JP4849024B2 - 導波路素子及び波長変換素子 - Google Patents

Description

この発明は、光を伝播する導波路素子、及び該導波路素子を利用した波長変換素子に関する。

光を伝播させるために用いられる光導波路においては、製造過程で光導波路の幅等に寸法誤差が生じることがある。この寸法誤差は、光導波路の等価屈折率のバラツキを招来し、結果として光導波路の特性を劣化させることがある。

例えば、擬似位相整合構造（以下、「ＱＰＭ構造」と称する。）が形成された光導波路を用いた波長変換素子の場合には、光導波路の寸法誤差は、波長変換時の変換効率の低下を引き起こす。

以下、この点について詳細に説明する。今、ＱＰＭ構造を有する波長変換素子に、ポンプ光と波長変換されるべき信号光とを入力し、波長変換された変換光を取り出す場合について考える。

この波長変換素子において、ＱＰＭ構造の分極反転構造の周期をΛとし、波長変換素子に入力される信号光の波数をｋｓとし、波長変換素子に入力されるポンプ光の波数をｋｐとし、及び波長変換素子から出力される変換光の波数をｋｃとする。このとき、波長変換が成立するためには、下記（１）式の関係が満たされる必要がある。
ｋｐ−ｋｓ−ｋｃ−２π／Λ＝０・・・（１）

（１）式において、ポンプ光の波長をλｐとし、信号光の波長をλｓとし、及び変換光の波長をλｃとする。さらに、ポンプ光の波長λｐにおける光導波路の等価屈折率をｎｐとし、信号光の波長λｓにおける光導波路の等価屈折率をｎｓとし、及び変換光の波長λｃにおける光導波路の等価屈折率をｎｃとする。すると、（１）式は、下記（２）式へと変形することができる。
ｎｐ／λｐ−ｎｓ／λｓ−ｎｃ／λｃ−２π／Λ＝０・・・（２）

（２）式において、光導波路の等価屈折率ｎｐ，ｎｃ及びｎｓは、光導波路の寸法誤差によって値が変化する。よって、光導波路の寸法誤差が大きくなると、（２）式が十分に満足されなくなってしまう。（２）式が十分に満足されない場合、波長変換の変換効率（変換光の強度／信号光の強度）が低下してしまう。

波長変換素子の分野において、波長変換時の変換効率の低下を抑制する技術として、主光導波路と、副光導波路とからなる複合光導波路を用いる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）
特開２００６−２０８４５２号公報

しかし、特許文献１に開示された技術は、波長変換素子において、ポンプ光、信号光及び変換光の群速度差を小さくすることにより、変換効率の低下を防止するものであった。つまり、特許文献１に開示された技術は、光導波路の寸法誤差に由来する光導波路の等価屈折率のバラツキを抑制するものではなかった。

この発明は、上述のような問題点に鑑みなされたものである。従って、この発明の目的は、光導波路の寸法誤差により生じる等価屈折率のバラツキを抑制することができる導波路素子及び波長変換素子を提供することにある。

上述した目的の達成を図るために、この発明の導波路素子は、基板と、基板に設けられたチャネル型光導波路と、光導波路のコア層の表面であって、クラッド層との非接触面上に、コア層の全長にわたって設けられた、コア層の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率膜とを備えており、チャネル型光導波路が、基板の上側に形成されたリッジ型導波路であり、高屈折率膜が、リッジ型導波路の左右両側面及び上面を被覆している。

このように、コア層の表面に高屈折率膜を設けることにより、たとえコア層の幅、つまり基板の主面に平行な平面内において、コア層を伝播する光の伝播方向に直交する方向の長さにバラツキがあって、コア層に幅が狭い部分が生じたとしても、光が感じるコア層の等価屈折率の変化率を小さく抑えることができる。

上述した目的の達成を図るために、この発明の導波路素子は、基板と、基板に設けられたチャネル型光導波路と、光導波路のコア層の表面であって、クラッド層との非接触面上に、コア層の全長にわたって設けられた、コア層の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率膜とを備えており、チャネル型光導波路が、基板の上側に形成されたリッジ型導波路であり、高屈折率膜が、リッジ型導波路の上面を被覆している。

上述した目的の達成を図るために、この発明の導波路素子は、基板と、基板に設けられたチャネル型光導波路と、光導波路のコア層の表面であって、クラッド層との非接触面上に、コア層の全長にわたって設けられた、コア層の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率膜とを備えており、チャネル型光導波路が、基板の上側に形成されたリッジ型導波路であり、高屈折率膜が、リッジ型導波路の側面を被覆している。

この発明の波長変換素子は、上述の導波路素子を用いていて、チャネル型光導波路が、光の伝播方向に沿った周期的分極反転構造を有する非線形光学材料から形成されている。

この発明によれば、光導波路の寸法誤差により生じる等価屈折率のバラツキを抑制することができる導波路素子及び波長変換素子を提供することができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示したものにすぎない。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、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何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。

（実施の形態１）
この実施の形態においては、光導波路を波長変換素子として応用した場合について説明する。

図１は、実施の形態１の波長変換素子の概略構成を示す斜視図である。

図１を参照すると、この実施の形態の波長変換素子１０は、基板１２と、チャネル型光導波路１５と、高屈折率膜１８とを備えている。

基板１２は、平行平板であり、好ましくは、例えばＬｉＴａＯ_３を材料として形成されている。

チャネル型光導波路１５は、クラッド層１４とコア層１６とを備え、基板１２の表面に光を導波する方向に沿って直線状に設けられている。

クラッド層１４は、基板１２の第１主面１２ａから突出して形成された構造体である。クラッド層１４は、光の導波方向に直交する面内での断面形状が矩形状であり、第１主面１２ａ上で直線的に延在する凸条として形成されている。クラッド層１４の材料は、好ましくは、例えばＭｇをドープしたＬｉＮｂＯ_３とする。

コア層１６は、クラッド層１４の上面に形成されている。つまり、コア層１６はクラッド層１４上に積層されている。

このコア層１６中を、後述する光（ポンプ光、信号光及び変換光）が伝播する。コア層１６は、クラッド層１４と同様に、断面形状が矩形状の長尺な直方体として形成されている。コア層１６は、クラッド層１４及び基板１２よりも屈折率が大きな材料で形成されている。コア層１６を構成する材料は、好ましくは、例えばクラッド層１４よりも屈折率を大きくしたＭｇドープＬｉＮｂＯ_３等の非線形光学結晶とする。このコア層１６において、非線形光学結晶には、コヒーレント長を周期Λとして分極方向が反転するＱＰＭ構造２０が形成されている。

図１より明らかなように、この波長変換素子１０は、コア層１６とクラッド層１４とを含む直方体状の構造体が、基板１２の第１主面１２ａから突出している、いわゆるリッジ型導波路をなしている。

ここで説明する構成例では、好ましくは、高屈折率膜１８は、チャネル型光導波路１５のコア層１６の表面であって、クラッド層１４との非接触面上に、コア層１５の全長にわたって設けられているのがよい。

高屈折率膜１８は、コア層１６、クラッド層１４及び基板１２の第１主面１２ａを連続的に被覆している。より詳細には、高屈折率膜１８は、コア層１６の左右両側面１６ａ，１６ａ及び上面１６ｂと、クラッド層１４の両側面１４ａ，１４ａと、基板１２の第１主面１２ａを、切れ目なく一体に被覆している。従って、高屈折率膜１８は、コア層１６と接するクラッド層１４の上面１４ｂには設けられていない。

ここで、高屈折率膜１８のコア層１６（左右両側面１６ａ，１６ａ及び上面１６ｂ）を覆う部分を有効領域１８ａと称する。また、高屈折率膜１８のコア層１６以外（クラッド層１４の両側面１４ａ，１４ａ及び第１主面１２ａ）を覆う部分を無効領域１８ｂと称する。

高屈折率膜１８は、コア層１６の屈折率よりも高い屈折率を有する材料を用いて形成されている。高屈折率膜１８を構成する材料としては、好ましくは、例えばＴｉＯ_２（屈折率：約２．５）、Ｎｂ_２Ｏ_５（屈折率：約２．３３）、Ａｇ_２Ｓ_３ガラス（屈折率：約２．６）、ＺｎＳ（屈折率：約２．４）、ＺｎＳｅ（屈折率：約２．４）及びＺｎＴｅ（屈折率：約２．４）等を設計に応じて選択して用いることができる。

高屈折率膜１８は、好ましくは、例えば蒸着により形成されている。高屈折率膜１８は、技術的に可能であれば、有効領域１８ａのみを被覆するように設けることが好ましい。その理由は、高屈折率膜１８の無効領域１８ｂが存在すると、無効領域１８ｂが不用な光導波路として機能する虞があるからである。つまり、コア層１６を伝播する光が、有効領域１８ａを介して、無効領域１８ｂに漏れ出し、コア層１６を伝播する光の強度を低下させる虞があるからである。

これを防ぐためには、クラッド層１４の高さを、好ましくは、例えば２〜５μｍの範囲内の高さまで高くするか、あるいは、有効領域１８ａと無効領域１８ｂとの間に高屈折率膜１８が存在しない領域を設けることが効果的である。

また、高屈折率膜１８の最適膜厚は、コア層１６の寸法誤差により異なるために、一概に決定することができないが、波長変換時の変換効率が最大となる膜厚とすることが好ましい。より具体的には、高屈折率膜１８を成膜する工程の前まで、同条件で複数の波長変換素子１０の前駆体を製造する。そして、これらの前駆体の中からテスト用サンプルを抜き出して、高屈折率膜１８の最適膜厚を決定し、決定された最適膜厚で、残りの前駆体に高屈折率膜１８を成膜することが考えられる。

図１に示すように、波長変換素子１０において、コア層１６の一端面からはポンプ光Ｌｐと、波長変換されるべき信号光Ｌｓとがコア層１６に入力される。そして、コア層１６の他端面からは、波長変換された変換光Ｌｃが出力される。

次に、この波長変換素子１０の動作について説明する。

（背景技術）の項において既に説明したように、コア層１６の幅等に寸法誤差が存在する場合、以下に再び示す（２）式の関係が満足されなくなり、波長変換の変換効率が低下してしまう。
ｎｐ／λｐ−ｎｓ／λｓ−ｎｃ／λｃ−２π／Λ＝０・・・（２）

この様子を、図２に模式的に示す。図２は、コア層１６に寸法誤差が存在する場合の波長変換の様子を模式的に描いた概念図である。図２には、コア層１６の模式図と、コア層１６の特定位置（Ａ点及びＢ点）での波長変換で発生する変換光（以下、「局所変換光」と称する。）の波長分布を示すグラフＩと、コア層１６から出力される変換光の波長分布を示すグラフＩＩとが示されている。ここで、グラフＩ及びＩＩの縦軸は局所変換光の強度（任意単位）をそれぞれ示し、及び横軸は局所変換光の波長（任意単位）をそれぞれ示す。なお、図面が煩雑となるのを防ぐために、図２において、ポンプ光Ｌｐの図示は省略してある。

図２に示すように、コア層１６は寸法誤差を有しており、導波方向すなわち導波路の長手方向に直交する方向に測った幅が狭い部分（例えばＡ点）と、幅が広い部分（例えばＢ点）とが存在するものとする。図中、狭い部分の幅をＷ１で示し、及び広い部分の幅をＷ２で示してある。

このようなコア層１６に信号光Ｌｓ（及びポンプ光Ｌｐ）を入力すると、非線形光学効果により、コア層１６の各点において変換光Ｌｃが発生する。このとき、コア層１６の幅が狭い点（例えばＡ点）においては、上述したように、信号光Ｌｓ及び局所変換光のコア層１６による閉じ込めが弱くなる。つまり、光界分布がコア層１６の外側に広く拡がる。その結果、コア層１６の等価屈折率ｎｐ，ｎｓ及びｎｃが変化することにより、（２）式が十分に満足されなくなる。よって、局所変換光の波長λｃは、設計波長よりも長波長側にシフトする（グラフＩのピーク１）。

一方、コア層１６の幅が広い点（例えばＢ点）においては、信号光Ｌｓ及び局所変換光は、コア層１６中に強く閉じ込められる。その結果、コア層１６の等価屈折率ｎｐ，ｎｓ及びｎｃは、設計値通りの大きさを保つ。よって、（２）式が十分に満足されるため、局所変換光の波長λｃは、設計波長通りとなる（グラフＩＩのピーク２）。

ところで、コア層１６から出力される変換光Ｌｃは、コア層１６の各点における局所変換光を重ね合わせたものである。よって、コア層１６の幅にバラツキがある場合、コア層１６から出力される変換光Ｌｃには、さまざまな波長の局所変換光が含まれることとなる（グラフＢのピーク３）。すなわち、コア層１６の幅が完全に均一な場合には、単波長で強い強度の変換光Ｌｃが得られるべきところが、コア層１６の幅にバラツキがあると、変換光Ｌｃの波長分布が幅広になってしまう。つまり、設計波長に注目した場合、波長が分散する分だけ、設計波長での変換効率が低下する。

これは、寸法誤差によりコア層１６の幅が狭くなった部分においては、コア層１６による光の閉じ込めが弱くなり、コア層１６の等価屈折率（ｎｓ、ｎｃ及びｎｐ）が設計値よりも小さくなってしまうことが原因である。

この実施の形態の波長変換素子１０では、コア層１６の幅の減少により引き起こされる等価屈折率の減少を防止するために、コア層１６の側面１６ａ，１６ａ及び上面１６ｂを覆って、高屈折率膜１８を設ける。これにより、寸法誤差によりコア層１６の幅が減少したとしても、光（ポンプ光、信号光及び変換光）が感じる等価屈折率ｎｐ，ｎｓ及びｎｃの減少を抑制することができる。結果として、設計波長における変換効率の減少を最小限に抑えることができる。

以下、上述の点について、シミュレーションを元にしてより詳細に説明する。

図３（Ａ）は、シミュレーションに用いたコア層１６の寸法等を説明するための模式図であり、図３（Ｂ）は、シミュレーション結果を示すグラフである。

まず、このシミュレーションについて概略的な説明を行う。

このシミュレーションは、コア層１６の幅の寸法誤差により生じるコア層１６の等価屈折率のバラツキが、所定の膜厚の高屈折率膜１９を設けることにより減少することを示すものである。シミュレーションはビームプロパゲーション法（以下、「ＢＰＭ法」とも称する。）を用いて行った。

そのために、このシミュレーションにおいては、コア層１６に導入される寸法誤差を、幅の異なる２種類のコア層１６を仮定することで表現する。そして、幅の異なる２種類のコア層１６を被覆する高屈折率膜１９の膜厚を変えて、コア層１６ごとに等価屈折率を計算する。その上で、幅が異なる２種類のコア層１６ごとに得られた等価屈折率の差を評価する。

なお、このシミュレーションで仮定した波長変換素子１１は、上述した波長変換素子１０とは若干構造が異なっている。すなわち、シミュレーションの波長変換素子１１は、高屈折率膜１９が、コア層１６の左右両側面１６ａ，１６ａ及び上面１６ｂのみを覆っている点が波長変換素子１０と異なっている。しかしながら、このような構造上の相違は、上述の等価屈折率の差の評価には実質的に影響しない。

次に、図３（Ａ）を参照して、シミュレーションで採用した波長変換素子１１の寸法及び屈折率の条件について説明する。

シミュレーションに用いた波長変換素子１１は、基板１２、クラッド層１４及びコア層１６の全てがｚ板のＬｉＮｂＯ_３で形成されているとする。

コア層１６の厚みＤ１、つまり基板１２の第１主面１２ａに垂直に測ったコア層１６の長さを４μｍとする。

コア層１６の幅Ｗａ，Ｗｂ、つまり、基板１２の第１主面１２ａに平行な面内で、光の伝播方向に垂直に測った長さを４μｍ及び５μｍとする。つまり、コア層１６の幅の寸法誤差を１μｍ（＝５μｍ−４μｍ）と設定する。

コア層１６の屈折率は、波長が０．７７５μｍで２．２８とし、及び波長１．５５μｍで２．２４とする。

クラッド層１４及び基板１２の屈折率は、コア層１６よりも０．１だけ小さい値とする。

また、クラッド層１４の厚みＤ２、つまり基板１２の第１主面１２ａに垂直に測ったクラッド層１４の長さは２μｍとする。

また、波長変換素子１１の全長、つまり波長変換素子１１の光伝播方向に沿った長さは５ｃｍとする。

高屈折率膜１９の屈折率は、２．３とする。また、このシミュレーションにおいては、高屈折率膜１９は、有効領域１８ａ、つまりコア層１６の両側面１６ａ，１６ａ及び上面１６ｂを連続して被覆しているものとする。また、高屈折率膜１９は、波長変換素子１１の全長（５ｃｍ）にわたって、コア層を被覆しているものとする。また、波長変換素子１１は、大気中に配置されているものとする。

次に、シミュレーションで採用した光の波長等について説明する。

一般に、ＱＰＭ構造２０を用いた波長変換において、ポンプ光Ｌｐの周波数をωｐと、信号光Ｌｓの周波数をωｓと、変換光Ｌｃの周波数をωｃと、それぞれ置いたときに、和周波の場合には、これらの間には、下記（３）式の関係が成り立つ。
ωｐ＝ωｓ＋ωｃ・・・（３）

いま、信号光Ｌｓ及び変換光Ｌｃの波長λｓ及びλｃが、通信波長帯域（約１．５５μｍ）であるようなシミュレーションを行うとする。なお、この場合において、当然ながらλｓ≒λｃであり、かつ、λｓ≠λｃである。

よって、上述の（３）式から、ポンプ光Ｌｐの波長λｐは、約０．７７５μｍとなる。

次に、図３（Ｂ）を参照して、シミュレーションの結果について説明する。図３（Ｂ）において、横軸は高屈折率膜１９の膜厚（μｍ）を示す。また、縦軸は、後述する（ｄｎ_４−ｄｎ_５）（任意単位）を示す。

ＢＰＭ法によるシミュレーションから、ポンプ光Ｌｐの波長λｐ（＝０．７７５μｍ）におけるコア層１６の等価屈折率を、４μｍの導波路幅Ｗａと５μｍの導波路幅Ｗｂとについて、高屈折率膜１９の膜厚を変化させながらそれぞれ求めた。このようにして求められたコア層１６の等価屈折率をｎ_４（０．７７５）（導波路幅Ｗａ：４μｍ）及びｎ_５（０．７７５）（導波路幅Ｗｂ：５μｍ）とそれぞれ称する。

同様にして、信号光Ｌｓ及び変換光Ｌｃの波長λｓ及びλｃ（≒１．５５μｍ）におけるコア層１６の等価屈折率を、４μｍの導波路幅と５μｍの導波路幅とについて、高屈折率膜１９の膜厚を変化させながらそれぞれ求めた。このようにして求められたコア層１６の等価屈折率をｎ_４（１．５５）（導波路幅Ｗａ：４μｍ）及びｎ_５（１．５５）（導波路幅Ｗｂ：５μｍ）とそれぞれ称する。

なお、このシミュレーションにおいては、信号光Ｌｓと変換光Ｌｃの波長の僅かな違いがコア層１６の等価屈折率に与える影響は無視している。つまり、ｎｓ＝ｎｃと仮定している。

そして、これら４種の等価屈折率から、コア層１６の幅のバラツキに対する、コア層１６の等価屈折率の振れ幅の指標としてのｄｎ_４−ｄｎ_５を、高屈折率膜１９の膜厚ごとに計算した。

ここで、ｄｎ_４−ｄｎ_５について、より詳細に説明する。ｄｎ_４−ｄｎ_５は、高屈折率膜１９の膜厚ごとに、下記（４）式で与えられる値である。
ｄｎ_４−ｄｎ_５＝［（ｎ_４（０．７７５）−ｎ_４（１．５５）］−［（ｎ_５（０．７７５）−ｎ_５（１．５５）］・・・（４）

つまり、ｄｎ_４−ｄｎ_５は、幅４μｍのコア層１６において、波長０．７７５μｍの光と波長１．５５μｍの光が感じる等価屈折率差（（ｎ_４（０．７７５）−ｎ_４（１．５５））と、幅５μｍのコア層１６において、波長０．７７５μｍの光と波長１．５５μｍの光が感じる等価屈折率差（（ｎ_５（０．７７５）−ｎ_５（１．５５））との差を表わしている。

（４）式より理解できるように、ｄｎ_４−ｄｎ_５の値が０に近いほど、導波路幅のバラツキに対するコア層１６の等価屈折率変化が小さくなる。つまり、ｄｎ_４−ｄｎ_５の値が０に近いほど、導波路幅に寸法誤差があっても、コア層１６の等価屈折率があまり変化しない。

次に図３（Ｂ）を参照してシミュレーション結果について説明する。高屈折率膜１９の膜厚が０μｍの場合、つまり高屈折率膜１９が設けられていない場合には、ｄｎ_４−ｄｎ_５は、約０．００２と大きな値を示す。

高屈折率膜１９の膜厚が０．１〜０．３μｍの間ではｄｎ_４−ｄｎ_５は、ほぼ０に近い値を示す。具体的には、高屈折率膜１９の膜厚が０．１μｍでは、ｄｎ_４−ｄｎ_５は約０．０００１である。高屈折率膜１９の膜厚が０．２μｍでは、ｄｎ_４−ｄｎ_５は約−０．０００１である。高屈折率膜１８の膜厚が０．３μｍでは、ｄｎ_４−ｄｎ_５は、約−０．０００３である。

これは、高屈折率膜１９の膜厚がこの範囲（０．１〜０．３μｍ）にある場合には、導波路幅にバラツキがあっても、ポンプ光Ｌｐ、信号光Ｌｓ及び変換光Ｌｃの感じるコア層１６の等価屈折率がほとんど変化しないことを示している。

高屈折率膜１９の膜厚が０．３μｍよりも厚くなった場合には、ｄｎ_４−ｄｎ_５は、０から離れた値を示す。具体的には、高屈折率膜１９の膜厚が０．４μｍの場合には、ｄｎ_４−ｄｎ_５は約−０．０００７である。

このように、コア層１６を、膜厚を適当に調整した高屈折率膜１９で被覆することにより、たとえコア層１６の幅に寸法誤差があったとしても、ポンプ光Ｌｐ、信号光Ｌｓ及び変換光Ｌｃの感じるコア層１６の等価屈折率をほぼ一定にすることができる。これにより、波長変換素子１１の変換効率の低下を抑えることができる。

また、このシミュレーションの結果から、ｄｎ_４−ｄｎ_５は、高屈折率膜１９の膜厚が０．１〜０．３μｍという、比較的広い範囲で０に近い値を示す。これは、高屈折率膜１９の成膜時に、高屈折率膜１９の膜厚をさほど厳密に制御する必要がないことを示している。

図３（Ｂ）に関する以上の説明のみでも、高屈折率膜１９を設ける利点は明らかであるが、さらに、別の視点から、高屈折率膜１９がコア層１６の寸法誤差を補償して、コア層１６の等価屈折率変動を抑制できることについて説明する。

今、コア層１６の幅に関する寸法誤差ΔＷの変換効率に与える影響を、同じく変換効率を左右する要素の一つである分極反転構造の周期Λの誤差ｄΛを用いて表わすことを考える。

図３（Ｂ）において、高屈折率膜１９が存在しない場合（膜厚＝０μｍ）の場合、シミュレーションの結果からｄΛ≒−０．５ΔＷが、説明を省略する計算より求まる。同様にして、高屈折率膜１９の膜厚が０．１〜０．３μｍの範囲では、ｄΛ＜｜０．０１５ΔＷ｜が得られる。

つまり、誤差ｄΛに換算した場合、高屈折率膜１９の膜厚が０．１〜０．３μｍの範囲内では、コア層１６の寸法誤差ΔＷは、高屈折率膜１９が存在しない場合に比較して約１／３０にまで低減する。

つぎに、このシミュレーションおいて、導波路幅を４μｍから５μｍに変化させたときの等価屈折率の変化幅を、具体値を挙げて説明する。

高屈折率膜１９が存在しない場合には、導波路幅を４μｍ（Ｗａ）から５μｍ（Ｗｂ）に変化させた場合、波長０．７７５μｍにおける等価屈折率の変化幅Δｎ_１は−７×１０^−４である。同様に、波長１．５５μｍにおける等価屈折率の変化幅Δｎ_２は−３×１０^−３である。

このことは、高屈折率膜１９が存在しない場合においては、０．７７５μｍの波長の等価屈折率の変化幅Δｎ_１の方がΔｎ_２よりも小さいことがわかる。これは、波長が短い光の方が、コア層１６への閉じ込めが良いことを反映していると思われる。

一方、高屈折率膜１９の膜厚が０．１〜０．３μｍの範囲において、導波路幅を４μｍ（Ｗａ）から５μｍ（Ｗｂ）に変化させた場合、波長０．７７５μｍにおける等価屈折率の変化幅Δｎ_３は、−３×１０^−５である。同様に、波長１．５５μｍにおける等価屈折率の変化幅Δｎ_４は、−４×１０^−６〜１．５×１０^−４の範囲の値である。

これらの結果から、高屈折率膜１９を適当な範囲（このシミュレーションでは０．１〜０．３μｍ）とすることにより、コア層１６の寸法誤差に起因する等価屈折率の変化幅を、高屈折率膜１９がない場合に比較して、１／１０以下にまで減少させることができる。つまり、Δｎ_３／Δｎ_１及びΔｎ_４／Δｎ_２は０．１以下の値となる。

以上説明したように、この実施の形態の波長変換素子１０は、コア層１６の幅に寸法誤差が生じたとしても、コア層１６を伝播する光が感じる等価屈折率の変化の度合いを大幅に低減することができる。その結果、波長変換素子１０の製造工程で生じるコア層１６の寸法誤差の影響を低減することができ、波長変換素子１０の量産性を高めることができる。

また、この波長変換素子１０は、コア層１６の幅の寸法誤差に起因して生じる変換光Ｌｃの波長の揺らぎを低減することができる。その結果、コア層１６の全長にわたり均一な波長の変換光Ｌｃを得ることができ、変換効率が向上する。

なお、このシミュレーションにおいては、コア層１６の屈折率分散を１０^−２オーダとしている。つまり、波長０．７７５μｍと波長１．５５μｍとの間のコア層１６の屈折率差を０．０４（＝２．２８−２．２４）としている。しかし、たとえ屈折率分散が大きな値であっても、膜厚を調整した高屈折率膜１９を設けることで、コア層１６の幅の寸法誤差に由来するコア層１６の等価屈折率のバラツキを抑えることができる。例えば、波長０．７７５μｍでのコア層１６の屈折率を２．４とし、及び波長１．５５μｍでのコア層１６の屈折率を２．５とした場合（屈折率分散は０．１）には、高屈折率膜１９の膜厚を約０．０７μｍとすることで、ｄΛを０に近い値にすることができる。また、この場合であっても高屈折率膜１９の膜厚が０．０５〜０．１２μｍの範囲で、ｄΛ≒｜０．０４ΔＷ｜となり、コア層１６の寸法誤差ΔＷの影響を、高屈折率膜１９が無い場合に比べて１／１０以下に抑えることができる。

また、このシミュレーションにおいては、高屈折率膜１９の屈折率を２．３としたが、高屈折率膜１９の屈折率は、この値には限定されない。発明者の評価によれば、高屈折率膜１９の屈折率は２．３〜２．５の間で変更することができる。なお、高屈折率膜１９の屈折率を変更した場合には、高屈折率膜１９の膜厚もそれに合わせて最適化する必要がある。

また、このシミュレーションにおいては、高屈折率膜１９が有効領域１８ａの全面を覆う場合について説明した。しかし、高屈折率膜１９は、有効領域１８ａの全面を覆う必要はなく、コア層１６とクラッド層１４との接触面を除いたコア層１６の面、つまりコア層１６の外部に露出した面のいずれかをチャネル型光導波路１５の全長にわたって被覆していればよい。

以下、この点について、図４（Ａ）〜（Ｄ）を参照して説明する。図４（Ａ）〜（Ｄ）は、この実施の形態で説明した以外の高屈折率膜１９の配置態様を示す、光導波路の模式的な断面図である。

例えば、図４（Ａ）に示すように、高屈折率膜１９は、コア層１６の片方の側面１６ａのみを覆っていてもよい。

また、図４（Ｂ）に示すように、高屈折率膜１９は、コア層１６の両方の側面１６ａ及び１６ａのみを覆っていてもよい。

また、図４（Ｃ）に示すように、高屈折率膜１９は、コア層１６の上面１６ｂと片方の側面１６ａを覆っていてもよい。

また、図４（Ｄ）に示すように、高屈折率膜１９は、コア層１６の上面１６ｂのみを覆っていてもよい。なお、図４（Ｄ）に示す構造については、実施の形態２において、より詳細に説明する。

なお、言うまでもないが、このように、高屈折率膜１９の配置態様を変更した場合には、高屈折率膜１９の最適膜厚は、改めて調査する必要がある。

（実施の形態２）
この実施の形態においては、光導波路を波長変換素子として応用した場合について説明する。

図５は、実施の形態２の波長変換素子の概略構成を示す斜視図である。実施の形態２の波長変換素子３０は、高屈折率膜３２が、コア層１６の両側面１６ａ，１６ａに設けられていない点を除いては、実施の形態１の波長変換素子１０と同様に構成されている。従って、以下、波長変換素子１０と重複する構成についてはその説明を省略する。

波長変換素子３０においては、高屈折率膜３２は、コア層１６の上面１６ｂと、基板１２の第１主面１２ａにのみ設けられている。

高屈折率膜３２は、実施の形態１の場合よりも、蒸着粒子の飛翔の方向性が高い抵抗加熱方式等の蒸着により形成される。その結果、コア層１６の両側面１６ａ，１６ａには、蒸着粒子が堆積せず、図５に示したように、上面１６ｂと基板１２の第１主面１２ａにのみ高屈折率膜３２が形成される。

次に、図６に示すシミュレーション結果を参照して、波長変換素子３０の動作について説明する。図６は、シミュレーション結果を示すグラフである。図６の縦軸は、図３（Ｂ）と同様に、（ｄｎ_４−ｄｎ_５）（任意単位）を表わす。横軸も、図３（Ｂ）と同様に、高屈折率膜３２の膜厚（μｍ）を表わす。

なお、高屈折率膜３２がコア層１６の側面１６ａ，１６ａに設けられてない点を除いて、シミュレーションにおける波長変換素子３０の寸法や、屈折率等の条件は、実施の形態１と同様である。

図６によると、高屈折率膜３２の膜厚が０μｍの場合、つまり高屈折率膜３２が設けられていない場合には、ｄｎ_４−ｄｎ_５は、約０．００２と大きな値を示す。

高屈折率膜３２の膜厚が０．１〜０．４μｍの間ではｄｎ_４−ｄｎ_５は、ほぼ０に近い値を示す。具体的には、高屈折率膜３２の膜厚が０．１μｍでは、ｄｎ_４−ｄｎ_５は約０．０００３である。高屈折率膜３２の膜厚が０．２μｍでは、ｄｎ_４−ｄｎ_５は約−０．０００３である。高屈折率膜３２の膜厚が０．３μｍでは、ｄｎ_４−ｄｎ_５は、約０．０００３である。高屈折率膜３２の膜厚が０．４μｍでは、ｄｎ_４−ｄｎ_５は約０．０００３である。

これは、高屈折率膜３２の膜厚がこの範囲（０．１〜０．４μｍ）にある場合には、導波路幅にバラツキがあっても、ポンプ光Ｌｐ、信号光Ｌｓ及び変換光Ｌｃの感じるコア層１６の等価屈折率がほとんど変化しないことを示している。

次に、実施の形態１のシミュレーションと同様に、コア層１６の寸法誤差ΔＷと分極反転構造の周期Λの誤差ｄΛとの関係について説明する。この範囲（０．１〜０．４μｍ）において、コア層１６の寸法誤差ΔＷと分極反転構造の周期Λの誤差ｄΛとの関係は、ｄΛ＜｜０．０１５ΔＷ｜となる。これは、高屈折率膜３２が存在しない場合の１／３０以下の値である。

次に、実施の形態１のシミュレーションと同様に、導波路幅を４μｍから５μｍに変化させたときの等価屈折率の変化幅を、具体値を挙げて説明する。

高屈折率膜３２が存在しない場合には、導波路幅を４μｍ（Ｗａ）から５μｍ（Ｗｂ）に変化させた場合、波長０．７７５μｍにおける等価屈折率の変化幅Δｎ_１は−７×１０^−４である。同様に、波長１．５５μｍにおける等価屈折率の変化幅Δｎ_２−３×１０^−３である。

一方、高屈折率膜３２の膜厚が０．１〜０．４μｍの範囲において、導波路幅を４μｍから５μｍに変化させた場合、波長０．７７５μｍにおける等価屈折率の変化幅Δｎ_３は、−３×１０^−５である。同様に、波長１．５５μｍにおける等価屈折率の変化幅Δｎ_４は、−２×１０^−４である。

この結果から、高屈折率膜３２を適当な範囲（このシミュレーションでは０．１〜０．４μｍ）とすることにより、コア層１６の寸法誤差に起因する等価屈折率の変化幅を、高屈折率膜３２がない場合に比較して、１／１０以下にまで減少させることができる。つまり、Δｎ_３／Δｎ_１及びΔｎ_４／Δｎ_２は０．１以下の値となる。

以上説明したように、この実施の形態の波長変換素子３０は、コア層１６の幅に寸法誤差が生じたとしても、コア層１６を伝播する光が感じる等価屈折率の変化の度合いを大幅に低減することができる。その結果、波長変換素子３０の製造工程で生じるコア層１６の寸法誤差の影響を低減することができ、波長変換素子３０の量産性を高めることができる。

また、この波長変換素子３０は、コア層１６の幅の寸法誤差に起因して生じる変換光Ｌｃの波長の揺らぎを低減することができる。その結果、コア層１６の全長にわたり均一な波長の変換光Ｌｃを得ることができ、変換効率が向上する。

（実施の形態３）
この実施の形態では、光導波路をアレイ導波路回折格子のチャネル型導波路として用いた場合について説明する。

図７（Ａ）は、アレイ導波路回折格子の概略構成を示す平面図である。図７（Ｂ）は、アレイ導波路回折格子のチャネル型導波路の概略構成を示す斜視図である。

図７（Ａ）を参照すると、アレイ導波路回折格子４０（以下、単に「ＡＷＧ４０」とも称する。）は、１本の入力用導波路４２と、入力用導波路４２に接続される、平面形状が略扇形の第１平面導波路４４と、第１平面導波路４４に接続され、光路長を所定の長さずつ変化させた複数のチャネル型導波路４６，４６，・・・と、これらのチャネル型導波路４６，４６，・・・に接続される、平面形状が略扇形の第２平面導波路４８と、第２平面導波路４８に接続される複数の出力用導波路５０，５０，・・・とを備えている。

ＡＷＧ４０においては、入力用導波路４２から第１平面導波路４４に入射した波長λ_０の光は、それぞれ光路長が異なるチャネル型導波路４６，４６，・・・を伝搬する。それぞれのチャネル型導波路４６，４６，・・・を伝搬する光は位相差を生じ、この位相差が、第２平面導波路４８での回折角の変化に変換され、波長λ_１，λ_２，・・・ごとに分離されて出力用導波路５０，５０，・・・へと出力される。

図７（Ｂ）に示すように、個々のチャネル型導波路４６は、基板５２と、下部クラッド層５４と、コア層５６と、上部クラッド層５８と、高屈折率膜６０とを備えている。つまり、ＡＷＧ４０では、チャネル型導波路４６に、この発明の導波路素子が応用されている。

基板５２は、平行平板であり、基板５２の第１主面５２ａには、下部クラッド層５４が積層されている。

下部クラッド層５４は、基板５２の第１主面５２ａの全面にわたって形成されている。下部クラッド層５４の一部の領域は、第１主面５２ａから突出して凸条をなすように形成されている。つまり、下部クラッド層５４は、いわゆるリッジ型構造をなしている。

コア層５６は、下部クラッド層５４の上面５４ａ上に設けられている。コア層５６の屈折率は、下部クラッド層５４及び後述する上部クラッド層５８の屈折率よりも大きい値とする。このコア層５６を、第１平面導波路４４に入力された光が、第２平面導波路４８に向かって伝播する。

上部クラッド層５８は、コア層５６の上面５６ａ上に設けられている。

高屈折率膜６０は、上部クラッド５８、コア層５６及び下部クラッド５４の露出面を被覆している。つまり、高屈折率膜６０は、上部クラッド５８の上面及び両側面、コア層の両側面５６ｂ及び５６ｂ、並びに下部クラッド５４の側面及び表面を被覆している。換言すれば、高屈折率膜６０は、コア層５６の表面であって、上部クラッド層５８及び下部クラッド層５４との非接触面である両側面５６ｂ及び５６ｂ上に、コア層５６の全長にわたって設けられている。高屈折率膜６０は、コア層５６よりも屈折率が高い材料を用いて形成されている。

次に、この実施の形態のＡＷＧ４０の動作をチャネル型導波路４６が奏する作用に注目して説明する。

上述したように、ＡＷＧ４０は、光路長が異なるチャネル型導波路４６，４６，・・・を光が伝播する際に生じる位相差を利用して、波長分離を行う。

この位相差は、（１）チャネル型導波路４６の等価屈折率、（２）光の波数、及び（３）チャネル型導波路４６の光路長の積で与えられることが知られている。

ところで、実施の形態１及び２で既に説明したと同様の理由により、チャネル型導波路４６の等価屈折率は、チャネル型導波路４６の幅の寸法誤差によりバラツキが発生する。

このように、チャネル型導波路４６の等価屈折率にバラツキがあると、チャネル型導波路４６を伝播する光の位相差にバラツキが生じてしまう。その結果、第２平面導波路４８での光の干渉に支障を来たし、ＡＷＧ４０の波長分離能力が低下してしまう。

この実施の形態のＡＷＧ４０では、個々のチャネル型導波路４６においてコア層５６の両側面５６ｂ及び５６ｂに高屈折率膜６０を設けている。その結果、実施の形態１及び２で説明したと同様の理由により、たとえチャネル型導波路４６の幅に寸法誤差が存在したとしても、コア層５６の等価屈折率の変化幅を小さくすることができる。よって、チャネル型導波路４６を伝播する光の位相差のバラツキを抑制することができ、ＡＷＧ４０の波長分離能力の低下を抑えることができる。

実施の形態１の波長変換素子の概略構成を示す斜視図である。 コア層に寸法誤差が存在する場合の波長変換の様子を模式的に描いた概念図である。 （Ａ）は、シミュレーションに用いたコア層の寸法等を説明するための模式図であり、（Ｂ）は、シミュレーション結果を示すグラフである。 （Ａ）〜（Ｄ）は、この実施の形態で説明した以外の高屈折率膜の配置態様を示す、光導波路の模式的な断面図である。 実施の形態２の波長変換素子の概略構成を示す斜視図である。 シミュレーション結果を示すグラフである。 （Ａ）は、アレイ導波路回折格子の概略構成を示す平面図である。（Ｂ）は、アレイ導波路回折格子のチャネル型導波路の概略構成を示す斜視図である。

符号の説明

１０，１１，３０ 波長変換素子
１２，５２ 基板
１２ａ，５２ａ 第１主面
１４ クラッド層
１４ａ 側面
１５ チャネル型光導波路
１６，５６ コア層
１６ａ，５６ｂ 側面
１６ｂ，５４ａ，５６ａ 上面
１８，１９，３２，６０ 高屈折率膜
１８ａ 有効領域
１８ｂ 無効領域
２０ ＱＰＭ構造
４０ アレイ導波路回折格子
４２ 入力用導波路
４４ 第１平面導波路
４６ チャネル型導波路
４８ 第２平面導波路
５０ 出力用導波路
５４ 下部クラッド層
５８ 上部クラッド層

Claims (4)

1. 基板と、
   該基板に設けられたチャネル型光導波路と、
   該光導波路のコア層の表面であって、クラッド層との非接触面上に、該コア層の全長にわたって設けられた、前記コア層の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率膜とを備えており、
   前記チャネル型光導波路が、前記基板の上側に形成されたリッジ型導波路であり、
   前記高屈折率膜が、前記リッジ型導波路の左右両側面及び上面を被覆していることを特徴とする導波路素子。
2. 基板と、
   該基板に設けられたチャネル型光導波路と、
   該光導波路のコア層の表面であって、クラッド層との非接触面上に、該コア層の全長にわたって設けられた、前記コア層の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率膜とを備えており、
   前記チャネル型光導波路が、前記基板の上側に形成されたリッジ型導波路であり、
   前記高屈折率膜が、前記リッジ型導波路の上面を被覆していることを特徴とする導波路素子。
3. 基板と、
   該基板に設けられたチャネル型光導波路と、
   該光導波路のコア層の表面であって、クラッド層との非接触面上に、該コア層の全長にわたって設けられた、前記コア層の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率膜とを備えており、
   前記チャネル型光導波路が、前記基板の上側に形成されたリッジ型導波路であり、
   前記高屈折率膜が、前記リッジ型導波路の側面を被覆していることを特徴とする導波路素子。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の導波路素子を用いた波長変換素子であって、前記チャネル型導波路が、前記光の伝播方向に沿った周期的分極反転構造を有する非線形光学材料から形成されていることを特徴とする波長変換素子。

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