JP7135771B2 - 波長変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、波長変換装置に関する。

周期分極反転ニオブ酸リチウム（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ、以下、ＰＰＬＮという）を利用した光導波路は、導波路とすることによる光強度の増大化および疑似位相整合技術の利用による高い波長変換効率を実現可能な素子である。そのため、ＰＰＬＮを利用した光導波路は、次世代光ファイバ通信分野や量子コンピューティングの分野で重要な役割を担うデバイスとして注目されている。このＰＰＬＮを利用した光導波路は、低雑音な光増幅が可能な位相感応増幅器（ＰＳＡ）を構成するパラメトリック増幅素子および励起光発生素子として使用されており、高利得・低雑音な光増幅特性が実現されている。また量子コンピューティングの分野において、ＰＰＬＮを利用した光導波路をファイバリング共振器内に挿入しパラメトリック発振素子として使用することで、従来の計算機に比べて極めて高速に大容量の計算を実証した報告がされている。これらの技術の更なる高性能化のためには、より高い波長変換効率を有する波長変換装置を実現することが重要となっている。

図１は、擬似位相整合（Ｑｕａｓｉ－Ｐｈａｓｅ－Ｍａｔｃｈｅｄ、以下、ＱＰＭという）技術により差周波を発生させる従来の波長変換装置１０の基本構成を示す図である。図１の波長変換装置１０の構成は、特許文献１に開示されている。図１に示すように、光強度が低い信号光１ａおよび光強度の高い制御光１ｂは、合波器１４に入射し合波される。制御光１ｂと合波した信号光１ａは、基板１２と基板１２の上に配置される光導波路コア１１を含む波長変換素子１３に向かって進行する。周期分極反転構造を有して非線形光学効果を発現する光導波路コア１１の一方の端に入射する。信号光１ａは、光導波路コア１１の中を通過する時に信号光１ａと異なる波長を有する差周波光１ｃへと変換され、制御光１ｂと共に光導波路コア１１の他方の端から出射される。光導波路コア１１から出射した差周波光１ｃと制御光１ｂとは、分波器１５に入射し互いに分離される。

また、擬似位相整合技術を利用して波長変換を行う光学素子（以下、波長変換素子という）を作製する方法もいくつか知られている。例えば、非線形光学効果を発現させる結晶（以下、非線形光学結晶という）基板を周期分極反転構造とした後に、その周期分極反転構造を用いてプロトン交換導波路を作製する方法である。また例えば、同様に、非線形光学結晶基板を周期分極反転構造とした後に、フォトリソグラフィプロセスおよびドライエッチングプロセスを利用してリッジ型光導波路を作製する方法である。

特許文献１には、これらのうちリッジ型光導波路を作製する例が開示されている。特許文献１には、リッジ型光導波路において、光の閉じ込め効果を向上させるため、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶の第１の基板とその第１の基板の屈折率より小さい屈折率を有する第２の基板とを貼り合わせて波長変換素子を作製することが記載されている。また、特許文献１には、接着剤の劣化や温度変化によるクラックを回避するために、第１の基板と同種の非線形光学結晶を第２の基板として使用し、第１の基板と第２の基板とに熱を加えて拡散接合させることが記載されている。

波長変換素子を備える波長変換装置は、実用上、使用環境の変化により特性が劣化しない様に、光の入出力が可能な入出力ポートを備えた金属筐体内に合波器および分波器と共に波長変換素子を収納し使用することが知られている。さらに波長変換素子の波長変換効率は温度依存性を有しており、その波長変換効率を最大化するためは波長変換素子の温度を制御することが必要である。そのため波長変換装置は、さらに温度制御素子を金属筐体の内部に収納している。

図２は、図１の波長変換装置１０の構成にさらに金属筐体２９および温度制御素子２６を備える波長変換装置２０の構成例を示す図である。図２に示す波長変換装置の構成は図１に示す構成に加えて、金属筐体２９、温度制御素子２６、上部部材２７、および金属筐体底面部材２８を備えている。金属筐体２９は、光の入出力および温度制御のための電気信号の入出力をするための入力ポート２００および出力ポート２０１を側面に備えている。上部部材２７は、光導波路コア１１および基板１２を含む波長変換素子１３の全体の温度を均一に制御するための金属部材である。温度制御素子２６は、上部部材２７と金属筐体底面部材２８との間に介挿されている。なお、光導波路コア１１、基板１２、波長変換素子１３、合波器１４、分波器１５、信号光１ａ、差周波光１ｃは、図１の説明におけるものと同じであるため説明を省略する。

また、強誘電体結晶材料を用いた波長変換素子を波長変換装置に用いた場合、短い波長を有する光の照射により波長変換素子の屈折率が変化して特性が低下する光損傷と呼ばれる現象が生じる。この光損傷による影響を抑制する方法として波長変換素子を高温で使用することが提案されている。

特許第３７５３２３６号公報

波長変換素子を高温で動作させるためには、ヒーター等の熱源を用いて波長変換素子を加熱する方法が考えられる。例えば、図２に示す波長変換装置２０では波長変換素子１３の温度制御を高精度で高速に行うことが必要なため、温度制御素子２６としてペルチェ素子を用いる。ペルチェ素子を用いて波長変換素子１３の温度を高温に設定する場合、以下に説明する事象が問題となる。

ここで、ペルチェ素子は、ペルチェ素子に電流を流すと一方の面で吸熱が生じ同時に他方の面で発熱が生じる効果を利用する素子である。そのため、波長変換素子１３の温度を波長変換素子１３の周囲の温度よりも高温に設定する場合、大気環境下では吸熱側において結露が生じることが想定される。その結露により生じた水がペルチェ素子の内部やリード線電極付近に滞ると、ペルチェ素子とリード線電極とを接合する半田が水により腐食し、ペルチェ素子とリード線電極とが電気的に断線して破損する。または結露により生じた水が複数の電極と接触する場合、電極間の電位差により半田の成分が水を介してアノード溶出およびカソード析出を繰り返す結果、複数の電極がショートして波長変換素子１３が故障する。そのため、信頼性の高い波長変換装置２０を実現するためには、水を含まない乾燥ガス雰囲気で波長変換装置２０を気密封止することが必要となる。

しかしながら、乾燥ガス雰囲気で波長変換装置２０を気密封止すると、波長変換装置２０の中に大気イオンが存在しないため、波長変換素子１３の温度を変化させた際に強誘電体である基板１２の焦電効果に起因して生じる基板１２上の表面電荷を中和することができない。このとき、基板１２の屈折率分布が発生する。さらに、基板１２の表面における焦電効果による表面電荷の変化は、光導波路コア１１の内部にも影響を与え光導波路コア１１の内部の電荷密度に不均一な分布を生じさせる。そのため、光導波路コア１１の内部にも不均一な屈折率分布が生じる。その結果、光導波路コア１１において位相整合条件を満たす波長が変化し、波長変換された差周波光１ｃの出力パワーが低下するという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。本発明の一実施形態は、信号光が入力されたときに信号光の波長と異なる光を発生させる波長変換装置であって、信号光の波長を変換する波長変換素子と、波長変換素子の温度を制御するための温度制御素子と、を備える。ここで、波長変換素子および温度制御素子は、金属筐体の内部に密閉され、金属筐体の内部は窒素、酸素、アルゴン、またはヘリウムから選ばれる一種以上を含む乾燥ガスで充填されており、波長変換素子は、光導波路コアと光導波路コアよりも信号光に対して低い屈折率を有する基板とを含み、基板は、自発分極の方向がランダムな強誘電体である。

本発明により、強誘電体基板を含む波長変換素子の温度を変化させたときに生じる焦電効果により招来される、波長変換された光の出力パワーの低下を抑制可能な波長変換装置を提供することができる。

擬似位相整合技術により差周波を発生させる従来の波長変換装置１０の基本構成例を示す図である。 図１の波長変換装置１０の構成にさらに金属筐体２９および温度制御素子２６を備える波長変換装置の構成例を示す図である。 本発明の一実施形態である波長変換器３０の構成を示す図である。 基板３２を乾燥窒素ガス雰囲気中において６５０℃で２時間加熱をしていない場合の波長変換装置３０の位相整合特性を示すグラフである。 基板３２を乾燥窒素ガス雰囲気中において６５０℃で２時間加熱した場合の波長変換装置３０の位相整合特性を示すグラフである。

本発明の一実施形態の波長変換装置の動作原理について説明する。本発明の一実施形態の波長変換装置は、波長変換素子のリッジ型光導波路の下部である基板として強誘電体結晶を用いる。その基板を一度キュリー温度以上において加熱した後に冷却する。この加熱および冷却処理により、加熱前の分極方向と異なる方向の分極が誘電体結晶である基板中にランダムに生じるため、強誘電体の分極方向は単一ではなくなる。分極方向が単一でなくランダムな分極方向を有する強誘電体結晶は、それぞれ異なる方向の分極による電場が強誘電体結晶の内部で互いに打ち消しあうために、結果的として単一分極方向を有する強誘電体結晶よりも焦電効果が小さくなる。

すなわち、加熱前の基板は、巨視的かつ微視的に、自発分極の方向が一定の方向に揃っていて、加熱後の基板は、ドメイン内で自発分極の方向がランダムとなる部分が生じる。上記の、単一分極の強誘電体結晶よりも焦電効果が小さくなる効果は、基板の構造変化により実現されるものである。

この加熱および冷却処理の前後で、基板の特性である圧電性、電歪性、非線形光学特性は損なわれるものの、波長変換された光の出力パワーに影響を与える基板の屈折率、透過率、線膨張係数はほぼ変わらないという技術的特徴を有する。この技術的特徴を有することにより、本発明の一実施形態である波長変換装置は、乾燥ガス雰囲気中においても基板の焦電効果を抑制しながら使用することが可能である。

（実施例）
図３は、本発明の一実施形態である波長変換器３０の構成を示す図である。波長変換器３０は、信号光１ａとして波長１５５０ｎｍの基本波が入力ポート３００から入力されると、その第二高調波である波長（７７５ｎｍ）を有する波長変換された信号光３ｃが出力ポート３０１から出力される波長変換装置である。図３に示す波長変換装置３０の構成は、図２に示す波長変換装置２０と同じである。異なるのは、波長変換素子３３の基板３２が、分極方向が単一でなくランダムな分極方向である強誘電体結晶を採用している点である。

まず、波長変換装置３０の構成について説明する。波長変換装置３０は、信号光１ａと制御光（図示せず）とを合波する合波器１４と、光導波路コア３１と基板３２とを含む波長変換素子３３と、波長変換された信号光３ｃと制御光（図示せず）とを分波する分波器１５を備えている。それらの要素を密封するように、金属筐体の第１の部分３９Ａ，金属筐体の第２の部分３９Ｂを含む金属筐体が備えられ、金属筐体の内部には、さらに温度制御素子２６、上部部材２７、および金属筐体底面部材２８を備えている。

金属筐体の第１の部分３９Ａ，金属筐体の第２の部分３９Ｂを含む金属筐体は、光の入出力および温度制御のための電気信号の入出力をするための入力ポート３００および出力ポート３０１を側面に備えている。なお、合波器１４、分波器１５、信号光１ａは、図１の説明におけるものと同じであるため説明を省略する。

光導波路コア３１は、信号光１ａの強度を損失させることなく、選択的にその内部を透過させる光導波路である。光導波路コア３１の構造は、信号光１ａの波長が入力された時に信号光１ａと異なる波長を有する波長変換された信号光３ｃを出力する機能を有するものであれば特に限定はされない。二次の非線形定数が光の進行方向に沿って周期的にまたは所定の変調が付与された周期で変化し、単一の波長または複数の波長について疑似位相整合を実現する構造であって、例えば、マルチＱＰＭ素子を採用することも可能である。

基板３２は、強誘電体であり信号光１ａに対して透明、すなわち光吸収を生じない基板である。基板３２は、リッジ型光導波路を構成する際に、光導波路コア３１に対するアンダークラッドとして機能させるものであり、光導波路コア３１よりも信号光１ａ、制御光（図示せず）、および波長変換された信号光３ｃに対して屈折率が低いことが必要である。

基板３２に採用する強誘電体材料として、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃（ニオブ酸カリウム）、ＬｉＴａＯ₃（タンタル酸リチウム）、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１－ｘ）Ｏ₃（０≦ｘ≦１）（不定比組成のタンタル酸リチウム）、またはＫＴｉＯＰＯ₄（チタン酸リン酸カリウム）、さらに、それらにＭｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｉｎ（インジウム）から選ばれる少なくとも１つを添加物として含有しているものが好ましい。

金属筐体は、金属筐体の第１の部分３９Ａと金属筐体の第２の部分３９Ｂとを接合して、内部の気密を保つように密閉する金属筐体である。

上部部材２７は、光導波路コア３１および基板３２を含む波長変換素子３３の全体の温度を均一に制御するための金属部材である。

ここで、上部部材２７および金属筐体底面部材２８の線膨張係数は、温度制御素子２６の温度変化で生じる熱応力による上部部材２７および金属筐体底面部材２８の変形を抑制するために温度制御素子２６の線膨張係数とほぼ等しいことが好ましい。具体的には上部部材２７の線膨張係数は、１０×１０^-6／Ｋ以上２０×１０^-6／Ｋ以下であることが好ましい。

また、上部部材の材料は、ステンレス鋼、銅モリブデン鋼、炭素鋼、クロムモリブデン鋼、銅、リン脱酸銅、無酸素銅、リン青銅、または黄銅から選ばれる一種以上の金属を含むことが好ましい。本実施例では、上部部材２７として無酸素銅を使用した。

金属筐体底面部材２８は、機械的強度が高く、かつ温度制御素子２６による発熱および吸熱効果を効率的に波長変換素子３３に伝達するために高い熱伝導率を有する部材である。

金属筐体底面部材２８の線膨張係数は、４×１０^-6／Ｋ以上１２×１０^-6／Ｋ以下であることが好ましい。

さらに、上部部材２７および金属筐体底面部材２８の線膨張係数は、共に温度制御素子２６の線膨張係数とほぼ等しく設定することにより、熱応力による上部部材２７および金属筐体底面部材２８の変形をさらに抑制することができる。すなわち、金属筐体底面部材２８の線膨張係数の値の範囲は、上部部材２７の線膨張係数の値の範囲と略等しいことがさらに好ましい。

また、金属筐体底面部材の材料は、タングステン、モリブデン、コバール、銅タングステン鋼、ステンレス鋼、または銅モリブデン鋼から選ばれる一種以上の金属を含むことが好ましい。本実施例では、金属筐体底面部材２８としてステンレス鋼を使用した。

温度制御素子２６は、上部部材２７と金属筐体底面部材２８との間に介挿されている。温度制御素子２６は、ペルチェ素子である。さらに、上部部材２７と金属筐体底面部材２８とに発熱および吸熱効果を効率的に伝達するために、それらとの接合方法として半田接合、導電性接着剤による接合その他の公知の接合方法を採用することが可能である。

乾燥ガス３０２は、金属筐体の内部を充填し水を含まないガスである。すなわち、乾燥ガス３０２は、図３に示すように、金属筐体に密閉されている波長変換素子３３、温度制御素子２６、上部部材２７、および金属筐体底面部材２８の周囲の雰囲気である。

乾燥ガス３０２は、窒素、酸素、アルゴン、またはヘリウムから選ばれる一種以上を含むことが好ましい。本実施例では、乾燥ガス３０２として乾燥窒素ガスを使用した。

次に、波長変換装置３０の作製方法について説明する。予め、基板３２に対して加熱および冷却処理を行う。基板３２として厚さ０．５ｍｍのＬｉＴａＯ₃の結晶を電気炉に投入し、乾燥窒素ガス雰囲気において６５０℃で２時間、温度を維持しながら加熱した。その加熱後に、基板３２の温度が室温に下がるまで冷却した。

この加熱および冷却処理を施すことにより、基板３２であるＬｉＴａＯ₃の結晶中で自発分極の方向がランダムとなる。その結果、基板３２の内部において、ランダムな分極による電場が互いに打ち消しあい、単一方向分極の場合と比較して焦電効果が小さくなり基板３２の表面電荷密度を小さくすることが可能だった。

この強誘電体の基板３２をリッジ型光導波路の下部として使用し、基板３２の上に５μm角のＰＰＬＮによる光導波路コア３１をドライエッチングにより形成した。

以上のように作製した波長変換素子３３を上部部材２７の上に固定し、上面が開口している金属筐体の第１の部分３９Ａの内側に、上部部材２７、金属筐体底面部材２８、およびそれらの間に温度制御素子２６を介挿し、固定し収納した。固定後，乾燥窒素ガス雰囲気中で金属筐体の第１の部分３９Ａと金属筐体の第１の部分３９Ｂとをシーム溶接することにより金属筐体の気密封止を行った。シーム溶接による接合箇所は、３９ｅである。

図４および図５は、それぞれ、予め基板３２を乾燥窒素ガス雰囲気中において６５０℃で２時間加熱をしていない場合（図４）と加熱した場合（図５）の波長変換装置３０の位相整合特性を示すグラフである。図４および図５において、横軸は波長変換装置３０から出力された波長変換された信号光３ｃの波長を、縦軸はそれらの出力パワーを示している。

図４において、基板３２の焦電性に起因する基板３２の屈折率変化により光導波路コア３１において位相整合条件が局所的に満足されず、理論上の位相整合曲線であるＳｉｎｃ関数で表される特性から大幅にずれて波長変換効率が低下していることが分かる。これに対して、図５に示すように加熱処理を施した基板３２を波長変換素子の基板として適用した場合は、図４に示す基板３２に加熱および冷却処理を施さない場合の位相整合特性と比較して、焦電効果の影響をより良く抑制し、その位相整合曲線の形状は理想的なＳｉｎｃ関数に近づき高い波長変換効率を得ることが可能であることが分かる。

１ａ 信号光
１ｂ 制御光
１ｃ 差周波光
３ｃ 波長変換された信号光
１０、２０、３０ 波長変換装置
１１、３１ 光導波路コア
１２、３２ 基板
１３、３３ 波長変換素子
１４ 合波器
１５ 分波器
２６ 温度制御素子
２７ 上部部材
２８ 金属筐体底面部材
２９ 金属筐体
３９Ａ 金属筐体の第１の部分
３９Ｂ 金属筐体の第２の部分
３９ｅ 金属筐体の第１の部分と金属筐体の第２の部分との接合部
２００、３００ 入力ポート
２０１、３０１ 出力ポート
３０２ 乾燥ガス

Claims (9)

1. 信号光が入力されたときに前記信号光の波長と異なる光を発生させる波長変換装置であって、
   前記信号光の波長を変換する波長変換素子と、
   前記波長変換素子の温度を制御するための温度制御素子と、を備え、
   前記波長変換素子および前記温度制御素子は、金属筐体の内部に密閉され、前記金属筐体の内部は窒素、酸素、アルゴン、またはヘリウムから選ばれる１つ以上を含む乾燥ガスで充填されており、
   前記波長変換素子は、光導波路コアと前記光導波路コアよりも前記信号光に対して低い屈折率を有する基板とを含み、前記光導波路コアは前記基板の上に形成されており、
   前記基板は、自発分極の方向がランダムな強誘電体であり、クラッドとして機能する、
   波長変換装置。
2. 前記信号光と制御光とを合波する合波器と、
   前記波長変換素子により、前記信号光の波長と異なる光と制御光とを分波する分波器と、
   をさらに備える、請求項１に記載の波長変換装置。
3. 前記温度制御素子は、ペルチェ素子であって、
   前記ペルチェ素子は、上部部材の第１の面と前記金属筐体の底面に配置されている金属筐体底面部材との間に介挿されており、前記上部部材の前記第１の面に対向する前記上部部材の第２の面に前記波長変換素子が載置され、
   前記上部部材は、金属部材であって、
   前記上部部材および前記金属筐体底面部材の線膨張係数の値が、前記ペルチェ素子の線膨張係数と略等しい値である、
   請求項１または２に記載の波長変換装置。
4. 前記光導波路コアは、前記信号光の進行方向に沿って、前記光導波路コアの内部の二次の非線形定数が周期的にまたはランダムに変化する疑似位相整合構造を有している、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の波長変換装置。
5. 前記基板は、ＬｉＮｂＯ₃（ニオブ酸リチウム）、ＫＮｂＯ₃（ニオブ酸カリウム）、ＬｉＴａＯ₃（タンタル酸リチウム）、ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）（不定比組成のタンタル酸リチウム）、またはＫＴｉＯＰＯ₄（チタン酸リン酸カリウム）、さらに、それらにＭｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｓｃ（スカンジウム）、またはＩｎ（インジウム）から選ばれる少なくとも１つを添加物として含有している、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の波長変換装置。
6. 前記上部部材の線膨張係数は、１０×１０^-6／Ｋ以上２０×１０^-6／Ｋ以下である請求項３に記載の波長変換装置。
7. 前記金属筐体底面部材の線膨張係数は、４×１０^-6／Ｋ以上１２×１０^-6／Ｋ以下である請求項３に記載の波長変換装置。
8. 前記上部部材の材料は、ステンレス鋼、銅モリブデン鋼、炭素鋼、クロムモリブデン鋼、銅、リン脱酸銅、無酸素銅、リン青銅、または黄銅から選ばれる１つ以上を含む請求項３または６に記載の波長変換装置。
9. 前記金属筐体底面部材の材料は、タングステン、モリブデン、コバール、銅タングステン鋼、ステンレス鋼、または銅モリブデン鋼から選ばれる１つ以上を含む請求項３または７に記載の波長変換装置。

Images