JP2014224896A

JP2014224896A - 光導波路型回折格子および光モジュール

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Publication number: JP2014224896A
Application number: JP2013103919A
Authority: JP
Inventors: 一智門倉; Kazutomo Kadokura; 徳田　勝彦; Katsuhiko Tokuda; 勝彦徳田; 守久光; Mamoru Hisamitsu; 和哉井上; Kazuya Inoue
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2014-12-04
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: JP6364706B2

Abstract

【課題】強誘電体結晶基板内に形成される回折格子を確実に動作させることができ、回折効率を向上させるとともに任意に変調することができる光導波路型回折格子および光モジュールを提供することを課題とする。
【解決手段】光導波路型回折格子１０は、コア形状がリッジ型とされ、かつ、光路長調整部１１ｐと分極反転周期構造部１１ｒとが設けられた光導波路１１ｇを有する強誘電体結晶基板１１と、強誘電体結晶基板１１を挟むように配置された絶縁層１２と、絶縁層１２の外側に対向配置され、光路長調整部１１ｐに電圧を印加して電界を発生させる光路長調整用電極部１８と、絶縁層１２の外側に対向配置され、分極反転周期構造部１１ｒに電圧を印加して電界を発生させる回折格子用電極部２０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、分極反転周期構造を有する強誘電体結晶基板を備えた光導波路型回折格子および光モジュールに関する。

強誘電体結晶の非線形光学効果や電気光学効果を利用した光導波路素子が知られている。この光導波路素子に関しては、目的とする光を得るために、入射基本波に作用する構造を光導波路に設け、波長変換や光変調を行う素子が提案されている。

また、分極反転周期構造が形成された強誘電体結晶基板からなる光導波路は、電気光学効果により結晶基板内部に誘起される周期的な屈折率分布を持った回折格子を構成することができ、光導波路内を伝播する光を制御することができる。例えば、ＤＢＲ（Distributed bragg refrector）は、特定波長の光を導波路内でブラッグ反射し、導波路を逆方向に伝播する光に変換することができる。この一例として、特許文献１では、残留電界を利用する分極反転型回折格子を光導波路素子内に形成した波長変換素子が開示されている。

特開平７−１３００８号公報

しかし、特許文献１のように残留電界を利用する分極反転型回折格子では、光導波路の作製時における加工歪や応力等の影響により残留電界の制御が難しく、結果として回折効率がばらつくという問題がある。また、回折効率を任意に変調することができないという問題もある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、強誘電体結晶基板内に形成される回折格子を確実に動作させることができ、回折効率を向上させるとともに任意に変調することができる光導波路型回折格子および光モジュールを提供することを課題とする。

本発明の一態様によれば、コア形状がリッジ型とされ、かつ、光路長調整部と分極反転周期構造部とが設けられた光導波路を有する強誘電体結晶基板と、前記強誘電体結晶基板を挟むように配置された絶縁体からなるクラッド部と、前記クラッド部の外側に対向配置され、前記光路長調整部に電圧を印加して電界を発生させる光路長調整用電極部と、前記クラッド部の外側に対向配置され、前記分極反転周期構造部に電圧を印加して電界を発生させる回折格子用電極部と、を備える光導波路型回折格子が提供される。

また、本発明の別の一態様によれば、コア形状がリッジ型とされ、かつ、分極反転周期構造部と波長変換部とが設けられた光導波路を有する強誘電体結晶基板と、前記強誘電体結晶基板を挟むように配置された絶縁体からなるクラッド部と、前記クラッド部の外側に対向配置され、前記分極反転周期構造部に電圧を印加して電界を発生させる回折格子用電極部と、を備える光モジュールが提供される。

また、本発明の更に別の一態様によれば、コア形状がリッジ型とされ、かつ、分極反転周期構造部が設けられた光導波路を有する強誘電体結晶基板と、前記強誘電体結晶基板を挟むように配置された絶縁体からなるクラッド部と、前記クラッド部の外側に対向配置され、前記分極反転周期構造部に電圧を印加して電界を発生させる回折格子用電極部と、を有する光導波路型回折格子を複数備えるとともに、各光導波路型回折格子の前記光導波路からの出射光を重ね合わせる合波手段を備える光モジュールが提供される。

本発明によれば、強誘電体結晶基板内に形成される回折格子を確実に動作させることができ、回折効率を向上させるとともに任意に変調することができる光導波路型回折格子および光モジュールを提供することができる。

第１実施形態の光導波路型回折格子の要部を示す側面断面図である。第１実施形態の光導波路型回折格子の分極反転周期構造の構成を説明する、光導波路に直交する側面断面図である。第２実施形態の光モジュールの要部を示す側面断面図である。第３実施形態の光モジュールの構成を示す平面図である。第３実施形態の光モジュールを構成する光導波路型回折格子の分極反転周期構造を説明する、光導波路に平行な側面断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。ただし、図面は模式的なものであり、寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

［第１実施形態］
まず、第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態の光導波路型回折格子の要部を示す側面断面図である。図２は、本実施形態の光導波路型回折格子の分極反転周期構造を説明する、光導波路に直交する側面断面図である。

本実施形態の光導波路型回折格子１０は、コア形状がリッジ型とされ、かつ、光路長調整部１１ｐと分極反転周期構造部１１ｒとを有する光導波路１１ｇを備えた強誘電体結晶基板１１と、強誘電体結晶基板１１を挟むようにクラッド状に配置された絶縁層１２（１２ａ、１２ｂ）と、絶縁層１２の外側に対向配置され、光路長調整部１１ｐに電圧を印加して電界を発生させる光路長調整用電極部１８（１８ａ、１８ｂ）と、絶縁層１２の外側に対向配置され、分極反転周期構造部１１ｒに電圧を印加して電界を発生させる回折格子用電極部２０（２０ａ、２０ｂ）と、を備える。

強誘電体結晶基板１１は、光路長調整部１１ｐと、光路長調整部１１ｐの出射光側に連続する分極反転周期構造部１１ｒとを有しており、光導波路１１ｇに光路長調整部１１ｐおよび分極反転周期構造部１１ｒが設けられた構造になっている。また、光導波路１１ｇのコア形状はリッジ型とされている。

（強誘電体結晶基板）
強誘電体結晶基板１１としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）またはタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）の単結晶を用いる。なお、光損傷を抑制するためには、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎの元素のうち少なくとも１つがドープされた強誘電体結晶基板を用いることが好ましい。

更に、入射光あるいは出射光として短波長領域（例えば、青色光やＵＶ光）で設計する場合には、光損傷や透明波長領域の観点から、Ｌｉ_２Ｏ／（Ｔａ_２Ｏ_５＋Ｌｉ_２Ｏ）のモル分率が0.495以上で0.505未満であり、かつＭｇＯをドープした、単一分極にされた定比組成または定比組成に近いタンタル酸リチウムの単結晶（ＭｇＯＳＬＴ）を強誘電体結晶基板１１として用いることが好ましい。

図２に示すように、光導波路１１ｇは、伝播効率が高められるリッジ型とされており、リッジ高さＨ（厚み）は、強誘電体結晶基板１１を薄膜化加工することにより形成することができる。なお、ダイシング等の機械加工やフォトリソグラフィを利用したドライエッチング加工によりリッジ（溝）形状に加工することもできる。また、リッジ型の光導波路１１ｇ以外に、平面型の光導波路を用いてもよい。

（電極部）
光導波路型回折格子１０を構成する電極部は、光伝播方向に沿って２箇所以上に分割して配置されており、本実施形態では、光路長調整部１１ｐを挟むように配置された光路長調整用電極部１８と、分極反転周期構造部１１ｒを挟むように配置された回折格子用電極部２０とで構成されている。そして、光路長調整用電極部１８と回折格子用電極部２０とは、強誘電体結晶基板１１のＣ軸方向に対向して配置されている。このように対向した配置構成とするには、例えば、片面に光路長調整用電極部１８ａおよび回折格子用電極部２０ａを形成した基板状の支持体１６ａ、および、片面に光路長調整用電極部１８ｂおよび回折格子用電極部２０ｂを形成した基板状の支持体１６ｂを用いる。このとき、電極材（光路長調整用電極部１８および回折格子用電極部２０）は、密着性の優れたスパッタ法で成膜可能な金属薄膜（Ａｌ、Ｃｒ、Ｔａ等）とすることが好ましい。本実施形態では、光路長調整用電極部１８および回折格子用電極部２０を設けることにより、電極が光伝播方向に沿って２箇所以上に分割して配置された構造になっている。

また、平面視で、支持体１６ａ、１６ｂ、光路長調整用電極部１８、および、回折格子用電極部２０を強誘電体結晶基板１１よりも大きい寸法とすることで、支持体と電極部とのコンタクト構造を容易かつ確実に形成することができている。

分極反転周期構造部１１ｒは、任意の周期λ_１で分極反転周期構造が形成された構造になっており、回折格子用電極部２０によって電界が印加されることで駆動する回折格子を構成している。

駆動原理としては、印加された電界Ｅにより分極反転周期と一致した回折率分布ｎ±Δｎが誘起され、回折格子が形成される。ここで、Δｎは、ｒ３３（電気光学定数）を用いて以下の式で決定される値である。

Δｎ＝ｎ・ｒ３３・Ｅ／２
なお、入射基本波に合わせた分極反転周期は、ミクロン〜サブミクロンの範囲のピッチであり、フォトリソグラフィ法でプロセスした電極に電圧を印加して得る方法、あるいは電子ビーム照射による分極反転手法が知られている。

形成する回折格子周期（すなわち分極反転周期）Λ_１は、入射基本波波長に対し、1/4光路長あるいは1/4の奇数倍周期で形成されており、例えば、屈折率2の強誘電体結晶基板１１に形成する周期は、基本波1064ｎｍに対し、1/4周期で0.13μｍとなる。ここで、回折効率は、電極への印加電圧により調整可能である。

（絶縁体）
光導波路型回折格子１０を構成する絶縁層１２は、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ（酸化窒素膜）、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）などの透明誘電体膜、あるいは透過性の良い接着剤で構成させることができ、強誘電体結晶基板１１（コア）との屈折率差により光閉じ込めを行う構成である。また、導光波の安定的かつ高い光閉じ込め効果のためにも絶縁層１２の厚みを0.5μｍ以上とすることが好ましい。

（支持体）
上述した支持体１６ａ、１６ｂとしては、強誘電体結晶基板１１と相似する基板を用いることが好ましい。例えばＭｇＯＳＬＴと相似する基板としては、ＣＬＴ基板やＢＬＴ基板（ＣＬＴ基板に鉄をドープしたもの）を用いることにより、素子として環境温度変化から受ける影響を小さく抑える効果が得られ、低コストで製造することが可能になる。

（作用、効果）
以下、本実施形態の作用、効果について説明する。本実施形態の光導波路型回折格子１０では、光路長調整用電極部１８によって光路長調整部１１ｐに電界を発生させ、回折格子用電極部２０によって分極反転周期構造部１１ｒに電界を発生させることができる。従って、光導波路型回折格子１０をＤＢＲ（Distributed bragg refrector）として使用することが可能となっている。

光導波路型回折格子１０をＤＢＲとして使用するには、光路長調整用電極部１８および回折格子用電極部２０に電圧を印加し、光路長調整部１１ｐを伝播する入射基本波の一部を分極反転周期構造部１１ｒで反射（ブラッグ反射）させ、外部共振器を形成する。このとき、所望の発振波長（共振器波長）に調整するために、光路長を電界印加によって調整する。すなわち、光路長調整用電極部１８や回折格子用電極部２０に印加する電圧を調整する。

従って、回折格子用電極２０とは別の電極（光路長調整用電極部１８）に任意の電圧を印加して任意の電界を発生させることができ、回折効率に影響することなく個別に光路長調整を行うことができる。よって、強誘電体結晶基板１１内に形成される回折格子を確実に動作させることができ、回折効率を向上させるとともに任意に変調することができる光導波路型回折格子１０が実現される。

また、光路長調整部１１ｐの屈折率を変化させるのに必要な電圧は、強誘電体結晶基板１１の薄膜化により５Ｖ以下に抑えることができるので、光導波路型回折格子１０は低電力でかつ高速で動作する素子として使用され得る。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。図３は、本実施形態の光モジュールの要部を示す側面断面図である。

本実施形態の光モジュール３０は、コア形状がリッジ型とされ、かつ、分極反転周期構造部３１ｃと波長変換部３１ｃとを有する光導波路３１ｇを備えた強誘電体結晶基板３１と、強誘電体結晶基板３１を挟むように配置された絶縁体からなる絶縁層３２（３２ａ、３２ｂ）と、絶縁層３２の外側に対向配置され、分極反転周期構造部３１ｒに電圧を印加して電界を発生させる回折格子用電極部３８（３８ａ、３８ｂ）と、を備える。分極反転周期構造部３１ｃは分極反転周期構造部１１ｒと同等のものであり、絶縁層３２は絶縁層１２と同等のものである。

この構成により、回折格子で入射基本波波長の狭帯域化や波長安定化を図り、その基本波が、同一光導波路上に形成された擬似位相整合（ＱＰＭ）周期Λ_２の分極反転構造によって波長変換されて出射される。

例えば、基本波1064ｎｍから532ｎｍへ波長変換する場合のＱＰＭ周期Λ_２は８μｍとなり、３倍波（波長は３５５ｎｍ）への波長変換では、Λ_２は２μｍとなる。

また、ＱＰＭ次数を大きくする、あるいは強誘電体結晶基板３１の板厚を薄くすることで、分極反転アスペクト比を小さく抑えることができ、分極反転周期構造部３１ｃの均一化を図ることができる。更に、赤外光からＵＶ光まで２段階以上の波長変換周期を同一素子に形成することにより、光モジュール３０を、カスケード的（段階的）に波長変換を行う構造とすることも可能である。

なお、第１実施形態の光導波路型回折格子１０に比べ、分極反転周期構造部１１ｒ、これを挟む絶縁層部分、および、回折格子用電極部２０を備え、光導波路型回折格子１０のうち光路長調整部１１ｐ、これを挟む絶縁層部分、および、光路長調整用電極部１８を備えない構成のものを用い、分極反転周期構造部１１ｒを本実施形態の分極反転周期構造部３１ｃとして用いることも可能である。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。図４は、本実施形態の光モジュールの構成を示す平面図である。図５は、本実施形態の光モジュールを構成する光導波路型回折格子の分極反転周期構造を説明する、光導波路に平行な側面断面図である。

本実施形態の光モジュール５０には、複数の光導波路型回折格子５１と、各光導波路型回折格子５１からの出射光を重ね合わせる合波手段５２を備える。

光導波路型回折格子５１は、第１実施形態の光導波路型回折格子１０に比べ、分極反転周期構造部１１ｒ、これを挟む絶縁層部分、および、回折格子用電極部２０を備え、光導波路型回折格子１０のうち光路長調整部１１ｐ、これを挟む絶縁層部分、および、光路長調整用電極部１８を備えない構成にされている。すなわち、光導波路型回折格子５１は、光導波路１１ｇｈを形成する分極反転周期構造１１ｒと、分極反転周期構造１１ｒを挟むように配置された絶縁体からなる絶縁層１２（１２ａｈ、１２ｂｈ）と、絶縁層１２の外側に対向配置され、分極反転周期構造部１１ｒに電圧を印加して電界を発生させる回折格子用電極部２０（２０ａ、２０ｂ）とを備えている。また、光導波路型回折格子５１は、回折格子用電極部２０ａ、２０ｂをそれぞれ片面に有する支持体１６ａｈ、１６ｂｈを備えている。

合波手段５２は、各光導波路１１ｇｈにそれぞれ連続する連続路５４と、連続路５４が合流して繋がる１本の合流路５６とで構成される。

本実施形態の光モジュール５０では、回折格子用電極部２０に任意の電界を印加することにより、伝播光の回折効率を任意に可変することができるため、各光導波路型回折格子５１の光導波路１１ｇｈの伝播光、すなわち分岐型光導波路の伝播光をそれぞれ所望の光強度に高速変調することができる。

この光モジュール５０では、各光導波路型回折格子５１に応じ、入射光Ｌ_Ｒ（赤色光）、Ｌ_Ｇ（緑色光）、Ｌ_Ｂ（青色光）に対する回折格子周期Λ_Ｒ、Λ_Ｇ、Λ_Ｂの分極反転周期構造部１１ｒＲ、１１ｒＧ、１１ｒＢを強誘電体結晶基板に形成し、絶縁層１２を介して対向するように形成された各回折格子用電極部２０への電圧値を調整することで、最終端の白色出力光をモニタしてフィードバックすることで印加電圧値へ反映させ、所望の比率強度を有する白色出力光を得ることができる。

この光モジュール５０は、ディスプレイおよびプロジェクタ光源に使用することができ、三分岐型の光導波路１１ｇｈに赤色光、緑色光、青色光の三原色光をそれぞれ入射し、合流路５６で合波させて白色出力光を得ている。このとき、入射した赤色光、緑色光、青色光の各強度比率を調整することで、バランスの良い白色出力光を得ることができる。

以上、これらの実施形態では、光導波路型回折格子や光モジュールの入出力端面は光学研磨され、入出射効率を高めるためのＡＲコーティングや、戻り光を防止するための端面カットオフ加工を実施していることが好ましい。

また、これらの実施形態で説明した光導波路型回折格子や光モジュールは、可視光やＵＶ光を発するレーザ光源装置、ディスプレイ、プロジェクタ光源装置などに用いることができる。

１０光導波路型回折格子
１１強誘電体結晶基板
１１ｇ光導波路
１１ｇｈ光導波路
１１ｐ光路長調整部
１１ｒ分極反転周期構造部
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ａｈ、１２ｂｈ絶縁層（クラッド部）
１８、１８ａ、１８ｂ光路長調整用電極部
２０、２０ａ、２０ｂ回折格子用電極部
３０光モジュール
３１強誘電体結晶基板
３１ｃ波長変換部
３１ｒ分極反転周期構造部
３２、３２ａ、３２ｂ絶縁層（クラッド部）
３８、３８ａ、３８ｂ回折格子用電極部
５０光モジュール
５１光導波路型回折格子
５２合波手段

Claims

コア形状がリッジ型とされ、かつ、光路長調整部と分極反転周期構造部とが設けられた光導波路を有する強誘電体結晶基板と、
前記強誘電体結晶基板を挟むように配置された絶縁体からなるクラッド部と、
前記クラッド部の外側に対向配置され、前記光路長調整部に電圧を印加して電界を発生させる光路長調整用電極部と、
前記クラッド部の外側に対向配置され、前記分極反転周期構造部に電圧を印加して電界を発生させる回折格子用電極部と、
を備えることを特徴とする光導波路型回折格子。
前記強誘電体結晶基板は、ＭｇＯをドープしたＬｉＴａＯ_３またはＬｉＮｂＯ_３で構成されることを特徴とする請求項１記載の光導波路型回折格子。
前記強誘電体結晶基板では、Ｌｉ_２Ｏ／（Ｔａ_２Ｏ_５＋Ｌｉ_２Ｏ）のモル分率が0.495以上で0.505未満の範囲であり、かつ、ＭｇＯをドープした単一分極にされた定比組成または定比組成に近いタンタル酸リチウムの単結晶で構成されることを特徴とする請求項１または２記載の光導波路型回折格子。
コア形状がリッジ型とされ、かつ、分極反転周期構造部と波長変換部とが設けられた光導波路を有する強誘電体結晶基板と、
前記強誘電体結晶基板を挟むように配置された絶縁体からなるクラッド部と、
前記クラッド部の外側に対向配置され、前記分極反転周期構造部に電圧を印加して電界を発生させる回折格子用電極部と、
を備えることを特徴とする光モジュール。
コア形状がリッジ型とされ、かつ、分極反転周期構造部が設けられた光導波路を有する強誘電体結晶基板と、前記強誘電体結晶基板を挟むように配置された絶縁体からなるクラッド部と、前記クラッド部の外側に対向配置され、前記分極反転周期構造部に電圧を印加して電界を発生させる回折格子用電極部と、を有する光導波路型回折格子を複数備えるとともに、
各光導波路型回折格子の前記光導波路からの出射光を重ね合わせる合波手段を備えることを特徴とする光モジュール。
前記光導波路型回折格子は、赤色光、青色光、緑色光をそれぞれ出射するように３つ備えられていることを特徴とする請求項５記載の光モジュール。
前記強誘電体結晶基板は、ＭｇＯをドープしたＬｉＴａＯ_３またはＬｉＮｂＯ_３で構成されることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項記載の光モジュール。
前記強誘電体結晶基板では、Ｌｉ_２Ｏ／（Ｔａ_２Ｏ_５＋Ｌｉ_２Ｏ）のモル分率が0.495以上で0.505未満の範囲であり、かつ、ＭｇＯをドープした単一分極にされた定比組成または定比組成に近いタンタル酸リチウムの単結晶で構成されることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項記載の光モジュール。