JP3147412B2 - 入射テーパ光導波路およびそれを用いた波長変換素子 - Google Patents
入射テーパ光導波路およびそれを用いた波長変換素子Info
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- optical waveguide
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
- G02B6/305—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device and having an integrated mode-size expanding section, e.g. tapered waveguide
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、コヒーレント光源を応
用した、光情報処理、光応用計測制御分野に使用される
光導波路とレーザおよびファイバとの高効率結合を可能
にする入射テーパ光導波路、およびそれを用いた波長変
換素子に関するものである。
用した、光情報処理、光応用計測制御分野に使用される
光導波路とレーザおよびファイバとの高効率結合を可能
にする入射テーパ光導波路、およびそれを用いた波長変
換素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】プロトン交換法によりLiNbO3上に光導波
路を形成し、TE／TMモードスプリッタや波長変換素子な
どが作製されていた。上記光導波路は基板との屈折率差
（Δｎe>0.1）が大きくシングルモードのみ伝搬させよ
うとすると厚みが0.4〜0.6μｍと非常に薄くなってい
た。そのため上記光導波路への結合効率を向上させるた
め光入射部をテーパにすることが考えられる。
路を形成し、TE／TMモードスプリッタや波長変換素子な
どが作製されていた。上記光導波路は基板との屈折率差
（Δｎe>0.1）が大きくシングルモードのみ伝搬させよ
うとすると厚みが0.4〜0.6μｍと非常に薄くなってい
た。そのため上記光導波路への結合効率を向上させるた
め光入射部をテーパにすることが考えられる。
【０００３】従来の入射テーパ光導波路としては、例え
ば光導波路の入射部をテーパ状に広げたものがある。図
１０はこの従来の入射テーパ光導波路の基本的構成を示
すものであり、２１は誘電体基板、２２は光導波路、２
３はテーパ光導波路、２４は入射部である。
ば光導波路の入射部をテーパ状に広げたものがある。図
１０はこの従来の入射テーパ光導波路の基本的構成を示
すものであり、２１は誘電体基板、２２は光導波路、２
３はテーパ光導波路、２４は入射部である。
【０００４】以上のように構成された従来の入射テーパ
光導波路においては、入射部の形状及び面積を変えて、
光導波路に励起するコヒーレント光の波面分布と光導波
路を伝搬する導波モード分布を整合させ光導波路とコヒ
ーレント光との高い結合効率を得る入射テーパ光導波路
である。
光導波路においては、入射部の形状及び面積を変えて、
光導波路に励起するコヒーレント光の波面分布と光導波
路を伝搬する導波モード分布を整合させ光導波路とコヒ
ーレント光との高い結合効率を得る入射テーパ光導波路
である。
【０００５】また、この入射テーパ光導波路の作製方法
として（アプライドオプティクス(Applied Optics）19
79年3月号 18巻のP900〜902）の シ゛ェイ シー キャンヘ゛ル ( J.
C.Campbell )氏によると図１０に示されるように基板２
１を除々に硝酸銀の溶液２４中に浸していくことにより
拡散深さを変化させて入射テーパ光導波路を形成すると
いうものである。LiNbO3基板２１に光導波路を形成する
場合、溶液２５として安息香酸を用い200℃程度の温度
でテーパ状光導波路が作製される。図１１で３６はヒー
タ、２７はビーカである。
として（アプライドオプティクス(Applied Optics）19
79年3月号 18巻のP900〜902）の シ゛ェイ シー キャンヘ゛ル ( J.
C.Campbell )氏によると図１０に示されるように基板２
１を除々に硝酸銀の溶液２４中に浸していくことにより
拡散深さを変化させて入射テーパ光導波路を形成すると
いうものである。LiNbO3基板２１に光導波路を形成する
場合、溶液２５として安息香酸を用い200℃程度の温度
でテーパ状光導波路が作製される。図１１で３６はヒー
タ、２７はビーカである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な構成では、入射テーパ光導波路の入射部２４を光導波
路に対して充分広げることが難しい。また入射部では幅
方向と深さ方向が広がっているが光導波路をテーパ状に
細くする部分で、光の導波する部分が急に狭くなってい
るので、ここに光が集中すると光導波路内の電界密度が
急激に増加し光損傷を起こす。テーパ部では幅、深さ共
に広がっているためマルチモード光導波路になっている
が、光損傷によって発生した屈折率変化によって、マル
チモードのそれぞれの導波モード間で結合が起こりシン
グルモードの光導波路とテーパ部とが結合する部分で結
合ロスが発生する。
な構成では、入射テーパ光導波路の入射部２４を光導波
路に対して充分広げることが難しい。また入射部では幅
方向と深さ方向が広がっているが光導波路をテーパ状に
細くする部分で、光の導波する部分が急に狭くなってい
るので、ここに光が集中すると光導波路内の電界密度が
急激に増加し光損傷を起こす。テーパ部では幅、深さ共
に広がっているためマルチモード光導波路になっている
が、光損傷によって発生した屈折率変化によって、マル
チモードのそれぞれの導波モード間で結合が起こりシン
グルモードの光導波路とテーパ部とが結合する部分で結
合ロスが発生する。
【０００７】また、上記のような入射テーパ光導波路の
作製方法では、高温で熱処理するため蒸気により液に浸
されていない部分の温度が低下し再現性よく設計通りの
入射部が形成できないという問題もあった。
作製方法では、高温で熱処理するため蒸気により液に浸
されていない部分の温度が低下し再現性よく設計通りの
入射部が形成できないという問題もあった。
【０００８】本発明は、伝搬ロスの少なくかつ高い結合
効率をもち、かつ光損傷にも強い入射テーパ光導波路を
提供することを目的とする。また、上記の光導波路を用
いて波長変換素子を形成し、高い変換効率の波長変換素
子を提供することを目的とする。
効率をもち、かつ光損傷にも強い入射テーパ光導波路を
提供することを目的とする。また、上記の光導波路を用
いて波長変換素子を形成し、高い変換効率の波長変換素
子を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため、本発明では基板上に形成した深さｄ１の光導
波路と前記光導波路の端部に形成した基板水平方向にテ
ーパ状に広がった深さｄ２（ｄ２＞ｄ１）の入射部と、
前記光導波路と前記入射部の間に形成した深さがｄ２か
らｄ１にテーパ状に変化している深さテーパ部を備えた
入射テーパ光導波路とするものである。
するため、本発明では基板上に形成した深さｄ１の光導
波路と前記光導波路の端部に形成した基板水平方向にテ
ーパ状に広がった深さｄ２（ｄ２＞ｄ１）の入射部と、
前記光導波路と前記入射部の間に形成した深さがｄ２か
らｄ１にテーパ状に変化している深さテーパ部を備えた
入射テーパ光導波路とするものである。
【００１０】さらに、本発明は、非線形光学結晶基板上
に形成した深さｄ１のイオン交換光導波路と前記イオン
交換光導波路の端部に形成した基板水平方向にテーパ状
に広がった深さｄ２（ｄ２＞ｄ１）の入射部と、前記光
導波路と前記入射部の間に形成した深さがｄ２からｄ１
にテーパ状に変化している深さテーパ部を備えた波長変
換素子とするものである。
に形成した深さｄ１のイオン交換光導波路と前記イオン
交換光導波路の端部に形成した基板水平方向にテーパ状
に広がった深さｄ２（ｄ２＞ｄ１）の入射部と、前記光
導波路と前記入射部の間に形成した深さがｄ２からｄ１
にテーパ状に変化している深さテーパ部を備えた波長変
換素子とするものである。
【００１１】さらに好ましくは入射導波路の幅をＷ2、
深さをｄ2としたときに導波光強度Ｐに対してＰ／（ｄ
２×Ｗ２）≦３００ＫＷ／ｃｍ2とするものである。
深さをｄ2としたときに導波光強度Ｐに対してＰ／（ｄ
２×Ｗ２）≦３００ＫＷ／ｃｍ2とするものである。
【００１２】
【作用】本発明は前述した構成により、基板上に形成し
た深さｄ１の光導波路と前記光導波路の端部に形成した
基板水平方向にテーパ状に広がった深さｄ２（ｄ２＞ｄ
１）の入射部と前記光導波路と前記入射部の間に形成し
た深さがｄ２からｄ１にテーパ状に変化している深さテ
ーパ部を備えた構成により、すなわち、入射部における
光損傷の発生を回避するため光導波路幅テーパ部におい
ては光導波路深さを深くし光導波路内の電界密度を下
げ、幅方向のテーパ部が終了し光導波路がシングルモー
ドになった後、光導波路を深さ方向にテーパ状に細くし
た。これによって伝搬ロスの少なく、かつ高い結合効率
をもち、かつ光損傷に強い入射テーパ光導波路を構成す
ることができる。また、上記の光導波路を用いて波長変
換素子を形成することにより波長変換素子の結合効率を
向上し、高い変換効率の波長変換素子の作製が可能にな
る。
た深さｄ１の光導波路と前記光導波路の端部に形成した
基板水平方向にテーパ状に広がった深さｄ２（ｄ２＞ｄ
１）の入射部と前記光導波路と前記入射部の間に形成し
た深さがｄ２からｄ１にテーパ状に変化している深さテ
ーパ部を備えた構成により、すなわち、入射部における
光損傷の発生を回避するため光導波路幅テーパ部におい
ては光導波路深さを深くし光導波路内の電界密度を下
げ、幅方向のテーパ部が終了し光導波路がシングルモー
ドになった後、光導波路を深さ方向にテーパ状に細くし
た。これによって伝搬ロスの少なく、かつ高い結合効率
をもち、かつ光損傷に強い入射テーパ光導波路を構成す
ることができる。また、上記の光導波路を用いて波長変
換素子を形成することにより波長変換素子の結合効率を
向上し、高い変換効率の波長変換素子の作製が可能にな
る。
【００１３】
（実施例１）図１は、第１の実施例における入射テーパ
光導波路の構成を示すものである。図１において１は屈
折率2.1の+Z板（Z軸と垂直に切り出された基板の＋側）
のLiNbO3からなる基板、２は燐酸中でのプロトン交換処
理により形成された屈折率2.3深さ1.5μｍの幅方向にテ
ーパ状に広がった幅テーパ部、３は燐酸中でのプロトン
交換処理により形成された深さ0.4μｍの光導波路、４
は燐酸中でのプロトン交換処理により形成された深さ1.
5μｍから0.4μｍにテーパ状に深さが変化している深さ
テーパ部、５は光学研磨により端面に形成した入射部で
ある。
光導波路の構成を示すものである。図１において１は屈
折率2.1の+Z板（Z軸と垂直に切り出された基板の＋側）
のLiNbO3からなる基板、２は燐酸中でのプロトン交換処
理により形成された屈折率2.3深さ1.5μｍの幅方向にテ
ーパ状に広がった幅テーパ部、３は燐酸中でのプロトン
交換処理により形成された深さ0.4μｍの光導波路、４
は燐酸中でのプロトン交換処理により形成された深さ1.
5μｍから0.4μｍにテーパ状に深さが変化している深さ
テーパ部、５は光学研磨により端面に形成した入射部で
ある。
【００１４】本実施例での構成のポイントは、LiNbO3基
板１上に、深さｄ2の入射部５と、深さｄ2の幅テーパ入
射部２と、深さｄ１の光導波路３を構成したなかで特
に、深さがｄ2で一定の幅テーパ入射部と、光導波路３
の幅テーパ入射部２との結合部分に深さがｄ2からｄ1へ
変化する深さテーパ部４を設けたことである。
板１上に、深さｄ2の入射部５と、深さｄ2の幅テーパ入
射部２と、深さｄ１の光導波路３を構成したなかで特
に、深さがｄ2で一定の幅テーパ入射部と、光導波路３
の幅テーパ入射部２との結合部分に深さがｄ2からｄ1へ
変化する深さテーパ部４を設けたことである。
【００１５】ここで、幅テーパ入射部の深さをｄ2で一
定にすることと、光導波路３中に深さテーパ部４を設け
ることが重要である理由について図面を用いて説明す
る。
定にすることと、光導波路３中に深さテーパ部４を設け
ることが重要である理由について図面を用いて説明す
る。
【００１６】図２（A）は深さ方向と幅方向が同時に変
化しているテーパ部２ａをもつ従来の光導波路で、
（Ｂ）は幅方向のテーパ部２と深さ方向のテーパ部４と
に分かれている本実施例の光導波路である。
化しているテーパ部２ａをもつ従来の光導波路で、
（Ｂ）は幅方向のテーパ部２と深さ方向のテーパ部４と
に分かれている本実施例の光導波路である。
【００１７】図２（A）において、テーパ部２ａでのロ
スは光損傷による屈折率変化によって発生する。すなわ
ち、これはテーパ部２ａの光導波路幅が光導波路７ａに
対して広がっているためにマルチモード光導波路になっ
ており、光損傷によって発生した屈折率変化によって導
波している光のモードが基本モードから他のマルチモー
ドに移っていくことによる。ところが、導波部分７ａの
光導波路幅は基本モードのみ伝搬するシングルモード光
導波路であるために、テーパ部２ａで発生したマルチモ
ードとシングルモード光導波路との間でモード間のミス
マッチが発生し、ロスの原因となる。これを導波モード
を用いて説明する。
スは光損傷による屈折率変化によって発生する。すなわ
ち、これはテーパ部２ａの光導波路幅が光導波路７ａに
対して広がっているためにマルチモード光導波路になっ
ており、光損傷によって発生した屈折率変化によって導
波している光のモードが基本モードから他のマルチモー
ドに移っていくことによる。ところが、導波部分７ａの
光導波路幅は基本モードのみ伝搬するシングルモード光
導波路であるために、テーパ部２ａで発生したマルチモ
ードとシングルモード光導波路との間でモード間のミス
マッチが発生し、ロスの原因となる。これを導波モード
を用いて説明する。
【００１８】図２（A）の（ａ）は入射部５aで励起され
た基本モードである。ところがテーパ部２aになると
幅、深さともに減少するため、光のパワー密度が増加す
る。これによって、光損傷が発生すると屈折率分布が
（ｂ）に示すように変化し、導波モードが基本モードか
らマルチモードに移行していく。
た基本モードである。ところがテーパ部２aになると
幅、深さともに減少するため、光のパワー密度が増加す
る。これによって、光損傷が発生すると屈折率分布が
（ｂ）に示すように変化し、導波モードが基本モードか
らマルチモードに移行していく。
【００１９】さらに（ｃ）になるとマルチモードへの移
行が大きくなる。ところが光導波路部２aにおいては
（ｄ）に示すように基本モードしか伝搬しないシングル
モード光導波路であるから（ｃ）（ｄ）間のモードのミ
スマッチが発生し、この部分で大きな結合ロスが発生す
る。
行が大きくなる。ところが光導波路部２aにおいては
（ｄ）に示すように基本モードしか伝搬しないシングル
モード光導波路であるから（ｃ）（ｄ）間のモードのミ
スマッチが発生し、この部分で大きな結合ロスが発生す
る。
【００２０】この結合ロスを防止するにはテーパ部３a
におけるパワー密度の集中を低減させ、光損傷の防止を
行なう必要がある。そこで本発明では幅テーパと深さテ
ーパを分離し、深さテーパ部を光導波路に設定すること
により幅テーパ部の断面積を増加させ、幅テーパ部での
光のパワー密度を低減させた。これによって光損傷の防
止が可能になった。これを図２（Ｂ）を用いて説明す
る。
におけるパワー密度の集中を低減させ、光損傷の防止を
行なう必要がある。そこで本発明では幅テーパと深さテ
ーパを分離し、深さテーパ部を光導波路に設定すること
により幅テーパ部の断面積を増加させ、幅テーパ部での
光のパワー密度を低減させた。これによって光損傷の防
止が可能になった。これを図２（Ｂ）を用いて説明す
る。
【００２１】図２（Ｂ）の（ｅ）に示すように基本モー
ドで励起された導波モードは幅テーパ部２が幅方向にし
か狭くなっておらずの断面積が従来に比べて大きいた
め、光のパワー密度の増加は少なく光損傷は発生しな
い。そこで光は基本モードのまま（ｆ）（ｇ）へ伝搬し
ていく。
ドで励起された導波モードは幅テーパ部２が幅方向にし
か狭くなっておらずの断面積が従来に比べて大きいた
め、光のパワー密度の増加は少なく光損傷は発生しな
い。そこで光は基本モードのまま（ｆ）（ｇ）へ伝搬し
ていく。
【００２２】幅テーパが終わると光導波路は幅方向にシ
ングルモードであるから光損傷が発生してもマルチモー
ドは発生しない。そこで深さテーパ４を介して光導波路
７と結合すると、低ロスのテーパ光導波路が形成でき
る。
ングルモードであるから光損傷が発生してもマルチモー
ドは発生しない。そこで深さテーパ４を介して光導波路
７と結合すると、低ロスのテーパ光導波路が形成でき
る。
【００２３】以上のように構成された第１の実施例の入
射テーパ光導波路について、以下その製造方法を説明す
る。これは本願の発明者によって開示し、公開になって
いる特開平2-236505に記載されている方法を利用して製
造した。図３をもちいて説明する。
射テーパ光導波路について、以下その製造方法を説明す
る。これは本願の発明者によって開示し、公開になって
いる特開平2-236505に記載されている方法を利用して製
造した。図３をもちいて説明する。
【００２４】図３（ａ）で＋Ｚ板のＬｉＮｂＯ3基板３
１ に入射部形成用のＴａ2Ｏ5保護マスク３２を電子ビ
ーム蒸着により３００A形成した。次に保護マスク３２
上に通常のフォトリソグラフィにより厚み０．５μｍの
フォトレジストをパターン化したあと、ＣＦ4によりＴ
ａ2Ｏ5保護マスク３２をエッチングした。次にフォトレ
ジストを除去した。次に第２の保護マスクとして厚さ１
mm、両端面を光学研磨してあるＬｉＮｂＯ3マスク基板
３３をＴａ2Ｏ5マスク３２上に圧着し治具で固定した。
（ｂ）ピロ燐酸中で２３０℃、２７０分間プロトン交換
を行い屈折率２．３、深さ１．５μｍの入射部３５を形
成する。このとき入射部３５の導波路の深さはピロリン
酸でのプロトン交換時間によってある決まった値（ここ
では１．５μｍ）になるがピロリン酸はマスク基板３３
で覆われた部分にも侵入していくため、マスク基板直下
に深さ方向にテーパ形状をもつ導波路が形成されている
ことになる。（ｃ）はマスク基板３３を除去した後、基
板３１を燐酸中で２３０℃の温度で５分間プロトン交換
を行い、屈折率２．３、深さ０．４μｍの高屈折率をも
つ導波路３６を形成する。このとき導波路３６の入射部
３５との結合部分は（ｂ）の工程である程度の深さ
（１．５μｍ以下）の導波路が形成されているので、プ
ロトン交換で導波路を形成時に自然に深さ方向にテーパ
をもったものとなる。（ｄ）はＴａマスク３２を除去し
た後、光導波路に垂直な面を光学研磨する。
１ に入射部形成用のＴａ2Ｏ5保護マスク３２を電子ビ
ーム蒸着により３００A形成した。次に保護マスク３２
上に通常のフォトリソグラフィにより厚み０．５μｍの
フォトレジストをパターン化したあと、ＣＦ4によりＴ
ａ2Ｏ5保護マスク３２をエッチングした。次にフォトレ
ジストを除去した。次に第２の保護マスクとして厚さ１
mm、両端面を光学研磨してあるＬｉＮｂＯ3マスク基板
３３をＴａ2Ｏ5マスク３２上に圧着し治具で固定した。
（ｂ）ピロ燐酸中で２３０℃、２７０分間プロトン交換
を行い屈折率２．３、深さ１．５μｍの入射部３５を形
成する。このとき入射部３５の導波路の深さはピロリン
酸でのプロトン交換時間によってある決まった値（ここ
では１．５μｍ）になるがピロリン酸はマスク基板３３
で覆われた部分にも侵入していくため、マスク基板直下
に深さ方向にテーパ形状をもつ導波路が形成されている
ことになる。（ｃ）はマスク基板３３を除去した後、基
板３１を燐酸中で２３０℃の温度で５分間プロトン交換
を行い、屈折率２．３、深さ０．４μｍの高屈折率をも
つ導波路３６を形成する。このとき導波路３６の入射部
３５との結合部分は（ｂ）の工程である程度の深さ
（１．５μｍ以下）の導波路が形成されているので、プ
ロトン交換で導波路を形成時に自然に深さ方向にテーパ
をもったものとなる。（ｄ）はＴａマスク３２を除去し
た後、光導波路に垂直な面を光学研磨する。
【００２５】以上の方法を用いれば、光導波路の幅方向
テーパをもつ入射部をマスクにより作製することにより
設計が容易になり、また幅方向のテーパと深さ方向のテ
ーパを分離して作製するため、従来の部分プロトン交換
による作製方法に比べ作製許容度が増加し作製歩留りが
１０％から５０％に増加した。
テーパをもつ入射部をマスクにより作製することにより
設計が容易になり、また幅方向のテーパと深さ方向のテ
ーパを分離して作製するため、従来の部分プロトン交換
による作製方法に比べ作製許容度が増加し作製歩留りが
１０％から５０％に増加した。
【００２６】次に、作製した入射テーパ光導波路２に波
長0.8μｍの半導体レーザの光を励起して、光導波路の
伝搬ロスを測定した。測定方法は開口数0.3のコリメー
タレンズとλ／２板、及び開口数0.6の集光レンズから
なる集光光学系により半導体レーザの光を集光し、最小
集光スポット径5X1μｍでテーパ光導波路に集光した。
この光導波路上に蛍光体を塗布し光導波路表面からの散
乱光をストリークカメラで観測して、光導波路からの散
乱光の強度により光導波路の伝搬モード並びに光導波路
伝搬ロスを測定した。
長0.8μｍの半導体レーザの光を励起して、光導波路の
伝搬ロスを測定した。測定方法は開口数0.3のコリメー
タレンズとλ／２板、及び開口数0.6の集光レンズから
なる集光光学系により半導体レーザの光を集光し、最小
集光スポット径5X1μｍでテーパ光導波路に集光した。
この光導波路上に蛍光体を塗布し光導波路表面からの散
乱光をストリークカメラで観測して、光導波路からの散
乱光の強度により光導波路の伝搬モード並びに光導波路
伝搬ロスを測定した。
【００２７】その結果、従来の入射テーパ光導波路では
導波する光の強度が１０ｍＷ以上では光損傷による入射
テーパ部の結合ロスが発生したが、今回作製した入射テ
ーパ光導波路部においては導波光強度３０ｍＷでも光損
傷による結合ロスは確認されなかった。
導波する光の強度が１０ｍＷ以上では光損傷による入射
テーパ部の結合ロスが発生したが、今回作製した入射テ
ーパ光導波路部においては導波光強度３０ｍＷでも光損
傷による結合ロスは確認されなかった。
【００２８】次は入射テーパ光導波路の結合ロスを測定
した結果を図４に示す。図４は横軸が導波路伝搬成分方
向を示し、縦軸がロスを示す。（ａ）はテーパ光導波路
出有り、（ｂ）は直線光導波路である。
した結果を図４に示す。図４は横軸が導波路伝搬成分方
向を示し、縦軸がロスを示す。（ａ）はテーパ光導波路
出有り、（ｂ）は直線光導波路である。
【００２９】直線光導波路は光源との結合ロスが２．３
ｄＢ、さらに導波ロスが０．９ｄＢ存在し、ロスの総和
は３．２ｄＢである。これに対してテーパ光導波路は結
合ロスは１．０ｄＢ、テーパ部のロスが０．３ｄＢ、導
波ロスが０．９ｄＢ存在するためロスの総和は２．２ｄ
Ｂとなる。
ｄＢ、さらに導波ロスが０．９ｄＢ存在し、ロスの総和
は３．２ｄＢである。これに対してテーパ光導波路は結
合ロスは１．０ｄＢ、テーパ部のロスが０．３ｄＢ、導
波ロスが０．９ｄＢ存在するためロスの総和は２．２ｄ
Ｂとなる。
【００３０】この結果テーパ光導波路によって光導波路
のロスが３．２ｄＢから２．２ｄＢに１ｄＢ低減できる
ことがわかった。
のロスが３．２ｄＢから２．２ｄＢに１ｄＢ低減できる
ことがわかった。
【００３１】以上にように本実施例によれば、入射部の
設計及び作製が容易で、結合効率が高く、かつ光損傷に
強い入射テーパ光導波路を構成することができた。
設計及び作製が容易で、結合効率が高く、かつ光損傷に
強い入射テーパ光導波路を構成することができた。
【００３２】なお、本実施例では、基板として、LiNbO3
を用いたが、他にMgOをドーピングしたLiNbO3、LiTa
O3、KNbO3、KTPなどの強誘電体、SiO2などの誘電体、MNA
などの有機物、またはZnSなどの化合物半導体など光導
波路を形成できる基板であれば用いることができる。
を用いたが、他にMgOをドーピングしたLiNbO3、LiTa
O3、KNbO3、KTPなどの強誘電体、SiO2などの誘電体、MNA
などの有機物、またはZnSなどの化合物半導体など光導
波路を形成できる基板であれば用いることができる。
【００３３】（実施例２）第２の実施例は第１の実施例
で説明した導波路を非線形光学結晶にもつ光波長変換素
子である。それを図５に示す。
で説明した導波路を非線形光学結晶にもつ光波長変換素
子である。それを図５に示す。
【００３４】図５は、第２の実施例における波長変換素
子の構成を示すものである。第１の実施例で説明したも
のと同じものには同一番号を付してある。図５において
１は屈折率2.1の+Z板（Z軸と垂直に切り出された基板の
＋側）のLiNbO3からなる基板、２は燐酸中でのプロトン
交換処理により形成された屈折率2.3深さ1.5μｍの幅方
向にテーパ状に広がった幅テーパ部、７は燐酸中でのプ
ロトン交換処理により形成された深さ0.4μｍの光導波
路、４は燐酸中でのプロトン交換処理により形成された
深さ1.5μｍから0.4μｍにテーパ状に深さが変化してい
る深さテーパ部、５は光学研磨により端面に形成した入
射部、９は半導体レーザ、１０は半導体レーザ９の光を
５の入射部に入射するための集光光学系である。
子の構成を示すものである。第１の実施例で説明したも
のと同じものには同一番号を付してある。図５において
１は屈折率2.1の+Z板（Z軸と垂直に切り出された基板の
＋側）のLiNbO3からなる基板、２は燐酸中でのプロトン
交換処理により形成された屈折率2.3深さ1.5μｍの幅方
向にテーパ状に広がった幅テーパ部、７は燐酸中でのプ
ロトン交換処理により形成された深さ0.4μｍの光導波
路、４は燐酸中でのプロトン交換処理により形成された
深さ1.5μｍから0.4μｍにテーパ状に深さが変化してい
る深さテーパ部、５は光学研磨により端面に形成した入
射部、９は半導体レーザ、１０は半導体レーザ９の光を
５の入射部に入射するための集光光学系である。
【００３５】以上のように構成された第２の実施例の波
長変換素子について、以下その動作を説明する。
長変換素子について、以下その動作を説明する。
【００３６】非線形光学結晶LiNbO3基板１上にプロトン
交換で形成した入射部５、幅テーパ部２、深さテーパ部
４、光導波路７を有する波長変換素子を第１の実施例で
説明した方法で形成し、この入射部５に波長0.8μｍ、
発光面積5X1μｍの半導体レーザ９の光を入射させた。
半導体レーザ９と光導波路７の結合効率を測定したとこ
ろ結合効率は５０％であった。これは従来のテーパ光導
波路と半導体レーザの集光光学系を通した結合効率３０
％に対し、１．６倍の値である。さらに、非線形光学効
果により波長0.4μｍの第２高調波Ｐ2がチェレンコフ放
射によりプロトン交換導波路の斜め下方に発生し、半導
体レーザの出力40mWに対し0.2mWの第２高調波成分出力
Ｐ2を得ることができた。これは従来の値（半導体レー
ザ出力40mWに対する第２高調波成分0.1mW）の２倍であ
る。また6X2X2mmのLiNbO3基板と長さ200μｍの半導体レ
ーザ及び10X5X5の集光光学系を一体モジュール化するこ
とにより、20X6X6の小型の波長変換素子を形成すること
ができた。以上のように本実施例によれば、小型で高出
力の波長変換素子を形成することができた。
交換で形成した入射部５、幅テーパ部２、深さテーパ部
４、光導波路７を有する波長変換素子を第１の実施例で
説明した方法で形成し、この入射部５に波長0.8μｍ、
発光面積5X1μｍの半導体レーザ９の光を入射させた。
半導体レーザ９と光導波路７の結合効率を測定したとこ
ろ結合効率は５０％であった。これは従来のテーパ光導
波路と半導体レーザの集光光学系を通した結合効率３０
％に対し、１．６倍の値である。さらに、非線形光学効
果により波長0.4μｍの第２高調波Ｐ2がチェレンコフ放
射によりプロトン交換導波路の斜め下方に発生し、半導
体レーザの出力40mWに対し0.2mWの第２高調波成分出力
Ｐ2を得ることができた。これは従来の値（半導体レー
ザ出力40mWに対する第２高調波成分0.1mW）の２倍であ
る。また6X2X2mmのLiNbO3基板と長さ200μｍの半導体レ
ーザ及び10X5X5の集光光学系を一体モジュール化するこ
とにより、20X6X6の小型の波長変換素子を形成すること
ができた。以上のように本実施例によれば、小型で高出
力の波長変換素子を形成することができた。
【００３７】なお、本実施例では、非線形光学物質から
なる基板として、LiNbO3を用いたが他にMgOをドーピン
グしたLiNbO3、LiTaO3,KNbO3,KTPなどの強誘電体、MNAな
どの有機物、またはZnSなどの化合物半導体などの非線
形光学定数の大きな基板であれば用いることができる。
なる基板として、LiNbO3を用いたが他にMgOをドーピン
グしたLiNbO3、LiTaO3,KNbO3,KTPなどの強誘電体、MNAな
どの有機物、またはZnSなどの化合物半導体などの非線
形光学定数の大きな基板であれば用いることができる。
【００３８】（実施例３）図６は、第３の実施例におけ
る波長変換素子の構成を示すものである。入射部の深さ
をｄ2、幅をＷ2、入射光のパワ−をＰ1としてこれらの
関係について検討してみた。
る波長変換素子の構成を示すものである。入射部の深さ
をｄ2、幅をＷ2、入射光のパワ−をＰ1としてこれらの
関係について検討してみた。
【００３９】図６のように構成された第３の実施例の波
長変換素子について、作製した波長変換素子に半導体レ
ーザ９の光を入射して非線形光学効果であるＳＨＧ( Se
comdHarmonic Gemeration )出力Ｐ2の時間変化を観測し
た。図７は入射光パワーＰ1とＳＨＧ出力Ｐ2の時間変化
を測定したグラフである。導波光のパワーが１７ｍＷ以
下の時は第２高調波であるＳＨＧ出力Ｐ2の時間変化は
見られないが２０ｍＷ以上になると５〜１０分後にＳＨ
Ｇ出力Ｐ2の変化が現れているのがわかる。
長変換素子について、作製した波長変換素子に半導体レ
ーザ９の光を入射して非線形光学効果であるＳＨＧ( Se
comdHarmonic Gemeration )出力Ｐ2の時間変化を観測し
た。図７は入射光パワーＰ1とＳＨＧ出力Ｐ2の時間変化
を測定したグラフである。導波光のパワーが１７ｍＷ以
下の時は第２高調波であるＳＨＧ出力Ｐ2の時間変化は
見られないが２０ｍＷ以上になると５〜１０分後にＳＨ
Ｇ出力Ｐ2の変化が現れているのがわかる。
【００４０】これは、LiNbO3基板上に形成したプロトン
交換光導波路内で導波光による光損傷が発生し入射部と
導波部の間のテーパ状の結合部において結合ロスが発生
したためと考えられる。そこで導波光の状態をＣＣＤカ
メラで観察したのが図８である。（ａ）は０分後、
（ｂ）は１０分後のＣＣＤカメラの受光面を示す。同図
中の斜線は導波光を表わしており、１０分後にテーパ部
でロスが増加し、導波光がテーパから先に導波していな
いのがわかる。この結果より、光損傷による結合ロスの
発生によりＳＨＧ出力が変動したのが確認できた。
交換光導波路内で導波光による光損傷が発生し入射部と
導波部の間のテーパ状の結合部において結合ロスが発生
したためと考えられる。そこで導波光の状態をＣＣＤカ
メラで観察したのが図８である。（ａ）は０分後、
（ｂ）は１０分後のＣＣＤカメラの受光面を示す。同図
中の斜線は導波光を表わしており、１０分後にテーパ部
でロスが増加し、導波光がテーパから先に導波していな
いのがわかる。この結果より、光損傷による結合ロスの
発生によりＳＨＧ出力が変動したのが確認できた。
【００４１】つぎにテーパ部の形状と光損傷の関係を求
めた。
めた。
【００４２】
【表１】
【００４３】上の（表１）に示すようにテーパ部の光導
波路幅Ｗ２を４μｍにし導波部の幅Ｗ１、深さｄ１をそ
れぞれ２μｍ、０．４μｍとた。入射部の深さｄ2を
０．４、１、１．５μｍとし、それぞれの深さで光損傷
の発生する導波光強度（以下Ｐｔｈとする）を測定し
た。光導波路深さとＰｔｈの関係を測定したのが図９で
ある。図９に同時に光導波路内の導波光強度の最大値を
示してある。、光導波路内の導波光強度の最大値とＰｔ
ｈが反比例しており、光導波路サイズ（Ｗ２×ｄ２）の
値が増加するに従いＰｔｈが増加、導波光強度の最大値
が減少するのがわかる。図９よりＰｔｈ／（ｄ２×Ｗ
２）の値を求めると光導波路の深さに関係なく３００Ｋ
Ｗ／ｃｍ2となった。この結果より、入射部のサイズ
（Ｗ２×ｄ２）をＰｔｈ／（Ｗ２×ｄ２）≦３００ＫＷ
／ｃｍ2となるように設計すれば光損傷による出力変動
を抑制し、低ロスで安定かつ半導体レーザとの高効率結
合による高出力の波長変換素子が形成できることが確認
できた。以上のように本実施例によれば、入射部の形状
を限定することにより、安定で高出力の波長変換素子が
形成できる。
波路幅Ｗ２を４μｍにし導波部の幅Ｗ１、深さｄ１をそ
れぞれ２μｍ、０．４μｍとた。入射部の深さｄ2を
０．４、１、１．５μｍとし、それぞれの深さで光損傷
の発生する導波光強度（以下Ｐｔｈとする）を測定し
た。光導波路深さとＰｔｈの関係を測定したのが図９で
ある。図９に同時に光導波路内の導波光強度の最大値を
示してある。、光導波路内の導波光強度の最大値とＰｔ
ｈが反比例しており、光導波路サイズ（Ｗ２×ｄ２）の
値が増加するに従いＰｔｈが増加、導波光強度の最大値
が減少するのがわかる。図９よりＰｔｈ／（ｄ２×Ｗ
２）の値を求めると光導波路の深さに関係なく３００Ｋ
Ｗ／ｃｍ2となった。この結果より、入射部のサイズ
（Ｗ２×ｄ２）をＰｔｈ／（Ｗ２×ｄ２）≦３００ＫＷ
／ｃｍ2となるように設計すれば光損傷による出力変動
を抑制し、低ロスで安定かつ半導体レーザとの高効率結
合による高出力の波長変換素子が形成できることが確認
できた。以上のように本実施例によれば、入射部の形状
を限定することにより、安定で高出力の波長変換素子が
形成できる。
【００４４】
【発明の効果】以上説明したように上記構成によって、
伝搬ロスの少なく、かつ高い結合効率をもち、かつ光損
傷にも強い入射テーパ光導波路を構成することができ、
その実用効果は大きい。
伝搬ロスの少なく、かつ高い結合効率をもち、かつ光損
傷にも強い入射テーパ光導波路を構成することができ、
その実用効果は大きい。
【００４５】また、本発明の波長変換素子はシングルモ
ード光導波路に半導体レーザの光を高い効率で結合させ
ることが可能になる。これによって光導波路を伝搬する
光のパワー密度を高めることが可能となり非線系光学効
果による波長変換効率を非常に高めることができた。
ード光導波路に半導体レーザの光を高い効率で結合させ
ることが可能になる。これによって光導波路を伝搬する
光のパワー密度を高めることが可能となり非線系光学効
果による波長変換効率を非常に高めることができた。
【００４６】さらに、入射部の深さｄ２と幅Ｗ２の関係
が導波光強度Ｐに対しＰ／（ｄ２×Ｗ２）≦３００ＫＷ
／ｃｍ2となるように設計した波長変換素子により、入
射部で発生する光損傷による結合ロスの増加を抑制する
ことが可能になり、安定で高出力の波長変換素子が形成
でき、その実用効果は大きい。
が導波光強度Ｐに対しＰ／（ｄ２×Ｗ２）≦３００ＫＷ
／ｃｍ2となるように設計した波長変換素子により、入
射部で発生する光損傷による結合ロスの増加を抑制する
ことが可能になり、安定で高出力の波長変換素子が形成
でき、その実用効果は大きい。
【図１】本発明の第１の実施例の入射テーパ光導波路の
構成斜視図
構成斜視図
【図２】（Ａ）従来の入射テーパ光導波路の導波モード
と屈折率変化を示す図 （Ｂ）本発明の入射テーパ光導波路の導波モードと屈折
率変化を示す図
と屈折率変化を示す図 （Ｂ）本発明の入射テーパ光導波路の導波モードと屈折
率変化を示す図
【図３】本発明の第１の実施例の入射テーパ光導波路の
製造工程断面図
製造工程断面図
【図４】入射テーパ光導波路の結合ロスを測定した結果
を示す図
を示す図
【図５】本発明の第２の実施例の波長変換素子の構成斜
視図
視図
【図６】本発明の第３の実施例の波長変換素子の構成斜
視図
視図
【図７】本発明の波長変換素子におけるＳＨＧ出力の時
間変化を示す図
間変化を示す図
【図８】（ａ）本発明の波長変換素子の導波の状態を示
す図 （ｂ）本発明の波長変換素子の導波の状態を示す図
す図 （ｂ）本発明の波長変換素子の導波の状態を示す図
【図９】本発明の波長変換素子の光導波路深さと耐光損
傷の関係を示す図
傷の関係を示す図
【図１０】従来の入射テーパ光導波路の基本構成斜視図
【図１１】従来の入射テーパ光導波路の製造方法の基本
構成図
構成図
１ LiNbO3基板 ２ 幅テーパ部 ３ 光導波路 ４ 深さテーパ部 ５ 入射部 ６ 入射光 ７ プロトン交換光導波路 ９ 半導体レーザ １０ 集光光学系
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−254938（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−17708（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/122 G02B 6/12 G02B 6/42 G02F 1/377 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (6)
- 【請求項１】基板と、 前記基板 に形成した深さｄ１の導波部と、 前記導波部の端部に形成した基板水平方向にテーパ状に
広がった深さｄ２（ｄ２＞ｄ１）の幅テーパ部と、前記導波部の 深さがｄ２からｄ１にテーパ状に変化して
いる深さテーパ部とを備え、前記幅テーパ部は前記深さテーパ部より前記導波路端部
に近い位置に存在し、 前記深さテーパ部が存在する部分の前記導波部の幅は、
導波光が幅方向にシングルモードとなるように設定され
ている 入射テーパ光導波路。 - 【請求項２】基板にLiNbO3またはLiTaO3基板を用いたこ
とを特徴とする請求項１記載の入射テーパ光導波路。 - 【請求項３】入射光を基本モードのまま入射部から導波
路に伝搬することを特徴とする請求項１記載の入射テー
パ光導波路。 - 【請求項４】非線形光学結晶基板と、前記基板 に形成した深さｄ１の導波部と、 前記導波部の端部に形成した基板水平方向にテーパ状に
広がった深さｄ２（ｄ２＞ｄ１）の幅テーパ部と、前記導波部の 深さがｄ２からｄ１にテーパ状に変化して
いる深さテーパ部とを備え、前記幅テーパ部は前記深さテーパ部より前記導波路端部
に近い位置に存在し、 前記深さテーパ部が存在する部分の前記導波部の幅は、
導波光が幅方向にシングルモードとなるように設定され
ている 波長変換素子。 - 【請求項５】LiNbO3またはLiTaO3基板と、 前記基板に形成した深さｄ１のプロトン交換光導波路
と、 前記プロトン交換光導波路の端部に形成した基板水平方
向にテーパ状に広がった深さｄ２（ｄ２＞ｄ１）、幅Ｗ
２の入射部と、 前記光導波路には前記入射部との結合部分に深さがｄ２
からｄ１にテーパ状に変化している深さテーパ部を備
え、 前記入射部の深さｄ２と幅Ｗ２の関係が導波光強度Ｐに
対しＰ／（ｄ２×Ｗ２）≦３００ＫＷ／ｃｍ2となるこ
とを特徴とする光波長変換素子。 - 【請求項６】入射光を基本モードのまま入射部から導波
路に伝搬させ、チェレンコフ放射によってＳＨＧ光を出
射することを特徴とする請求項４または５記載の波長変
換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17932191A JP3147412B2 (ja) | 1990-07-24 | 1991-07-19 | 入射テーパ光導波路およびそれを用いた波長変換素子 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2-196631 | 1990-07-24 | ||
| JP19663190 | 1990-07-24 | ||
| JP17932191A JP3147412B2 (ja) | 1990-07-24 | 1991-07-19 | 入射テーパ光導波路およびそれを用いた波長変換素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04356031A JPH04356031A (ja) | 1992-12-09 |
| JP3147412B2 true JP3147412B2 (ja) | 2001-03-19 |
Family
ID=26499220
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17932191A Expired - Lifetime JP3147412B2 (ja) | 1990-07-24 | 1991-07-19 | 入射テーパ光導波路およびそれを用いた波長変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3147412B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001235645A (ja) * | 2000-02-25 | 2001-08-31 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 光導波回路 |
| JP4706403B2 (ja) * | 2005-04-27 | 2011-06-22 | 三菱電機株式会社 | 光波長変換素子および光波長変換器 |
| JPWO2008066160A1 (ja) * | 2006-12-01 | 2010-03-11 | 日本電気株式会社 | 光変換器およびその製造方法 |
| JP2010128109A (ja) | 2008-11-26 | 2010-06-10 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Ｓｓｃチップ、ｓｓｃ付きファイバアレイ、ｓｓｃ付きｐｌｃモジュールおよびｓｓｃチップの製造方法 |
-
1991
- 1991-07-19 JP JP17932191A patent/JP3147412B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04356031A (ja) | 1992-12-09 |
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