JP2016191660A - 疑似位相整合（ＱＰＭ：Ｑｕａｓｉ−ＰｈａｓｅＭａｔｃｈｉｎｇ）型波長変換素子の評価装置及び評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非破壊で、かつ試験用素子を用意せずに、ＱＰＭ型波長変換素子の特性を評価できる評価装置及び評価方法を提供する。【解決手段】評価対象のＱＰＭ型波長変換素子２００を構成する光導波路２５０に光を送る光源１０と、光導波路から漏れる光を集光する対物レンズ２０と、対物レンズが集光した光の強度を検出する検出部４０とを備える【選択図】図１

Description

この発明は、ＱＰＭ型波長変換素子を評価する装置及び方法に関する。

非線形光学効果に基づく波長変換の手法としてＱＰＭがある。このＱＰＭを光導波路において実現させた波長変換素子として、ＱＰＭ型波長変換素子がある（例えば特許文献１参照）。ＱＰＭ型波長変換素子は、光導波路に周期的分極反転構造を作り込んで構成される。

相互作用する光のエネルギー密度が大きいほど、また、光が相互作用する長さ（相互作用長）が大きいほど、非線形光学効果は大きくなる。従って、光導波路において非線形光学効果を実現させるためには、光のエネルギー密度を高い状態に保ったまま、光を十分な距離を伝播させる構造にすることが必要である。

ここで、ＱＰＭ型波長変換素子において、第二高調波発生（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）による波長変換効率は、相互作用長の２乗に比例し、規格化した［％／Ｗ・ｃｍ^２］の単位で表される。しかし、これは被変換光及び変換光の伝播損失が考慮されない場合である。実際には、被変換光及び変換光ともに伝播損失が生じる。そのため、変換光の出力強度は、相互作用長を大きくすることによる増加、及び伝播損失による減衰の双方の影響を受ける。ＳＨＧによる波長変換において、変換光は被変換光の半分の短波長であるため、伝播損失の影響が顕著となる。従って、相互作用長は、単に大きく設定すれば良いわけではなく、伝播損失を抑えつつ、高い変換効率を得るための最適値を見出す必要がある。そのため、ＱＰＭ型波長変換素子における相互作用長の最適値を見出すに当たり、波長変換効率や伝播損失といった特性を評価することが重要である。

従来のＱＰＭ型波長変換素子の評価方法として、ＱＰＭ型波長変換素子と外部の光学素子（光ファイバやレンズ等）との間で光の入出力を行う方法がある。この場合には、出力光を測定する。そして、入力光強度と測定された出力光強度との関係から、損失及び波長変換効率を求める。

しかし、この従来の方法において求められる損失には、ＱＰＭ型波長変換素子における伝播損失のみならず、ＱＰＭ型波長変換素子と外部の光学素子との間の結合損失が含まれる。この結合損失は、正確な値を見積もることが困難である。そのため、従来の方法では、伝播損失を正確に評価することが難しかった。また、結合損失の不確かさにより、ＱＰＭ型波長変換素子への実際の入力光強度及び出力光強度も正確にはわからない。そのため、波長変換効率の評価についても、正確とはいえなかった。

より正確に伝播損失を測定する方法として、カットバック法がある。カットバック法は、素子長の異なる複数の光学素子の入出力特性を比較することによって、伝播損失を求める。しかし、カットバック法では、素子長の異なる複数の光学素子を用意するに当たり、光学素子を切断する等の破壊を行う必要がある。すなわち、カットバック法は、破壊検査である。

また、ＱＰＭ型波長変換素子の評価方法として、ＱＰＭ型波長変換素子を構成する光導波路に、蛍光体又は散乱体を含む薄膜を形成する方法がある（例えば特許文献２参照）。この方法では、光導波路から漏れた光による蛍光又は散乱光を撮影する。しかし、この方法では、製造過程において、薄膜を形成するプロセスが増える、という問題がある。また、蛍光体や散乱体は、それ自体が伝播損失の原因となる。そのため、製品として出荷するＱＰＭ型波長変換素子に対して適用することは好ましくない。従って、この方法を行う場合には、試験用のＱＰＭ型波長変換素子を作製する必要がある。

ＱＰＭ型波長変換素子は製造が難しい。そのため、製造コストに鑑みて、ＱＰＭ型波長変換素子に対して、破壊検査であるカットバック法や、試験用素子を用意する必要がある検査を適用することは好ましくない。

上述した各方法の他に、ＱＰＭ型波長変換素子の特性を評価するに当たり、プリズム結合法を適用して、被変換光の強度を測定することが考えられる。しかし、プリズム結合法では、光導波路表面に密着させた状態のプリズムを、伝播方向に走査することは困難である。従って、ＱＰＭ型波長変換素子における被変換光の強度分布を取得することが難しい。また、プリズムを密着させることによって、ＱＰＭ型波長変換素子を構成する光導波路が破損する恐れがある。

特開２００５−７０５２９号公報 特開平５−２４８９９１号公報

そこで、この発明の目的は、非破壊で、かつ試験用素子を用意せずに、ＱＰＭ型波長変換素子の特性を評価できる評価装置及び評価方法を提供することにある。

上述の目的を達成するために、この発明の、ＱＰＭ型波長変換素子の評価装置は、以下の特徴を備えている。

すなわち、ＱＰＭ型波長変換素子の評価装置は、評価対象のＱＰＭ型波長変換素子を構成する光導波路に光を送る光源と、光導波路から漏れる光を集光する対物レンズと、対物レンズが集光した光の強度を検出する検出部とを備える。

また、この発明の、ＱＰＭ型波長変換素子の評価方法は、以下の過程を含んでいる。

すなわち、ＱＰＭ型波長変換素子の評価方法は、評価対象のＱＰＭ型波長変換素子を構成する光導波路に光を送る第１過程と、光導波路から漏れる光を集光する第２過程と、集光した光の強度を検出する第３過程とを含む。

この発明の、ＱＰＭ型波長変換素子の評価装置及び評価方法では、光導波路から漏れる光（漏れ光）の強度を検出する。漏れ光の強度は、光導波路を伝播する光の強度に対応するため、漏れ光の強度に基づいて、ＱＰＭ型波長変換素子の特性を評価することができる。

また、この発明の、ＱＰＭ型波長変換素子の評価装置及び評価方法では、対物レンズで漏れ光を集光することによって、漏れ光の強度を検出できる。そのため、ＱＰＭ型波長変換素子の破壊、又はＱＰＭ型波長変換素子に対する薄膜の形成若しくはプラズマの密着を必要としない。従って、この発明の、ＱＰＭ型波長変換素子の評価装置及び評価方法では、非破壊で、かつ試験用素子を用意することを要さずに、ＱＰＭ型波長変換素子の特性を評価することができる。

この発明による、ＱＰＭ型波長変換素子の評価装置を示す概略図である。 この発明による、ＱＰＭ型波長変換素子の評価装置及び評価方法を用いて取得した、光導波路の光伝播方向に沿った漏れ光の強度分布を示す図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（ＱＰＭ型波長変換素子の評価装置）
図１を参照して、この発明の実施の形態による、ＱＰＭ型波長変換素子の評価装置（単に評価装置とも称する）について説明する。図１は、評価装置を示す概略図である。

評価装置１００では、評価対象のＱＰＭ型波長変換素子２００に対して、光を入力する。そして、ＱＰＭ型波長変換素子２００を構成する光導波路から漏れる光の強度を検出する。評価装置１００は、この検出された漏れ光の強度に基づいて、ＱＰＭ型波長変換素子２００の波長変換特性を求める。

評価対象のＱＰＭ型波長変換素子２００は、光導波路２５０に周期的分極反転構造を作り込んで構成される。ＱＰＭ型波長変換素子２００は、例えば周期的分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ：Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ−Ｐｏｌｅｄ ＬｉＮｂＯ_３）である。ＱＰＭ型波長変換素子２００は、周期的分極反転構造に応じたＱＰＭ波長の被変換光を、ＳＨＧによって波長変換する。

ここでは、ＱＰＭ型波長変換素子２００において、光導波路２５０の一端２５０ａから入力される光が、他端２５０ｂから出力される。従って、ＱＰＭ型波長変換素子２００に入力される光は、一端２５０ａから他端２５０ｂへの方向へ光導波路２５０を伝播する。一端２５０ａからＱＰＭ波長の被変換光が入力される場合には、被変換光から波長変換された変換光が他端２５０ｂから出力される。なお、図１においては、光導波路２５０における光伝播方向を矢印Ｒで示してある。光導波路２５０は、光伝播方向に沿って例えば直線的に延在している。

評価装置１００は、光源１０、対物レンズ２０、ビームスプリッタ３０、検出部４０、処理部５０、撮像部６０及び画像表示部７０を備えて構成されている。また、評価対象のＱＰＭ型波長変換素子２００は、評価装置１００が備える載置台（図示せず）に載置される。

光源１０は、光を生成して、ＱＰＭ型波長変換素子２００を構成する光導波路２５０に送る。ここでは、光源１０は、ＱＰＭ波長の被変換光を生成して、光導波路２５０に送る。光源１０としては、例えばＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等のレーザを用いることができる。

光源１０と光導波路２５０とは、例えば光ファイバ９１によって接続されている。光源１０が生成した光は、光ファイバ９１を経て、一端２５０ａから光導波路２５０に入力される。

対物レンズ２０は、光導波路２５０の、光伝播方向Ｒに沿った側面２５０ｃと対向して配置される。そして、対物レンズ２０は、光導波路２５０から漏れる光（漏れ光）を集光する。この実施の形態では、光導波路２５０において被変換光から波長変換されて生成された変換光のうち、光導波路２５０の側面２５０ｃから漏れる変換光を、対物レンズ２０は集光する。対物レンズ２０の倍率は、光導波路２５０の幅（光伝播方向Ｒに直交する方向の寸法）に応じて設定される。

また、ＱＰＭ型波長変換素子２００が載置される載置台及び対物レンズ２０の一方又は双方は、光伝播方向Ｒに沿って水平移動が可能となっている。そのため、光導波路２５０と対物レンズ２０との、光伝播方向Ｒに沿った相対位置を変更することができる。従って、対物レンズ２０は、光伝播方向Ｒに沿って掃引して、光導波路２５０からの漏れ光を集光することができる。この実施の形態では、対物レンズ２０が、光導波路２５０との対向位置を光伝播方向Ｒに沿って変更しつつ、各位置における漏れ光を集光する。従って、対物レンズ２０は、光導波路２５０の一端２５０ａ及び他端２５０ｂ間の複数の位置からの漏れ光を集光する。

対物レンズ２０は、集光した漏れ光をビームスプリッタ３０に送る。ビームスプリッタ３０は、対物レンズ２０から送られる漏れ光を２分岐する。ビームスプリッタ３０は、２分岐した漏れ光の一方を、フィルタ８１、第１接続用レンズ８３及び光ファイバ９３を順次に経て検出部４０に送る。

フィルタ８１は、漏れ光として検出すべき変換光以外の波長帯の光を除去する。そのため、例えば対物レンズ２０が、変換光以外の光を不所望に集光した場合であっても、フィルタ８１でこれら不所望に集光した光を除去することができる。

第１接続用レンズ８３は、フィルタ８１から送られる漏れ光を集光し、光ファイバ９３に送る。

光ファイバ９３は、検出部４０と接続されており、第１接続用レンズ８３から送られる漏れ光を検出部４０に送る。

検出部４０は、漏れ光の強度を検出する。検出部４０としては、例えばＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）等の光検出器を用いることができる。ここでは、検出部４０は、漏れ光として変換光の強度を検出する。そのため、検出部４０として、変換光の波長に応じて最適化された光検出器を用いるのが好ましい。検出部４０は、検出した漏れ光の強度の情報を処理部５０に送る。

処理部５０は、検出部４０から送られる強度の情報を記録する。処理部５０としては、例えばコンピュータ等を用いることができる。ここで、上述したように、この実施の形態では、対物レンズ２０が、光導波路２５０の光伝播方向Ｒに沿った複数の位置からの漏れ光を集光する。従って、処理部５０には、光導波路２５０の各位置からの漏れ光の強度の情報が送られる。処理部５０は、受け取った漏れ光の強度の情報を、光導波路２５０の位置毎に記録する。そして、処理部５０は、各位置における漏れ光の強度の情報に基づいて、光導波路２５０の、光伝播方向Ｒに沿った漏れ光の強度分布を取得する。

また、上述したビームスプリッタ３０は、２分岐した漏れ光の他方を、第２接続用レンズ８５を経て撮像部６０に送る。

第２接続用レンズ８５は、ビームスプリッタ３０から送られる漏れ光を集光し、撮像部６０に送る。

撮像部６０は、第２接続用レンズ８５から送られる漏れ光を撮像する。また、撮像部６０は、対物レンズ２０、ビームスプリッタ３０及び第２接続用レンズ８５の系によって結ばれた、光導波路２５０の側面２５０ｃの像を撮像する。撮像部６０は、撮像した漏れ光や光導波路２５０の像から、光導波路２５０の画像情報を生成する。撮像部６０としては、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラを用いることができる。撮像部６０は、生成した画像情報を画像表示部７０に送る。

画像表示部７０は、撮像部６０から送られる画像情報を視認可能に表示する。画像表示部７０としては、例えば周知のモニタ等を用いることができる。画像表示部７０に表示される光導波路２５０の画像情報は、例えば対物レンズ２０と光導波路２５０との位置合わせや、対物レンズ２０の倍率設定等に用いることができる。

（ＱＰＭ型波長変換素子の評価方法）
この発明の実施の形態による、ＱＰＭ型波長変換素子の評価方法（単に評価方法とも称する）について説明する。この実施の形態による評価方法は、上述した評価装置１００を用いて行う。

光源１０を用いて、評価対象のＱＰＭ型波長変換素子２００を構成する光導波路２５０に光を送る。ここでは、ＱＰＭ波長の被変換光を光導波路２５０に送る。被変換光は、光導波路２５０を伝播しつつ、ＳＨＧによって変換光に変換される。変換光は、光導波路２５０の他端２５０ｂから出力される。なお、変換光は、光導波路２５０の他端２５０ｂから出力されるのみならず、光導波路２５０の側面２５０ｃから漏れ光として漏れる。この漏れ光を、対物レンズ２０を用いて集光する。そして、対物レンズ２０が集光した漏れ光としての変換光の強度を、検出部４０を用いて検出する。

対物レンズ２０は、光導波路２５０の一端２５０ａ及び他端２５０ｂ間の複数の位置からの漏れ光を集光する。この実施の形態による評価方法では、これら各位置における漏れ光の強度の情報に基づき、処理部５０を用いて、光伝播方向Ｒに沿った漏れ光の強度分布を取得する。

漏れ光としての変換光の強度は、光導波路２５０において被変換光から波長変換されて生成される変換光の強度に比例する。従って、光伝播方向Ｒに沿った漏れ光の強度分布を取得することによって、光導波路２５０における光伝播方向Ｒに沿った位置と、その位置において生成される変換光の強度との関係がわかる。従って、漏れ光の強度分布に基づいて、光導波路２５０の光伝播方向Ｒに沿った長さと波長変換効率との関係がわかる。

従って、この実施の形態による評価装置及び評価方法では、非破壊で、かつ試験用素子を用意することを要さずに、ＱＰＭ型波長変換素子における波長変換特性を評価することができる。そして、この実施の形態による評価装置及び評価方法では、光導波路２５０の光伝播方向Ｒに沿った長さと波長変換特性との関係に基づいて、光導波路２５０の適当な長さ（すなわちＱＰＭ型波長変換素子の素子長）を決定することができる。

（特性評価）
発明者は、この実施の形態による評価装置及び評価方法を用いて、ＱＰＭ型波長変換素子を評価する実験を行った。

この実験では、評価対象のＱＰＭ型波長変換素子２００として、光導波路２５０の長さが５６ｍｍ及び幅が９μｍであるＰＰＬＮを用いた。また、ＰＰＬＮのＱＰＭ波長に対応して、光導波路２５０に入力する被変換光の波長を１５４９．７５ｎｍとした。この場合、ＱＰＭ型波長変換素子２００において、ＳＨＧによって生成される変換光の波長は７７５ｎｍ程度である。そして、光導波路２５０の寸法及び変換光の波長に最適化して、対物レンズ２０、フィルタ８１、第１接続用レンズ８３及び検出部４０を設計した。ここでは、対物レンズ２０の倍率を１０倍に設定し、集光可能な領域幅が１０μｍ程度となるように構成した。そして、光導波路２５０の光伝播方向Ｒに沿った複数の位置において漏れ光（変換光）を集光した。これら各位置における漏れ光の強度を検出し、光伝播方向Ｒに沿った漏れ光の強度分布を取得した。

この実験で取得した強度分布を図２に示す。図２では、縦軸に、漏れ光（変換光）としての強度を任意単位でとって示してある。また、横軸に、対物レンズ２０による集光位置として、集光位置に対応する光導波路２５０の長さをｍｍ単位でとって示してある。なお、横軸における原点（０ｍｍ）は、光導波路２５０の一端２５０ａの位置に対応する。

また、図２に示す各点は、光導波路２５０の光伝播方向Ｒに沿った各位置における漏れ光の強度の実測値である。上述したように、これらの強度は、光導波路２５０の各位置において生成される変換光の強度に対応する。

また、図２に示す曲線は、実測値である各点の強度から求めた近似線である。ここでは、図２に示す曲線を決定するに当たり、各点の強度に基づく変化率及び変換光の伝播損失をパラメータとしてフィッティングすることにより、図２に示す曲線を決定した。

図２に示すように、漏れ光としての変換光の強度は、光導波路２５０が長くなるに従って増加する。そして、光導波路２５０の長さが４７ｍｍ付近となる位置で飽和する。従って、この実験に用いたＱＰＭ型波長変換素子２００では、光導波路２５０の長さを４７ｍｍ以上に設計することによって、波長変換効率を最大にすることができる。

ここで、上述したように、この実験では、光導波路２５０の長さが５６ｍｍであるＱＰＭ型波長変換素子２００を用いた。そして、図２の結果より、光導波路２５０の長さを少なくとも４７ｍｍに設計すれば、波長変換効率が最大となることがわかった。従って、光導波路２５０の長さを、実験に用いたＱＰＭ型波長変換素子２００よりも１６％程度短くしても、最大の波長変換効率が得られる。そのため、最大の波長変換効率を確保しつつ、ＱＰＭ型波長変換素子２００を縮小化することができる。

このように、この実施の形態による評価装置及び評価方法を用いることによって、波長変換効率の評価、及び光導波路２５０の長さ（すなわちＱＰＭ型波長変換素子の素子長）の最適値を求めることができる。

１０：光源
２０：対物レンズ
３０：ビームスプリッタ
４０：検出部
５０：処理部
６０：撮像部
７０：画像表示部
８１：フィルタ
８３：第１接続用レンズ
８５：第２接続用レンズ
９１：９３：光ファイバ
１００：評価装置
２００：ＱＰＭ波長変換素子
２５０：光導波路

Claims (6)

1. 評価対象のＱＰＭ型波長変換素子を構成する光導波路に光を送る光源と、
   前記光導波路から漏れる光を集光する対物レンズと、
   前記対物レンズが集光した光の強度を検出する検出部と
   を備えることを特徴とするＱＰＭ型波長変換素子の評価装置。
2. 前記光源は、前記ＱＰＭ型波長変換素子に、ＱＰＭ波長の被変換光を送り、
   前記対物レンズは、前記漏れる光として、前記ＱＰＭ型波長変換素子によって前記被変換光から変換された変換光を集光する
   ことを特徴とする請求項１に記載のＱＰＭ型波長変換素子の評価装置。
3. 前記検出部が検出した強度に基づき、前記光導波路における光伝播方向に沿った、前記漏れる光の強度分布を取得する処理部をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のＱＰＭ型波長変換素子の評価装置。
4. 評価対象のＱＰＭ型波長変換素子を構成する光導波路に光を送る第１過程と、
   前記光導波路から漏れる光を集光する第２過程と、
   前記集光した光の強度を検出する第３過程と
   を含むＱＰＭ型波長変換素子の評価方法。
5. 前記第１過程において、前記ＱＰＭ型波長変換素子に、ＱＰＭ波長の被変換光を送り、
   前記第２過程において、前記漏れる光として、前記ＱＰＭ型波長変換素子によって前記被変換光から変換された変換光を集光する
   ことを特徴とする請求項４に記載のＱＰＭ型波長変換素子の評価方法。
6. 前記第３過程において検出した強度に基づき、前記光導波路における光伝播方向に沿った、前記漏れる光の強度分布を取得する
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載のＱＰＭ型波長変換素子の評価方法。
   

Images