JP2019007996A - 平面光回路積層デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】非対称コアを有する導波路に対し、対称性を有する平面光回路を用いて２波長帯の光を最適結合することが可能な平面光回路積層デバイスを提供すること。【解決手段】平面光回路積層デバイス１００は、異なる２波長帯の光をそれぞれ導波する上側平面光回路１１０と下側平面光回路１２０とを積層したものである。上側平面光回路１１０および下側平面光回路１２０の出射端面は、上側平面光回路１１０および下側平面光回路１２０の積層方向に傾斜している。また上側平面光回路１１０の出射端面には、少なくとも上側平面光回路１１０を伝搬する光の波長の光を反射する反射膜１１１が設けられている。また下側平面光回路１２０の出射端面には、上側平面光回路１１０を伝搬する光の波長の光を反射し、かつ、下側平面光回路１２０を伝搬する光の波長の光を透過する反射膜１２１が設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、非線形光学導波路への入射光をガイドする平面光回路積層デバイスに関し、具体的には、非線形光学導波路へ異なる波長帯の光を最適に結合するための平面光回路積層デバイスに関する。

非線形光学効果を用いた光応用技術は、新しい光通信分野や光を用いた量子情報通信分野において期待されている。非線形光学効果の中でも基本的な効果として波長変換が知られている。波長変換では非線形光学媒質へ入射する光を別の周波数を有する光に変換することができる。この特性を利用し、レーザー単体では発振が困難な波長帯の光を発生させる技術として広く知られている。特に、２次非線形材料で大きな非線形定数を持つニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）を用いた周期分極反転導波路は、その非線形光学効果の効率の高さから既に市販されている光源内に組み込まれている。

二次非線形光学効果では、波長λ１、λ２の光を入力して新たな波長λ３を発生させる。
１／λ３＝１／λ１＋１／λ２ （式１）
を満たす波長変換を和周波発生（ＳＦＧ）と呼び、λ１＝λ２の場合、すなわち（式１）を変形して、
λ３＝λ１／２ （式２）
を満たす波長変換を第二高調波発生（ＳＨＧ）と呼ぶ。さらに、
１／λ３＝１／λ１−１／λ２ （式３）
を満たす波長変換を差周波発生（ＤＦＧ）と呼ぶ。さらには波長λ１の光のみが入力されて（式３）を満たす波長λ２、λ３の光を発生する光パラメトリック効果も存在する。特にＳＨＧ、ＳＦＧは入力光に対して短波長の光、すなわちエネルギーの高い光を新たに発生するため、可視光域の発生などに良く利用される。

これらの二次非線形光学効果を効率良く起こすためには、相互作用する３波長の位相不整合量が０であることが求められる。そこで従来より二次非線形光学材料の分極を周期的に反転させることにより疑似的に位相不整合量を０にする手法が用いられている。その時の反転周期をΛとすると、（式１）で示される和周波発生において波長λ１、λ２、λ３に対し下記（式４）を満たすΛを設定すれば良い。
ｎ３／λ３−ｎ２／λ２−ｎ１／λ１−１／Λ＝０ （式４）
ここでｎ１は波長λ１での屈折率、ｎ２は波長λ２での屈折率、ｎ３は波長λ３での屈折率である。

このような周期分極反転構造に加え、その周期分極反転構造を導波路化することにより高効率な二次非線形光学効果を用いた波長変換が可能となる。また非線形光学効果は非線形相互作用を引き起こす光の重なり密度が高いほどその効果も大きくなる。従って、光を小さい断面積に閉じ込め、かつ長い距離にわたって光を導波させることが可能な導波路構造の採用により、より高効率な波長変換が可能になる。

（直接接合型リッジ型導波路）
非線形光学結晶を用いた導波路構造の実現にはＴｉ拡散やプロトン交換による手法が一般的であった。しかし、近年では波長変換素子として、結晶のバルクの特性をそのまま利用でき、高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計の容易性等の特徴を持つリッジ型の光導波路が研究開発されている（非特許文献１参照）。このリッジ型光導波路は、２枚の基板を接合した後、一方の基板を薄膜化し、さらにリッジ加工を施すことにより形成される。この基板を接合する際に、接着剤等を用いず基板同士を強固に接合する技術として、直接接合技術が知られている。この技術を用いた直接接合型リッジ型導波路は、強い光を入射することができ、導波路化技術の進展と共に小コア化に成功しており、その非線形光学効率は向上の一途をたどっている（非特許文献２参照）。

（光入射）
前述の非線形光学効果を用いた導波路デバイスを動作させるうえで重要となるのが、効率よく複数波長の光を非線形光学導波路へ結合させることである。その際、全く異なる複数の波長帯の光を同時に結合する必要がある場合もある。非特許文献３に挙げられるような光通信ネットワークの中継系に位相感応増幅器を適用する場合、１．５μｍ帯の通信波長帯だけでなく、その二倍波となる７８０ｎｍ帯の光も同時に非線形光学導波路に結合させる必要がある。

複数波長の光を光結合する手法としては、ダイクロイックミラーやレンズを用いる手法、平面光回路を用いて２波長帯を合波させ、そのまま平面光回路を非線形光学導波路に付け合わせる手法等が考えられる。前者では多数の光学部品を正確に位置決めして組み立てる必要があり、実装コストが大きくなってしまう。一方、平面光回路では合波機能を平面光回路内で実現することは容易であり、実装も容易であるという特徴を有する。さらに、近年では石英系平面光回路の加工精度が上昇し、その平面上で実現できる機能が多様化している。従って、平面光回路を用いた光結合は非線形光学デバイスの応用技術の発展に寄与するものである。

Y. Nishida， H. Miyazawa， M. Asobe， O. Tadanaga， and H. Suzuki，"Direct-bonded QPM-LN ridge waveguide with high damage resistance at room temperature，" Electronics Letters， Vol.39， No. 7， p.609-611， 2003. T. Umeki， O. Tadanaga， and M. Asobe， ‘Highly Efficient Wavelength Converter Using Direct-Bonded PPZnLN Ridge Waveguide，’ IEEE Journal of Quantum Electronics， Vol. 46， No. 8， pp. 1206-1213， 2010. T. Umeki， T. Kazama， O. Tadanaga， M. Asobe， Y. Miyamoto， and H. Takenouchi， "PDM Signal Amplification Using PPLN-Based Polarization-Independent Phase-Sensitive Amplifier，" J. Lightwave Technol.， Vol. 33， No. 7， P.1326-1331， 2015.

上述のように、非線形光学効果を効果的に活用するためには、全く異なる複数波長帯の光を効率よく非線形光学媒体に入射する必要がある。図１に、非線形光学媒質からなる光導波路の斜視図を示す。図１に示す光導波路１０は、基板１１上にコア１２が形成された、空間的な非対称性を有するリッジ導波路であり、コア１２が非線形光学媒質からなる光導波路である。このような光導波路１０では、屈折率の波長依存性に起因して光電界分布の中心位置が波長によって異なる。

図２に、直接接合型ニオブ酸リチウム導波路内における波長７８０ｎｍ、１５６０ｎｍの光に対する基本モードの電界分布の様子を示す。図２に示す実線が波長７８０ｎｍ、破線が１５６０ｎｍに対応する。図に示すように、異なる波長帯では、基本モードの最大振幅をとるコアの中心位置がコアの非対称性に起因して縦方向、すなわちコア１２の基板１１と接する面からそれと対向する面に向かう方向にずれている。このようなリッジ型の非線形光学導波路に対し、周囲を同質なクラッドで覆われて空間的な対称性を有し、コアの中心位置が波長依存性を持たない石英系平面光回路を用いて複数波長の光を合波して光入射を行う場合、リッジ型の非線形光学導波路の波長毎のコアの中心位置のずれに起因した結合効率の低下が課題となる。

本発明は、上記の課題を解決する手法であり、本発明の目的は、非対称コアを有する導波路に対し、対称性を有する平面光回路を用いて２波長帯の光を最適結合することが可能な平面光回路積層デバイスを提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明は、平面光回路積層デバイスであって、導波光が所定の入射角で入射するように傾斜した出射端面が形成され、積層された第１および第２の平面光回路と、前記第１および第２の平面光回路の前記傾斜した出射端面上に形成され、前記第１および第２の平面光回路の一方で導波される第１の導波光を透過し、前記第１および第２の平面光回路の他方で導波され、前記第１の導波光と異なる波長の第２の導波光を反射する波長依存性を有する反射膜と、を備え、前記第１の導波光は、前記第１の平面光回路の前記反射膜を透過し、前記第２の導波光は、前記第２の平面光回路の前記反射膜と前記第１の平面光回路の前記反射膜とで反射され、前記第１の平面光回路の前記反射膜から出射された前記第１および第２の導波光の光軸は、前記第１および第２の平面光回路の積層方向に離間していることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の平面光回路積層デバイスにおいて、前記第１および第２の平面光回路の前記出射端面は、前記第１および第２の平面光回路の積層方向の同方向に傾斜していることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の平面光回路積層デバイスにおいて、前記第１および第２の平面光回路の前記出射端面は、前記第１および第２の導波光の入射角が４５°以下となるよう形成されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の平面光回路積層デバイスにおいて、前記第１および第２の平面光回路の前記出射端面は、前記第１の平面光回路の前記反射膜から出射された前記第１および第２の導波光の光軸が平行になるよう形成されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の平面光回路積層デバイスにおいて、前記第１の平面光回路上に前記第２の平面光回路を配置されたときに前記第１の平面光回路の出射端面上の前記反射膜と前記第２の平面光回路との間隙が埋まるように形成された埋め込み層をさらに備え、前記埋め込み層は、前記第１および第２の導波光に対して透明であり、少なくとも前記第１の導波光の出射方向に対して垂直な出射端面を有することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の平面光回路積層デバイスにおいて、前記第１および第２の平面光回路は、誘電体または半導体からなることを特徴とする。

本発明は、石英系平面光回路を用いて、効率良く２波長帯の光を非線形光学導波路に最適結合させることができる。

非線形光学媒質からなる光導波路を示す斜視図である。 直接接合型ニオブ酸リチウム導波路内における波長７８０ｎｍ、１５６０ｎｍの光に対する基本モードの電界分布の様子を示す図である。 本発明の一実施形態に係る平面光回路積層デバイスおよび非線形光学導波路の導波方向の断面図である。 本発明の一実施例に係る平面光回路積層デバイスおよび非線形光学導波路の導波方向の断面図である。 本発明の一実施例に係る平面光回路積層デバイスの上側平面光回路１１０および下側平面光回路１２０の導波方向に垂直な断面図である。 一般的な平面光回路および非線形光学導波路を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図３に、本発明の一実施形態に係る平面光回路積層デバイスおよび非線形光学導波路の導波方向の断面図を示す。平面光回路積層デバイス１００は、異なる２波長帯の光をそれぞれ導波する上側平面光回路１１０と下側平面光回路１２０とを積層したものである。

上側平面光回路１１０および下側平面光回路１２０の出射端面は、上側平面光回路１１０および下側平面光回路１２０の積層方向に傾斜している。また上側平面光回路１１０の出射端面には、少なくとも上側平面光回路１１０を伝搬する光の波長の光を反射する反射膜１１１が設けられている。また下側平面光回路１２０の出射端面には、上側平面光回路１１０を伝搬する光の波長の光を反射し、かつ、下側平面光回路１２０を伝搬する光の波長の光を透過する反射膜１２１が設けられている。

下側平面光回路１２０の反射膜１２１の上には、反射膜１２１と上側平面光回路１１０との間隙が埋まるように、非線形光学導波路１０に入射する複数の光に対して透明な材料で埋め込み層１２２が形成されることが望ましい。また埋め込み層１２２は、非線形光学導波路１０との接続のために非線形光学導波路１０の入射端面と平行な端面を有することが望ましい。これは平面光回路積層デバイス１００と非線形光学導波路１０の接続において、従来の通信デバイス実装方法である接着剤による接続が実現できるからである。さらに、非線形光学導波路１０の入射端面に対して、反射膜１２１から透過または反射してきた光が垂直に入射することが望ましく、そのために埋め込み層１２２を下側平面光回路１２０の実行屈折率と等しい屈折率にしたり、上側平面光回路１１０の端面の角度を調整したりすることが望ましい。

上側平面光回路１１０の導波光は、上側平面光回路１１０の反射膜１１１で反射されて埋め込み層１２２に入射し、下側平面光回路１２０の反射膜１２１でさらに反射されて非線形光学導波路１０に向かって埋め込み層１２２から出射される。一方、下側平面光回路１２０の導波光は、下側平面光回路１２０の反射膜１２１を透過して埋め込み層１２２に入射し、非線形光学導波路１０に向かって埋め込み層１２２から出射される。このとき、埋め込み層１２２から出射される２波長帯の光の光軸は、上側平面光回路１１０および下側平面光回路１２０の積層方向、すなわち非線形光学導波路１０のコア１２の基板１１と接する面からそれと対向する面に向かう方向に離間するように光軸調整される。さらに、埋め込み層１２２から出射される２波長帯の光の光軸は、平行であることが望ましい。２波長帯の光の光軸を平行にすることで、非線形光学導波路１０の入射端面に対して両方を垂直に入射させることができ、接続損失を低減することができる。

本発明では、上側平面光回路１１０と下側平面光回路１２０との相対的な位置関係により、埋め込み層１２２から出射される２波長帯の光の中心位置を波長毎に調整可能にしている。すなわち、図３に示す構成では、上側平面光回路１１０を下側平面光回路１２０に対して非線形光学導波路１０側にずらして配置すると、上側平面光回路１１０からの光の埋め込み層１２２の出射端面における中心位置は下がる。逆に、上側平面光回路１１０を下側平面光回路１２０に対して非線形光学導波路１０側と反対側にずらして配置すると、上側平面光回路１１０からの光の埋め込み層１２２の出射端面における中心位置は上がる。上側平面光回路１１０および下側平面光回路１２０は、異なる波長帯の光がリッジ型の非線形光学導波路１０に対してそれぞれ最適結合するよう調整された位置に固定されている。

反射膜１１１、１２１が設けられた上側平面光回路１１０および下側平面光回路１２０の出射端面は、導波光の光回路積層方向の入射角がより小さくなるよう形成することで、光中心の移動量に対する平面光回路のずらし量を大きくすることができる。これにより、上側平面光回路１１０の位置決めが容易な構造とすることができる。但し、この光回路積層方向の入射角を小さくしていくと、埋め込み層１２２の出射端面までの光路長が長くなり、非線形光学導波路１０の入射端面に入射する光ビームの直径が大きくなって接続効率が落ちる。そのため、上側平面光回路１１０および下側平面光回路１２０の出射端面の角度は、位置決め容易性と接続効率との両者を考慮して設定されるべきである。

本デバイスでは上側平面光回路１１０と下側平面光回路１２０を構成する材料はそれぞれ異なる構成をとることができ、導波する波長によってそれぞれの材料を変更させることが望ましい。上側平面光回路１１０および下側平面光回路１２０光導波路を構成する物質は、ケイ素、二酸化ケイ素、ニオブ酸リチウム、インジウムリン、ポリマー等の誘電体や半導体、もしくはそれらに添加物を加えた化合物など、使用する光に対して透明であればよい。

以下、さらに本発明の実施例について、詳細に説明する。

（実施例）
図４に、本発明の一実施例に係る平面光回路積層デバイスおよび非線形光学導波路の導波方向の断面図を示す。上側平面光回路１１０および下側平面光回路１２０は、ＳｉＯ₂を主成分とする誘電体からなり、導波路構造としてコア１１２、１２３には添加物が含まれ、周囲のクラッド１１３、１２４よりも屈折率が高い構造を有している。本実施例では、上側平面光回路１１０では１．５μｍ帯の光に対して、下側平面光回路１２０では７８０ｎｍ帯の光に対して各々の導波路のコア形状が最適化されている。上側平面光回路１１０と下側平面光回路１２０は別々に作製を行った。

上側平面光回路１１０および下側平面光回路１２０の出射端面は、上側平面光回路１１０および下側平面光回路１２０の出射端面に対する導波光の光回路積層方向の入射角が４５°となるように形成されている。上側平面光回路１１０および下側平面光回路１２０の傾斜した出射端面はダイシングにより実現した。この傾斜した出射端面の作製方法はドライエッチングを利用してもよい。

出射端面上には１．５μｍ帯の光は透過するが、７８０ｎｍ帯の光は反射する波長選択性を有する波長選択性反射膜１１１、１２１を形成した。

下側平面光回路１２０の波長依存性反射膜１２１上には、汎用接着剤を用いて埋め込み層１２２を形成した。

図５に、本発明の一実施例に係る平面光回路積層デバイスの導波方向に垂直な断面図を示す。上側平面光回路１１０および下側平面光回路１２０のコア１１２、１２３の周辺にはクラッド１１３、１２４が埋め込まれているが、上側平面光回路１１０と下側平面光回路１２０とが接する側のクラッドは薄いことが望ましく、本実施例においてはおよそ１．５μｍとなるように素子作製を行った。従って、上側平面光回路１１０のコア１１２と下側平面光回路１２０のコア１２３との間に３μｍのクラッド層が存在している。

各波長が最適な結合位置を取るために、調芯台上で先ず、下側平面光回路１２０と非線形光学導波路１０との光軸調整を行った。その後、上側平面光回路１１０を下側平面光回路１２０上に配置し、双方の導波光に対して最適な位置決めを行い、汎用光学接着剤により上側平面光回路１１０と下側平面光回路１２０との固定を行った。

本実施例により作製された平面光回路積層デバイス１００の非線形光学導波路１０との接続における接続損失は、１．５６μｍの光に対し−０．８ｄＢ、０．７８μｍの光に対し−０．９ｄＢとなり、両波長に対して同時に最大結合効率をとることができた。

ここで本実施例との比較のために、図６に示す一般的な平面光回路、すなわち異なる波長の光が同一のコアから出射される平面光回路を用いて光接続を行った。この場合、１．５６μｍの光に対し−１．２ｄＢ、０．７８μｍの光に対し−１．２ｄＢの接続損失が生じた。尚、このとき両波長に対する接続損失がほぼ同等となるように光軸調整を行い、片方の波長に対して最大結合効率をとるように光軸調整を行うことで、もう片方の光の結合効率が大きく低下しないようにした。

尚、基本波長を操作する光回路が上側平面光回路１１０、倍波を操作する光導波路が下側平面光回路１２０となる構成、すなわち上側平面光回路１１０では７８０ｎｍ帯の光が、下側平面光回路１２０では１．５μｍ帯の光が導波するような設計でもよく、この場合は波長選択性反射膜１１１、１２１の透過・反射特性を反転させればよい。

また出射端面の角度は、導波光の光回路積層方向の入射角が４５°未満になるような角度でもよく、上側平面光回路１１０と下側平面光回路１２０の両方の出射端面の角度を導波光の光回路積層方向の入射角がより小さくなる角度とすることで、光中心の移動量に対する上側平面光回路１１０のずらし量を大きくすることができ、上側平面光回路１１０の位置決めがより容易な構造となる。但し、この積層方向の入射角を小さくすると、光結合部までの光路長が長くなって非対称導波路１０の入射端面における上側平面光回路１１０からの光ビームの直径が大きくなって光の接続効率が落ちる。そのため、上側平面光回路１１０および下側平面光回路１２０の出射端面の角度は、位置決め容易性と接続効率との両者を考慮して設定されるべきである。

本発明は１．５６μｍと７８０ｎｍ帯の光の結合だけでなく、あらゆる波長帯で効果を発揮する。特に波長帯が大きく異なる２波長を最適結合する際に大きな効果を発揮する。その際、下側平面光回路１２０を通る光を透過し、上側平面光回路１１０を通る光を反射するような波長選択性を有する反射膜を出射端面上に形成すればよい。

埋め込み層１２２は、ＳｉＯ₂やＳｉＯ₂にＧｅ、Ｆ、Ｂ、Ｐが添加物としてドープされたものでもよい。デバイスの作製簡易性の観点からは汎用接着剤によって埋め込み層１２２を形成するのが良い。

また、接続損失低減のために、平面光回路積層デバイス１００からの出射光は、非線形光学導波路１０の入射端面に対して垂直に入射することが望ましい。下側平面光回路１２０から反射膜１２１を透過した導波光が非線形光学導波路１０の入射端面に対して垂直となるようにするには、埋め込み層１２２を下側平面光回路１２０の実行屈折率と等しい屈折率にすることが望ましい。また、上側平面光回路１１０からの導波光が非線形光学導波路１０の入射端面に対して垂直に入射するように、上側平面光回路１１０の出射端面の角度を調整することが望ましい。

本発明では、上側平面光回路１１０と下側平面光回路１２０を構成する材料はそれぞれ異なる構成をとることができ、導波光の波長によってそれぞれの材料を変更させることが望ましい。光導波路を構成する物質は、ケイ素、二酸化ケイ素、ニオブ酸リチウム、インジウムリン、ポリマー等の誘電体や半導体、もしくはそれらに添加物を加えた化合物など、使用する光に対して透明であればよい。

１０ 非線形光学導波路
１１ 基板
１２ コア
２０ 平面光回路
１００ 平面光回路積層デバイス
１１０ 上側平面光回路
１１１、１２１ 波長選択性反射膜
１１２、１２３ コア
１１３、１２４ クラッド
１２０ 下側平面光回路
１２２ 埋め込み層

Claims (6)

1. 導波光が所定の入射角で入射するように傾斜された出射端面が形成され、積層された第１および第２の平面光回路と、
   前記第１および第２の平面光回路の前記傾斜した出射端面上に形成され、前記第１および第２の平面光回路の一方で導波される第１の導波光を透過し、前記第１および第２の平面光回路の他方で導波され、前記第１の導波光と異なる波長の第２の導波光を反射する波長依存性を有する反射膜と、
   を備え、前記第１の導波光は、前記第１の平面光回路の前記反射膜を透過し、前記第２の導波光は、前記第２の平面光回路の前記反射膜と前記第１の平面光回路の前記反射膜とで反射され、前記第１の平面光回路の前記反射膜から出射された前記第１および第２の導波光の光軸は、前記第１および第２の平面光回路の積層方向に離間していることを特徴とする平面光回路積層デバイス。
2. 前記第１および第２の平面光回路の前記出射端面は、前記第１および第２の平面光回路の積層方向の同方向に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の平面光回路積層デバイス。
3. 前記第１および第２の平面光回路の前記出射端面は、前記第１および第２の導波光の入射角が４５°以下となるよう形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の平面光回路積層デバイス。
4. 前記第１および第２の平面光回路の前記出射端面は、前記第１の平面光回路の前記反射膜から出射された前記第１および第２の導波光の光軸が平行になるよう形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の平面光回路積層デバイス。
5. 前記第１の平面光回路上に前記第２の平面光回路を配置されたときに前記第１の平面光回路の出射端面上の前記反射膜と前記第２の平面光回路との間隙が埋まるように形成された埋め込み層をさらに備え、
   前記埋め込み層は、前記第１および第２の導波光に対して透明であり、少なくとも前記第１の導波光の出射方向に対して垂直な出射端面を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の平面光回路積層デバイス。
6. 前記第１および第２の平面光回路は、誘電体または半導体からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の平面光回路積層デバイス。

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