WO2019216154A1 - 波長変換素子および波長変換素子の作製方法 - Google Patents

波長変換素子および波長変換素子の作製方法 Download PDF

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笠原　亮一
忠永　修
毅伺 梅木
圓佛　晃次
拓志 風間
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    • G02B6/12011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer comprising arrayed waveguide grating [AWG] devices, i.e. with a phased array of waveguides characterised by the arrayed waveguides, e.g. comprising a filled groove in the array section

Definitions

  • the present invention relates to an optical element using a nonlinear optical effect. More specifically, the present invention relates to a wavelength conversion element used in an optical communication system or an optical measurement system.
  • Optical application technology using nonlinear optical effects is expected in fields such as optical communication and quantum information communication using light.
  • wavelength conversion is known in which light incident on a nonlinear optical medium is converted into light having another frequency.
  • a technique for generating light in a wavelength band that is difficult to oscillate with a single laser using the characteristics of wavelength conversion is widely known.
  • Periodically Poled Lithium Niobate (PPLN) using lithium niobate (LiNbO 3 ), which is a second-order nonlinear material and has a large nonlinear constant is commercially available because of its high nonlinear optical effect efficiency.
  • PPLN Periodically Poled Lithium Niobate
  • LiNbO 3 lithium niobate
  • the amount of phase mismatch of the interacting three wavelengths is zero.
  • the amount of phase mismatch can be reduced to zero by periodically inverting the polarization of the second-order nonlinear optical material. If the inversion period at that time is ⁇ , the inversion period ⁇ may be set so as to satisfy the following expression for the wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3 in the generation of the sum frequency shown in Expression (1).
  • n 1 is the refractive index at wavelength ⁇ 1
  • n 2 is the refractive index at wavelength ⁇ 2
  • n 3 is the refractive index at wavelength ⁇ 3 .
  • wavelength conversion-generating region In addition to such a periodically poled structure, highly efficient wavelength conversion can be performed by forming a wavelength conversion-generating region into a waveguide.
  • the nonlinear optical effect increases as the overlapping density of light that causes nonlinear interaction increases. Therefore, by adopting a waveguide structure that confines light in a small cross-sectional area and guides light over a long distance, wavelength conversion with higher efficiency can be achieved.
  • Non-Patent Document 1 a ridge type optical waveguide has been researched and developed as a wavelength conversion element.
  • the ridge-type optical waveguide can use the bulk characteristics of the crystal as it is, and has characteristics such as high optical damage resistance, long-term reliability, and ease of device design.
  • This ridge-type optical waveguide is formed by joining two substrates and then thinning one of the substrates, and further subjecting the thin film portion to ridge processing.
  • a direct bonding technique is known in which the substrates are firmly bonded to each other without using an adhesive or the like when bonding the substrates described above.
  • the direct junction type ridge type waveguide can inject strong light, and has succeeded in miniaturization with the progress of waveguide technology (for example, Non-Patent Document 2), and its nonlinear optical efficiency is improved. It is going on.
  • LN which is a ferroelectric crystal
  • Nonlinear optical effects in PPLN waveguides using quasi-phase matching may be sensitive to the waveguide structure, and nonlinear optical waveguides with the desired nonlinear optical characteristics can be produced at a pinpoint aiming at the optical characteristics. It is difficult to do with current technology. Therefore, at the stage of manufacturing the wavelength conversion element, as will be described later, a plurality of waveguides whose structure parameters are gradually changed are arranged on the substrate at the same time, and the optical characteristics of all the waveguides are evaluated, and then desired. A method of selecting and using only a waveguide having the above characteristics is used.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a wavelength conversion element using a conventional PPLN waveguide.
  • an arrayed waveguide in which waveguide structure parameters are gradually changed is manufactured in consideration of the difficulty of processing and low yield. Only a waveguide having the best optical characteristics is selected and used from a plurality of waveguides constituting the arrayed waveguide.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a wavelength conversion element chip 100 including a plurality of waveguides 101a and 101b fabricated on a substrate 101.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a series of manufacturing steps of a wavelength conversion element using a PPLN waveguide.
  • a plurality of waveguides 101a and 101b are formed on a bonded substrate.
  • the wavelength conversion element chip 100 in FIG. 1 corresponds to a state in which the chip is cut out to include a part of a plurality of waveguides manufactured on the substrate in step 203 of the flowchart in FIG.
  • the optical characteristics as the wavelength conversion waveguide are obtained for each of the plurality of waveguides 101a and 101b as shown in step 204 of the flow chart of FIG. Measure and select the desired waveguide.
  • slab waveguides 102a, 102b, 102c are formed in portions covered with an etching mask in order to efficiently etch the waveguides 101a, 101b. If these slab waveguides are present, the chip can be used for waveguides other than the desired waveguide to be finally selected in the step of measuring optical characteristics of the arrayed waveguide in step 204 of FIG. It is possible to perform optical alignment for measuring optical characteristics at the end face. In addition to an arrayed waveguide, an unintentionally formed slab waveguide can be used to evaluate the characteristics of the arrayed waveguide, such as erroneous measurement, re-measurement, and discard of the chip due to selection of the wrong waveguide. There has been a problem that hinders the selection of a typical waveguide and the subsequent module manufacturing inspection. This problem will be described in more detail based on actual processes.
  • FIG. 3 is a diagram conceptually illustrating a process of selecting a desired waveguide from the arrayed waveguide.
  • an arrayed waveguide composed of, for example, 100 or more waveguides is usually formed on the entire surface of the wafer 300 directly bonded as shown in FIG. Step 202 in FIG. 2) is obtained by cutting into chips having regions 301-1 to 301-4 of a predetermined size (Step 203 in FIG. 2). Note that this cutout is done for optical characterization and waveguide selection in step 204 of FIG. 2, with regions 301-1 through 301-4 being larger than the final chip region.
  • one waveguide having the best optical characteristics is selected from the plurality of waveguides whose structural parameters are gradually changed.
  • the cutout in the direction (z axis) parallel to the waveguides in FIG. 3A is the number of arrayed waveguides in one group as a basis for selection so that the optical characteristic evaluation can be performed efficiently. In consideration of the above, it is performed in an appropriate size so as to include a plurality of final chips.
  • 3B is a diagram conceptually illustrating one chip 301 after being cut out for measurement of optical characteristics.
  • the chip 301 cut out for measuring the optical characteristics is formed with, for example, n waveguides 302-1 to 302-n having different widths.
  • the number of waveguides included in the chip 301 may exceed 100.
  • the measurement of optical characteristics is sequentially performed on each waveguide. That is, one or more types of test light 304 is input from the test light source 303 to the end face 1 via the optical fiber, and the test light or wavelength converted light 305 output from the end face 2 is measured by the measuring device 306.
  • two or more signal lights having different wavelengths may be used in order to directly confirm the wavelength conversion characteristics.
  • each waveguide of the arrayed waveguide to be selected is a waveguide having a very small cross section of, for example, several ⁇ m square, while the width of the slab waveguide is much larger and reaches several tens of ⁇ m or more. Therefore, if an optical fiber is brought close to each end face for measuring optical characteristics, it can be easily optically coupled to a large number of slab waveguides that are not originally subjected to optical characteristic evaluation.
  • optical measurement is performed while sequentially shifting the position of optical coupling in the array waveguide arrangement direction (x-axis).
  • the measurement point is moved in the x-axis direction occupied by the slab waveguide region at a considerable ratio, the same degree of optical coupling as that of the original waveguide is possible over a wide range.
  • optical measurement may be performed at an incorrect position. As a result, errors may occur in the selection of the waveguide with the best optical properties due to erroneous measurements of the optical properties.
  • step 205 when cutting to the minimum chip size including the set of arrayed waveguides, a chip including an inappropriate waveguide is formed, or a chip including an optimal waveguide is discarded without being selected. It can happen if you do. Furthermore, since the measurement per one waveguide shown in FIG. 3 usually takes about 1 minute, for example, measurement of 100 waveguides requires a time exceeding 1 hour. If an erroneous optical measurement is included in the step of selecting a desired waveguide, a great amount of time and wasteful rework costs are generated in the process for correcting this. Before the series of steps shown in FIG.
  • the present invention has been made in view of such problems, and provides a configuration and a method for more efficiently producing a wavelength conversion element using a nonlinear optical element.
  • the present invention provides a plurality of waveguides formed on a substrate of nonlinear material, and spaced apart from each of the plurality of waveguides.
  • a plurality of slab waveguides arranged substantially parallel to each other, and a guide made of a material having a refractive index different from the refractive index of the material constituting the slab waveguide in the region of the plurality of slab waveguides.
  • a wavelength conversion element including a wave light attenuator.
  • the plurality of waveguides may be arrayed waveguides with gradually changing waveguide structure parameters.
  • the plurality of waveguides may be periodic polarization inversion waveguides (PPLN) using a second-order nonlinear material lithium niobate (LiNbO 3 ).
  • the said waveguide light attenuator is the said surface on the same plane as the said board
  • Invention of Claim 3 is the wavelength conversion element of Claim 1 or 2, Comprising:
  • the said waveguide light attenuator uses the optical waveguide direction in these slab waveguide as a central axis, it is the said board
  • the invention according to claim 4 is the wavelength conversion element according to any one of claims 1 to 3, wherein each of the plurality of waveguides and the plurality of slab waveguides is a straight waveguide, and the plurality of waveguides Is characterized by gradually changing the configuration parameters that determine the size of each core.
  • the invention according to claim 5 is the wavelength conversion element according to any one of claims 1 to 4, wherein the plurality of waveguides are LiNbO 3 or LiNbO 3 and at least one of Mg, Zn, Sc, and In. It consists of the material which contains as an additive.
  • the invention according to claim 6 is the wavelength conversion element according to any one of claims 1 to 5, wherein the waveguide optical attenuator removes the material constituting the slab waveguide as an internal region of the slab waveguide.
  • a material having a refractive index greater than 1 is formed only in the groove provided in the slab waveguide adjacent to at least one side of the plurality of waveguides. It is filled.
  • a seventh aspect of the present invention there are provided a plurality of waveguides formed on a substrate made of a nonlinear material, and a plurality of slab waveguides arranged in parallel and spaced apart from each of the plurality of waveguides.
  • a waveguide optical attenuator made of a material having a refractive index different from the refractive index of the material constituting the slab waveguide is manufactured in the region of the plurality of slab waveguides Sequentially measuring optical characteristics of the plurality of waveguides, selecting one waveguide having desired optical characteristics from the plurality of waveguides, and selecting the selected waveguides Increasing the refractive index of the material comprising the waveguide optical attenuator for the waveguide optical attenuator provided in the slab waveguide adjacent to and on at least one side of the selected waveguide. And having It is a method for the butterflies.
  • the waveguide light attenuator is configured as an internal region of the slab waveguide on the same plane as the substrate, in which the material constituting the slab waveguide is not present.
  • the guided light attenuator may have an asymmetric shape on the same plane as the substrate when the optical waveguide direction in the plurality of slab waveguides is a central axis.
  • the invention according to claim 8 is the method according to claim 7, wherein the waveguide optical attenuator is a groove from which the material constituting the slab waveguide is removed as an internal region of the slab waveguide.
  • the step of increasing the refractive index of the material constituting the waveguide optical attenuator includes filling the groove with a material having a refractive index greater than 1.
  • the wavelength conversion element can be efficiently manufactured at low cost.
  • the wavelength conversion element of the present invention includes a plurality of waveguides fabricated on a substrate, and a plurality of slab waveguides spaced apart from and substantially parallel to each of the plurality of waveguides.
  • a waveguide optical attenuator is formed on the substrate. By this guided light attenuator, a waveguide having a desired optical characteristic is efficiently selected from a plurality of waveguides.
  • the attenuation of the waveguide light attenuator can be changed.
  • the substrate is cut into a chip and the selected waveguide in the chip is optically coupled to an external fiber in the module, the attenuation of the waveguide optical attenuator is changed, making it easier to adjust the optical coupling Can be implemented efficiently.
  • the present invention also has an aspect as a method for manufacturing a wavelength conversion element. In order to manufacture the wavelength conversion element efficiently and at low cost, the attenuation amount of the above-described waveguide light attenuator is changed.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating the configuration of the wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention.
  • the structure corresponding to the wavelength converter of the prior art shown in FIG. 1 is shown.
  • the wavelength conversion element 400 of FIG. 4 shows a state in which a substrate including a plurality of waveguides (arrayed waveguides) is cut into a chip shape including a plurality of waveguides.
  • a plurality of waveguides 401a and 401b, and slab waveguides 402a to 402c that are spaced apart from and substantially parallel to each of the plurality of waveguides.
  • Each of the waveguides is formed along the z-axis direction, and forms two chip end faces (xy planes) at the front and back of the drawing that form the outer shape of the chip of the wavelength conversion element 400 and are perpendicular to the waveguide (z-axis). ) Can input and output light. The light is guided through each waveguide in the optical waveguide direction (z axis).
  • the most appropriate one of the plurality of waveguides is selected as a configuration including a plurality of waveguides whose configuration parameters are changed little by little in one chip. It can be done.
  • the configuration parameter to be changed includes a parameter for determining the shape of the waveguide. For example, the waveguide width can be changed little by little.
  • the polarization inversion period QPM: qllasi- phase matching pitch
  • the most appropriate waveguide can be selected by measuring the propagation loss for each of the plurality of waveguides and selecting the one with the smallest loss.
  • any selection condition other than the above-described measurement may be used. That is, the configuration of the present invention can be used when selecting one or a plurality of waveguides under some conditions in order to produce an arrayed waveguide and achieve a target function therefrom.
  • the slab waveguides 402a to 402c of the wavelength conversion element according to the present invention can be used as an etching mask when efficiently producing a plurality of waveguides, in which the above-described configuration parameters are changed little by little, using microfabrication by dry etching. It is formed in the part covered with.
  • the slab waveguides 402a to 402c are further formed with cuts 404a to 404c in which no core material exists. Light input from one end face of the chip is scattered by the cuts 404a to 404c, attenuates the slab waveguides 402a to 402c into the waveguide, and attenuated light is output from the other end face.
  • the slab waveguide does not affect the nonlinear waveguide functioning as the wavelength conversion element. Placed apart.
  • the plurality of waveguides 401a and 401b are LN cores, and the waveguides have a ridge structure in which both sides of the core are air, they need only be separated by about the wavelength of the guided light.
  • the repetition interval (period) of the plurality of nonlinear waveguides can be, for example, several tens ⁇ m to several hundreds ⁇ m, but may vary depending on the application field.
  • the above-described plurality of waveguides 401a and 401b and slab waveguides 402a to 402c are fabricated in a series of fabrication steps of the wavelength conversion element (step 202).
  • the chip is cut into a chip 301 having a large number of waveguides arranged in parallel (step 203).
  • step 204 In the step of performing optical property evaluation and selecting one appropriate waveguide (desired waveguide) from a large number of waveguides (waveguide array) (step 204), all the waveguides shown in FIG. On the other hand, at each of the two end faces in FIG. 4, the optical characteristics are acquired while sequentially shifting the coupling position with the optical fiber in the x-axis direction.
  • optical coupling is possible without limitation even for a slab waveguide that is not originally selected. For this reason, performing erroneous measurement in Step 204 of FIG. 2 causes problems such as efficiency reduction, yield reduction, and cost increase due to part of the process of manufacturing the wavelength conversion element, and the wavelength conversion element It was an obstacle to a series of manufacturing processes.
  • the step 404a to 404c When evaluating the optical characteristics, only sufficiently attenuated output light is observed. Therefore, even if the optical characteristic is erroneously measured for the slab waveguide, an abnormality in the measured value can be detected immediately from the magnitude of the attenuation. Optical characteristics such as immediately restarting optical coupling or displaying an alarm for the three-dimensional drive mechanism of the optical characteristic measuring device when an erroneous measurement related to a slab waveguide not being measured is detected. Various actions are possible to correct errors in the evaluation and waveguide selection process (step 204).
  • the cuts 404a to 404c formed in the slab waveguides 402a to 402c can efficiently measure the optical characteristics for selecting a desired waveguide without any adjustment error (alignment error).
  • the guided light attenuator 4 has a structure in which a part of the core material of the slab waveguide is removed and replaced with air, and functions as a waveguide light attenuator (guided light attenuation structure). Since the guided light is scattered by the cut, the light further guided beyond the cut is greatly attenuated.
  • the guided light attenuator can be realized in various forms other than the cut as shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram showing various configuration examples of the waveguide optical attenuator.
  • a chip 500 of the wavelength conversion element in FIG. 5 is a top view of the chip substrate surface as viewed perpendicularly, and is formed in parallel with the nonlinear waveguides 501a and 501b used for wavelength conversion and spaced apart from the nonlinear waveguide.
  • the slab waveguides 502a to 502c are configured.
  • various types of guided light attenuators are shown on the slab waveguide. However, they are drawn on one chip for the purpose of showing different configuration examples, and are actually configured as shown in FIG. do not have to.
  • the wavelength conversion element of the present invention includes a plurality of waveguides 401a and 401b formed on a substrate made of a nonlinear material, and a plurality of slabs arranged in parallel and spaced apart from each of the plurality of waveguides.
  • Waveguide optical attenuators (503, 504, 504, 504, and 504c) made of a material having a refractive index different from the refractive index of the material constituting the slab waveguide in the regions of the waveguides 402a to 402c and the plurality of slab waveguides 505, 506).
  • the waveguide optical attenuator is configured as an internal region of the slab waveguide on the same plane as the substrate in which the material constituting the slab waveguide is not present.
  • a waveguide optical attenuator may be fabricated by etching once after processing the waveguide. However, it is most efficient to fabricate the waveguide attenuator together during etching to form the nonlinear waveguide and slab waveguide used for wavelength conversion. It is. As shown in FIG. 5, the guided light attenuator can have various shapes and structures as long as the intensity of light guided in the slab waveguide can be attenuated. In the case of producing a waveguide optical attenuator together with the production of the waveguide, it is important to reduce the etching area. This is because the generation of hardly volatile materials is suppressed by making the etching area as small as possible.
  • the waveguide optical attenuator has a shape that does not affect the pattern of the nonlinear waveguide for wavelength conversion.
  • the microfabrication by dry etching greatly depends not only on the shape of the resist that forms a desired pattern but also on the peripheral pattern thereof, and if the shape is inappropriate, uneven etching occurs. Therefore, in order to produce a uniform waveguide, it is desirable that the arrayed waveguide serving as a proximity pattern of the waveguide is also uniform in the longitudinal direction (z-axis).
  • the guided light attenuator has a structure as small as possible.
  • the grooves 506 formed so as to constitute the inner wall inside the slab waveguide region shown in FIG. 5 can form a uniform wall surface in parallel with the nonlinear waveguides 501a and 501b used for wavelength conversion. The structure is such that etching unevenness with respect to the waveguide hardly occurs.
  • FIG. 6 is a top view showing a configuration example of the wavelength conversion element of the present invention.
  • 4 and 5 show only two non-linear waveguides (arrayed waveguides) used for wavelength conversion for explanation of the basic structure of the components of the wavelength conversion element, and the relative sizes of the respective parts are actually shown. The device is very different.
  • FIG. 6 shows the nonlinear waveguide as still being drawn thick, but closer to the image of the actual device shape.
  • n nonlinear waveguides (arrayed waveguides) 601-1 to 601-n used for wavelength conversion are included, and are separated from each waveguide on both sides of each waveguide and substantially parallel (n + 1). ) Slab waveguides 602-1 to 601-n + 1 are formed.
  • Each of the slab waveguides includes waveguide light attenuators 603-1 to 603-n + 1 that are obliquely cut with respect to the optical waveguide direction (z-axis direction), and can efficiently attenuate the guided light with a small size. it can.
  • waveguide light attenuators 603-1 to 603-n + 1 that are obliquely cut with respect to the optical waveguide direction (z-axis direction), and can efficiently attenuate the guided light with a small size. it can.
  • it is not limited to a linear notch as shown in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram showing various modifications of the waveguide optical attenuator in the wavelength conversion element of the present invention.
  • examples of different shapes of guided light attenuators in the slab waveguides 701a and 701b of the wavelength conversion element 700 are shown simultaneously on one drawing.
  • triangular grooves 704 and 705 arranged asymmetrically with the optical waveguide direction as the central axis (dotted line), and the optical waveguide direction as the central axis ( A rectangular groove 706 arranged asymmetrically as a dotted line). Both have an asymmetric shape with respect to the guided light direction (z-axis), and effectively scatter test light incident from one chip end face.
  • the effect of efficiently evaluating the optical characteristics by the configuration of the wavelength conversion element of the present invention shown in FIGS. 4 to 7 without erroneous measurement is to produce an arrayed waveguide for a purpose other than wavelength conversion without using nonlinear optics.
  • the substance constituting the element including the arrayed waveguide includes dielectrics and semiconductors such as silicon, silicon dioxide, lithium niobate, indium phosphide, and polymers, or compounds obtained by adding additives to them. Any material that is transparent to the light in the two wavelength bands used for wavelength conversion may be used.
  • the optical module is configured as an optical functional device including an optical connection function to the outside by an optical fiber and other related functions as required, in addition to a chip including a wavelength conversion element.
  • the module assembly process (step 206) and the alignment adjustment process (step 207) between the optical fiber and the selective waveguide shown in FIG. 2 need to be efficiently performed.
  • the chip including the selected waveguide is mounted in a module.
  • the cut chip is mounted in the module, it is necessary to optically couple the optical fiber and the end face of the chip using a lens in the module.
  • the cross-sectional size of the core appearing on the end face is, for example, about 4 ⁇ 4 ⁇ m, and the optical coupling between the optical fiber and the core via the lens is an optical property for selecting the waveguide.
  • Optical alignment is difficult compared to the case of optical coupling at the time of evaluation.
  • a configuration is proposed in which the slab waveguide, which has been an obstacle to the evaluation of optical characteristics, is actively used for optical alignment.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating the configuration of the wavelength conversion element according to the second embodiment of the present invention.
  • 8 is a top view of the chip substrate surface as viewed vertically, and is cut out in the form of a chip from a substrate state in which a plurality of waveguides are formed, as in FIG. Is shown. It is composed of a plurality of nonlinear waveguides 801-1 to 801-n used for wavelength conversion and slab waveguides 802-1 to 802-n + 1 which are spaced apart from the nonlinear waveguide and formed substantially in parallel. Further, rectangular waveguide light attenuators 803-1 to 803-n + 1 each having a long side formed in the optical waveguide direction in the region of each slab waveguide are configured.
  • FIG. 8 shows a state after one waveguide 801-n located at the bottom of the plurality of nonlinear waveguides is selected as a desired waveguide.
  • the refractive index is placed inside the groove.
  • the groove corresponds to a state where air having a refractive index of 1 is filled. Therefore, after a desired waveguide is selected, if a groove having a refractive index higher than air (refractive index 1) is filled in a groove of a slab waveguide adjacent to the selected waveguide, The amount of light attenuation by the waveguide light attenuator can be reduced.
  • the optical characteristics of a number of waveguides are sequentially measured to select a desired waveguide (step 204 in FIG. 2).
  • the selected nonlinear waveguide In the slab waveguide, the selected nonlinear waveguide and The problem was that the test light could be guided equally. This problem is solved by the already described guided light attenuator.
  • a slab waveguide with a larger cross section than a nonlinear waveguide with a very small core cross section can be used. This led to the idea that such an alignment is useful in terms of adjustment accuracy and efficiency, contrary to the evaluation of optical characteristics.
  • FIG. 9 is a flowchart for explaining an assembly / adjustment process in the wavelength conversion element module.
  • the flow 900 in FIG. 9 corresponds to steps 206 to 208 in the overall flow 200 of the series of manufacturing steps in FIG.
  • a filler is injected and added to the waveguide optical attenuator of the slab waveguide adjacent to the waveguide selected in step 902 of FIG. 9 with respect to the chip cut out in step 205 of FIG.
  • the grooved waveguide optical attenuator formed in the region of the slab waveguide as shown in FIG. 8 can be easily filled with a filler.
  • the guided light attenuator is configured to extend outside the area of the slab waveguide, such as the notch 505 in FIG.
  • the filler is not held in a certain place and goes around to the selected nonlinear waveguide, Waveguide characteristics can change. Therefore, the waveguide optical attenuator of this embodiment is more preferably a groove structure formed in the region of the slab waveguide.
  • Matching oil or optical polymer can be selected as the filler, and dripping with a microdispenser or the like is effective.
  • the chip in the module is installed in step 903, and in steps 904 and 905, the waveguide core on the chip end surface and the optical fiber are optically coupled (aligned) through the lens. .
  • step 904 the attenuation is reduced by the filler (the level of guided light is restored) and a rough optical alignment is first performed using a slab waveguide that is much larger in core size than the nonlinear waveguide.
  • the slab waveguide has a much wider width (for example, 10 to 100 ⁇ m) in the x-axis direction than the nonlinear waveguide, and at least the thickness direction of the substrate (y-axis direction). Can be aligned with very high accuracy.
  • step 905 further alignment can be performed in the lateral direction (x-axis direction) and the lens focus direction (z-axis direction) while moving the adjustment position along the x-axis toward the core of the selected waveguide. .
  • a waveguide light attenuator is present in the slab waveguide when the waveguide is evaluated, and the guided light is attenuated.
  • the light may pass through the slab waveguide.
  • the two-stage alignment in steps 904 and 905 can be performed in various procedures and adjustment algorithms, and is not limited to the above-described procedure. Focus adjustment (z-axis direction) can be performed at the step of step 904, or adjustment in three directions can be repeatedly performed at the step of fine adjustment in step 905.
  • fillers are filled in the grooves (guided optical attenuators) 804a and 804b of the slab waveguide on both sides of the selected waveguide 801-n.
  • the above-described adjustment can be performed using at least one slab waveguide.
  • the groove is filled with air having a refractive index of 1 as a material constituting the waveguide optical attenuator. Therefore, filling and adding a filler increases the refractive index of the waveguide attenuator material.
  • the present invention provides a wavelength conversion comprising a plurality of waveguides formed on a substrate of nonlinear material, and a plurality of slab waveguides spaced apart and substantially parallel to each of the plurality of waveguides.
  • Sequentially measuring optical characteristics of the plurality of waveguides, and selecting one waveguide having a desired optical characteristic from among the plurality of waveguides (204), and the selected waveguide Increases the refractive index of the material comprising the waveguide optical attenuator relative to the waveguide optical attenuator provided in the slab waveguide adjacent to the waveguide and on at least one side of the selected waveguide Step to make 902) and be provided with can be implemented as a method, wherein.
  • the optical characteristics of all the waveguides are evaluated in a state where the guided light is sufficiently attenuated in the slab waveguide, and a desired waveguide is selected, and then the slab waveguide adjacent to the selected waveguide is selected.
  • the optical attenuation can be reduced with respect to the groove structure of the waveguide.
  • a chip including the selected waveguide is mounted on the module, it is easier to align the optical fiber to the optical fiber and efficiently mount the module by using the slab waveguide whose waveguide light level has been restored. Is possible.
  • steps 904 and 905 the assembly of the module is completed in step 906, and the necessary optical characteristics are inspected via, for example, a pigtail fiber in step 907, and the flow 900 ends.
  • FIG. 6 shows a top view of the wavelength conversion element 600 of the first embodiment.
  • Waveguides 601-1 to 601-n for performing wavelength conversion are made of a ferroelectric material whose main component is lithium niobate whose direction of spontaneous polarization is periodically reversed. Lithium tantalate with a close thermal expansion coefficient is used for the lower substrate which becomes the clad portion.
  • the substance constituting the waveguides 601-1 to 601-n is a nonlinear optical material.
  • the substrate constituting the clad or the material constituting the overclad is used for wavelength conversion, such as dielectrics and semiconductors such as silicon, silicon dioxide, lithium niobate, indium phosphide, polymers, or compounds obtained by adding additives to them 2 What is necessary is just to be transparent with respect to light of one wavelength band.
  • the two wavelength bands can be bands centered at 1550 nm and 775 nm, as an example of optical communication.
  • the phase matching wavelength is 1.56 ⁇ m from the core size of the waveguide and the spatial pitch of polarization inversion, assuming optical communication applications such as a phase sensitive amplifier and a phase conjugate converter. Designed as follows.
  • the waveguide was a straight waveguide.
  • the substrate made of lithium tantalate has a thickness of 500 ⁇ m.
  • Lithium niobate as a waveguide was bonded to a lithium tantalate substrate and then thinned to 5 ⁇ m by grinding and polishing. Thereafter, the nonlinear waveguide and the slab waveguide were patterned by dry etching. At this time, a pattern was drawn on a photomask used in the waveguide processing so that grooves 603-1 to 603-n + 1 having a width of 10 ⁇ m and oblique to the optical waveguide direction were formed in each slab waveguide.
  • the configuration of the first embodiment can be realized without increasing the number of steps from the conventional procedure for manufacturing the wavelength conversion element.
  • the influence on the nonlinear waveguide pattern due to the introduction of the groove structure as a waveguide optical attenuator was evaluated.
  • the influence on the pattern (structure) of the nonlinear waveguide for wavelength conversion is hardly observed, and there is no significant difference in the optical characteristics as the wavelength conversion element. It was. Therefore, it is shown that the wavelength conversion element of the present invention does not cause any deterioration in the characteristics of the wavelength conversion performance even when the slab waveguide is provided with the waveguide optical attenuator.
  • the guided light is guided by the guided light attenuator of this embodiment.
  • the guided light attenuator of this embodiment was attenuated by 15 dB or more.
  • the value of 15 dB of the above attenuation can be controlled by changing the shape, size, etc. of the waveguide light attenuator. Therefore, the attenuation amount can be set according to the core size of the nonlinear waveguide constituting the arrayed waveguide, the arrangement interval, and the like. For example, if it is assumed that alignment errors are relatively small when measuring the optical characteristics of a plurality of waveguides, the attenuation in the initial state of the waveguide optical attenuator is reduced (the waveguide light level is increased), and the second When the embodiment is applied, the waveguide light level of the slab waveguide when the attenuation is reduced by the filler can be increased. Further, if an alignment error at the time of measuring the optical characteristics is assumed, sufficient attenuation can be obtained by increasing the attenuation in the initial state of the waveguide optical attenuator (decreasing the waveguide optical level).
  • FIG. 8 shows a top view of the wavelength conversion element 800 of the second embodiment. Only the differences from the configuration of the first embodiment shown in FIG. 6 will be described.
  • waveguide optical attenuators 803-1 to 803-n + 1 which are rectangular grooves each having a long side formed in the optical waveguide direction in each slab waveguide, are configured.
  • the grooves 803-1 to 803-n + 1 were formed to have a size of 50 ⁇ m in the waveguide direction (z axis) and 20 ⁇ m in the orthogonal direction (x axis).
  • the substance constituting the waveguides 601-1 to 601-n is a nonlinear optical material, and is made of a ferroelectric material whose main component is lithium niobate whose direction of spontaneous polarization is periodically reversed. Lithium tantalate with a close thermal expansion coefficient was used for the lower substrate serving as the clad portion.
  • the substrate constituting the clad or the material constituting the over clad can be a dielectric such as silicon, silicon dioxide, lithium niobate, indium phosphide, a polymer, or a compound obtained by adding an additive thereto.
  • the wavelength conversion element 800 in FIG. 8 may be transparent with respect to the light of the two wavelength bands used for wavelength conversion.
  • phase matching wavelength was designed to be 1.56 ⁇ m.
  • the waveguide was a straight waveguide.
  • the substrate made of lithium tantalate has a thickness of 500 ⁇ m.
  • Lithium niobate as a waveguide was bonded to a lithium tantalate substrate and then thinned to 5 ⁇ m by grinding and polishing. Thereafter, the nonlinear waveguide and the slab waveguide were patterned by dry etching.
  • the guided light is guided by the guided light attenuator of this embodiment.
  • the guided light attenuator of this embodiment was attenuated by 20 dB or more.
  • the wavelength conversion element chip 800 is connected to the module. Assuming that the filler 804a and 804b made of a polymer material is dropped into the grooves 803-n and 803-n + 1 in the slab waveguides on both sides of the selected waveguide 801-n and cured. It was. Thereafter, the transmitted light intensity of these slab waveguides was measured. As a result, the transmitted light intensity increased by 8 dB, respectively, compared to before the filler was dropped. That is, the attenuation amount, which was 20 dB at the time of evaluating the optical characteristics (FIG. 2: step 204), is aligned when the optical fiber is aligned in the module (FIG. 2: step 207, FIG.
  • steps 904, 905) were 12 dB. Since the transmitted light intensity of the slab waveguide adjacent to the selected waveguide is increased, the lens for mounting the chip in the module is adjusted by performing the ancestor adjustment using the slab waveguide in advance (step 904). Alignment between the tip end face and the optical fiber is facilitated.
  • FIG. 10 is a top view showing the configuration of the wavelength conversion element of Example 3 of the present invention. Only the differences from the configurations of the first and second embodiments shown in FIGS. 6 and 8 will be described.
  • slab waveguides 1001-1 to 1001-n + 1 each slab waveguide is used as a waveguide optical attenuator.
  • Grooves 1003-1 to 1003-n + 1 are formed on the inner side of the region so as to constitute the entire inner wall.
  • the grooves 1003-1 to 1003-n + 1 were each formed to have a size of 2 cm in the optical waveguide direction (z axis) and 20 ⁇ m in the orthogonal direction (x axis).
  • the materials constituting each part are the same as in Examples 1 and 2, and will not be repeated.
  • the phase matching wavelength is 1.56 ⁇ m from the core size of the waveguide and the spatial pitch of polarization inversion. Designed as follows.
  • the waveguide was a straight waveguide.
  • the waveguide optical attenuator of this embodiment is compared. As a result, it was confirmed that the guided light of the slab waveguide was attenuated by 40 dB or more.
  • the guided light attenuator can clearly distinguish a nonlinear waveguide and a slab waveguide to be selected at the time of evaluating optical characteristics.
  • the wavelength conversion element chip 1000 is mounted on a module after a desired waveguide is selected, it can be fitted into the grooves in the slab waveguides on both sides of the selected nonlinear waveguide. A block of a lithium niobate element with a configured protrusion was inserted.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of a filler block that changes the attenuation amount of the waveguide light attenuator of the wavelength conversion element according to the third embodiment.
  • the filler block 1100 includes a substrate 1101 of a lithium niobate element, and two quadrangular columnar protrusions 1103a and 1103b are formed on the substrate surface.
  • the protrusions 1103a and 1103b were manufactured by a photolithography process in the same manner as the waveguide.
  • the filler block 1100 in FIG. 11 is inverted so that the substrate surface and the waveguide constituting surface of the wavelength conversion element chip in FIG. 10 face each other, and two protrusions are formed on the selected waveguide.
  • the height h of the protrusion must be larger than the depth of the grooves 1003-1 to 1003-n + 1 which are waveguide light attenuators. This is to prevent the etching back surface 1102 which is the upper surface of the substrate 1101 in FIG. 11 from being in contact with the nonlinear waveguide which is the ridge-type waveguide in FIG.
  • the transmitted light intensity of this slab waveguide is measured, and before the filler is inserted. Compared to the above, the 35 dB transmitted light intensity increased. Since the transmitted light intensity of the slab waveguide adjacent to the selected waveguide is increased, alignment during module mounting is facilitated. Also in this embodiment, when the selected waveguide is aligned with the optical fiber via the lens, it is not necessary to return the transmitted light intensity of the slab waveguide to a state where there is no waveguide light attenuator. In the slab waveguide, it is sufficient that the transmitted light intensity from the slab waveguide is obtained to the extent that it is possible to adjust the selected nonlinear waveguide as a previous stage of alignment in the selected nonlinear waveguide.
  • the filler that is inserted into the groove of the waveguide optical attenuator has a refractive index closer to the refractive index of the slab waveguide base material. A greater recovery of transmitted light intensity is obtained after insertion.
  • the LN filler is used for the LN slab waveguide, but lithium tantalate having a thermal expansion coefficient close to that of LN can also be used as the filler.
  • dielectrics such as silicon, silicon dioxide, lithium niobate, indium phosphide, and polymers can be used as fillers in environmental conditions where the temperature of the wavelength conversion element can be kept constant.
  • a semiconductor or a compound obtained by adding an additive to them can be used.
  • a transparent material may be used for each of the two wavelength bands used for wavelength conversion.
  • the slab waveguide adjacent to the selected waveguide and reduced in the amount of guided light attenuation by the filler and the slab waveguide not adjacent to the selected slab waveguide are selected from the difference in intensity of each transmitted light.
  • the position on the chip end face (x-axis) of the formed waveguide can be easily distinguished.
  • wavelength conversion elements are also used in fields such as quantum information processing using light, for example. Applicable to various wavelength bands.
  • the wavelength conversion element module has been described as having a pigtail fiber form in which a cut-out single chip is installed in the module and has only a wavelength conversion function.
  • a module constituting a device such as a photosensitive amplifier and an optical transmitter including a plurality of wavelength conversion elements.
  • the wavelength conversion element of the second embodiment is used. Available. Therefore, the present invention also has an aspect as an apparatus including the wavelength conversion element according to the second embodiment.
  • the basic concept of the present invention is not limited to the case of a wavelength conversion element using nonlinear optics, and a plurality of waveguides are manufactured and at the same time an accompanying waveguide having the same optical characteristics and functions as the plurality of waveguides.
  • the present invention can also be applied to a case where one or a plurality of waveguides are selected from a plurality of waveguides in a situation where a waveguide is formed.
  • the wavelength conversion element can be efficiently manufactured at low cost.
  • the present invention can generally be used in communication systems. For example, it can be used in an optical communication system and an optical measurement system.

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Abstract

非線形光学効果を用いた波長変換素子では、目的の非線形導波路を含むアレイ導波路を作製する段階で、付随的に意図しないスラブ導波路も形成されてしまう。スラブ導波路は、アレイ導波路から所望の特性を持つ導波路を選択する際に、誤った測定を誘発していた。誤測定は、波長変換素子の作製工程のやり直しや、歩留まりの低下を生じ、導波路選択時の特性評価およびその後の波長変換素子の効率的な作製の妨げになっていた。本発明の波長変換素子は、基板上に作製された複数の導波路と、複数の導波路の各々から離間して概ね平行して複数のスラブ導波路を備えており、このスラブ導波路の各々に導波光減衰器が形成されている。この導波光減衰器によって、複数の導波路の中から所望の光学特性を持つ導波路を効率的に選択する。波長変換素子の作製工程の中で、導波光減衰器の減衰量を、変化させることができる。

Description

波長変換素子および波長変換素子の作製方法
　本発明は、非線形光学効果を用いた光学素子に関する。より具体的には、光通信システムや光計測システムなどにおいて用いられる波長変換素子に関する。
　非線形光学効果を用いた光応用技術は、光通信や光を用いた量子情報通信などの分野において期待されている。基本的な非線形光学効果として、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波長変換が知られている。具体的には、波長変換の特性を利用して、レーザー単体では発振が困難な波長帯の光を生み出す技術が広く知られている。特に、２次非線形材料であって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（ＰＰＬＮ：Periodically Poled Lithium Niobate）は、非線形光学効果の効率の高さから、市販された光源内にも既に組み込まれている。
　二次非線形光学効果では、波長λ1およびλ2の光を入力して新たな波長λ3を発生させる。次式を満たす波長変換を和周波発生（ＳＦＧ：Sum Frequency Generation）と呼ぶ。
　　　１／λ3＝１／λ1＋１／λ2　　　　　　　式（１）
　式（１）においてλ1＝λ2の場合はさらに変形をして、次式を満たす波長変換を第二高調波発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）と呼ぶ。
　　　λ3＝λ1／２　　　　　　　　　　　　　　式（２）
　また、次式を満たす波長変換を差周波発生（ＤＦＧ：Difference Frequency Generation）と呼ぶ。
　　　１／λ3＝１／λ1―１／λ2　　　　　　　式（３）
　さらにはλ1のみを入力し式（３）を満たすλ2およびλ3を発生する光パラメトリック効果も存在する。上述のＳＨＧおよびＳＦＧの波長変換は、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、可視光域の光の発生等に良く利用される。
　上述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。周期分極反転導波路では、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にすることができる。その時の反転周期をΛとすると、式（１）で示した和周波発生では、波長λ1、λ2、λ3に対して次式を満たすように反転周期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、波長変換を生じさせる領域を導波路化することによって、高効率な波長変換が可能となる。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、小さい断面積に光を閉じ込め、かつ長い距離にわたって光を導波させる導波路構造を採用することで、より高効率な波長変換が可能になる。
　非線形光学結晶であるニオブ酸リチウム（ＬＮ）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。近年では、非特許文献１に記載されているように、波長変換素子としてリッジ型の光導波路が研究開発されている。リッジ型の光導波路は、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。このリッジ型光導波路は、二枚の基板を接合した後で一方の基板を薄膜化し、さらに薄膜部分にリッジ加工を施すことにより形成される。上述の基板を接合する際に、接着剤等を用いずに基板同士を強固に接合する直接接合技術が知られている。直接接合型リッジ型導波路は、強い光を入射することが可能で、導波路化技術の進展と共に小コア化にも成功しており（例えば非特許文献２）、その非線形光学効率は向上の一途をたどっている。
　強誘電体結晶であるＬＮは難加工材料であり、微細な加工が可能な半導体プロセスを用いても設計どおりのサイズや形状の構造を得ることが難しい。擬似位相整合を用いたＰＰＬＮ導波路内での非線形光学効果がその導波路構造に敏感なこともあり、所望の非線形光学特性を有する非線形光学導波路を、その光学特性を狙ってピンポイントで作製することは現状の技術では困難である。そこで波長変換素子の作製の段階では、後述するように、構造パラメータを徐々に変化させた複数の導波路を基板上に並べて同時に作製し、全ての導波路の光学特性を評価した上で、所望の特性を有する導波路のみを選択して利用する手法が用いられる。
　ＰＰＬＮ導波路における導波路形状の加工においては、ウェットエッチングよりもしばしばドライエッチング技術が用いられる。ウェットエッチングではＰＰＬＮの分極方向によってエッチングレートが大きく異なり、所望の導波路構造を得ることが難しいからである。接合基板上に複数の導波路を作製した後で、測定用の端面を形成するよう基板を切り出し、所望の特性を持つ導波路を選択する。その後、例えばファイバピッグテールデバイスとして素子をモジュールに実装する（非特許文献３）。モジュールに実装の際には、選択された導波路に効率的に光が入射し、変換光が出射するよう、レンズを介して光ファイバとのアライメントが実施される。上述のＰＰＬＮ導波路を用いた波長変換素子の作製の一連の工程は、図２とともに後述する。
Y. Nishida, H. Miyazawa, M. Asobe, O. Tadanaga, and H. Suzuki,"Direct-bonded QPM-LN ridge waveguide with high damage resistance at room temperature,"2003年 Electronics Letters, Vol.39, No. 7, p.609-611 T. Umeki, O. Tadanaga, and M. Asobe, ‘Highly Efficient Wavelength Converter Using Direct-Bonded PPZnLN Ridge Waveguide,’2010年 IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 46, No. 8, pp. 1206-1213 T. Kazama, T. Umeki, M. Abe, K. Enbutsu, Y. Miyamoto, and H. Takenouchi, "Low-Parametric-Crosstalk Phase-Sensitive Amplifier for Guard-Band-Less DWDM Signal Using PPLN Waveguides,"2017年 Journal of Lightwave Technology, Vol. 35, Issue 4, pp. 755-761
　非線形光学結晶の微細加工において一般的な化学反応ドライエッチングを行うと、難揮発材料が発生し効率的にエッチングが進まない問題が知られている。このため、エッチングする必要のない部分を、有機物保護膜である例えばレジストによるエッチングマスクで可能な限り覆う必要がある。しかしながらエッチングマスクを利用する方法によれば、導波路作製工程で、所望の導波路構造の外に意図しないスラブ導波路が形成されてしまう。
　図１は、従来技術のＰＰＬＮ導波路を用いた波長変換素子の構成を示す図である。前述のように、ＬＮを用いた光導波路デバイスの作製には、その難加工性および低歩留まり性を考慮して、導波路構造パラメータを徐々に変化させたアレイ導波路を作製する。アレイ導波路を構成する複数の導波路の中から、最も優れた光学特性の導波路のみを選択して使用する。図１は、基板１０１上に作製された複数の導波路１０１ａ、１０１ｂを含む波長変換素子チップ１００の概念図を示している。
　図２は、ＰＰＬＮ導波路を用いた波長変換素子の一連の作製工程を示したフロー図である。フロー２００を概観すれば、まずステップ２０２において接合基板の上に複数の導波路１０１ａ、１０１ｂを作製する。図１の波長変換素子チップ１００は、図２のフロー図のステップ２０３で、基板上に作製された複数の導波路の一部を含む状態にチップを切り出した状態に対応している。図１に示した波長変換素子チップ１００の状態で、複数の導波路１０１ａ、１０１ｂの各々に対して、図２のフロー図のステップ２０４に示したように、波長変換導波路としての光学特性を測定して、所望の導波路の選択を行う。
　再び図１を参照すれば、導波路１０１ａ、１０１ｂを効率的にエッチングするためにエッチングマスクで覆った部分に、スラブ導波路１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃが形成される。これらのスラブ導波路が存在すると、図２のステップ２０４におけるアレイ導波路の光学特性の測定段階で、最終的に選択されることになる所望の導波路の以外の導波路に対しても、チップの端面において光学特性の測定のための光調芯が可能となってしまう。アレイ導波路のほかに意図せずに形成されたスラブ導波路は、アレイ導波路特性の評価の際に、誤測定や測定のやり直し、誤った導波路を選択したことによるチップの破棄など、効率的な導波路選択およびその後のモジュール製造検査の妨げとなる問題があった。現実の工程に基づいて、さらに詳細にこの問題を説明する。
　図３は、アレイ導波路の中から所望の導波路を選択する工程を概念的に説明する図である。図１に示した波長変換素子チップ１００は、通常、図３の（ａ）に示したように直接接合したウェーファ３００の全面に例えば１００本以上の導波路から成るアレイ導波路を作製して（図２ステップ２０２）、所定の大きさの領域３０１－１～３０１－４を持つチップに切り出して得られる（図２ステップ２０３）。この切り出しは、図２のステップ２０４の光学特性評価および導波路選択ために行われ、領域３０１－１～３０１－４は最終的なチップ領域よりも大きいことに留意されたい。ステップ２０４では、構造パラメータを徐々に変化させた複数の導波路の中から光学特性が最も優れた１つの導波路を選択する、したがって、図３の（ａ）の導波路に垂直な方向（ｘ軸）の切り出しは、最終的に波長変換素子として利用する状態の最小単位で行う。一方、図３の（ａ）の導波路に平行な方向（ｚ軸）の切り出しは、光学特性評価が効率的に実施できるように、選択の基礎となる１つのグループ内のアレイ導波路の数も考慮して、複数の最終チップが含まれるように適切なサイズで行われる。
　図３の（ｂ）は、光学特性の測定のために切り出し後の１つのチップ３０１を概念的に説明する図である。本来、光学特性の測定のために切り出したチップ３０１は、例えば幅の異なるｎ本の導波路３０２－１～３０２－ｎが作製されている。チップ３０１に含まれる導波路の数は１００を越える場合もある。一方の端面１と他方の端面２との間で、各導波路に対して、光学特性の測定が順次実施される。すなわち試験光源３０３から１種類以上の試験光３０４が光ファイバを介して端面１に入力され、端面２から出力された試験光または波長変換光３０５が測定器３０６によって測定される。各導波路の光学測定では、導波損失の測定の他に、波長変換特性を直接確認するために異なる波長を持つ２つ以上の信号光を使用することもある。
　図３の（ｂ）の切り出し後のチップ３０１では、実際には、選択される導波路を含む多数のアレイ導波路３０２－１～３０２－ｎの他に、それぞれの導波路の間に図３に示していないスラブ導波路が形成されている。選択の対象となるアレイ導波路の各々の導波路は、例えば数μｍ角程度の非常に小さい断面の導波路である一方で、スラブ導波路の幅は遥かに大きく数１０μｍ以上にも達する。したがって、光学特性の測定のために光ファイバを各端面に近づければ、本来は光学特性評価の対象ではない多数のスラブ導波路にも簡単に光結合できてしまう。通常、光学特性評価のために光ファイバを介してチップ端面と光結合させるとき、アレイ導波路の配列方向（ｘ軸）に順次、光結合の位置をずらしながら光学測定を行う。しかしながら、相当の割合でスラブ導波路の領域で占められるｘ軸方向に測定点を移動させても、広い範囲で本来の導波路と同じ程度の光結合が可能である。非常に精度の良い調整用の３次元駆動機構などを利用しても、誤った位置で光学測定を行ってしまう可能性がある。その結果、光学特性の誤った測定値のために、最良の光学特性を持つ導波路の選択に誤りが生じる場合が起こり得る。
　一旦、誤った測定が生じれば、図２のステップ２０４において本来選択すべきでない波長変換特性が不十分な導波路を選択する可能性がある。また、引き続くステップ２０５においてアレイ導波路のセットを含む最小のチップサイズへ切り出す際に、不適切な導波路を含むチップを形成したり、最適な導波路を含むチップを選別せずに破棄したりする場合も起こり得る。さらに図３に示した各導波路の１本あたりの測定には、通常１分程度の時間が掛るため、例えば１００本の導波路の測定には、１時間を越える時間を要する。所望の導波路を選択する段階において誤った光学測定を含んでいた場合、これを是正するための工程に多大な時間と無駄なやり直しコストが生じてしまう。図２の一連の工程を実施してモジュール化された波長変換素子を完成させるまでに、全体の歩留まりも低下させていた。したがって、図２のフロー図のステップ２０４における光学特性の評価を本来のアレイ導波路に対して誤りなく実施することは、図２の波長変換素子の一連の作製工程を効率的に行うための鍵の１つとなる。図１に示した本来必要とする複数の導波路の間に形成された意図しない複数のスラブ導波路は、導波路の特性評価およびその後の波長変換素子の効率的な作製の妨げになっていた。
　本発明はこのような問題に鑑みなされたものであって、非線形光学素子を用いた波長変換素子をより効率的に作製する構成および方法を提供する。
　本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、非線形材料の基板の上に形成された複数の導波路と、前記複数の導波路の各々に離間して、概ね平行して配置された複数のスラブ導波路と、前記複数のスラブ導波路の領域内で、前記スラブ導波路を構成する材料の屈折率とは異なる屈折率を有する材料で構成された導波光減衰器とを備えたことを特徴とする波長変換素子である。複数の導波路は、導波路構造パラメータを徐々に変化させたアレイ導波路であり得る。また複数の導波路は、２次非線形材料のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）を用いた周期分極反転導波路（ＰＰＬＮ）であり得る。
　請求項２に記載の発明は、請求項１の波長変換素子であって、前記導波光減衰器は、前記スラブ導波路を構成する前記材料が存在していない、前記基板と同一面上の前記スラブ導波路の内部領域として構成されることを特徴とする。
　請求項３に記載の発明は、請求項１または２の波長変換素子であって、前記導波光減衰器は、前記複数のスラブ導波路における光導波方向を中心軸としたときに、前記基板と同一面上で非対称な形状を有すること特徴とする。
　請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかの波長変換素子であって、前記複数の導波路および前記複数のスラブ導波路はそれぞれ直線導波路であって、前記複数の導波路は、各々のコアのサイズを決定する構成パラメータを徐々に変化させ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いずれかの波長変換素子であって、前記複数の導波路は、ＬｉＮｂＯ3またはＬｉＮｂＯ3に、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎの内の少なくとも一種を添加物として含有する材料から成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いずれかの波長変換素子であって、前記導波光減衰器は、前記スラブ導波路の内部領域として前記スラブ導波路を構成する前記材料が除去された溝であって、前記複数の導波路の内の１つの導波路に隣接し少なくとも一方の側にある前記スラブ導波路に設けられた前記溝のみに、屈折率が１よりも大きい材料が充填されていることを特徴とする。
　請求項７に記載の発明は、非線形材料の基板の上に形成された複数の導波路と、前記複数の導波路の各々に離間して概ね平行して配置された複数のスラブ導波路とを備えた波長変換素子の作製方法において、前記複数のスラブ導波路の領域内に、前記スラブ導波路を構成する材料の屈折率とは異なる屈折率を有する材料で構成された導波光減衰器を作製するステップと、前記複数の導波路の光学特性を順次測定して、前記複数の導波路の中から所望の光学特性を有する１本の導波路を選択するステップと、前記選択された導波路に隣接し、前記選択された導波路の少なくとも一方の側にある前記スラブ導波路に設けられた前記導波光減衰器に対し、当該導波光減衰器を構成する前記材料の前記屈折率を増加させるステップとを備えることを特徴とする方法である。
　好ましくは、前記導波光減衰器は、前記スラブ導波路を構成する前記材料が存在していない、前記基板と同一面上の前記スラブ導波路の内部領域として構成される。また、前記導波光減衰器は、前記複数のスラブ導波路における光導波方向を中心軸としたときに、前記基板と同一面上で非対称な形状を有することができる。
　請求項８に記載の発明は、請求項７の方法であって、前記導波光減衰器は、前記スラブ導波路の内部領域として、前記スラブ導波路を構成する前記材料が除去された溝であって、前記導波光減衰器を構成する前記材料の屈折率を増加させる前記ステップは、前記溝の中に屈折率が１よりも大きい材料を充填することを含むことを特徴とする。
　以上説明したように、本発明により、波長変換素子を効率的に低コストで製造できる。
従来技術のＰＰＬＮによる波長変換素子の構成を示す図である。 ＰＰＬＮ導波路を用いた波長変換素子の作製フロー図である。 アレイ導波路の中から導波路を選択する工程を説明する図である。 本発明の第１の実施形態の波長変換素子の構成を説明する概念図である。 本発明の波長変換素子における導波光減衰器の構成例を示した図である。 本発明の波長変換素子の構成例を示した上面図である。 導波光減衰器の様々な変形例の構成例を示した図である。 本発明の第２の実施形態の波長変換素子の構成を説明する概念図である。 本発明の波長変換素子モジュールの組立・調整工程のフロー図である。 本発明の実施例３の波長変換素子の構成を示す上面図である。 本発明の実施例３の波長変換素子の充填材ブロックを示す図である。
　本発明の波長変換素子は、基板上に作製された複数の導波路と、複数の導波路の各々から離間して概ね平行して複数のスラブ導波路を備えており、このスラブ導波路の各々に導波光減衰器が形成されている。この導波光減衰器によって、複数の導波路の中から所望の光学特性を持つ導波路を効率的に選択する。波長変換素子の作製工程の中で、導波光減衰器の減衰量を、変化させることができる。基板をチップ状に切り出して、モジュール内でこのチップ内の選択された導波路を外部のファイバ等と光結合する際、導波光減衰器の減衰量を変更して、光結合の調整をより容易に効率的に実施できる。本発明は、波長変換素子の作製方法としての側面も持っている。波長変換素子を効率的に低コストで製造するために、上述の導波光減衰器の減衰量を変更する。
[第１の実施形態]
　図４は、本発明の第１の実施形態の波長変換素子の構成を説明する概念図である。図１に示した従来技術の波長変換素子に対応する構成を示している。図４の波長変換素子４００は、多数の導波路（アレイ導波路）が形成された基板状態から、複数の導波路を含むチップ状に切り出された状態を示している。複数の導波路４０１ａ、４０１ｂと、複数の導波路の各々に離間して概ね平行に構成されたスラブ導波路４０２ａ～４０２ｃとを備える。いずれの導波路もｚ軸方向に沿って形成されており、波長変換素子４００のチップの外形をなす、導波路（ｚ軸）に垂直な、図面手前および奥の２つの端面（ｘ－ｙ面）において、光の入出力が可能となっている。光は、各導波路を光導波方向（ｚ軸）に導波する。
　本発明の波長変換素子では、１つのチップ内に、構成パラメータを少しずつ変化させた複数の導波路を含む構成として、これらの複数の導波路の中ら、最も適切な１つの導波路を選択できるようになっている。変化させる構成パラメータとしては、導波路の形状を決定するパラメータを含み、例えば、導波路幅を僅かずつ変更することができる。他に、分極反転周期（ＱＰＭ：qllasi- phase matching ピッチ）を変更することもできる。また最も適切な導波路を選択することは、一例を挙げれば、複数の導波路の各々について伝搬損失を測定して、この損失が最小のものを選択することができる。また一方の端面から異なる波長の２つに光信号を入力して、他方の端面からの波長変換光のレベルを測定し、波長変換効率が最大のものを選択できる。最も適切な導波路を選択する条件は、上述の測定の他、どのような選択条件を用いても良い。すなわち、アレイ導波路を作製して、その中から目的の機能を達成するために、１つまたは複数の導波路を何等かの条件で選択する際に、本発明の構成を利用できる。
　本発明の波長変換素子のスラブ導波路４０２ａ～４０２ｃは、上述の構成パラメータを少しずつ変化させた複数の導波路を、ドライエッチングによる微細加工を利用して効率的に作製する際に、エッチングマスクで覆われた部分に形成される。本発明の波長変換素子では、スラブ導波路４０２ａ～４０２ｃに、さらにそれぞれ、コア材料が存在していない切れ込み４０４ａ～４０４ｃが形成されている。チップの一方の端面から入力された光は、この切れ込み４０４ａ～４０４ｃによって散乱されて、スラブ導波路４０２ａ～４０２ｃを導波中に減衰し、他方の端面からは減衰した光が出力される。
　本発明の波長変換素子において、複数の導波路４０１ａ、４０１ｂと隣接するスラブ導波路４０２ａ～４０２ｃとの間は、スラブ導波路が、波長変換素子として機能する非線形導波路に影響を与えない程度に離して配置される。例えば、複数の導波路４０１ａ、４０１ｂがＬＮコアであって、コアの両脇が空気であるリッジ構造の導波路であれば、導波光の波長程度以上離れていれば良い。複数の非線形導波路の繰り返し間隔（周期）は、光通信の波長変換素子の場合には、例えば数十μｍから数百μｍとすることができるが、応用分野によっては異なり得る。
　図２および図３で説明したように、波長変換素子の一連の作製工程の中で、上述の複数の導波路４０１ａ、４０１ｂおよびスラブ導波路４０２ａ～４０２ｃが作製され（ステップ２０２）、図３の（ｂ）で示したように、多数の導波路が並列して配置された構成されたチップ３０１に切り出される（ステップ２０３）。ここでは、未だ導波路の選択の前の段階であって、いわば作製途中状態のチップであり、このチップ内には数十から１００を越える数の多数の導波路が含まれていることに留意されたい。光学特性の評価を行って、多数の導波路（導波路アレイ）の中から１本の適切な導波路（所望の導波路）を選択する工程（ステップ２０４）では、図４のすべての導波路に対して図４の２つの端面それぞれにおいて、光ファイバとの結合位置をｘ軸方向に順次ずらしながら、光学特性を取得する。従来技術の構成では、本来は選択対象ではないスラブ導波路に対しても制限なく光結合が可能であった。このため、図２のステップ２０４において誤った測定を実施してしまうことで、波長変換素子の作製工程の一部のやり直しによる効率低下、歩留まり低下、コスト増等の問題が生じ、波長変換素子の一連の作製工程の妨げとなっていた。
　これに対して、図４の本発明の波長変換素子の構成によれば、一方の端面からスラブ導波路のいずれかに誤って試験光が入力されても、切れ込み４０４ａ～４０４ｃによって、ステップ２０４の光学特性の評価時には十分に減衰した出力光しか観測されない。したがって、誤ってスラブ導波路に対して光学特性が測定されても、その減衰量の大きさから直ちに測定値の異常を検出できる。測定対象でないスラブ導波路に関連した誤った測定が検知された段階で、直ちに光学特性の測定装置の３次元駆動機構に対して光結合をやり直しさせたり、アラームを表示したりするなど、光学特性評価、導波路選択工程（ステップ２０４）におけるエラーを是正するための様々なアクションが可能となる。通常、ステップ２０４の光学特性の評価は自動化された測定系によって実施されるため、誤った測定が検知されたときの是正処置としては様々なものを適用できる。このように、スラブ導波路４０２ａ～４０２ｃに形成された切れ込み４０４ａ～４０４ｃによって、調整ミス（アラインメントミス）なしに、所望の導波路を選択するための光学特性の測定を効率的に実施できる。
　図４の切れ込み４０４ａ～４０４ｃは、スラブ導波路のコア材料の一部を除去して空気によって置き換えた構成となっており、導波光減衰器（導波光減衰構造）として機能する。切れ込みによって導波光は散乱するため、切れ込みを越えてさらに導波する光は大幅に減衰される。導波光減衰器は、図４に示したような切れ込み以外に、様々な形態によって実現できる。
　図５は、導波光減衰器の様々な構成例を示した図である。図５の波長変換素子のチップ５００は、チップの基板面を垂直に見た上面図であって、波長変換に用いる非線形導波路５０１ａ、５０１ｂと、非線形導波路から離間して概ね平行に形成されたスラブ導波路５０２ａ～５０２ｃから構成されている。図５ではスラブ導波路上には様々な種類の導波光減衰器を示しているが、異なる構成例を示すための目的で１つのチップ上に描かれており、実際に図５のように構成する必要はない。導波光減衰器としては、スラブ導波路の領域内に光導波方向に沿って長辺が形成された矩形状の溝５０３、光導波方向に傾斜した溝５０４、図４と同様の切れ込み５０５、スラブ導波路の領域内側に全体にわたって内壁を構成するように形成された溝５０６などがある。
　したがって本発明の波長変換素子は、非線形材料の基板の上に形成された複数の導波路４０１ａ、４０１ｂと、前記複数の導波路の各々に離間して、概ね平行して配置された複数のスラブ導波路４０２ａ～４０２ｃと、前記複数のスラブ導波路の領域内で、前記スラブ導波路を構成する材料の屈折率とは異なる屈折率を有する材料で構成された導波光減衰器（５０３、５０４、５０５、５０６）とを備えたものとして実施できる。好ましくは、導波光減衰器は、スラブ導波路を構成する材料が存在していない、基板と同一面上のスラブ導波路の内部領域として構成される。
　導波光減衰器は、一旦導波路を加工した後に再度エッチングで作製しても良いが、波長変換に用いる非線形導波路およびスラブ導波路を形成するエッチング中に、併せて作製するのが最も効率的である。図５に示したように導波光減衰器はスラブ導波路内を導波する光の強度を減衰させることができる限り、様々な形状、構造とすることができる。導波路作製と合わせて導波光減衰器を作製する場合は、エッチング面積を小さくすることが重要となる。エッチング面積をできる限り小さくすることによって、難揮発材料の発生を抑制するためである。
　また、導波光減衰器は波長変換のための非線形導波路のパターンへ影響を及ぼさないような形状であることが重要である。ドライエッチングによる微細加工は、所望のパターンを形成するレジストの形状だけでなく、その周辺部のパターンにも大きく左右され、不適切な形状ではエッチングにむらが生じてしまう。したがって、均一な導波路を作製するためには、導波路の近接パターンとなるアレイ導波路も長手方向（ｚ軸）に一様であることが望ましい。さらに、導波光減衰器はできるだけ小さい構造であることが望ましい。図５に示したスラブ導波路の領域内側に内壁を構成するように形成された溝５０６は、波長変換に用いる非線形導波路５０１ａ、５０１ｂと平行に均一な壁面を作ることができるので、非線形導波路に対するエッチングのむらが生じにくい構造となる。
　図６は、本発明の波長変換素子の構成例を示した上面図である。図４および図５では、波長変換素子の構成要素の基本構造の説明のため、波長変換に用いる非線形導波路（アレイ導波路）は２本しか示しておらず、各部の相対的なサイズは実際のデバイスと非常に異なっている。図６は、非線形導波路は依然として太く描かれているが、実際のデバイスの形状のイメージにより近いものとして示している。図６では、波長変換に用いるｎ本の非線形導波路（アレイ導波路）６０１－１～６０１－ｎが含まれており、各導波路の両側に各導波路から離間して概ね平行に（ｎ＋１）本のスラブ導波路６０２－１～６０１－ｎ＋１が構成されている。スラブ導波路の各々は、光導波方向（ｚ軸方向）に対して斜めの切れ込み状の導波光減衰器６０３－１～６０３－ｎ＋１を備え、小さいサイズで効率的に導波光を減衰することができる。導波光減衰器における光の減衰量をより大きくしたい場合は、図６に示したような直線状の切れ込みだけでなく、光導波軸に対して非対称な任意の形状とすれば良い。
　図７は、本発明の波長変換素子における導波光減衰器の様々な変形例を示した図である。図７では、波長変換素子７００のスラブ導波路７０１ａ、７０１ｂにおける導波光減衰器の異なる形状の例を１つの図面上に同時に示している。図６でも示した光導波方向に斜めの直線状の溝７０３に加えて、光導波方向を中心軸（点線）として非対称に配置された三角形状の溝７０４、７０５、光導波方向を中心軸（点線）として非対称に配置された四角形状の溝７０６とすることができる。いずれも、導波光方向（ｚ軸）に対して非対称な形状を持っており、一方のチップ端面から入射した試験光を効果的に散乱する。
　図４～図７に示した本発明の波長変換素子の構成による光学特性の評価を誤測定なしに効率的に実施できる効果は、非線形光学を用いない波長変換以外の目的のアレイ導波路を作製する場合であっても有効である。したがって、アレイ導波路を含む素子を構成する物質は、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、または、それらに添加物を加えた化合物などが含まれる。波長変換で使用する２つの波長帯の光に対して、それぞれ透明な材料であれば良い。
[第２の実施形態]
　波長変換素子の作製工程では、波長変換効率を高めるための小コア化したアレイ導波路を作製する。この段階で、ドライエッチングの問題を解決する結果としてスラブ導波路が形成されていた。上述の第１の実施形態の波長変換素子では、複数の導波路の中から所望の特性を持つ１つの導波路を選択する工程を効率良く実施するため、スラブ導波路の領域内に導波光減衰器を備えた。本実施形態の波長変換素子では、所望の導波路が選択された後で、波長変換素子をモジュール内に設置し調整・検査をする工程をさらに効率的に実施する構成および方法を提示する。
　図２に示したように、実際に波長変換素子を利用するためには、作製途中状態のチップに切り出され選択された導波路を含む複数の導波路を、後工程の組み立て作業に適したサイズのチップに切り出して、モジュール化する必要がある。光モジュールは、波長変換素子を含むチップの他に、光ファイバなどによる外部との光接続機能および必要に応じて他の関連する機能を含む光機能デバイスとして構成される。例えば、外部接続のためにピッグテールファイバを接続した形態を取り、モジュール内では切り出した波長変換素子チップの２つの端面と、入出力の各光ファイバとの間の光学接続が必須である。図２に示したモジュール組み立て工程（ステップ２０６）および光ファイバと選択導波路とのアラインメント調整工程（ステップ２０７）を効率的に実施する必要がある。
　アレイ導波路の特性評価後、選定された導波路を含むチップはモジュール実装される。切り出したチップをモジュール内に実装する際には、モジュール内でレンズを用いて光ファイバとチップの端面とを光結合する必要がある。ＰＰＬＮを用いた非線形導波路では、端面に現れるコアの断面サイズは例えば４×４μｍ程度であって、レンズを介した光ファイバとコアとの光結合は、導波路選択のために行う光学特性の評価時の光結合の場合と比べて、光学的アライメントが難しい。本実施形態の波長変換素子では、光学特性評価の妨げとなっていたスラブ導波路を、逆に光学的アライメントに積極的に利用する構成を提案する。
　図８は、本発明の第２の実施形態の波長変換素子の構成を説明する概念図である。図８の波長変換素子のチップ８００は、チップの基板面を垂直に見た上面図であって、図５と同様に、複数の導波路が形成された基板状態からチップ状に切り出された状態を示している。波長変換に用いる複数の非線形導波路８０１－１～８０１－ｎと、非線形導波路から離間して概ね平行に形成されたスラブ導波路８０２－１～８０２－ｎ＋１とから構成されている。さらに、各スラブ導波路の領域内に光導波方向に沿ってその長辺が形成された矩形状の導波光減衰器８０３－１～８０３－ｎ＋１が構成されている。図８では、複数の非線形導波路の中から、一番下に位置している１本の導波路８０１－ｎが所望の導波路として選択された後の状態を示す。
　本実施形態では、選択された導波路８０１－ｎの、光導波方向（ｚ軸方向）の両側にある導波光減衰器８０３－ｎ、８０３－ｎ＋１に対して、その溝の内部に、屈折率の高い充填材８０４ａ、８０４ｂが詰められている。溝は、屈折率が１の空気が充填されている状態に相当する。したがって、所望の導波路が選択された後で、その選択された導波路に隣接するスラブ導波路の溝の中に、空気（屈折率１）よりも高い屈折率を持つ材料を充填すれば、その導波光減衰器による光減衰量を減らすことができる。
　光学特性を評価するために多数の導波路の光学特性を順次測定して、所望の導波路を選択する工程では（図２のステップ２０４）、スラブ導波路においても、選択される非線形導波路と同等に試験光を導波できることが問題であった。この問題は、既に述べた導波光減衰器によって解消される。しかしながら、必要とする導波路が既に１本に選択された段階で、より厳密で難しい光結合を行うためには、非常に小さいコア断面の非線形導波路よりも大きな断面を持つスラブ導波路によって大まかなアラインメントを実施することが、むしろ光学特性評価時とは逆に調整精度、効率の点で役に立つとの着想に至った。
　図９は、波長変換素子モジュールにおける組立・調整工程を説明するフロー図である。図９のフロー９００は、図２の一連の作製工程の全体フロー２００におけるステップ２０６～２０８に相当する。図２のステップ２０５で切り出されたチップに対して、図９のステップ９０２において選択された導波路に隣接するスラブ導波路の導波光減衰器に、充填材を注入、付加する。図８に示したようなスラブ導波路の領域内に形成された溝構造の導波光減衰器に対しては、充填材を簡単に充填することができる。導波光減衰器が、図５の切れ込み５０５のようなスラブ導波路の領域外にも広がる構成の場合は、充填材が一定の場所に保持されず選択された非線形導波路まで回りこんでしまい、導波路特性が変化し得る。したがって、本実施形態の導波光減衰器としては、スラブ導波路の領域内に形成された溝構造がより好ましい。充填材としてはマッチングオイルや光学ポリマーを選ぶことができ、マイクロディスペンサー等による滴下が有効である。
　ステップ９０２で充填材を注入した後で、ステップ９０３でモジュール内のチップを設置し、ステップ９０４、９０５で、チップ端面の導波路コアと、レンズを介して光ファイバとを光結合（アラインメント）する。
　ステップ９０４で、充填材によって減衰量が減少し（導波光のレベルが復活し）、非線形導波路よりもはるかにコアサイズの大きいスラブ導波路を利用して、最初に大まかな光学的なアライメントを実施する。スラブ導波路は、例えば図８の上面図を参照すると、非線形導波路よりもｘ軸方向にはるかに広い幅（例えば１０～１００μｍ）を持っており、少なくとも基板の厚さ方向（ｙ軸方向）に対しては、非常に精度良くアラインメントが実施できる。その後、ステップ９０５で、選択された導波路のコアに向かってｘ軸に沿って調整位置を移動させながら、横方向（ｘ軸方向）およびレンズ焦点方向（ｚ軸方向）にさらにアラインメントを実施できる。そこで、導波路評価時にはスラブ導波路に導波光減衰器が存在して導波光を減衰する一方で、モジュール実装時にはスラブ導波路内を光が通るような構造にしてやれば良い。ステップ９０４、９０５における２段階のアラインメントは、様々な手順、調整アルゴリズムが可能であって、上述の手順だけに限られない。ステップ９０４の祖調整の段階で焦点調整（ｚ軸方向）を行うこともできるし、ステップ９０５の微調整の段階で、３方向の調整を繰り返し行っても良い。
　また図８の例では、選択された導波路８０１－ｎの両側のスラブ導波路の各溝（導波光減衰器）８０４ａ、８０４ｂに対してそれぞれ充填材を充填した。しかし、２つの溝の内の、選択された導波路に隣接し少なくとも一方の側にある溝のみに充填材を充填すれば、少なくとも１つのスラブ導波路を利用して上述の祖調整が可能となる。また、導波光減衰器としてスラブ導波路の材料が存在しない溝を利用する場合に、この溝は、導波光減衰器を構成する材料として屈折率１の空気によって満たされていることになる。したがって、充填材を充填、付加することは導波光減衰器の材料の屈折率を増加させることになる。
　したがって本発明は、非線形材料の基板の上に形成された複数の導波路と、前記複数の導波路の各々に離間して概ね平行して配置された複数のスラブ導波路とを備えた波長変換素子の作製方法において、前記複数のスラブ導波路の領域内に、前記スラブ導波路を構成する材料の屈折率とは異なる屈折率を有する材料で構成された導波光減衰器を作製するステップ（２０２）と、前記複数の導波路の光学特性を順次測定して、前記複数の導波路の中から所望の光学特性を有する１本の導波路を選択するステップ（２０４）と、前記選択された導波路に隣接し、前記選択された導波路の少なくとも一方の側にある前記スラブ導波路に設けられた前記導波光減衰器に対し、当該導波光減衰器を構成する前記材料の前記屈折率を増加させるステップ（９０２）とを備えることを特徴とする方法としても実施できる。
　上述のように、スラブ導波路において十分に導波光を減衰させた状態で全導波路の光学特性の評価を行って所望の導波路を選択し、その後、選択された導波路に隣接するスラブ導波路の溝構造に対して、その光減衰量を低減させることができる。これにより、選択された導波路を含むチップをモジュールに実装する時には、導波光レベルを復活させたスラブ導波路を用いてより簡単に光ファイバへの光調芯（アラインメント）および効率的なモジュール実装が可能となる。ステップ９０４、９０５の後は、ステップ９０６でモジュールの組立を完了して、ステップ９０７で必要な光学特性の検査を例えばピッグテールファイバ経由で行い、フロー９００は終了する。
　以下、本発明の波長変換素子のより具体的な実施例について説明する。
　図６を再び参照すれば、図６は実施例１の波長変換素子６００の上面図を示している。波長変換を行う導波路６０１－１～６０１－ｎは、周期的にその自発分極の向きが反転されたニオブ酸リチウムを主成分とする強誘電体からなる。クラッド部分となる下基板には熱膨張係数の近いタンタル酸リチウムが用いられている。導波路６０１－１～６０１－ｎを構成する物質は非線形光学材料である。クラッドとなる基板またはオーバークラッドを構成する物質は、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、またはそれらに添加物を加えた化合物など、波長変換に使用する２つの波長帯の光に対して透明であれば良い。２つの波長帯は、一例として光通信の例を挙げれば、１５５０ｎｍおよび７７５ｎｍを中心とする帯域とすることができる。
　図６の波長変換素子６００では、位相感応増幅器や位相共役変換器などの光通信応用を想定して、導波路のコアサイズと分極反転の空間的ピッチから、位相整合波長が１．５６μｍとなるように設計した。導波路は、直線導波路とした。
　タンタル酸リチウムからなる基板は、厚さ５００μｍである。導波路としてのニオブ酸リチウムは、タンタル酸リチウム基板に接合された後、研削および研磨により５μｍまで薄膜化された。その後、非線形導波路およびスラブ導波路を、ドライエッチングによりパターニングした。このとき、各スラブ導波路内に幅１０μｍで、光導波方向に対して斜めの溝６０３－１～６０３－ｎ＋１が形成されるよう、導波路加工で使用するフォトマスク上にパターンを描画した。従来技術の波長変換素子の作製手順から工程を増やすことなく、実施例１の構成を実現することが可能である。
　ここで導波光減衰器としての溝構造を導入したことによる、非線形導波路パターンへの影響を評価した。本実施例の幅１０μｍの溝による構造では、波長変換のための非線形導波路のパターン（構造）への影響はほとんど観察されず、波長変換素子としての光学特性にも有意な差は見られなかった。したがって、本発明の波長変換素子は、スラブ導波路に導波光減衰器を備えていても、波長変換性能の特性に何ら劣化を引き起こさないことを示している。
　本実施例の導波光減衰器を設けたスラブ導波路と、導波光減衰器を設けていない従来技術のスラブ導波路の透過率を比較することにより、本実施例の導波光減衰器により導波光が１５ｄＢ以上減衰することを確認した。光学特性の評価時も、選択の対象となる非線形導波路と、スラブ導波路を明確に区別することができる。したがって、複数の導波路に対して光学特性の評価を順次行う場合（図２のステップ２０４）、コア断面と、試験光源からのファイバおよび測定装置へのファイバそれぞれとの間でアラインメントの誤りが生じず、効率的かつ確実に測定すべき非線形導波路を認識し、測定を実施し、所望の導波路を特定し選択できる。
　上述の減衰量の１５ｄＢの値は、導波光減衰器の形状、サイズ等を変化させることで制御可能である。したがって、アレイ導波路を構成する非線形導波路のコアサイズや、配置間隔などに応じて、減衰量を設定することもできる。例えば、複数の導波路の光学特性の測定時にアラインメントの誤りが比較的少ないと想定される場合には、導波光減衰器の初期状態における減衰量を小さく（導波光レベルを大きく）し、第２の実施形態を適用する際に、充填材によって減衰量を減らした時のスラブ導波路の導波光レベルを上げることができる。また、光学特性の測定時のアラインメントの誤りが想定されれば、導波光減衰器の初期状態における減衰量を大きく（導波光レベルを小さく）し十分な減衰を得ることもできる。
　図８を再び参照すれば、図８は実施例２の波長変換素子８００の上面図を示している。図６に示した実施例１の構成との相違点のみを述べれば、実施例１における斜めの溝６０３－１～６０３－ｎ＋１に代えて、スラブ導波路８０１－１～８０１－ｎ＋１の領域内に、それぞれ、各スラブ導波路内に光導波方向に沿ってその長辺が形成された矩形状の溝である導波光減衰器８０３－１～８０３－ｎ＋１が構成されている。溝８０３－１～８０３－ｎ＋１は、導波方向（ｚ軸）に５０μｍ、直交方向（ｘ軸）に２０μｍのサイズとなるように作製した。
　導波路６０１－１～６０１－ｎを構成する物質は非線形光学材料であって、周期的にその自発分極の向きが反転されたニオブ酸リチウムを主成分とする強誘電体からなる。クラッド部分となる下基板には熱膨張係数の近いタンタル酸リチウムが用いた。クラッドとなる基板またはオーバークラッドを構成する物質は、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、またはそれらに添加物を加えた化合物などとすることができる。波長変換に使用する２つの波長帯の光に対して、それぞれ透明であれば良い
　図８の波長変換素子８００でも、位相感応増幅器や位相共役変換器などの光通信応用を想定して、導波路のコアサイズと分極反転の空間的ピッチから、位相整合波長が１．５６μｍとなるように設計した。導波路は、直線導波路とした。
　タンタル酸リチウムからなる基板は、厚さ５００μｍである。導波路としてのニオブ酸リチウムは、タンタル酸リチウム基板に接合された後、研削および研磨により５μｍまで薄膜化された。その後、非線形導波路およびスラブ導波路を、ドライエッチングによりパターニングした。
　本実施例の導波光減衰器を設けたスラブ導波路と、導波光減衰器を設けていない従来技術のスラブ導波路の透過率を比較することにより、本実施例の導波光減衰器により導波光が２０ｄＢ以上減衰することを確認した。本実施例でも、光学特性の評価時に、選択の対象となる非線形導波路と、スラブ導波路とを明確に区別することができる。したがって、複数の導波路に対して光学特性の評価を順次行う場合（図２のステップ２０４）にも、コア断面と、試験光源からのファイバおよび測定装置へのファイバそれぞれとの間でアラインメントの誤りが生じず、効率的かつ確実に測定すべき非線形導波路を特定し、測定を実施し、所望の導波路を選択できる
　さらに所望の導波路が選択された後で、波長変換素子チップ８００をモジュールへの実装することを想定し、選択された導波路８０１－ｎの両側のスラブ導波路内の溝８０３－ｎ、８０３－ｎ＋１に、高分子材料からなる充填材８０４ａ、８０４ｂを滴下し硬化させた。その後これらのスラブ導波路の透過光強度を測定したところ、充填材を滴下する前と比べて、透過光強度はそれぞれ８ｄＢ増加した。すなわち、光学特性の評価時（図２：ステップ２０４）に２０ｄＢだった減衰量は、モジュール内で光ファイバとのアラインメントを実施する時（図２：ステップ２０７、図９：ステップ９０４、９０５）には、１２ｄＢとなっていた。選択した導波路に隣接するスラブ導波路の透過光強度が大きくなったことで、あらかじめスラブ導波路を利用した祖調整（ステップ９０４）を行うことで、チップをモジュール内に実装する時のレンズを介したチップ端面と光ファイバとの間のアライメントが容易となる。
　本実施例において、モジュール内において選択された導波路に対してアライメントを行う際、スラブ導波路からの透過光強度が導波光減衰器の存在しない状態まで完全に戻る必要は無い。すなわち、スラブ導波路においては、選択された非線形導波路におけるアラインメントの前段階として、祖調整ができる程度にスラブ導波路からの透過光強度が得られれば十分である。また本実施例では、選択された導波路に隣接し、充填材によって導波光の減衰量を減らしたスラブ導波路と、隣接していないスラブ導波路との間で、各透過光の強度差から、選択された導波路のチップ端面（ｘ軸）上の位置を簡単に区別可能となる。モジュール内でアライメントを行う際に、スラブ導波路間の透過光レベルの差を手掛かりに、選択された導波路を間違えにくくなる点でも、モジュールの組立・調整工程でのミスの発生を防止して、図２および図９の一連の作製工程の品質、コストを改善する。
　図１０は、本発明の実施例３の波長変換素子の構成を示す上面図である。図６、図８に示した実施例１、２の各構成との相違点のみを述べれば、導波光減衰器として、スラブ導波路１００１－１～１００１－ｎ＋１内に、それぞれ、各スラブ導波路の領域内側に全体にわたって内壁を構成するように形成された溝１００３－１～１００３－ｎ＋１が構成されている。溝１００３－１～１００３－ｎ＋１は、それぞれ、光導波方向（ｚ軸）に２ｃｍ、直交方向（ｘ軸）に２０μｍのサイズとなるように作製した。各部を構成する物質は、実施例１および２と同じなので、繰り返さない。
　図１０の波長変換素子１０００でも、位相感応増幅器や位相共役変換器などの光通信応用を想定して、導波路のコアサイズと分極反転の空間的ピッチから、位相整合波長が１．５６μｍとなるように設計した。導波路は、直線導波路とした。
　本実施例の導波光減衰器を設けたスラブ導波路と、導波光減衰器を設けていない従来技術のスラブ導波路との間で透過率を比較することで、本実施例の導波光減衰器によりスラブ導波路の導波光は４０ｄＢ以上減衰することを確認した。導波光減衰器によって、光学特性の評価時、選択の対象となる非線形導波路とスラブ導波路とを明確に区別することができる。
　さらに所望の導波路が選択された後で、波長変換素子チップ１０００をモジュールへの実装することを想定し、選択された非線形導波路の両側のスラブ導波路内の溝へ、はめ込み可能なように構成された突起部を備えたニオブ酸リチウム素子のブロックを挿入した。
　図１１は、実施例３の波長変換素子の導波光減衰器の減衰量を変化させる充填材ブロックの構成を示す図である。充填材ブロック１１００は、ニオブ酸リチウム素子の基板１１０１から構成され、基板面上に四角柱状の２つの突起部１１０３ａ、１１０３ｂが形成されている。突起部１１０３ａ、１１０３ｂは、導波路の作製と同様にフォトリソグラフィ工程によって作製した。図１１の充填材ブロック１１００は、これを裏返しに反転させて、その基板面と図１０の波長変換素子チップの導波路構成面とを向かい合わせ、２つの突起部が、選択された導波路の両側にある溝にはめこみ可能なように配置される。したがって、突起部の高さｈは、導波光減衰器である溝１００３－１～１００３－ｎ＋１の深さよりも大きい値でなければならない。図１１の基板１１０１のエッチング後の上面であるエッチングバック面１１０２が、図１０のリッジ型導波路である非線形導波路と接しないようにするためである。
　図１１に示した充填材ブロック１１００を図１０の選択された導波路に隣接するスラブ導波路の溝に挿入した後、このスラブ導波路の透過光強度を測定したところ、充填材を挿入する前と比べて、３５ｄＢ透過光強度が増加した。選択された導波路に隣接するスラブ導波路の透過光強度が大きくなったことで、モジュール実装時のアライメントが容易となる。本実施例においても、選択された導波路に対してレンズを介して光ファイバとのアライメントを行う際、スラブ導波路の透過光強度が導波光減衰器の存在しない状態まで戻る必要は無い。スラブ導波路においては、選択された非線形導波路におけるアラインメントの前段階として、選択された非線形導波路に対する祖調整ができる程度にスラブ導波路からの透過光強度が得られれば十分である。
　第２の実施形態および第３の実施形態の各波長変換素子では、導波光減衰器の溝内に挿入する充填材の屈折率が、スラブ導波路母材の屈折率に近い方が、充填材挿入後に透過光強度のより大きい回復量が得られる。本実施例ではＬＮのスラブ導波路に対してＬＮの充填材を用いたが、ＬＮと熱膨張係数の近いタンタル酸リチウムを充填材として用いることもできる。また熱膨張係数が違う材料の場合でも、波長変換素子の温度を一定に保って使用できる環境条件の場合は、充填材としてケイ素、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、またはそれらに添加物を加えた化合物などを利用できる。波長変換のために使用する２つの波長帯の光に対して、それぞれ透明な物質を用いれば良い。
　本実施例でも、選択された導波路に隣接し充填材によって導波光の減衰量を減らしたスラブ導波路と、隣接していないスラブ導波路との間で、各透過光の強度差から、選択された導波路のチップ端面（ｘ軸）上の位置を簡単に区別できる。モジュール内でレンズを介して光ファイバとコア断面とのアライメントを行う際に、選択された導波路を間違える問題は起きない。波長変換素子を含むモジュールの組立・調整工程でのミスの発生を防止して、図２および図９の一連の作製工程全体で無駄な戻り工程をなくして、波長変換素子の品質および作製コストを改善する。
　上述の実施例では、光通信を前提とした波長帯域（１５５０ｎｍ、７７５ｎｍ）のものを例示したが、波長変換素子は、例えば光を用いた量子情報処理などの分野においても利用されており、様々な波長帯域にも適用できる。
　上述の実施形態、実施例では、波長変換素子のモジュールは、切り出した単一のチップをモジュール内に設置し、波長変換機能のみを持つピッグテールファイバ形態のものとして説明した。しかしながら、複数の波長変換素子を含む光感応増幅器、光送信器のような装置を構成するモジュールにおいても同様の効果を発揮するのは言うまでもない。このような装置では、複数の波長変換素子を利用するため、複数のチップをモジュール内に設置する必要があり、各チップに対するモジュール内での光結合に際して、第２の実施形態の波長変換素子を利用できる。したがって、本発明は、第２の実施形態による波長変換素子を含む装置としての側面も持っている。
　本発明の基本的な考え方は、非線形光学を利用する波長変換素子の場合だけに限られず、複数の導波路を作製し、同時に複数の導波路と同様な光学特性・機能を持った付随する導波路が形成されてしまうような状況で、複数の導波路の中から１つまたは複数の導波路を選択するような場合にも適用できる。
　以上、詳細に説明してきたように、本発明により、波長変換素子を効率的に低コストで製造することができる。
　本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。例えば、光通信システムおよび光計測システム等に利用できる。
　１０１ａ、１０１ｂ、３０２－１～３０２－ｎ、４０１ａ、４０１ｂ、５０１ａ、５０１ｂ、６０１－１～６０１－ｎ、８０１－１～８０１－ｎ、１００１－１～１００１－ｎ　導波路
　１０２ａ～１０２ｃ、４０２ａ～４０２ｃ、５０２ａ～５０２ｃ、６０２－１～６０２ｎ＋１、７０１ａ、７０１ｂ、８０２－１～８０２－ｎ＋１、１００２－１～１００２－ｎ＋１　スラブ導波路
　３００　ウェーファ
　３０１　チップ
　３０１－１～３０１－４　領域
　３０３　試験光源
　３０６　測定器
　４００、５００、６００、８００、１０００　波長変換素子
　
　５０３、５０４、５０５、５０６　溝
　６０３－１～６０３－ｎ＋１、７０３～７０６、８０３－１～８０３－ｎ＋１、１００３－１～１００３－ｎ＋１　導波光減衰器
　１１００　充填材ブロック
　１１０３ａ、１１０３ｂ　突起部

Claims (8)

  1. 　非線形材料の基板の上に形成された複数の導波路と、
    　前記複数の導波路の各々に離間して、概ね平行して配置された複数のスラブ導波路と、
    　前記複数のスラブ導波路の領域内で、前記スラブ導波路を構成する材料の屈折率とは異なる屈折率を有する材料で構成された導波光減衰器と
    　を備えたことを特徴とする波長変換素子。
  2. 　前記導波光減衰器は、前記スラブ導波路を構成する前記材料が存在していない、前記基板と同一面上の前記スラブ導波路の内部領域として構成されることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
  3. 　前記導波光減衰器は、前記複数のスラブ導波路における光導波方向を中心軸としたときに、前記基板と同一面上で非対称な形状を有すること特徴とする請求項１または２に記載の波長変換素子。
  4. 　前記複数の導波路および前記複数のスラブ導波路はそれぞれ直線導波路であって、前記複数の導波路は、各々のコアのサイズを決定する構成パラメータを徐々に変化させていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の波長変換素子。
  5. 　前記複数の導波路は、ＬｉＮｂＯ3またはＬｉＮｂＯ3に、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎの内の少なくとも一種を添加物として含有する材料から成ることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の波長変換素子。
  6. 　前記導波光減衰器は、前記スラブ導波路の内部領域として前記スラブ導波路を構成する前記材料が除去された溝であって、前記複数の導波路の内の１つの導波路に隣接し少なくとも一方の側にある前記スラブ導波路に設けられた前記溝のみに、屈折率が１よりも大きい材料が充填されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の波長変換素子。
  7. 　非線形材料の基板の上に形成された複数の導波路と、前記複数の導波路の各々に離間して概ね平行して配置された複数のスラブ導波路とを備えた波長変換素子の作製方法において、
    　前記複数のスラブ導波路の領域内に、前記スラブ導波路を構成する材料の屈折率とは異なる屈折率を有する材料で構成された導波光減衰器を作製するステップと、
    　前記複数の導波路の光学特性を順次測定して、前記複数の導波路の中から所望の光学特性を有する１本の導波路を選択するステップと、
    　前記選択された導波路に隣接し、前記選択された導波路の少なくとも一方の側にある前記スラブ導波路に設けられた前記導波光減衰器に対し、当該導波光減衰器を構成する前記材料の前記屈折率を増加させるステップと
    　を備えることを特徴とする方法。
  8. 　前記導波光減衰器は、前記スラブ導波路の内部領域として、前記スラブ導波路を構成する前記材料が除去された溝であって、
    　前記導波光減衰器を構成する前記材料の屈折率を増加させる前記ステップは、
    　　前記溝の中に屈折率が１よりも大きい材料を充填すること
    を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
    　
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