路へ光を入射する際に、所望のモード以外の励振の抑制が必要となるなどの困難があった。一方、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法では、励起光の光源として、広く普及している安定で信頼性の高い１．５μｍ帯の光源を用いることができる。さらに、光ファイバアンプなどを用いることにより、簡単に高出力光を得ることができることから、従来、広く用いられてきた（例えば、非特許文献２参照）。

しかしながら、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法による波長変換においては、変換光の品質が劣化しやすいという問題があった。ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法では、励起光に１．５μｍ帯の光源を用いるため、波長が近接する３の光の分離、すなわち励起光と、信号光および変換光との分離が困難となる。従って、励起光波長と、信号光および変換光との間に一定の帯域、いわゆるガードバンドを設ける必要があった。この帯域を確保することにより、利用できる波長変換帯域が狭まり、一括変換できる波長数が少なくなってしまうという問題があった。

また、ガードバンドを設けると、信号光に近接する波長への変換が不可能になるという問題もあった。さらに、高い励起光を得るために光ファイバアンプを使用すると、ＡＳＥノイズの増加により信号光および変換光の品質が劣化するという問題があった。また、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法では、励起光および信号光の間の和周波発生によるクロストーク光が増加し、信号の品質が劣化するという問題もあった。

図２に、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法による波長変換光を示す。図２（ａ）は、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法を用いて波長変換を行った際の変換前後の光信号スペクトルの例を示している。破線は信号光スペクトル、実線は変換光スペクトルを示している。信号光は波長λ_１＝１．５５μｍ帯の光、励起光は、光ファイバアンプにより６００ｍＷに増幅された波長λ_３’＝１５８４ｎｍのＣＷ光を用いている。ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法においては、励起光の波長＝１５８４ｎｍを中心軸とし、差周波光として波長λ_２＝１．６１μｍ帯の変換光が出力されている。図２（ａ）からわかるように、波長変換を行うことにより、光ファイバアンプによって付加されたＡＳＥノイズによりＳＮ比が劣化してしまう。

図２（ｂ）は、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法を用いて波長変換を行った際の変換前後の光信号スペクトルの別の例を示している。波長λ_３’＝１５６８ｎｍの励起光の波長を中心軸として、左側に信号光４波と右側に変換光４波が出力されている。このとき、励起光、信号光および変換光の間で和周波光が発生する。この和周波光と、励起光、信号光および変換光との間で、さらなる波長変換が行われ、励起光の波長付近に不要なクロストーク光が発生しているのがわかる。クロストーク光の波長が信号光および変換光の波長と等しい場合には、それぞれの光のＳＮ比が劣化してしまう。

以上説明したように、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法を用いた波長変換においては、ＳＮ比の劣化が避けられないため、０．７８μｍ帯の励起光による波長変換が望まれる。しかしながら、この波長の組み合わせによる変換は、信号光および励起光の入力が低損失、かつ所望のモード以外のモードを励振することなく行う必要があるが、簡易に行なうことのできる手法がなかった。

一方、０．７８μｍ帯の光源の入手が困難なこと、所望のモード以外のモードを抑制する必要性の観点から、非線形効果による第二高調波光（ＳＨＧ）過程と差周波発生（ＤＦＧ）過程を、別々に行う手法（独立多段励起）が望まれていた。ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法は、内部で第二高調波光を発生させながら、同時に差周波発生を行うため、同じ第二高調波光の光パワーにおいて、独立多段励起法と比較すると、カスケード励起法が四分の一だけ効率が悪くなるという問題があった。言い換えると、独立多段励起法を用いれば、カスケード励起法に比べて、４倍の効率を得ることが出来る。

また、信号光の波長を任意の波長に変換するために、擬似位相整合を利用したＬＮを用いた波長変換手法として、和周波発生（ＳＦＧ）と差周波発生（ＤＦＧ）のカスケード励起（以下、ＳＦＧ−ＤＦＧカスケード励起法）と呼ばれる手法が提案されている。

図３に、従来のＬＮを用いた擬似位相整合型の波長変換素子によるＳＦＧ−ＤＦＧカスケード励起法の構成を示す。波長λ_１の信号号光Ａと、２つの異なる波長を持った２つの励起光１Ｂ（波長λ_２）および励起光２Ｂ（波長λ_４）を、合波器１１により合波し、集光レンズ１２を介して、分極反転構造を有する非線形光学媒質１３の光導波路１３ａに入射する。光導波路１３ａの中で、信号光Ａは、非線形光学効果による和周波波発生により別の波長を持つ変換光Ｃ（波長λ_３）へと変換される。信号号光Ａ（波長λ_１）と励起光１Ｂ（波長λ_２）と変換光Ｃの間には、
１／λ_３＝１／λ_２＋１／λ_１
の関係がある。非線形光学媒質内部で発生した和周波光（変換光Ｃ）と励起光２Ｂ（波長λ_４）との差周波発生により、さらに変換光Ｄを得ることができる。変換光Ｄ（波長λ_５）と変換光Ｃ（波長λ_３）と励起光２Ｂ（波長λ_４）の間には、
１／λ_４＝１／λ_３−１／λ_４
の関係がある。変換光Ｄは、変換光Ｃ、励起光１Ｂ、励起光２Ｂ、信号光Ａと共に、集光レンズ１４を介して光導波路１３ａから出射される。

しかしながら、ＳＦＧ−ＤＦＧカスケード励起法による波長変換においては、変換光の品質が劣化しやすいという問題があった。また、励起光を得るために光ファイバアンプを使用すると、ＡＳＥ光同士の和周波発生によって信号光の品質が劣化するという問題があった。さらに、励起光２Ｂのとることのできる波長に制限があるため、波長変換帯域が制限されるという問題もあった。例えば、励起光２Ｂを、信号光の波長、または和周波波発生により得られる変換光の２倍の波長に設定すると、励起光２Ｂの第二高調波発生、または励起光２Ｂと励起光１Ｂとの和周波発生により、変換光ＣにＣＷ光が重畳される。このため、変換光Ｃに含まれる信号成分の受信感度が著しく低下する。励起光２Ｂのとることのできる波長が制限されるのはこのためである。従って、非線形効果による和周波発生（ＳＦＧ）過程と差周波発生（ＤＦＧ）過程とを、別々に行う手法が望まれていた。

一方、通信波長帯における波長変換器のほか、擬似位相整合型の波長変換素子を用いて、半導体レーザで実現されていない可視域または中赤外域でのレーザ光源の実用化が行なわれている。

現在、実用化されているレーザには、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、Ａｒレーザなどのガスレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザなどの固体レーザ、色素レーザおよび半導体レーザが知られている。近年、可視域および近赤外領域の波長帯を中心に、小型、軽量、安価な半導体レーザが普及している。特に、光通信の分野では、信号光源用の１．３μｍ帯および１．５μｍ帯半導体レーザと、ファイバアンプ励起用の０．９８μｍ帯および１．４８μｍ帯半導体レーザとが普及している。また、光記録媒体の読取装置のピックアップ用の光源として、ＣＤ（０．７８μｍ帯）、ＤＶＤ（０．６５μｍ帯）、ブルーレイ（０．４μｍ帯）の半導体レーザも普及している。

しかしながら、半導体で実現することは難しい波長帯が存在することから、高効率な非線形光学媒質と、広く普及している波長帯の半導体レーザとを組み合わせたレーザ光源装置の開発が行われている。例えば、緑色、黄緑色、橙色といった波長０．５〜０．６μｍのレーザを、半導体で実現することは難しく、高効率な非線形光学媒質による第二高調波発生、または和周波発生を用いたレーザ光源が実用化されている。さらに、２次の非線形光学媒質を用いて、第三高調波発生を、第二高調波発生（ＳＨＧ）と和周波発生（ＳＦＧ）とを組み合わせたＳＨＧ―ＳＦＧカスケード励起法によって実現することができる。

しかしながら、従来のＳＨＧ―ＳＦＧカスケード励起法では、ハイパワーの出力を得るのが困難であった。従来のＳＨＧ―ＳＦＧカスケード励起法では、入力した励起光（周波数ω）の第二高調波発生によりＳＨ光（周波数２ω）を得て、続いて励起光（周波数ω）とＳＨ光（周波数２ω）の和周波発生により第三高調波発生光（ＴＨ光：周波数３ω）を得る。この場合、初段の第二高調波発生により励起光のパワーが減衰する。第三高調波発生光の出力は、和周波発生にかかるＳＨ光と励起光のパワーの乗算に比例するため、初段の第二高調波発生過程の効率を上げてハイパワーのＳＨ光を得ても、その分だけ励起光のパワーが減衰するため、正味の第三高調波発生光の出力を大きくすることが難しかった。従って、非線形効果による第二高調波発生（ＳＨＧ）過程と和周波発生（ＳＦＧ）過程とを、別々に行う手法が望まれていた。

川口竜生他「ＬｉＮｂＯ3エピタキシャル成長と超精密加工技術による導波路型ＳＨＧデバイス」、レーザ研究、第２８巻第９号、２０００年９月、p.601-603 M.H.Chou et al., "Optical Signal processing and Switching with Second-Order Nonlinearities in Waveguides," IEICE Trans. Electorn., E83-C, 2000, p.869-874 J.Yamawaku et al. "Low-Crosstalk 103 Channel × 10 Gb/s (1.03 Tb/s) Wavelength Conversion With a Quasi-Phase-Matched LiNbO3 Waveguide," IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., Vol.12, No.4, 2006, p.521-528

発明が解決しようとする課題に関して、ＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法の場合を用いて説明する。

高品質な波長変換を行うには、０．７８μｍ帯の励起光による波長変換が望まれる。しかしながら、励起光に０．７８μｍ帯を用いる方法では、０．７８μｍの安定で波長精度が高く、高出力な光源が広く普及しておらず、簡単に準備することが困難であった。また、信号光と励起光の波長が半分も異なることから、光導波路の最適サイズが異なる。これにより光導波路へ光を入射する際に、所望のモード以外の励振の抑制が必要となるなどの困難があった。よって、励起光の光源として、広く普及している安定で信頼性の高い１．５μｍ帯の光源を用いて、０．７８μｍ帯の光を発生させ、発生させた０．７８μｍ帯光を用いて波長変換を行う。このようなＳＨＧ−ＤＦＧを多段で行うことの出来る手法が望まれていた。

図４に、従来のＳＨＧ−ＤＦＧ多段励起法による波長変換素子の構成を示す。第一の波長変換デバイスである非線形光学媒質２３ａに、１．５μｍ帯の励起光Ａを、集光レンズ２２を介して入力し、第二高調波発生（ＳＨＧ）により０．７８μｍ帯の光（以下ＳＨ光Ｂ）を発生させる。非線形光学媒質２３ａから出射された励起光ＡとＳＨ光Ｂとを、レンズ２４ａを介してダイクロイックミラー２５ａ（またはプリズム・フィルター等）に入力し、１．５μｍ帯の励起光Ａと０．７８μｍ帯のＳＨ光Ｂとを分離する。分離された０．７８μｍ帯のＳＨ光Ｂと信号光Ｃとを、ダイクロイックミラー２５ｂにより合波し、第二の波長変換デバイスである非線形光学媒質２３ｂに入力する。第二の波長変換デバイスでの差周波発生（ＤＦＧ）により変換光Ｄを得ることができる。

図５に、従来の波長変換素子を位相感応増幅（ＰＳＡ）に応用した構成を示す。１．５４μｍ帯の信号光を、位相変調器３２により変調して基本波光とし、ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）３３を用いて増幅する。増幅された基本波光を第１の二次非線形光学素子（ＳＨＧモジュール）３４に入射し、第二高調波を発生させる。第２の二次非線形光学素子（ＯＰＡモジュール）３５に、信号光と励起光となる第二高調波とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことにより、位相感応増幅を行う。

この光増幅器は、位相感応光増幅部における信号光と励起光の位相が一致すると信号光は増幅され、両者の位相が９０度ずれた直交位相関係になると、信号光は減衰する特性を有する。この特性を利用して増幅利得が最大となるように励起光―信号光間の位相を一致させると、信号光と直交位相の自然放出光を発生させずに、つまりＳＮ比を劣化させずに信号光を増幅することができる。具体的には、ＯＰＡモジュール３５の出力光の位相を分波器３６と検波器３７とにより検出し、ＰＬＬ３８により、位相変調器３２を制御して、位相を一致させる。

しかしながら、第二高調波発生（ＳＨＧ）と差周波発生（ＤＦＧ）とを別々の素子を用いて行うが、両方の素子の特性が完全には合わないため、個別に温度調節機構を設け、それぞれを調整することによって中心波長等の整合を取る必要があった。また、発生した０．７８μｍ帯の光を分離してから増幅を行うので、光パワーの損失が大きく、波長変換効率を低下させるという問題もあった。さらに、０．７８μｍ帯の光を入力する際に、所望のモード以外の励振を抑制する必要がある。こりため、入力時に励起光のみならず変換光もモニターしながら調芯するなど、複雑な調整が必要になってしまうという課題があった。さらにまた、１つの波長変換装置を作製するのに、２つの波長変換デバイスの作製が必要であり、コストが高くなるという課題もあった。

従って、第二高調波発生（ＳＨＧ）と差周波発生（ＤＦＧ）の変換を行う素子を、同一基板上に集積する手法が望まれる。さらに、波長変換素子の作製に使用できる基板の大きさには限界があるので、反射型の形態が望まれる。

図６に、従来の反射型導波路の構成を示す。図６（ａ）は、光導波路４１の片方の端面に反射膜４２がコーティングされており、同じ導波路に折り返す構成である。図６（ｂ）は、反射膜４４により、入力導波路４３から出力導波路４５に折り返す構成である。

図７に、従来の反射型導波路を用いたＳＨＧ−ＤＦＧ多段励起法による波長変換素子の構成を示す。図４に示した波長変換素子の非線形光学媒質を１個にした構成である。波長変換デバイスである非線形光学媒質５３に、１．５μｍ帯の励起光Ａを、集光レンズ５２を介して入力し、第二高調波発生（ＳＨＧ）により０．７８μｍ帯の光（以下ＳＨ光Ｂ）を発生させる。非線形光学媒質５３の片方の端面には、０．７８μｍ帯のＳＨ光Ｂに対しては反射膜（ＨＲコート）、１．５μｍ帯の励起光Ａに対しては反射防止膜（ＡＲコート）として機能するＨＲ／ＡＲ光学膜５５がコーティングされている。ＨＲ／ＡＲ光学膜５５により、励起光ＡとＳＨ光Ｂとが分離され、ＳＨ光Ｂのみが非線形光学媒質５３の光導波路に折り返される。一方、ＨＲ／ＡＲ光学膜５５が形成された端面から、集光レンズ５４を介して信号光Ｃを入力する。０．７８μｍ帯のＳＨ光Ｂ光と信号光Ｃとの差周波発生（ＤＦＧ）により変換光Ｄを得ることができる。

しかしながら、上述した反射型導波路を用いた手法では、１．５μｍ帯の励起光Ａと０．７８μｍ帯のＳＨ光Ｂの分離がコーティングされた光学膜のみで行われることから、本来、折り返されるべきでない１．５μｍ帯の励起光Ａの戻り光を十分に抑制できないという問題があった。具体的には、コーティングされた光学膜は、反射光の抑制が技術的に難しく、反射光の抑制量は通常２０〜３０ｄＢ程度である。これは、１．５μｍ帯の励起光を１Ｗ入力した場合に、１〜数１０ｍＷの励起光の一部が光導波路に戻ってきてしまうことを意味する。これにより、カスケード励起法の場合と同様に、近接する波長の光の波長変換の課題、励起光および信号光の間の和周波発生によるクロストーク光による品質劣化の問題が発生する。

また、１．５μｍ帯の励起光に光ファイバアンプを使用した場合にも、発生するＡＳＥ光は、光導波路に戻ってきてしまうことにより、ＡＳＥノイズによる信号光および変換光の品質が劣化するという問題もあった。また、ＡＳＥ光は広い波長帯域に渡って発生するため、反射防止膜は広い波長帯域をカバーする必要があり、多層の膜が必要になるなどコスト、信頼性の観点から問題があった。

また、図６（ｂ）に示した反射型導波路を用いて、ＳＨＧ−ＤＦＧ多段励起法による波長変換素子をした場合でも、上記同様に励起光の反射光を十分に抑制できない問題がおこる。さらに図６（ｂ）の反射型導波路の構成は、作製時のミラーの配置誤差によって反射光量に大きな誤差が生じる場合があり、作製上のトレランスが悪いという問題もある。

本発明の目的とするところは、波長変換素子との集積化が可能であり、十分な波長選択性を有した反射型の光合分波器、および光合分波器を用いた波長変換デバイスを提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明にかかる光合分波器の一実施態様は、第１の入出力導波路と第２の入出力導波路とが接続された入出力端面と、該入出力端面と対向する面に短波長の光を反射し長波長の光の反射を防止する光学膜がコーティングされた反射端面とを有するマルチモード干渉導波路を備え、前記マルチモード干渉導波路の光軸方向の長さは、前記短波長の光と前記長波長の光のビート長の最小公倍数となる長さの半分の長さであることを特徴とする。

本発明にかかる波長変換デバイスの一実施態様は、前記光合分波器と、前記光合分波器の前記第１の入出力導波路に接続された、周期的に分極反転された非線形光学媒質からなる第１の光導波路と、前記光合分波器の前記第２の入出力導波路に接続された、周期的に分極反転された非線形光学媒質からなる第２の光導波路とを備えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、十分な波長選択性を有した反射型の光合分波器を提供することができる。この光合分波器は、波長変換素子との集積化が可能であり、実装が容易で高品質な波長変換機能を有する波長変換デバイスを提供することができる。

従来のＬＮを用いた擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す図である。 従来のＳＨＧ−ＤＦＧカスケード励起法による波長変換光を示す図である。 従来のＬＮを用いた擬似位相整合型の波長変換素子によるＳＦＧ−ＤＦＧカスケード励起法の構成を示す図である。 従来のＳＨＧ−ＤＦＧ多段励起法による波長変換素子の構成を示す図である。 従来の波長変換素子を位相感応増幅（ＰＳＡ）に応用した構成を示す図である。 従来の反射型導波路の構成を示す図である。 従来の反射型導波路を用いたＳＨＧ−ＤＦＧ多段励起法による波長変換素子の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかる導波路型反射素子の構成を示す図である。 第１の実施形態にかかる導波路型反射素子における光の結合・分離を示すシミュレーション結果を示す図である。 第１の実施形態にかかる導波路型反射素子を作製する工程を示す図である。 第１の実施形態にかかる導波路型反射素子の作製寸法を示す図である。 導波路型反射素子の入出力導波路の構成を示す図である。 複数の導波路型反射素子を同時に作製する工程を示す図である。 導波路型反射素子の端面加工工程を示す図である。 第１の実施形態にかかる導波路型反射素子の評価結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかる波長変換デバイスの構成を示す図である。 第２の実施形態にかかる波長変換デバイスを作製する工程を示す図である。 第２の実施形態にかかる波長変換デバイスの作製寸法を示す図である。 複数の波長変換デバイスを同時に作製する工程を示す図である。 第２の実施形態にかかる波長変換デバイスの評価結果を示す図である。 第２の実施形態にかかる波長変換デバイスによる波長変換光を示す図である。 本発明の第３の実施形態にかかる波長変換デバイスの評価結果を示す図である。

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。

（第１の実施形態）
図８に、本発明の第１の実施形態にかかる導波路型反射素子の構成を示す。導波路型反射素子は、基板１０１の上に形成されたマルチモード干渉導波路１０４からなり、マルチモード干渉（ＭＭＩ：Multi-Mode Interference）を利用して光合分波器の機能を奏することができる。マルチモード干渉導波路１０４は、第１の入出力導波路１０２と第２の入出力導波路１０３とが接続された入出力端面と、入出力端面と対向する面に、特定の波長の光を反射する光学膜１０５がコーティングされた反射端面とを有する。第１の入出力導波路１０２と第２の入出力導波路１０３とは、マルチモード干渉導波路１０４の光軸を示す中心線Ａから対称の位置に接続されている。第１の入出力導波路１０２に波長１．５μｍ帯の光と波長０．７８μｍ帯の光とが入射された場合、第２の入出力導波路１０３から０．７８μｍ帯の光のみが出射する。

図９に、第１の実施形態にかかる導波路型反射素子における光の結合・分離を示すシミュレーション結果を示す。波長１．５６μｍの信号光と波長０．７８μｍの励起光とが結合する様子を、ＢＰＭ（Beam Propagation Method）によるシミュレーションによって示した。図９（ａ）は、図８に示したマルチモード干渉導波路１０４であり、光軸を示す中心線Ａに直行する方向の幅をＷｍとし、第１の入出力導波路１０２と第２の入出力導波路１０３とは、入出力端面において、中心線Ａから間隔Δをおいて対称の位置に接続されている。この間隔Δは、２×ΔがＷｍの３分の１となるように設定されている。例えば、図９（ａ）に示すように、幅Ｗｍ＝３０μｍ、第１の入出力導波路１０２の間隔Δ１＝５μｍ、第２の入出力導波路１０３の間隔Δ２＝５μｍ、クラッドの屈折率＝１．０、コアの屈折率＝約２．１である。

図９（ｂ）に、波長０．７８μｍの励起光を入力した場合の振る舞いを示す。横軸は、入出力導波路とマルチモード干渉導波路との接続点からの距離である。マルチモード干渉導波路１０４の中心線Ａから間隔Δ１の位置に接続されている第１の入出力導波路１０２から入射した励起光は、マルチモード干渉導波路１０４に固有の複数のモードに展開され、マルチモード干渉導波路１０４内をマルチモード伝播する。このとき、各モードの伝播定数が異なるために生じるモード干渉によって、波長０．７８μｍの光がある光路長を伝播した後、マルチモード干渉導波路１０４の入出力端面と反対に中心線Ａから間隔Δの位置に極値（収束点）を取る。

図９（ｃ）に、波長１．５６μｍの信号光を入力した場合の振る舞いを示す。横軸は、入出力導波路とマルチモード干渉導波路との接続点からの距離である。マルチモード干渉導波路１０４の中心線Ａから間隔Δ２の位置に接続されている第２の入力導波路１０３から入射した信号光は、マルチモード干渉導波路１０４に固有の複数のモードに展開され、マルチモード干渉導波路１０４内をマルチモード伝播する。このとき、各モードの伝播定数が異なるために生じるモード干渉によって、波長１．５６μｍの光がある光路長を伝播した後、マルチモード干渉導波路１０４の入出力端面と反対に中心線Ａから間隔Δの位置に１回目の極値（収束点）を取った後、さらにその反対側に間隔Δの位置に２回目の極値（収束点）を取る。

収束点から次の収束点までの光路長をビート長と呼び、その長さをＬ_πとすると、ほぼ以下の式に従う。

ここで、Ｗ_ｅは光の感じる実効的なマルチモード干渉導波路の幅、ｎ_ｇは実効屈折率、λ_０は入力光の波長である。ビート長は各波長に対し逆数で影響するため、本実施形態のように波長が半分異なる場合は、０．７８μｍの光が１回ビートを打つ間に、１．５６μｍの光が２回ビートを打つ。また、マルチモード干渉導波路の幅方向において最初にビートを打つ位置は、入出力端面における中心線Ａからの間隔Δに対して、中心線Ａを挟んで反対側に間隔Δの位置となる。その後、中心線Ａを挟んで交互に間隔Δの位置にビートを打つことになる。

このように、マルチモード干渉導波路においては、各波長について、それぞれ幅方向に決まった位置の収束点においてビートを打つので、図９（ａ）に示すマルチモード導波路１０４の光軸方向の長さを、２つの波長帯のビート長の最小公倍数となる長さにして、両者が収束する点（幅Ｗｍ方向に中心線から間隔Δの位置）の近傍に出力を設けることにより、０．７８μｍの光と１．５６μｍの光とを結合して出力することができる。この特性を逆に用いれば、０．７８μｍの光と１．５６μｍの光を２つの光導波路に分波することもできる。すなわち、光合分波器として機能を実現することができる。

図９（ａ）のマルチモード干渉導波路１０４において、入出力端面から短波長（０．７８μｍ）の光と長波長（１．５６μｍ）とが収束する点の半分の長さ、すなわち２つの波長のビート長の最小公倍数となる長さの半分の位置に反射端面を設けた場合、短波長（０．７８μｍ）の光と長波長（１．５６μｍ）とを第１の入出力導波路１０２から入射すると、短波長（０．７８μｍ）の光は第２の入出力導波路１０３へ、長波長（１．５６μｍ）の光は第１の入出力導波路１０２へと分波が可能となる。

一方、反射端面に０．７８μｍの光に対しては反射、１．５６μｍの光に対しては反射防止の光学膜をコーティングすることにより、１．５６μｍの光は、反射防止膜による反射抑制効果とマルチモード干渉導波路による分波効果とにより減衰され、０．７８μｍの光のみを第２の入出力導波路１０３から高い波長選択性をもって取り出すことができる。

図９に示したシミュレーション結果では、光が入力される導波路の位置と、光が出力される導波路の位置とは、それぞれ中心線Ａからの間隔Δが同じである。これは、２つの入力導波路が、マルチモード干渉導波路１０４の幅Ｗｍ＝３０μｍを３等分する位置に設置されているためであり、収束点は入出力導波路の光軸方向の延長上に収束する。

一般に、収束点の位置（中心線Ａからの間隔）は、入力導波路の位置（中心線Ａからの間隔）に依存する。また、収束点は１つとは限らず、複数の収束点を持つ位置に出力導波路を設ける場合、どの収束点を用いるかによっても設置する出力導波路の中心線Ａからの間隔は異なる。従って、出力導波路の設置位置は、波長、入力導波路の位置、合波分波の数等の条件を考慮し、所望の収束位置に合わせて決める。このようにして、マルチモード干渉導波路１０４は、光導波路のみの簡単な構成により、容易に波長０．７８μｍと１．５６μｍの光を合分波することができる。

図１０に、図８に示した導波路型反射素子を作製する工程を示す。第１の実施形態においては、非線形光学媒質である第１の基板１１１は、ＺカットＺｎ添加ＬＮ基板である。第２の基板１１２としてＺカットＭｇ添加ＬＮ基板を用いる。なお、非線形光学媒質として、ＬＮの他に、ＫＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１-ｘ）}Ｏ_３（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ_４、または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ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材料を用いることができる。

第１の基板１１１と第２の基板１１２とは、熱膨張係数がほぼ一致している。また、第１の基板１１１の屈折率よりも第２の基板１１２の屈折率のほうが小さい。なお、第１及び第２の基板１１１，１１２は何れも、両面が光学研磨されてある３インチウエハである。第１の基板１１１の厚さは３００μｍ、第２の基板１１２の厚さは５００μｍである。

第一の工程において、用意した第１及び第２の基板１１１，１１２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、これら２つの基板をマイクロパーティクルが極力存在しない清浄雰囲気中で重ね合わせる。そして、重ね合わせた第１及び第２の基板１１１，１１２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。接合された基板は、接合面にマイクロパーティクル等の挟み込みがなく、ボイドフリーであり、室温に戻したときにおいてもクラックなどは発生しない。

第二の工程において、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板の第１の基板１１１の厚さが２０μｍ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ことができる。基板の平行度（最大高さと最小高さとの差）を光学的な平行度測定機を用いて測定したところ、３インチウエハの周囲を除き、ほぼ全体にわたってサブミクロンの平行度が得られ、薄膜基板１１３を作製することができる。薄膜基板１１３は、接着剤を用いず、第１の基板１１１と第２の基板１１２とを熱処理による拡散接合によって直接貼り合わせることにより作製したため、３インチウエハの全面積にわたって均一な組成、膜厚を有する。

その後、光導波路の作製手段としてはドライエッチングプロセスを用いて、光導波路を作製する。薄膜基板１１３のうち、第１の基板１１１の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する。その後、ドライエッチング装置に基板をセットし、Ａｒガスをエッチングガスとして薄膜基板１１３の第１の基板１１１の表面をエッチングすることによりリッジ型光導波路を作製する（後述する図１２を参照）。

図１１に、第１の実施形態にかかる導波路型反射素子の作製寸法を示す。図１１（ａ）は、導波路型反射素子を形成するための反射膜加工をする以前のＭＭＩ素子であるため、両側に入出力導波路を有するマルチモード干渉導波路１２４である。マルチモード干渉導波路１２４の幅は３０μｍであり、マルチモード干渉導波路１２４の光路長を３．５ｍｍとしている。波長１．５μｍ帯の励起光及び波長０．７８μｍの光の入出力導波路１２２、１２３の導波路幅は５μｍである。入出力導波路１２２は直線導波路であり、入出力導波路１２３は、曲率３ｍｍの緩やかなカーブを描いて入出力導波路１２２から離れる。入出力導波路１２２，１２３は、間隔が５μｍでマルチモード干渉導波路１２４と結合している。入出力導波路１２６、１２７は、マルチモード干渉導波路１２４の光軸方向の中心線からの間隔が、入出力導波路１２２、１２３と同じ間隔にある。

図１１（ｂ）に示したように、後のプロセスにおいて、マルチモード干渉導波路１２１の光路長の半分の位置（光路長１．７５ｍｍ）で切り出し、その端面に波長０．７８μｍの光に対しては反射、波長１．５μｍ帯の光に対しては反射防止の光学膜１２５がコーティングされる。実際の端面構造及び作製方法は、図１３を用いて後述する。

図１２に、導波路型反射素子の入力導波路構成を示す。第１の基板１１１には、高さ５μｍ、導波路幅およそ５μｍのリッジ型光導波路１１４が形成されている。マルチモード干渉導波路の特性は、式１からもわかるように導波路幅が大きく影響するため、第１の基板１１１の厚みよりも深くエッチング加工を施し、リッジ導波路の両脇の第１の基板材料を完全に取り除くことが望ましい。しかしながら、第２の基板１１２との接合面が極めて細くなるため、それに耐えうるだけの十分な接合強度を必要とする。本実施形態における直接接合法は、第１の基板１１１と第２の基板１１２がリッジ型光導波路１１４の直下の面のみで接合されているような構造においても剥離などが起きず、十分な接合強度を保つことができる。従って、リッジ型光導波路１１４の両脇を第２の基板１１２まで完全に落とす構造とすることもできる。

図１３に、複数の導波路型反射素子を同時に作製する工程を示す。図１３（ａ）の薄膜基板１１３は、図１０に示した方法により作製されており、第１の基板１１１（ＺカットＺｎ添加ＬＮ基板）と第２の基板１１２（ＺカットＭｇ添加ＬＮ基板）とが接合されている。第１の基板１１１の表面に通常のフォトリソグラフィのプロセスによって、図１１に示した作製寸法のマルチモード干渉導波路１２４、入出力導波路１２２，１２３，１２６，１２７のパターンを作製する。これらのパターンを３インチウエハである薄膜基板１１３に平行に複数本作製する。その後、ドライエッチング装置に基板をセットし、Ａｒガスをエッチングガスとして薄膜基板１１３の第１の基板１１１の表面をエッチングすることにより、複数のマルチモード干渉導波路を作製する（図１３（ｂ））。

複数のマルチモード干渉導波路ごとに、薄膜基板１１３を短冊状に切り出し、入出力光導波路１２２，１２３の端面Ｂ１と、入出力光導波路１２６，１２７の端面Ｂ２とを光学研磨することによって、個々のマルチモード干渉導波路を切り出す（図１３（ｃ））。

端面加工処理を施す前に、集積されたマルチモード干渉導波路の特性を評価するために、分岐比の測定を行った。以下、図１１を用いて説明する。分岐比とは、入出力導波路１２２から光を入力した際の入出力導波路１２６，１２７に出力される光の分波の比である。分岐比の値が小さいほど合波（分波）器としての特性が良いことを表す。１．５６μｍの信号光を入出力導波路１２２から入力し、入出力導波路１２６，１２７に出力された光パワーの和に対して、入出力導波路１２７から出力された光パワーの比を分岐比と定義する。このとき、分岐比の値は２％と十分小さいものであった。

同様に、０．７８μｍの励起光を入出力導波路１２２から入力し、入出力導波路１２６，１２７に出力された光パワーの和に対して、入出力導波路１２６から出力された光パワーの比を分岐比と定義する。このとき、分岐比の値は２％と十分小さいものであり、良好な合波器が作製できていることを確認することができる。

続いて、光ファイバ芯線が１２７μｍ間隔で配置されている光ファイバアレイを用いて、入出力導波路１２２に１．５６μｍの信号光を、入出力導波路１２３に０．７８μｍの励起光を入射した。光ファイバアレイに用いた２本の光ファイバ芯線は、それぞれモード径が異なり、１．５６μｍ、０．７８μｍのそれぞれにおいてシングルモードとなる光ファイバ芯線を用いている。

合波器として機能するマルチモード干渉導波路１２４による光過剰損失を評価したところ、１．５６μｍの信号光が０．５ｄＢ、０．７８μｍの励起光が１．０ｄＢと非常に小さい損失において、光が合波されていた。１．５６μｍ帯の光源に波長可変光源を用いて、合波器による光過剰損失の波長依存性を測定した。ピークの出力光量と比較して、追加の過剰損失が１ｄＢ以内となる波長範囲は、約４０ｎｍと広い結果を得る。

図１４に、導波路型反射素子の端面加工工程を示す。図９を参照して説明したように、マルチモード干渉導波路１２４の光軸方向の長さを、入出力導波路との結合が最も高くなる長さとし、光軸方向に対して垂直に切り出す。切り出した端面Ｂ３と、入出力光導波路１２２，１２３の端面Ｂ１とを光学研磨する。端面加工を施した後、１．５μｍ帯の光に対しては反射防止（ＡＲ）、０．７８μｍ帯の光に対しては反射（ＨＲ）となる光学積層膜（ＡＲ／ＨＲ光学膜１２５）を、イオンアシスト型のスパッタリング装置を用いて端面Ｂ３に蒸着する。１．５μｍ帯の光に対しては反射防止（ＡＲ）膜の特性を評価したところ、反射率は０．５％であった。一方、端面Ｂ１には、１．５μｍ帯の光及び０．７８μｍ帯の光に対して反射防止（ＡＲ）となるようにＡＲ／ＡＲ光学膜１２８を形成する。

図１５に、第１の実施形態にかかる導波路型反射素子の評価結果を示す。図１４に示したように、作製した導波路型反射素子を用いて、１．５６μｍの光と０．７８μｍの光を分波することができる。１．５６μｍの光と０．７８μｍの光とを入出力導波路１２２に入射し、マルチモード干渉導波路１２４へと伝搬させる。マルチモード干渉導波路１２４の反射端面は０．７８μｍの光に対しては反射、１．５６μｍの光に対しては反射防止のＡＲ／ＨＲ光学膜１２５がコーティングされている。マルチモード干渉導波路１２４へ入射されると０．７８μｍの光は、マルチモード干渉導波路１２４内を、マルチモード干渉を行いながら伝搬し、ＡＲ／ＨＲ光学膜１２５で反射された後に、入出力導波路１２３に結像される。一方、１．５６μｍの光は、マルチモード干渉導波路１２４の反射側端面にて形成されたＡＲ／ＨＲ光学膜１２５にて反射光が抑制される。抑制しきれずに反射した一部の光は、０．７８μｍの光とは別の入出力導波路１２２に結像される。

マルチモード干渉導波路１２４を折り返し、入出力導波路１２３に出力された０．７８μｍの光において、ＡＲ／ＨＲ光学膜１２５の反射率は９９％と非常に高いため、折り返しによる光の損失は、マルチモード干渉導波路１２４を往復する際の損失が支配的である。しかし、マルチモード干渉導波路１２４による光過剰損失が非常に小さい損失であるため、結果として、往復で２．０ｄＢと非常に小さい損失で光の折り返しを行うことができる。

１．５６μｍの光のうちＡＲ／ＨＲ光学膜１２５にて抑制しきれずに反射した一部の光は、入出力導波路１２２にそのほとんどが出力される。一方、マルチモード干渉導波路１２４は分岐比が２％であるので、反射して折り返した１．５６μｍの光のうち２％程度は入出力導波路１２３に出力される。１．５６μｍの光は、ＡＲ／ＨＲ光学膜１２５による反射抑制効果（−２３ｄＢ程度）とマルチモード干渉導波路１２４による分波効果（−１７ｄＢ程度）により、入射光量に対して−４０ｄＢと反射戻り光量を非常に小さい量に抑えることができる。結果として、同じ入出力導波路１２２から入射された１．５６μｍの光と０．７８μｍの光は、マルチモード干渉導波路１２４を折り返し通過することにより、入出力導波路１２３からは、０．７８μｍの光のみを選択的に出力することができ、その消光比は４０ｄＢ程であった。

また本実施形態においては、二次非線形光学材料としてＺｎを添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を用いたが、ニオブ酸リチウムに限定されるものではなく、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶（ＬｉＮｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１-ｘ）}Ｏ_３（０≦ｘ≦１））、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４）等に代表される二次非線形光学材料であれば同様の効果が得られる。また二次非線形光学材料の添加物に関しても、Ｚｎをに限定されるものではなく、Ｚｎの代わりにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅを用いても良く、もしくは添加物を添加しなくてもよい。

（第２の実施形態）
図１６に、本発明の第２の実施形態にかかる波長変換デバイスの構成を示す。第１の実施形態で示した導波路型反射素子を光合分波器として用いて、同一の基板２０１上に、第２高調波発生と波長変換を行う波長変換導波路２０６，２０７とともに集積した。光合分波器は、第１の実施形態で示したように、マルチモード干渉導波路２０４と、第１の入出力導波路２０２と第２の入出力導波路２０３とが接続された入出力端面と対向する面にコーティングされた、特定の波長の光を反射する光学膜２０５とから構成されている。第１の入出力導波路２０２および波長変換導波路２０６、第２の入出力導波路２０３および波長変換導波路２０７がそれぞれ接続されている。

波長変換導波路２０６に入力された波長１．５６μｍの励起光Ａは、第２高調波発生により波長０．７８μｍの第２高調波に変換され、マルチモード干渉導波路２０４へ入力される。光学膜２０５は、０．７８μｍの光に対しては反射膜（ＨＲコート）、１．５６μｍの励起光に対しては反射防止膜（ＡＲコート）として機能する。導波路幅、導波路長、入出力位置を最適設計することにより、反射膜で反射された波長０．７８μｍの励起光Ｂは、第２の入出力導波路２０３から波長変換導波路２０７にのみ出力される。反射膜で僅かに反射された波長１．５６μｍの励起光Ａは、第１の入出力導波路２０２から波長変換導波路２０６へ出力され、両者を分波することができる。

一方、光学膜２０５からマルチモード干渉導波路２０４に向けて、波長１．５６μｍの信号光を入力する。入力する位置は、マルチモード干渉導波路２０４の中心線からの間隔が、第１の入出力導波路２０２と同じ位置である。入力された波長１．５６μｍの信号光は、第２の入出力導波路２０３から波長変換導波路２０７にのみ出力される。波長変換導波路２０７において、波長１．５６μｍの信号光と波長０．７８μｍの励起光Ｂとによる差周波発生により、変換光が出力される。

図１７に、第２の実施形態にかかる波長変換デバイスを作製する工程を示す。図１０に示した第１の実施形態の場合と概ね同じである。非線形光学媒質である第１の基板２１１は、ＺカットＺｎ添加ＬＮ基板であり、波長変換導波路を形成するために、予め１．５μｍ帯で位相整合条件が満たされるように、周期分極反転構造が作製されている。ＬｉＮｂＯ_３結晶等における分極反転格子作製技術については多くの研究がなされており、そのうち、良好な結果が再現性よく得られる電界印加法を採用して、周期分極反転構造を作製する。第１の基板２１１上にリソグラフィにより周期レジストパターンを形成し、これを利用して周期的な電極（金属薄膜電極、液体電極等）を形成する。この電極から電圧パルスを印加することにより、良好な周期分極反転構造を得ることができる。

第２の基板２１２としてＺカットＭｇ添加ＬＮ基板を用いる。第一の工程は、第１の実施形態と同様に、用意した第１及び第２の基板２１１，２１２の拡散接合を行う。第二の工程において、第１の基板２１１の厚さが２０μｍになるまで研磨加工を施して、薄膜基板２１３を作製する。

図１８に、第２の実施形態にかかる波長変換デバイスの作製寸法を示す。図１８（ａ）は、導波路型反射素子を形成するための反射膜加工をする以前のＭＭＩ素子であるため、両側に入出力導波路を有するマルチモード干渉導波路２０４である。波長変換導波路２０６，２０７には、あらかじめ分極反転構造が付されており、その長さは４５ｍｍである。波長変換導波路２０６，２０７にマルチモード干渉導波路２０４が結合している。マルチモード干渉導波路２０４の幅は３０μｍであり、その光路長を３．５ｍｍとしている。波長１．５μｍ帯の励起光及び波長０．７８μｍの光の入出力導波路２０２、２０３の導波路幅は５μｍである。入出力導波路２０２は直線導波路であり、入出力導波路２０３は、曲率３ｍｍの緩やかなカーブを描いて入出力導波路２０２から離れる。入出力導波路２０２，２０３は、間隔が５μｍでマルチモード干渉導波路２０４と結合している。

図１８（ｂ）に示したように、後のプロセスにおいて、マルチモード干渉導波路２０４の光路長の半分の位置（光路長１．７５ｍｍ）で切り出し、その端面に波長０．７８μｍの光に対しては反射、波長１．５μｍ帯の光に対しては反射防止の光学膜２０５がコーティングされる。

図１９に、複数の波長変換デバイスを同時に作製する工程を示す。図１９（ａ）の薄膜基板２１３は、図１７に示した方法により作製されており、第１の基板２１１（ＺカットＺｎ添加ＬＮ基板）と第２の基板２１２（ＺカットＭｇ添加ＬＮ基板）とが接合されている。図に示したように、第１の基板２１１には、周期分極反転構造が形成された部分と形成されていない部分とが作り込まれている。入出力導波路２０２，２０３およびマルチモード干渉導波路２０４を、周期分極反転構造が形成されていない部分に作製し、波長変換導波路２０６，２０７を、周期分極反転構造が形成された部分に作製する。第１の実施形態と同様に、通常のフォトリソグラフィとエッチングのプロセスによって、複数の波長変換デバイスを作製する（図１９（ｂ））。

複数の波長変換デバイスごとに、薄膜基板２１３を短冊状に切り出し、入出力光導波路の端面Ｃ２と、波長変換導波路２０６，２０７の端面Ｃ１とを光学研磨することによって波長変換デバイスを得ることができる。（図１９（ｃ））。

第１の実施形態と同様に、マルチモード干渉導波路２０４の光軸方向の長さを、入出力導波路との結合が最も高くなる長さとし、光軸方向に対して垂直に切り出す。切り出した端面には、１．５μｍ帯の光に対しては反射防止（ＡＲ）、０．７８μｍ帯の光に対しては反射（ＨＲ）となる光学積層膜（ＡＲ／ＨＲ光学膜２０５）を形成する。波長変換導波路２０６，２０７の端面には、１．５μｍ帯の光及び０．７８μｍ帯の光に対して反射防止（ＡＲ）となるようにＡＲ／ＡＲ光学膜２０８を形成する。

波長変換デバイスに集積されているマルチモード干渉導波路２０４は、第１の実施形態で作製したマルチモード干渉導波路と、寸法、材料ともに変わらないので分岐比の特性も同じである。波長０．７８μｍ、１．５６μｍの光に対する分岐比は２％であった。光過剰損失は波長１．５６μｍの光が０．５ｄＢであり、波長０．７８μｍの光が１．０ｄＢである。ピークの出力光量と比較して、追加の過剰損失が１ｄＢ以内となる波長範囲は約４０ｎｍである。次に、波長変換デバイスとしての特性を得るために、入力導波路２０６から１．５６μｍ帯の光を入力し、第二高調波発生から波長変換の効率を評価した。規格化変換効率は波長１５５５．４ｎｍにおいて１３００％／Ｗと高い値が得られた。

図２０に、第２の実施形態にかかる波長変換デバイスの評価結果を示す。第二高調波発生（ＳＨＧ）と差周波発生（ＤＦＧ）を多段に行うＳＨＧ−ＤＦＧ多段励起法による波長変換を行う。励起光として、外部共振器型の半導体レーザ（ＬＤ）２２３から出射された１．５６μｍの光を、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）２２２で増幅し、ＡＲ／ＡＲ光学膜２０８を介して波長変換導波路２０６に入射する。波長変換導波路２０６において、第二高調波発生により、１．５６μｍの半分の波長０．７８μｍの光が生成される。

１．５６μｍの光と０．７８μｍの光は、波長変換導波路２０６を透過した後、マルチモード干渉導波路２０４に入射される。マルチモード干渉導波路２０４の反射端面には、ＡＲ／ＨＲ光学膜２０５がコーティングされている。マルチモード干渉導波路２０４へ入射されると、０．７８μｍの光は、マルチモード干渉導波路２０４内をマルチモード干渉を行いながら伝搬し、ＡＲ／ＨＲ光学膜２０５で反射された後に、波長変換導波路２０７に伝播される。一方、１．５６μｍの光は、マルチモード干渉導波路２０４の反射側端面にて形成されたＡＲ／ＨＲ光学膜２０５にて反射光が抑制される。抑制されずに反射した一部の光は、０．７８μｍの光とは別の波長変換導波路２０６に伝播される。

マルチモード干渉導波路２０４を折り返し、波長変換導波路２０７に出力された０．７８μｍの光において、ＡＲ／ＨＲ光学膜２０５の反射率は９９％と非常に高いため、折り返しによる光の損失は、マルチモード干渉導波路２０４を往復する際の損失が支配的である。しかし、マルチモード干渉導波路２０４による光過剰損失が非常に小さい損失であるため、結果として、往復で２．０ｄＢと非常に小さい損失で光の折り返しを行うことができる。

１．５６μｍの光のうちＡＲ／ＨＲ光学膜２０５にて抑制しきれずに反射した一部の光は、波長変換導波路２０６にそのほとんどが出力される。一方、マルチモード干渉導波路２０４は分岐比が２％であるので、反射して折り返した１．５６μｍの光のうち２％程度は波長変換導波路２０７に出力される。１．５６μｍの光は、ＡＲ／ＨＲ光学膜２０５による反射抑制効果（−２３ｄＢ程度）とマルチモード干渉導波路２０４による分波効果（−１７ｄＢ程度）により、入射光量に対して−４０ｄＢと反射戻り光量を非常に小さい量に抑えることができる。結果として、同じ波長変換導波路２０６から入射された１．５６μｍの光と０．７８μｍの光は、マルチモード干渉導波路２０４を折り返し通過することにより、波長変換導波路２０７からは０．７８μｍの光のみを選択的に出力することができ、その消光比は４０ｄＢ程であった。

さらに、波長１．５４μｍを中心に１００ＧＨｚ間隔で配置された８波のＣ帯の信号光群を発生させ、合波器２２１で合波し、光学膜２０５からマルチモード干渉導波路２０４に向けて入力する。入力する位置は、マルチモード干渉導波路２０４の中心線からの間隔が、波長変換導波路２０６と同じ位置である。信号光群は、マルチモード干渉導波路２０４を伝搬した後、波長変換導波路２０７に入射される。波長変換導波路２０７内での０．７８μｍの光との差周波発生により、波長１．５８μｍを中心に１００ＧＨｚ間隔で配置された８波のＬ帯の波長変換信号光群が生成され、波長変換導波路２０７より出力される。

図２１に、第２の実施形態にかかる波長変換デバイスによる波長変換光を示す。波長変換導波路２０７からの出力を観測した結果である。このとき、入力された信号光に対する変換光の光強度は＋３ｄＢであり、８波の変換光の光強度の偏差は１．５ｄＢ以下である。図２に示した従来の結果と比較すると、励起光が抑制されており、ＡＳＥも除去されていることがわかり、高いＳＮ比を得ることができている。このように、本実施形態の波長変換デバイスによれば、第二高調波発生のための波長１．５６μｍの光が出力されるのを、非常に小さい値に抑えることができるので、差周波発生過程は、第二高調波発生過程とは独立した過程とすることができる。

マルチモード干渉導波路２０４は、モード間の干渉により光合波を行なうため、入力光が所定のモード以外のモードで伝播してきた場合、マルチモード干渉導波路２０４の損失が増大する。これは、マルチモード干渉導波路２０４が合波の機能を有すると共に、モードフィルタの役割を担っているからである。従って、本実施形態によれば、変換光のパワーをモニターするなどの特別な調整を行うことなく、励起光および信号光の透過光が最大になるように、光を入力すればよい。これにより、波長変換デバイスへの最適な入射条件が得られる。

１Ｗの励起光を入力した際に、パラメトリック利得により変換光は、入力した信号光に対して利得を持って変換される。これは、波長変換デバイスの変換効率が高いことに加えて、波長変換デバイス全体が直接接合リッジ型導波路であり、高パワーの入力に対してフォトリフラクティブ効果などの光損傷を起こすことなく、良好な波長変換特性を得られていることに起因する。また、カスケード励起法のように、１．５６μｍ帯の強励起光を使う必要がないため、ＡＳＥノイズの影響が少なく、ＳＮ比が４０ｄＢ以上の品質のよい変換光を得ることができる。さらに、信号光の波長を１．５６μｍに近づけていき、近接の波長変換を試みた場合でも、１．５６μｍ帯の強い励起光が抑制されているため、信号光―変換光の差が５０ＧＨｚの近接の波長変換であっても可能であり、かつ高いＳＮ比を得ることができる。

励起光パワーを上げることにより、パラメトリック増幅が達成されＰＳＡにも用いることができる。本実施形態によれば、ファイバ部品とは異なり、外乱による光位相の乱れが少ないために、ＰＳＡを安定して動作させることができる。

本実施形態においては、周期的に分極反転された二次非線形光学材料としてＺｎを添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を用いたが、ニオブ酸リチウムに限定されるものではなく、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶（ＬｉＮｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１-ｘ）}Ｏ_３（０≦ｘ≦１））、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４）等に代表される二次非線形光学材料であれば同様の効果が得られる。また二次非線形光学材料の添加物に関しても、Ｚｎに限定されるものではなく、Ｚｎの代わりにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅを用いても良く、もしくは添加物を添加しなくてもよい。

（第３の実施形態）
図２２に、本発明の第３の実施形態にかかる波長変換デバイスの評価結果を示す。第３の実施形態においては、第２の実施形態の波長変換デバイスと同じ構成の波長変換デバイスを用いて、第二高調波発生（ＳＨＧ）と和周波発生（ＳＦＧ）とを多段独立に行う。第２の実施形態においては、２つの波長変換導波路の周期分極反転構造は、波長１．５６μｍの第二高調波発生に位相整合が取れるように設定していた。第３の実施形態においては、波長１．５６μｍの第二高調波発生に位相整合が取れる分極反転構造を有する波長変換導波路３０６と、波長１．５６μｍと波長０．７８μｍの和周波発生に位相整合が取れる分極反転構造を有する波長変換導波路３０７の両方が作製されている。

励起光として、外部共振器型の半導体レーザ（ＬＤ）３２３から出射された１．５６μｍの光を、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）３２２で増幅し、ＡＲ／ＡＲ光学膜３０８を介して波長変換導波路３０６に入射する。波長変換導波路３０６内での第二高調波発生により、１．５６μｍの半分の波長０．７８μｍの光が生成される。１．５６μｍの光と０．７８μｍの光は、波長変換導波路３０６を透過した後、マルチモード干渉導波路３０４に入射される。

マルチモード干渉導波路３０４の反射端面は０．７８μｍの光に対しては反射、１．５６μｍの光に対しては反射防止のＡＲ／ＨＲ光学膜３０５がコーティングされている。マルチモード干渉導波路３０４へ入射されると、０．７８μｍの光はマルチモード干渉導波路３０４内をマルチモード干渉を行いながら伝搬し、ＡＲ／ＨＲ光学膜３０５で反射された後に、波長変換導波路３０７に伝播される。一方、１．５６μｍの光は、マルチモード干渉導波路３０４の反射側端面にて形成されたＡＲ／ＨＲ光学膜３０５にて反射光が抑制される。抑制しきれずに反射した一部の光は、０．７８μｍの光とは別の波長変換導波路３０６に結像される。

マルチモード干渉導波路３０４を折り返し、波長変換導波路３０７に出力された０．７８μｍの光において、ＡＲ／ＨＲ光学膜３０５の反射率は９９％と非常に高いため、折り返しによる光の損失は、マルチモード干渉導波路３０４を往復する際の損失が支配的である。しかし、マルチモード干渉導波路３０４による光過剰損失が非常に小さい損失であるため、結果として、往復で２．０ｄＢと非常に小さい損失で光の折り返しを行うことができる。

１．５６μｍの光のうちＡＲ／ＨＲ光学膜３０５にて抑制しきれずに反射した一部の光は、波長変換導波路３０６にそのほとんどが出力される。一方、マルチモード干渉導波路３０４は分岐比が２％であるので、反射して折り返した１．５６μｍの光のうち２％程度は波長変換導波路３０７に出力される。１．５６μｍの光は、ＡＲ／ＨＲ光学膜３０５による反射抑制効果（−２３ｄＢ程度）とマルチモード干渉導波路３０４による分波効果（−１７ｄＢ程度）により、入射光量に対して−４０ｄＢと反射戻り光量を非常に小さい量に抑えることができる。結果として、同じ波長変換導波路３０６から入射された１．５６μｍの光と０．７８μｍの光は、マルチモード干渉導波路３０４を折り返し通過することにより、波長変換導波路３０７からは０．７８μｍの光のみを選択的に出力することができ、その消光比は４０ｄＢ程であった。

さらに、波長１．５６μｍの第２の励起光を、光学膜３０５からマルチモード干渉導波路３０４に向けて入力する。入力する位置は、マルチモード干渉導波路３０４の中心線からの間隔が、波長変換導波路３０６と同じ位置である。第２の励起光は、マルチモード干渉導波路３０４を透過した後、波長変換導波路３０７に入射される。波長変換導波路３０７内での０．７８μｍの光との和周波発生により、波長０．５２０μｍの波長変換光が生成され、波長変換導波路３０７から出力される。

第２の励起光は、ＬＤ３２３から出射された１．５６μｍの光を、光カプラ３２５で分岐し、第１の励起光とは独立の別のＥＤＦＡ３２４により増幅する。従って、第１の励起光の第二高調波発生時のパワーの減衰を補うことができ、ハイパワーの第三次高調波発生が可能となる。

また、第２の励起光の光源を第１の励起光の光源とは別に用意してもよい。その場合、直列に配列した第二高波発生に位相整合が取れる分極反転周期構造と和周波数発生に位相整合が取れる分極反転周期構造の特性が一致しない場合に、第二の励起光の光源の波長を変えることにより特性の不一致を補い、高効率に波長変換を行うことができる。

さらに、和周波数発生に位相整合が取れる分極反転周期構造の反転周期を適当に調整すれば、第２の励起光の波長に第１の励起光の波長とは異なる波長を持つ光を用いることができる。例えば、第３の実施形態において、波長１．５６μｍの第二高波発生に位相整合が取れる分極反転周期構造と、波長１．５７μｍと波長０．７８μｍの和周波数発生に位相整合が取れる分極反転周期構造の両方を直列に作製すれば、最終的に０．５２１μｍの光を生成することができる。このように、非線形効果による各周波数変換過程を独立に起こすことができるため、任意の波長の組み合わせにより波長変換を容易に実現することができる。

さらにまた、第１の励起光と第２の励起光を異なる波長にすることにより、第二高波発生、和周波数発生などの非線形効果による各周波数変換の逆過程による、逆周波数変換を防ぐことができ、ワットクラスのハイパワー出力を行う際に非常に有効な効果を奏する。

本実施形態においては、周期的に分極反転された二次非線形光学材料としてＺｎを添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を用いたが、ニオブ酸リチウムに限定されるものではなく、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶（ＬｉＮｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１-ｘ）}Ｏ_３（０≦ｘ≦１））、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４）等に代表される二次非線形光学材料であれば同様の効果が得られる。また二次非線形光学材料の添加物に関しても、Ｚｎに限定されるものではなく、Ｚｎの代わりにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅを用いても良く、もしくは添加物を添加しなくてもよい。

以上述べたように、本実施形態によれば、高い消光比によって短波長の光のみを選択的に出力することができ、長波長の光を十分に抑制することができる光合分波器を提供することができる。また、信号光と励起光との合波機能を有する光合分波器と、波長変換導波路とを集積することにより波長変換デバイスを実現することができるので、実装が容易であり、光損失が少なく、高パワー入力への耐性が強く、高品質な波長変換が可能であり、小型、低価格の波長変換デバイスを提供することができる。

１，１１，３１，２２１ 合波器
２，１３ａ，４１，４３，４５ 光導波路
３，３６ 分波器
１２，１４，２２，２４，５２，５４ 集光レンズ
１３，２３，５３ 非線形光学媒質
２５ ダイクロイックミラー
３２ 位相変調器
３３ ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）
３４ 第１の二次非線形光学素子（ＳＨＧモジュール）
３５ 第２の二次非線形光学素子（ＯＰＡモジュール）
３７ 検波器
３８ ＰＬＬ
４２，４４ 反射膜
１０１，２０１ 基板
１０２，１０３，１２２，１２３，１２６，１２７，２０２，２０３，３０２，３０３ 入出力導波路
１０４，１２４，２０４，３０４ マルチモード干渉導波路
１０５，１２５，１２８，２０５，２０８．３０５，３０８ 光学膜
１１１，２１１ 第１の基板
１１２，２１２ 第２の基板
１１３，２１３ 薄膜基板
１１４ リッジ型光導波路
２０６，２０７，３０６，３０７ 波長変換導波路
２２２，３２２，３２４ エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）
２２３，３２３ 半導体レーザ（ＬＤ）
３２５ 光カプラ

Claims (11)

1. 第１の入出力導波路と第２の入出力導波路とが接続された入出力端面と、該入出力端面と対向する面に短波長の光を反射し長波長の光の反射を防止する光学膜がコーティングされた反射端面とを有するマルチモード干渉導波路を備え、
   前記マルチモード干渉導波路の光軸方向の長さは、前記短波長の光と前記長波長の光のビート長の最小公倍数となる長さの半分の長さであることを特徴とする光合分波器。
2. 第３の波長の光を前記反射端面から前記マルチモード干渉導波路の光軸方向に入射し、前記第１または第２の入出力導波路に出射させることを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
3. 非線形光学媒質からなる第１の基板と、該第１の基板の屈折率より小さい屈折率を有する第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た薄膜基板において、前記第１の入出力導波路、前記第２の入出力導波路および前記マルチモード干渉導波路は、前記第１の基板に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光合分波器。
4. 前記非線形光学媒質は、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１-ｘ）}Ｏ_３（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ_４、または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ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３に記載の光合分波器。
5. 前記第１の入出力導波路、前記第２の入出力導波路および前記マルチモード干渉導波路は、リッジ型光導波路であ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光合分波器。
6. 請求項１ないし５に記載の光合分波器と、
   前記光合分波器の前記第１の入出力導波路に接続された、周期的に分極反転された非線形光学媒質からなる第１の光導波路と、
   前記光合分波器の前記第２の入出力導波路に接続された、周期的に分極反転された非線形光学媒質からなる第２の光導波路と
   を備えたことを特徴とする波長変換デバイス。
7. 前記第１の光導波路は、入力された光に対して非線形光学効果における第２高調波光を出力する周期分極反転構造を備え、
   前記第２の光導波路は、入力された光に対して非線形光学効果における差周波発生光を出力する周期分極反転構造を備えることを特徴とする請求項６に記載の波長変換デバイス。
8. 前記第１の光導波路は、入力された光に対して非線形光学効果における第２高調波光を出力する周期分極反転構造を備え、
   前記第２の光導波路は、入力された光に対して非線形光学効果におけるパラメトリック増幅された光を出力する周期分極反転構造を備えることを特徴とする請求項６に記載の波長変換デバイス。
9. 前記第１の光導波路は、入力された光に対して非線形光学効果における第２高調波光を出力する周期分極反転構造を備え、
   前記第２の光導波路は、入力された光に対して非線形光学効果における和周波発生光を出力する周期分極反転構造を備えることを特徴とする請求項６に記載の波長変換デバイス。
10. 前記非線形光学媒質は、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１-ｘ）}Ｏ_３（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ_４、または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ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６ないし９のいずれかに記載の波長変換デバイス。
11. 前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、リッジ型光導波路であることを特徴とする請求項６ないし１０のいずれかに記載の波長変換デバイス。