JP7160194B2 - 波長変換素子 - Google Patents

Description

本発明は、波長変換素子に関し、具体的には、非線形光学効果を用いた光学素子であって、光通信システム、光計測システム等において用いられる波長変換素子に関する。

波長変換技術は、光通信における光信号波長変換のほか、光加工、医療、生物工学などに適用されている。紫外域から可視光域、赤外光域、テラヘルツ域において半導体レーザでは直接出力できない波長域を出力する光源、半導体レーザで直接出力できる波長域であっても半導体レーザでは得られない高出力な強度が必要な光源において利用されている。特に、２次非線形材料で大きな非線形定数を有するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：ＬＮ）を用いた周期分極反転光導波路を有する波長変換素子は、効率の高さから既に市販されている光源に使用されている。

２次非線形光学効果では、波長λ_１、λ_２の光を入力して新たな波長λ_３を発生させる。

１／λ_３＝１／λ_１＋１／λ_２ （１）
を満たす波長変換を和周波発生（ＳＦＧ）と呼ぶ。λ_１＝λ_２として式１を変形して、
λ_３＝λ_１／２ （２）
を満たす波長変換を第２高調波発生（ＳＨＧ）と呼ぶ。さらに、
１／λ_３＝１／λ_１―１／λ_２ （３）
を満たす波長変換を差周波発生（ＤＦＧ）と呼ぶ。ここで、λ_１のみを入力して式（３）を満たすλ_２、λ_３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し、可視光域の発生などに良く利用されている。

これら２次非線形光学効果を効率よく起こすためには、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、非線形光学結晶の偏光方向による屈折率の違いを利用し、非線形光学結晶に入射する光の入射角度を適切に設定する角度整合法により位相不整合量を０にする方法がある。しかしながら、角度整合法では、非線形光学結晶の最大の非線形定数を利用することが出来ないという問題がある。

一方、最大の非線形定数を持つ方向の偏光状態の入力光を利用できる方法として、周期分極反転構造を取り入れる方法がある。すなわち、２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、擬似的に位相不整合量を０にすることができる。この反転周期をΛとすると、式（１）で示される和周波発生においては、波長λ_１、λ_２、λ_３に対して
ｎ_３／λ_３－ｎ_２／λ_２－ｎ_１／λ_１－１／Λ＝０ （４）
を満たすΛを設定すれば良い。ここで。ｎ_３は波長λ_３での屈折率、ｎ_２は波長λ２での屈折率、ｎ_１は波長λ_１での屈折率である。

このような周期分極反転構造を有し、さらに光導波路化することにより狭い領域に光を高密度に閉じ込めて長距離を伝搬させることにより、高効率な波長変換が実現されてきた。例えば、非特許文献１に示されるように、結晶のバルクの特性をそのまま利用できることから、高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計の容易性などの特徴を有するリッジ型の光導波路が研究開発されている。例えば、一部に予め所定の波長帯で位相整合条件が満たされる周期分極反転構造が作製されている第１基板と、これを保持する第２の基板とをｚ軸を法面として接合する。第１の基板を薄膜化し、リッジ加工してリッジ型の光導波路とした波長変換素子を作製する。２つの基板を接合する場合に、接着剤などを用いずに、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。

非特許文献１では、導波路の横方向の閉じ込めのために、ダイシングソーを用いて行っているが、近年では非特許文献２に示すようなドライエッチング法を用いた導波路形成法を適用することもできる。

非特許文献１および２に記載された波長変換素子では、導波する入射光および変換光は、基板に垂直方向に光電界が偏っているＴＭ偏光の光を波長変換している。

また、非特許文献３に示すように、ｚ軸が基板面内にほぼ平行であり、分極反転構造を有する波長変換素子も提案されている。この波長変換素子は、プラスの櫛形電極が基板上面に形成され、マイナスの電極が基板上面と基板下面に形成されており、それぞれに異なる電圧値を印加している。基板面にほぼ平行なｚ軸に沿って櫛形電極の投影形状を反映した棒状の分極反転構造が作製されることになる。

さらに、非特許文献４に示すように、ｚ軸を基板面内にもつ分極反転構造が形成された波長変換素子が実証されている。この波長変換素子は、２次非線形材料であるニオブ酸リチウムが非常に薄く、閉じ込めが大きいため、非常に大きな変換効率を示している。基板面に平行またはほぼ平行な方向にｚ軸がある場合には、導波する入射光および変換光は、基板面内方向のＴＥ偏光の光を波長変換している。

従来、分極反転構造の作製は、大きな非線形定数を利用するために、電界印加によって基板の分極を反転させる工程を経ていた。この作製工程では、櫛形電極作製、電界印加、電極の剥離という工程を必要とする。さらに、電界印加では非線形光学結晶の有する抗電界を超える電界を加えなければならず、ｋＶオーダーの大きな電圧源が必要となり、非常に煩雑な工程を踏まなくてはならないという課題があった。

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. K. Mizuuchi, K. Yamamoto, and M. Kato, "Harmonic blue light generation in X-cut MgO:LiNbO3 waveguide", Electronics Letters, Vol. 33, No. 9, pp.806-807, 1997. C. Wang, C. Langrock, A. Marandi, M. Jankowski, M. Zhang, B. Desiatov, M. M. Fejer, and M. Loncar, "Ultrahigh-efficiency wavelength conversion in nanophotonic periodically poled lithium niobate waveguides", Optica, Vol. 5, No. 11, pp. 1438-1441, 2018.

本発明の目的は、電界印加法によらず、高効率な波長変換を実現することができる波長変換素子を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、二次非線形光学結晶からなり、自発分極の方向であるｚ軸が基板面内にある波長変換素子であって、前記ｚ軸に平行な直線上に中心を有し、半径が同一の複数の円を、円周が接するように複数描いたとき、前記直線を境に円周の一方の半円に当たる半円導波路が交互に接続された導波路を有することを特徴とする。

この構成によれば、二次非線形光学結晶の自発分極の方向であるｚ軸に対して入射光の導波する角度が連続的に変化するので、周期的に非線形定数ｄ_３３を感じる大きさが変化し、半円導波路を重ねて伝搬していくことにより、１次の周期分極反転構造を伝搬することになる。これにより、擬似位相整合が成立し、高効率な波長変換を実現することができる。

図１は、本発明の一実施形態にかかる波長変換素子の導波路構造を示す図、 図２は、波長変換素子の導波路構造の詳細を示す図、 図３は、波長変換素子の導波路構造の変形例１を示す図、 図４は、変形例１の導波路構造の詳細を示す図、 図５は、波長変換素子の導波路構造の変形例２を示す図、 図６は、波長変換素子の導波路構造の変形例３を示す図、 図７は、波長変換素子の導波路構造の変形例４を示す図、 図８は、波長変換素子の導波路構造の変形例５を示す図、 図９は、波長変換素子の導波路構造の変形例６を示す図、 図１０は、波長変換素子の導波路構造の変形例７を示す図、 図１１は、本実施形態にかかる波長変換素子の製造方法を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１に、本発明の一実施形態にかかる波長変換素子の導波路構造を示す。波長変換素子の非線形光学結晶基板１１に形成された導波路１２を示す。非線形光学結晶のＬＮは、一軸性結晶であり、自発分極の方向であるｚ軸を光学軸という。ＬＮは、非線形定数ｄ_３３が最も大きく、ｚ軸に電界を有する光を入射したとき、異常光（偏光方向がｚ軸方向）に対して最も大きい非線形定数を光は感じる。図１に示すように、非線形光学結晶基板１１の長手方向の基板面に平行にｚ軸を配置している。

導波路１２は、＋ｚ方向に入射された入射光を＋ｚ方向に出射するように配置されている。導波路１２の形状は、ｚ軸に平行な直線上に中心を有し、半径ｒが同一の複数の円を、円周が接するように複数描いたとき、この直線を境に円周の一方の半円に当たる半円導波路１２ａ，１２ｂが交互に接続されている。全体としては自発分極の＋ｚ方向と同じ方向へ光が伝搬していく構造となっている。半円導波路の個数は、簡略化のため少数しか描いていないが、実際には必要に応じて何百、何千という数をつないでもよい。

図２に、波長変換素子の導波路構造の詳細を示す。図１に示した１周期の導波路構造である。図の左から入射光が伝搬してくると、その伝搬距離は、円の半径ｒとして角度θだけ進んだ場合には伝搬距離はｒθである。この伝搬距離を横軸にとって導波路にＴＥ偏光（偏光面がｘｚ面）の光を伝搬させた場合、光が感じる非線形定数ｄ_３３の大きさを合わせて示している。導波路１２中の各点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅに対応する伝搬距離とｄ_３３との関係を示している。

点Ａ、Ｃ、Ｅでは、分極の向いている方向に対して光の電界は垂直方向に振動しており非線形性は示さない。点Ｂでは、光の進行方向（ｘ軸方向）に対して分極の方向は右から左に、点Ｄでは、光の進行方向に対して分極の方向は左から右にというように、点Ｂ、Ｄでは、光の進行方向（－ｘ軸方向）に対して分極が逆を向いている。ＴＥ偏光の光を伝搬させているので、点Ｂ、Ｄでは、光の電界の振動の方向と分極の向きは平行になっており、非線形定数ｄ_３３を大きく感じる状態にある。

すなわち、導波の方向と自発分極の向きとのなす角が、非線形定数ｄ_３３を感じる大きさとなり、半円の円周を角度θだけ進んだ場合、ｄ_３３ｓｉｎθの大きさになる。入射光は、半円導波路を交互に伝搬していくことにより、周期的に非線形定数ｄ_３３を感じる大きさが変化し（図２のグラフ）、半円導波路を重ねて伝搬していくことにより、１次の周期分極反転構造を伝搬することになる。

従って、半径ｒを適切に設定すれば、擬似位相整合条件が成り立つ周期分極反転構造を得ることができ、高効率な波長変換が可能となる。また、電界印加法では、ＬＮ基板にｋＶオーダーの電圧を印加する必要がある。本実施形態によれば、電界印加による分極反転構造を経ることなく、導波路構造により分極反転の効果を得ることができるので、波長変換素子の作製工程を簡略化することができる。さらに、抗電界が大きく電界印加による分極反転構造が作製できない二次非線形光学結晶においても、電界印加することなく大きな非線形定数を利用した擬似位相整合が取れるという利点がある。

なお、図１に示した導波路構造では、入射側と出射側とに直線導波路が設けられているが、実際には数百個の半円導波路が接続された導波路構造にあっては、相対的に非常に短いので、全体の波長変換の効率に影響を与えるのは小さい。

図３に、波長変換素子の導波路構造の変形例１を示す。波長変換素子の非線形光学結晶基板２１に形成された導波路２２を示す。図１に示した波長変換素子とは、自発分極の＋ｚ方向が逆向きになっている。

図４に、変形例１の導波路構造の詳細を示す。導波路２２中の各点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅに対応する伝搬距離とｄ_３３との関係を示している。点Ａ、Ｃ、Ｅでは、分極の向いている方向に対して光の電界は垂直方向に振動しており非線形性は示さない。点Ｂでは、光の進行方向に対して分極の方向は左から右に、点Ｄでは、光の進行方向に対して分極の方向は右から左にというように、点Ｂ、Ｄでは、光の進行方向に対して分極が逆を向いている。伝搬距離とｄ_３３との関係は、図２に示したグラフと逆向きではあるが、全体としては、図１と同様の導波路構造が周期πだけシフトした構造となっている。従って、擬似位相整合条件が成り立つ１次の周期分極反転構造となり、高効率な波長変換が可能となるほか、図１に示した波長変換素子と同等の作用効果を奏することができる。

図５に、波長変換素子の導波路構造の変形例２を示す。図１の波長変換素子とは、出射光を出力する出力側の直線導波路の配置が異なる。図の下側の半円導波路３２ａの数が、上側の半円導波路３２ｂの数より１だけ増える。

図６に、波長変換素子の導波路構造の変形例３を示す。図５に示した波長変換素子とは、自発分極の＋ｚ方向が逆向きになっている。図２の波長変換素子とは、出射光を出力する出力側の直線導波路の配置が異なる。変形例２，３においても、実際には数百個の半円導波路が接続された導波路構造にあっては、相対的に非常に短いので、全体の波長変換の効率に影響を与えるのは小さい。

図７に、波長変換素子の導波路構造の変形例４を示す。図１の波長変換素子とは、入射側と出力側の双方の直線導波路の配置が異なる。入射光が、周期的に非線形定数ｄ_３３を感じる構造は同じだが、入射側と出力側の双方の直線導波路の配置が異なり、それぞれｘ軸方向に平行に配置されている。

図８に、波長変換素子の導波路構造の変形例５を示す。図７に示した波長変換素子とは、自発分極の＋ｚ方向が逆向きになっている。図２の波長変換素子とは、入射側と出力側の双方の直線導波路の配置が異なる。変形例４，５においても、実際には数百個の半円導波路が接続された導波路構造にあっては、相対的に非常に短いので、全体の波長変換の効率に影響を与えるのは小さい。

図９に、波長変換素子の導波路構造の変形例６を示す。図１の波長変換素子とは、入射側と出力側の双方の直線導波路の配置が異なる。入射光が、周期的に非線形定数ｄ_３３を感じる構造は同じだが、入射側と出力側の双方の直線導波路の配置が異なり、それぞれｘ軸方向に平行に配置されている。また、図の下側の半円導波路７２ａの数が、上側の半円導波路７２ｂの数より１だけ増える。

図１０に、波長変換素子の導波路構造の変形例７を示す。図９に示した波長変換素子とは、自発分極の＋ｚ方向が逆向きになっている。図２の波長変換素子とは、入射側と出力側の双方の直線導波路の配置が異なる。変形例６，７においても、実際には数百個の半円導波路が接続された導波路構造にあっては、相対的に非常に短いので、全体の波長変換の効率に影響を与えるのは小さい。

従来の周期的に分極が反転した構造の導波路では、非線形定数はｄ_３３または－ｄ_３３しかとらず、矩形波のフーリエ級数展開で記述すると１次、３次、５次・・といった奇数次のサイン波の重ね合わせで記述できる。すなわち、３次や５次といった高次の擬似位相整合が存在する。高次の擬似位相整合に寄生して波長変換を起こし、波長変換した変換光をさらに変換して意図しない波長変換光が発生する。

しかしながら、本実施形態にかかる波長変換素子の導波路構造によれば、半円導波路を伝搬していくことにより、図２に示したように、１次の擬似位相整合のみが存在するだけとなる。従って、高次の擬似位相整合は起こらず、意図しない波長変換の影響は小さくなるという利点がある。

本実施形態では、自発分極の＋ｚ方向に複数の円を並べ、図２に示した点Ｂ、Ｄでは、ｚ軸に対して垂直に導波路が交差する。導波路がｚ軸に対する角度に、５度の誤差があった場合の光強度は、１％程度の低下である。従って、導波路の作製上の誤差は±５度程度まで許される。

図１１に、本実施形態にかかる波長変換素子の製造方法を示す。例えば、非特許文献１および２に記載された方法を適用することができる。ｘカットのタンタル酸リチウム基板を下基板（支持基板）９１とし、ｘカットのニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板を上基板９２とする（図１１（ａ））。２つの基板のｚ軸方向を一致させて直接接合を行い（図１１（ｂ））、その後に上基板９２のＬＮを５μｍまで薄膜化する（図１１（ｃ））。上基板９２のＬＮの方が下基板９１より屈折率が高く導波路のコア層になる。

その後、フォトプロセスによりコア層をエッチングして、本実施形態の半円導波路が連なった導波路構造を、上基板９２に複数作製する（図１１（ｄ））。導波路構造は、１．５５μｍ帯でシングルモードとなるように、コア幅５．５μｍ、コア高さ５．０μｍのリッジ型の導波路とした。本実施例では、１．５５μｍ帯の入射光からＳＨＧにより可視光を得ることとし、上述した位相整合条件から、反転周期Λ、すなわち２つの半円導波路の行路長（２πｒ）が１５．５μｍになるように設定した。入射側と出力側の双方の直線導波路の配置は、図１の波長変換素子と同じである。作製した導波路構造ごとに切り出し、入射側と出射側の導波路端面には、無反射コートを施す（図１１（ｅ））。

入射側の直線導波路と１．５５μｍ帯の可変波長レーザとを光学的に結合し、波長１．５２μｍの入射光をＴＥ偏光として入射する。出射側の直線導波路には、Ｓｉ受光器を光学的に結合し、出射光を測定する。波長１．５２μｍ、１ｍＷの入射光を入射したところ、ＳＨＧにより波長０．７６μｍ、２５μＷの可視光出力を測定した。本実施例の波長変換素子の効率は２５００％／Ｗであった。

本実施形態では、ＬＮを例に説明したが、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎのうちの少なくとも一種を添加物として含有するドープ型ニオブ酸リチウムでも同様の効果が得られる。また、適切な下基板を用いて、タンタル酸リチウムなどのｄ_３３を有する他の二次非線形光学結晶であっても問題はない。

入射光の波長が短くなった場合には、半円導波路の半径が小さくなるが、行路長を適切に設定し、かつ曲り導波路の途中にオフセットをつけて放射損を小さくする構造を取り入れてもよい。

入射側と出射側の導波路の構造は、本実施形態で示した形状を例示したが、それ以外の形状でも、擬似位相整合条件が満たされる波長変換部分の効果への影響が小さければどのような形状をとっても良い。

本実施例では、下基板にタンタル酸リチウムを用いたが、ニオブ酸リチウムを用いて接着剤を間に挟んだり、非特許文献４で示したような絶縁体材料であっても問題はない。また、本実施例ではＸカット基板を用いたが、Ｚ軸が基板平面内にあればよくＹカット基板を用いてもよい。

Claims (3)

1. 二次非線形光学結晶からなり、自発分極の方向であるｚ軸が基板面内にある波長変換素子であって、
   前記ｚ軸に平行な直線上に中心を有し、半径が同一の複数の円を、円周が接するように複数描いたとき、前記直線を境に円周の一方の半円に当たる半円導波路が交互に接続された導波路を有することを特徴とする波長変換素子。
2. 前記導波路は、支持基板上に薄膜化されたコア層をエッチングして形成されたリッジ型の導波路であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記二次非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ_３であり、またはＬｉＮｂＯ_３にＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎのうちの少なくとも一種を添加物として含有することを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換素子。

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