WO2020100937A1 - 波長変換素子およびその作製方法 - Google Patents
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- G02F2202/20—LiNbO3, LiTaO3
Definitions
- the present invention relates to an optical element using a nonlinear optical effect. More specifically, it relates to a wavelength conversion element used in an optical communication system or an optical measurement system.
- Optical application technology using the nonlinear optical effect is expected in fields such as optical communication and quantum information communication using light.
- a basic non-linear optical effect there is wavelength conversion that converts light incident on a non-linear optical medium into light having another frequency.
- a periodically poled waveguide PPLN: Periodically Poled Lithium Niobate
- LiNbO 3 lithium niobate
- the inversion period at that time is ⁇
- the inversion period ⁇ may be set so as to satisfy the following expressions for the wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 2 and ⁇ 3 in the sum frequency generation shown in the expression (1).
- n 1 is the refractive index at the wavelength ⁇ 1
- n 2 is the refractive index at the wavelength ⁇ 2
- n 3 is the refractive index at the wavelength ⁇ 3 .
- 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 utilize the characteristics of the bulk of the crystal as it is, and has features 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, thinning one substrate, and then subjecting the thin film portion to ridge processing. When joining the above-mentioned two substrates, a direct joining technique is used in which the substrates are firmly joined together without using an adhesive or the like.
- the direct-junction ridge-type waveguide is capable of injecting strong light, and has succeeded in making a small core along with the progress of waveguide technology (for example, Non-Patent Document 2), and its nonlinear optical efficiency is improved. It's going all the way.
- LN which is a ferroelectric crystal
- LN is a difficult-to-process material, and it is difficult to obtain the size and shape as designed even if a semiconductor process that allows fine processing is used.
- the nonlinear optical effect in the PPLN waveguide using the quasi phase matching is sensitive to the waveguide structure. Therefore, with the current technology, it is difficult to manufacture a nonlinear optical waveguide having a desired nonlinear optical characteristic as designed for the optical characteristic. Therefore, as will be described later, a plurality of waveguides whose structural parameters are gradually changed are arranged side by side on the substrate, and the optical characteristics of all the waveguides are evaluated. Then, only the waveguides having the desired characteristics are selected. The method to be used is used.
- the substrate is cut out so as to form an end face for measurement, and a waveguide having desired characteristics is selected. After that, a wavelength conversion element including the selected waveguide is mounted on the module as a fiber pigtail device, for example (Non-Patent Document 3).
- FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a wavelength conversion element using a conventional PPLN waveguide.
- an arrayed waveguide in which the waveguide structure parameter is gradually changed is manufactured in consideration of its difficult workability and low yield. From the plurality of waveguides forming the arrayed waveguide, only the waveguide having the best optical characteristics is selected and used.
- FIG. 1 shows a conceptual diagram of a wavelength conversion element chip 100 including a plurality of waveguides 101a and 101b formed on a substrate 104.
- FIG. 2 is a flow chart 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 of FIG. 1 corresponds to a state in which the chip is cut out in a state including a part of the plurality of waveguides formed on the substrate in step 203 of FIG.
- the state of the wavelength conversion element chip 100 shown in FIG. 1 for each of the plurality of waveguides 101a and 101b, as shown in step 204 of the flow chart of FIG. The measurement is performed and the desired waveguide is selected.
- slab waveguides 102a, 102b, 102c are formed in the portions covered with an etching mask in order to efficiently etch the waveguides 101a, 101b. If these slab waveguides are present, the wavelengths of the slab waveguides other than the desired waveguide to be finally selected at the stage of the optical characteristic evaluation of the arrayed waveguide in step 204 of FIG. Optical alignment for measuring the optical characteristics becomes possible on the end surface of the conversion element chip 100. In addition to arrayed waveguides, unintentionally formed slab waveguides are used to evaluate array waveguide characteristics such as erroneous measurement, re-measurement, and chip destruction by selecting the wrong waveguide. There is a problem that hinders effective waveguide selection and subsequent module manufacturing inspection. This problem will be described in more detail based on the actual manufacturing process of the wavelength conversion element.
- FIG. 3 is a diagram conceptually explaining the process of selecting a desired waveguide from the arrayed waveguides.
- an arrayed waveguide consisting of, for example, 100 or more waveguides is formed on the entire surface of the wafer 300 directly bonded (step 202), and a region 301-1 having a predetermined size is formed.
- the wavelength conversion element chip 100 shown in FIG. 1 is obtained by cutting out into chips each having ⁇ 301-4 (step 203). It should be noted that the chip cutting is performed for the optical property evaluation and the waveguide selection in step 204, and the areas 301-1 to 301-4 in FIG. 3A are larger than the final chip area.
- step 204 one waveguide having the best optical characteristics is selected from the plurality of waveguides whose structural parameters are gradually changed. Therefore, the cutting out in the direction (x axis) perpendicular to the waveguide of FIG. 3A is performed in the minimum unit of the state finally used as the wavelength conversion element.
- the cutting in the direction parallel to the waveguides (z axis) in step 203 takes into consideration the number of arrayed waveguides in one group, which is the basis of selection, so that the optical characteristics can be efficiently evaluated. It is sized appropriately to include multiple chips of the final size.
- FIG. 3B is a diagram conceptually explaining one chip 301 after being cut out for measurement of optical characteristics.
- n waveguides 302-1 to 302-n having different widths are formed on the chip 301 cut out for measuring the optical characteristics.
- the number of waveguides included in the chip 301 may exceed 100 in some cases.
- the optical characteristics are sequentially measured for each waveguide. That is, one or more kinds of test light 304 from the test light source 303 are input to the end face 1 via the optical fiber, and the test light or the wavelength-converted light 305 output from the end face 2 is measured by the measuring device 306.
- two or more signal lights such as a single wavelength light source and a broadband light source may be used to directly confirm the wavelength conversion characteristics.
- each of the arrayed waveguides 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 the optical fiber is brought close to each end face for the measurement of the optical characteristic, it is possible to easily optically couple to a large number of slab waveguides which are not originally the object of optical characteristic evaluation.
- optical measurement is performed while sequentially shifting the optical coupling position in the arraying direction (x axis) of the arrayed waveguide.
- the measurement point is moved in the x-axis direction, since it is occupied by the slab waveguide region in a considerable ratio, the same degree of optical coupling as that of the original waveguide is possible in a wide range in the slab waveguide region.
- optical measurement may be performed at an incorrect position.
- erroneous measurements from the slab waveguide can lead to erroneous selection of the waveguide with the best optical properties.
- step 204 in FIG. 2 there is a possibility that a waveguide with insufficient wavelength conversion characteristics that should not be selected in step 204 in FIG. 2 may be selected.
- step 205 when cutting into a final chip size including a set of arrayed waveguides, a chip including an inappropriate waveguide is formed, or a chip including an optimum waveguide is discarded without being sorted. Can also occur. Further, since it usually takes about 2 minutes to measure each waveguide shown in FIG. 3, it takes more than 3 hours to measure 100 waveguides, for example. If erroneous optical measurements were included in the step of selecting the desired waveguide, the process for correcting them would be time consuming and costly to redo.
- the manufacturing yield in the entire process of completing the modularized wavelength conversion element by performing the series of processes of FIG. 2 is also reduced. Therefore, performing the optical characteristic evaluation on the original arrayed waveguide without error in step 204 of the flow chart of FIG. 2 is a key for efficiently performing the series of manufacturing steps of the wavelength conversion element of FIG. It will be one of.
- the plurality of slab waveguides formed between the originally required arrayed waveguides shown in FIG. 1 hinders the waveguide characteristic evaluation and the subsequent efficient production of the wavelength conversion element.
- the present invention has been made in view of such a problem, and provides a configuration for more efficiently manufacturing a wavelength conversion device using a nonlinear optical element.
- the present invention provides a plurality of waveguides formed on a substrate made of a non-linear material and a plurality of waveguides spaced apart from each other.
- the invention according to claim 2 is the wavelength conversion element according to claim 1, wherein the grating structures of the plurality of slab waveguides have different periods, and reflect light of a specific wavelength corresponding to the different periods. It is characterized by doing.
- the invention according to claim 3 is the wavelength conversion element according to claim 1 or 2, wherein each of the plurality of slab waveguides is periodically modulated in width or thickness in a waveguide length direction. Characterize.
- the invention according to claim 4 is the wavelength conversion element according to claim 1 or 2, wherein in each of the plurality of slab waveguides, a material having a refractive index larger than 1 is provided on the waveguide in the waveguide length direction. It is characterized by being periodically arranged in.
- 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 and the plurality of slab waveguides are linear waveguides, respectively.
- the waveguide is characterized by gradually changing the constituent parameters that determine the size of each core.
- the invention according to claim 6 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 Mg, Zn, Sc, or In It is characterized by being composed of a material containing at least one kind as an additive.
- a seventh aspect of the present invention there are provided a plurality of waveguides formed on a substrate made of a non-linear material, and a plurality of slab waveguides spaced apart from each of the plurality of waveguides and arranged substantially parallel to each other.
- a step of manufacturing a grating structure having a periodic refractive index change in the waveguide length direction, and a period of the grating structure While detecting reflected waves of corresponding wavelengths, sequentially measuring optical characteristics of the plurality of waveguides, selecting a waveguide having desired optical characteristics, and adjoining the selected waveguides, Optical coupling between the selected waveguide and an optical fiber based on the reflected wave from the slab waveguide on one side.
- the invention according to claim 8 is the method according to claim 7, wherein in the step of performing the optical coupling, the grating structures of the plurality of slab waveguides each have a different cycle, and the identification corresponding to the different cycle is performed.
- a wavelength conversion device using a nonlinear optical element can be manufactured more efficiently.
- the wavelength conversion element of the present invention includes a plurality of waveguides formed on a substrate and a plurality of slab waveguides that are spaced apart from each of the plurality of waveguides and are substantially parallel to each other.
- a grating structure is formed in the waveguide.
- the effective refractive index that light senses changes depending on the structure. Therefore, the refractive index can be periodically modulated by periodically changing the waveguide shape.
- reflected light (return light) that does not pass through the waveguide is generated for incident light at a specific wavelength determined by the grating period and the refractive index of the waveguide.
- the wavelength conversion element By efficiently configuring the waveguide with the desired optical characteristics from among the multiple waveguides by configuring the grating to generate reflected light at different wavelengths for each of the multiple slab waveguides.
- the period of the grating structure can be changed for each slab waveguide.
- Slab waveguides that generate reflected light at different wavelengths are also used in modules to optically couple selected waveguides in a chip cut from a substrate with an external fiber or the like. By checking the presence or absence of reflected light from the grating and its wavelength, it is easier and more efficient to align the optical coupling between the selected waveguide and optical fiber, and the wavelength conversion element can be used efficiently and at low cost. Can be achieved with.
- 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 of the wavelength conversion element of this invention corresponding to the wavelength conversion element chip 100 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 (wafer) state in which a large number of waveguides (arrayed waveguides) are formed is cut out into a chip state including a plurality of waveguides.
- the wavelength conversion element 400 includes a plurality of waveguides 401a and 401b, and slab waveguides 402a to 402c that are separated from each of the plurality of waveguides and are configured substantially parallel to each other.
- Both of the waveguides are formed along the z-axis direction, and light can be input and output at two chip end faces (xy plane) that are perpendicular to the waveguide (z-axis) and are on the front side and the back side in the drawing. There is.
- the light input to one end face is guided through each waveguide in the optical waveguide direction (z axis) toward the other end face.
- one chip includes a plurality of waveguides whose configuration parameters are changed little by little, and the most appropriate one waveguide can be selected from the plurality of waveguides.
- the configuration parameter that is changed between the waveguides includes a parameter that determines the shape of the waveguide, and for example, the waveguide width can be changed little by little.
- the polarization inversion period (QPM pitch) can be changed.
- An example of selecting the most appropriate waveguide is, depending on the application purpose of the wavelength conversion element, measured by measuring the propagation loss for each of the multiple waveguides and selecting the one with the smallest loss. it can.
- the present invention also has an aspect as a waveguide selection method.
- the slab waveguides 402a to 402c of the wavelength conversion element of the present invention shown in FIG. 4 are formed by etching masks when a plurality of waveguides in which the above-mentioned constituent parameters are changed little by little by utilizing fine processing by dry etching. It is formed at the same time on the part covered with.
- a grating structure in which different waveguide widths are periodically repeated is formed in each of the slab waveguides 402a to 402c.
- the test light input to the slab waveguides 402a to 402c from one end face of the chip is strongly reflected only at a specific wavelength determined by the period of this grating and the refractive index of the slab waveguide. Therefore, reflected light (return light) having a specific wavelength is output to the end face side where the test light is input, and test light having a wavelength other than the wavelength of the reflected light is output from the other end face.
- the plurality of waveguides 401a and 401b and the adjacent slab waveguides 402a to 402c are arranged at intervals such that the slab waveguide does not affect the nonlinear waveguide functioning as the wavelength conversion element. Will be placed.
- 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, it is sufficient that the two waveguides are separated by at least the wavelength of the guided light.
- the repeating interval (period) of the plurality of waveguides can be, for example, several tens ⁇ m to several hundreds ⁇ m in the case of the wavelength conversion element for optical communication, but may differ depending on the application field.
- the plurality of waveguides 401a and 401b and the slab waveguides 402a to 402c described above are produced in a series of steps for producing the wavelength conversion element (step 202), and as shown in FIG.
- a large number of waveguides are arranged in parallel and cut out into a chip 301 (step 203).
- This step is a stage in which no waveguide has been selected yet, which is, so to speak, a chip state in the process of being manufactured, and this chip contains many waveguides of several tens to more than 100. Please note.
- the step of evaluating the optical characteristics and selecting one appropriate waveguide (desired waveguide) from a large number of waveguides (waveguide array) is the wavelength of FIG.
- the conversion element 400 is implemented. That is, on each of the two end faces of the wavelength conversion element shown in FIG. 4, optical characteristics are acquired for all the waveguides while sequentially shifting the coupling position with the optical fiber in the x-axis direction.
- step 204 of FIG. 2 causes problems such as a decrease in process efficiency, a decrease in yield, and an increase in cost due to a part of the manufacturing process of the wavelength conversion element being redone. This has been an obstacle to the production of the conversion element.
- the configuration of the wavelength conversion element of the present invention shown in FIG. 4 even if the test light is erroneously input to one of the slab waveguides from one end face, the existence of the reflected light of the wavelength known in advance is prevented. By constantly monitoring, the light reflected by the grating structure can be identified. Even if the optical characteristics of the slab waveguide are erroneously measured, an abnormality in the measured value can be immediately detected from the magnitude of the reflected light amount detected on the input side of the test light. In the transmitted light on the output side, the erroneous measurement on the slab waveguide can also be detected because the wavelength component of the reflected light is attenuated.
- step 204 various correction processes for optical characteristic evaluation and error correction in the waveguide selection process are possible. For example, it is possible to immediately perform a correction process such as re-connecting the optical coupling to the three-dimensional drive mechanism of the optical characteristic measuring device or displaying an alarm.
- a correction process such as re-connecting the optical coupling to the three-dimensional drive mechanism of the optical characteristic measuring device or displaying an alarm.
- the evaluation of the optical properties in step 204 is performed by an automated measurement system, so various correction processes can be applied when an erroneous measurement is detected.
- slab waveguides 402a to 402c With the grating structure as described above, reflected light at the time of erroneous measurement can be used, and optical characteristic measurement for selecting a desired waveguide can be performed without adjustment error (alignment error). Can be implemented efficiently.
- the grating structure of the slab waveguide in the wavelength conversion element of FIG. 4 has a structure in which the width of the slab waveguide is periodically repeated with two different widths.
- the grating structure functions as an optical filter by reflecting only a specific wavelength of the input light and attenuating the specific wavelength of the output light.
- the grating structure can be realized by various forms other than the structure shown in FIG. 4 in which different waveguide widths are repeated in the optical waveguide direction (z-axis direction).
- the optical waveguide direction (z-axis direction) can also be realized by periodically modulating the refractive index in the thickness direction of the slab waveguide.
- the waveguide thickness may simply have a periodic structure, or a material other than the slab waveguide may be periodically constructed on the slab waveguide. That is, each of the plurality of slab waveguides can be configured such that a material having a refractive index larger than 1 is periodically arranged on the waveguide in the length direction of the waveguide. If the waveguide has a ridge structure in which both sides of the core are air, it is possible to easily create a configuration in which the slab waveguide width has a periodic structure by etching to form the nonlinear waveguide used for wavelength conversion and the slab waveguide. .. In FIG. 4, the simplest grating structure in which the width direction of the slab waveguide is periodically changed is described as an example. In the grating with the structural periodic structure as described above, the refractive index is not changed as a physical constant of the material, but the effective refractive index change is periodically applied in the waveguide length direction. become.
- the wavelength conversion element of the present invention is provided with a plurality of waveguides 401a and 401b formed on a substrate made of a non-linear material and a plurality of waveguides 401a and 401b spaced apart from each other and substantially parallel to each other, and having a periodic structure. It can be implemented as a plurality of slab waveguides 402a to 402c.
- the periodic structure includes a grating structure in which each of the plurality of slab waveguides is given a periodic refractive index change in the waveguide length direction.
- FIG. 5 is a top view showing a configuration example of the wavelength conversion element of the present invention.
- FIG. 1 showing the prior art
- FIG. 4 showing the present invention
- only two nonlinear waveguides (array waveguides) used for wavelength conversion are shown for the purpose of explaining the basic structure of the constituent elements of the wavelength conversion element. ..
- the relative size of each part is very different from the actual device.
- the nonlinear waveguide serving as the wavelength conversion element is still drawn thick, but it is closer to the image of the actual device shape.
- n nonlinear waveguides (arrayed waveguides) 501-1 to 501-n used for wavelength conversion are included, and both sides of each waveguide are separated from each waveguide and are substantially parallel (n + 1). )
- Two slab waveguides 502-1 to 502-n + 1 are formed.
- Each of the slab waveguides has a periodically modulated waveguide width, which makes it possible to reflect light of a specific wavelength. That is, each of the slab waveguides has a grating structure in which the refractive index is periodically changed in the waveguide length direction (Z axis).
- the specific wavelength at which the reflected wave is generated by this grating structure can be known in advance.
- the wavelength conversion element of the first embodiment In the wavelength conversion element of the first embodiment, the grating structure is provided in the region of the slab waveguide in order to efficiently perform the step of selecting the waveguide having the desired characteristics from the plurality of waveguides. In the present embodiment, after the desired waveguide is selected, the wavelength conversion element that further efficiently performs the steps (steps 206 to 208 in FIG. 2) of installing the wavelength conversion element in the module and performing adjustment / inspection. The configuration of is presented. In addition, a method for manufacturing the wavelength conversion element is also presented.
- the optical module is configured as an optical functional device including a chip including a wavelength conversion element, an optical connection function with the outside through an optical fiber, and other related functions as necessary.
- the optical module can take the form of connecting pigtail fibers for external connection.
- optical connection is indispensable between one end face of the wavelength conversion element chip cut out to the final size and the input optical fiber, and between the other end face and the output optical fiber. Therefore, it is necessary to efficiently carry out the module assembling step (step 206) and the alignment adjusting step (step 207) between the optical fiber and the selective waveguide shown in FIG.
- the chip containing the selected waveguide is mounted in the module.
- the cross-sectional size of the core that appears on the end face is, for example, about 5 ⁇ 5 ⁇ m.
- the optical alignment between the optical fiber and the core through the lens is more difficult than the optical alignment at the time of evaluating the optical characteristics for selecting the waveguide.
- a configuration is proposed in which the slab waveguide, which has been an obstacle to evaluation of optical characteristics, can be positively used for optical alignment.
- FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating the configuration of the wavelength conversion element according to the second embodiment of the present invention.
- the chip of the wavelength conversion element 600 of FIG. 6 is a top view in which the substrate surface of the chip is viewed vertically, and like the case of FIG. 5, the substrate (wafer) state in which a plurality of waveguides are formed is cut into a chip state. Is shown in a broken state. It is composed of a plurality of waveguides 601-1 to 601-n used for wavelength conversion, and slab waveguides 602-1 to 602-n + 1 provided with a grating structure that is formed in parallel with each other with being separated from the waveguides.
- each slab waveguide has its period (repetition distance) set to ⁇ 1 to ⁇ n + 1, and each slab waveguide has a different reflection wavelength corresponding to the period. Therefore, the grating structures of the plurality of slab waveguides have different periods, and are configured to reflect light of a specific wavelength corresponding to the different periods.
- FIG. 6 shows a state in which one waveguide 601-n located at the bottom in the drawing is selected as a desired waveguide from the plurality of n waveguides.
- the plurality of waveguides 601-1 to 601-n are nonlinear waveguides capable of wavelength conversion operation.
- the test light is guided in the slab waveguide as well as the selected waveguide. That was the problem.
- This problem is solved by adopting the grating structure of the slab waveguide which has already been described in the first embodiment. As described above, it is necessary to perform stricter and more difficult optical coupling to the selected waveguides at a stage after the desired waveguides have already been selected.
- a slab waveguide having a large cross section can more easily perform optical coupling than a nonlinear waveguide having a very small core cross section.
- the inventors have come to the idea that performing rough alignment with a slab waveguide having a large cross section is rather useful in terms of adjustment accuracy and efficiency in the module assembly and alignment adjustment steps.
- the intermediate size chip for which the waveguide is selected is cut into smaller units (final chip size) and incorporated into the module. For this reason, it is also important to quickly and accurately identify which chip and which waveguide the selected nonlinear waveguide is. If the reflection wavelength of the slab waveguide on either side or either side of the selected nonlinear waveguide is known in advance, the position of the selected nonlinear waveguide can be more accurately specified based on the observed reflection wavelength. be able to. That is, in the module assembling / adjusting process, the slab waveguide adjacent to the selected nonlinear waveguide is positively used so that the optical coupling with the optical fiber can be aligned efficiently and accurately. Become.
- FIG. 7 is a flow chart for explaining the assembly / adjustment process in the wavelength conversion element module.
- the flow 700 of FIG. 7 corresponds to steps 206 to 208 in the overall flow 200 of the series of manufacturing steps of the wavelength conversion element shown in FIG.
- the chip cut out to the final size in step 205 of FIG. 2 is mounted in a module in step 702 of FIG. 7, and in steps 703 and 704, the waveguide core on the chip end face and the optical fiber are optically coupled via a lens. (Align)
- step 703 rough optical alignment is first performed using the slab waveguides 602-1 to 602-n + 1 having a core size much larger than that of the nonlinear waveguide.
- the slab waveguides 602-1 to 602-n + 1 have a much wider width in the waveguide array direction (x-axis direction) than the nonlinear waveguides 601-1 to 601-n. have.
- the core width of the nonlinear waveguide is about 5 ⁇ m
- the slab waveguide has a width of 10 to 100 ⁇ m. Therefore, the slab waveguide can be aligned very accurately at least in the thickness direction (y-axis direction) of the substrate.
- the rough adjustment using the slab waveguide in step 703 can be performed while measuring the level of transmitted light on the output side with respect to the test light on the input side. That is, the optical coupling on the input side and the optical coupling on the output side may be adjusted so that the level of transmitted light is maximized.
- the input side alignment can be performed by measuring the level of the reflected wave on the side of the test light source in the test system shown in FIG. It may be performed using the level of the test light transmitted by the measuring instrument on the output side.
- the reflected light wavelength of the aligned slab waveguide is confirmed, and it is confirmed whether or not the wavelength is the wavelength set in the slab waveguide adjacent to the selected nonlinear waveguide. If the reflection wavelength of the slab waveguide is known in advance from the grating structure, it is possible to confirm whether or not the slab waveguide is adjacent to the selected nonlinear waveguide by confirming the actually measured reflection wavelength. ..
- the reflected wavelength may be confirmed by directly observing the wavelength of the reflected wave on the input side.
- an optical circulator may be provided on the input side so that only the reflected light component can be received. The wavelength and intensity of the reflected light can be measured by installing an optical spectrum analyzer or a wavelength meter in the light receiving section.
- the level of the reflected wavelength is lowered in the measuring instrument on the output side. Therefore, when a plurality of slab waveguides having different reflection wavelengths are provided, it is necessary to use a broadband light source including all reflection wavelengths as a test light source. Here, when the actually measured reflection wavelength is different from the expected wavelength, the movement and alignment are performed again while confirming the reflection wavelength until reaching the slab waveguide adjacent to the selected nonlinear waveguide. If the distance between the reflection wavelengths of the slab waveguide is known in advance, the above movement can be efficiently performed.
- step 703 and step 704 are explained separately, but the level of the reflected wave and its wavelength can be observed simultaneously. Therefore, these two steps can be performed substantially simultaneously. Further, as in the first embodiment shown in FIG. 5, if the reflection wavelengths are the same in all the slab waveguides, only the level of the reflected wave of the test light or the level of the transmitted light is used to identify the slab waveguide. Adjustments are made and step 704 is not needed.
- step 705 the adjustment position is moved along the x-axis from the rough-adjusted slab waveguide toward the core of the selected waveguide. While moving, even finer alignment can be performed on the selected waveguide in the lateral direction (x-axis direction) and the lens focal direction (z-axis direction).
- the two-step alignment in steps 703 to 705 described above is an example of the adjusting method and is not limited to this, and various procedures and adjusting algorithms are possible. Focus adjustment (z-axis direction) can be performed in the step of adjusting the slab waveguide in step 704, and adjustment in three directions can be repeated in the step of fine adjustment with the nonlinear waveguide in step 705. good.
- the wavelength conversion element of the present invention includes a plurality of waveguides 501a and 501b formed on a substrate made of a non-linear material, and a plurality of waveguides 501a and 501b which are spaced apart from each other and are arranged substantially parallel to each other. It can be implemented as slab waveguides 502a to 502c having different grating periods.
- the grating structures of the plurality of slab waveguides have different periods, and reflect light of a specific wavelength corresponding to the different periods.
- the optical characteristics of all the waveguides can be evaluated without error and the desired waveguide can be selected. Furthermore, knowing the reflected wavelength of at least one slab waveguide adjacent to the selected waveguide makes it easier to use the slab waveguide when mounting a chip containing the selected waveguide into a module. , It is possible to accurately align the optical fiber. By using the slab waveguide, it is possible to efficiently mount the wavelength conversion element in a module. After steps 703 to 705, the assembly of the module is completed in step 706. In step 707, necessary optical characteristics are inspected, for example, via a pigtail fiber, and the assembly / adjustment process flow 700 of the wavelength conversion element module ends.
- the present invention also has an aspect of a method of manufacturing a wavelength conversion element. That is, a wavelength conversion element including a plurality of waveguides formed on a substrate made of a non-linear material and a plurality of slab waveguides that are arranged in parallel with each other at a distance from each of the plurality of waveguides.
- a step of producing a grating structure in which a periodic refractive index change is given in the waveguide length direction, and a reflected wave having a wavelength corresponding to the period of the grating structure is detected.
- a step of sequentially measuring optical characteristics of the plurality of waveguides to select a waveguide having desired optical characteristics (first embodiment), and adjoining the selected waveguides and at least one of them
- the grating structures of the plurality of slab waveguides have different periods (second embodiment), and the selection is performed based on reflected waves of specific wavelengths corresponding to the different periods.
- a second step of providing precise optical coupling (step 705).
- the nonlinear waveguides 501-1 to 501-n that perform wavelength conversion are periodically inverted in the direction of their spontaneous polarization. It is made of a ferroelectric material containing lithium niobate as a main component. Lithium tantalate, which has a close thermal expansion coefficient, is used for the lower substrate that becomes the clad portion.
- the substance forming the waveguides 501-1 to 501-n is a non-linear optical material.
- the material constituting the substrate or overclad to be the clad is a dielectric or semiconductor such as silicon, silicon dioxide, lithium niobate, indium phosphide, a polymer, or a compound obtained by adding an additive to them, which is used for wavelength conversion. It only needs to be transparent to light of one wavelength band.
- the two wavelength bands can be bands centered at 1550 nm and 775 nm in the case of optical communication as an example.
- the phase matching wavelength is 1.55 ⁇ 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 to.
- 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. Then, the nonlinear waveguide and the slab waveguide were patterned by dry etching. In each slab waveguide, a pattern was drawn on a photomask used for waveguide processing so that a grating structure in which the width was periodically modulated was formed.
- the configuration of the wavelength conversion element of the first embodiment can be realized without increasing the number of steps from the manufacturing flow of the wavelength conversion element of the related art.
- each slab waveguide has a structure in which the first width of 30 ⁇ m and the second width of 33 ⁇ m are periodically repeated, and it is assumed that light having a wavelength of 1.55 ⁇ m is reflected.
- ⁇ n is the refractive index modulation width of the grating structure
- L is the grating length
- ⁇ is the ratio of the propagating light contained in the core.
- ⁇ is considered to be 1 for simplicity.
- ⁇ n is about 0.00003.
- the reflectance varies depending on the chip length to be cut out, from Equation (6), the reflectance is about 70% when the chip length is 2 mm and 90% or more when the chip length is 3 mm.
- the length of the element is usually about 30 to 50 mm, and a sufficient level of reflected light can be observed by the above-described grating structure of this embodiment.
- the slab waveguide having the above-described structure of the present example was manufactured and test light was input, reflected light of 1.55 ⁇ m was observed. Even when the optical characteristics for selecting a desired nonlinear waveguide are evaluated, the nonlinear waveguide and the slab waveguide to be selected can be clearly distinguished by the presence or absence of reflected light. Therefore, when the optical characteristics are sequentially evaluated for a plurality of waveguides (step 204 in FIG. 2), between one core end face and the fiber from the test light source, and between the other core end face and the fiber to the measuring device. In either case, no misalignment occurs. It is possible to recognize a non-linear waveguide to be measured efficiently and reliably, perform measurement of optical characteristics, and select a desired waveguide.
- the above reflection wavelength can be controlled by changing the grating period and the slab waveguide size. Therefore, adjustment is possible according to the operating wavelength of the nonlinear waveguide and the wavelength range of the light source and the light receiving system of the measurement system.
- the grating periods of the slab waveguides 602-1 to 602-n + 1 are set to ⁇ 1 to ⁇ n + 1, respectively.
- Different reflection wavelengths are set for multiple slab waveguides, and if the reflection wavelengths are known in advance, the position of the slab waveguide is specified and the position of the adjacent non-linear waveguide selected is specified. it can.
- the reflection wavelengths ⁇ 1 to ⁇ n + 1 are set to have substantially equal intervals.
- each slab waveguide has a grating structure in which a first width of 30 ⁇ m and a second width of 33 ⁇ m are periodically repeated.
- the reflection wavelength at this time is 1530 nm in the slab waveguide 602-1 and 1535 nm in the slab waveguide 602-2, and the reflection wavelength is changed by about 5 nm between the adjacent slab waveguides.
- the material forming the nonlinear waveguides 601-1 to 601-n that performs wavelength conversion is a nonlinear optical material, and is composed of a ferroelectric substance whose main component is lithium niobate whose spontaneous polarization direction is periodically inverted. Become. Lithium tantalate, which has a thermal expansion coefficient close to that of the lower substrate, which is the clad portion, was used.
- the material forming the substrate or the overclad to be the clad may be a dielectric or semiconductor such as silicon, silicon dioxide, lithium niobate, indium phosphide, a polymer, or a compound obtained by adding an additive to them. It suffices if each of the two wavelength bands of light used for wavelength conversion is transparent.
- phase matching wavelength is 1.55 ⁇ 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.
- optical communication applications such as a phase sensitive amplifier and a phase conjugate converter.
- the nonlinear waveguides 601-1 to 601-n are linear waveguides.
- 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. Then, the nonlinear waveguide and the slab waveguide were patterned by dry etching.
- the nonlinear waveguide and the slab waveguide to be selected can be clearly distinguished by monitoring the presence of reflected light. Therefore, when the optical characteristics are sequentially evaluated for a plurality of waveguides (step 204 in FIG. 2), between one core end face and the fiber from the test light source, and between the other core end face and the fiber to the measuring device. In either case, no misalignment occurs. It is possible to specify a non-linear waveguide to be measured efficiently and reliably, perform measurement of optical characteristics, and select a desired waveguide.
- the slab waveguides 602-n and 602-n + 1 on both sides of the selected waveguide 601-n are assumed. It was confirmed that each reflection wavelength was a preset wavelength.
- a rough adjustment using a slab waveguide during module assembly step 703 and observation of reflected light (step 704). )It can be performed. Step 703 and step 704 can be performed simultaneously.
- the wavelength band (1550 nm, 775 nm) for optical communication is illustrated, but the wavelength conversion element is also used in the field of quantum information processing using light, for example, and it is used for all wavelength bands. Can also be applied to the wavelength conversion element.
- the wavelength conversion element module is described as a pigtail fiber type in which a single chip that is cut out is installed in the module and has only the wavelength conversion function.
- the present invention is not limited to the configuration including a single chip, and the same effect is exerted in a module that configures a device such as a photo-sensitive amplifier or an optical transmitter including two or more chips and including a plurality of wavelength conversion elements. In such a device, it is necessary to use a plurality of wavelength conversion elements and install a plurality of chips in the module.
- the wavelength conversion element of the second embodiment is used. it can. Therefore, the present invention also has an aspect as an optical signal processing device including the wavelength conversion element according to the second embodiment.
- the basic idea of the present invention is not limited to the case of a wavelength conversion element utilizing nonlinear optics.
- a plurality of waveguides are manufactured and an accompanying waveguide having the same optical characteristics and functions as the plurality of waveguides are formed at the same time, one or more waveguides are selected from the plurality of waveguides. It can also be applied when selecting.
- the wavelength conversion element can be efficiently manufactured at low cost by the present invention.
- the present invention can be generally applied to communication systems.
- it can be used for optical communication systems and optical measurement systems.
- Wavelength conversion element chips 101a to 101b, 302-1 to 302-n, 401a to 401b, 501-1 to 501-n, 601-1 to 601-n Waveguide (non-linear Waveguide) 102a to 102c, 402a to 402c, 502-1 to 501-n + 1, 602-1 to 602-n + 1 Slab waveguide 104, 404
- Test light source 306 Measuring instrument 400, 500, 600, 700 Wavelength conversion element
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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、誤った測定を誘発していた。誤った測定は、波長変換素子の作製工程のやり直し、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、基板上に作成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特定波長を反射するグレーティング構造が形成されている。このグレーティング構造によって、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。
Description
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ある。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、市販される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）
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）
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）
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）
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。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ことのでき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。上述の二枚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利用される。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を得ることが難しい。また、擬似位相整合を用いたＰＰＬＮ導波路内での非線形光学効果はその導波路構造に敏感である。従って現状の技術では、所望の非線形光学特性を有する非線形光学導波路を、その光学特性の設計値通りに作製することは困難である。そこで後述するように、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ている。
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、選択された導波路を含む波長変換素子をモジュールに実装する（非特許文献３）。選択された導波路に効率的に光を入射して変換光を出射するよう、モジュール実装の際には、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作製の全体の一連の工程は、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
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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、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、エッチング不要の部分をできる限り覆う必要がある。しかしながら導波路作製工程でエッチングマスクを利用すると、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を作製するには、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１０４上に作成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評価の段階で、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、波長変換素子チップ１００の端面において光学特性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する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を妨げる問題があった。この問題を、実際の波長変換素子の作製工程に基づいてさらに詳細に説明する。
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。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（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すことで、図１に示した波長変換素子チップ１００が得られる（ステップ２０３）。チップ切り出しは、ステップ２０４の光学特性評価および導波路選択のために行われ、図３の（ａ）の領域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、ステップ２０３における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、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、最終サイズの複数の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た後の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には、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。チップ３０１の一方の端面１および他方の端面２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単一波長光源や広帯域光源等など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、実際には前述のように、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には示していない意図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、ｘ軸方向に測定点を移動させても、相当の割合でスラブ導波路領域により占められるので、広い範囲で本来の導波路と同じ程度の光結合がスラブ導波路領域でも可能である。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、スラブ導波路から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、誤った測定が行われれば、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してしまう可能性がある。さらに引き続くステップ２０５においてアレイ導波路のセットを含む最終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生じ得る。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２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、３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。このようなことから、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工程全体における製造歩留まりも低下していた。したがって、図２のフロー図のステップ２０４において光学特性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実施するための鍵の１つとなる。図１に示した本来必要とするアレイ導波路の間に形成された複数のスラブ導波路は、導波路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デバイスをより効率的に作製する構成を提供する。
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であって、各々が導波路長さ方向に周期的な屈折率変化を与えられたグレーティング構造を有する、複数のスラブ導波路とを備えたことを特徴とする波長変換素子である。
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、前記複数のスラブ導波路の前記グレーティング構造はそれぞれ異なる周期を持ち、前記異なる周期に対応した特定の波長の光を反射す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、前記複数のスラブ導波路の各々は、導波路長さ方向に幅または厚みを周期的に変調されたことを特徴とする。
請求項４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、前記複数のスラブ導波路の各々は、導波路上に、屈折率が１より大きい材料が導波路長さ方向に周期的に配置されたことを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項請求項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６に記載の発明は、請求項請求項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各々に、導波路長さ方向に周期的な屈折率変化を与えられたグレーティング構造を作製するステップと、前記グレーティング構造の周期に対応した波長の反射波を検出しながら、前記複数の導波路の光学特性を順次測定して、所望の光学特性を有する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、少なくとも一方の側にある前記スラブ導波路からの前記反射波に基づいて、前記選択された導波路と光ファイバとの光結合を行うステップとを備えることを特徴とする方法である。
請求項８に記載の発明は、請求項７の方法であって、前記光結合を行うステップは、前記複数のスラブ導波路の前記グレーティング構造がそれぞれ異なる周期を持ち、前記異なる周期に対応した特定の波長の反射波に基づいて、前記選択された導波路に隣接する少なくとも１つの前記スラブ導波路と前記光ファイバとの粗い光結合を行う第１の光結合ステップと、前記光ファイバと、前記選択された導波路との精密な光結合を行う第２の光結合ステップとを含むことを特徴とする。
本発明により、非線形光学素子を用いた波長変換デバイスをより効率的に作製できる。
本発明の波長変換素子は、基板上に作成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は周期的に同じ形状を繰り返す構造、すなわちグレーティング構造が形成されている。導波路においては、構造によって光が感じる実効的な屈折率が変わる。このため、導波路形状を周期的に変えることで屈折率を周期的に変調することができる。このようなグレーティング構造では、グレーティングの周期および導波路の屈折率で決まる特定の波長で、入射光に対して、導波路を透過しない反射光（戻り光）を生じる。
複数のスラブ導波路の各々に対して異なる波長で反射光を生じるようにグレーティングを構成することにより、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、スラブ導波路毎に、グレーティング構造の周期を変化させることができる。異なる波長で反射光を生じるスラブ導波路は、モジュール内において、基板から切り出された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にも利用される。グレーティングによる反射光の存在の有無やその波長を確認することで、選択した導波路および光ファイバの間の光結合のアラインメントをより容易に効率的に実施し、波長変換素子を効率的に低コストで実現できる。
[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チップ１００に対応する本発明の波長変換素子の構成を示している。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（ウェーファ）状態から、複数の導波路を含むチップ状態に切り出された状態を示している。波長変換素子４００は、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、導波路（ｚ軸）に垂直な、図面手前および奥の２つのチップ端面（ｘ－ｙ面）において、光の入出力が可能となっている。一方の端面へ入力された光は、各導波路を光導波方向（ｚ軸）に他方の端面に向かって導波する。
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チップ１００に対応する本発明の波長変換素子の構成を示している。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（ウェーファ）状態から、複数の導波路を含むチップ状態に切り出された状態を示している。波長変換素子４００は、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、導波路（ｚ軸）に垂直な、図面手前および奥の２つのチップ端面（ｘ－ｙ面）において、光の入出力が可能となっている。一方の端面へ入力された光は、各導波路を光導波方向（ｚ軸）に他方の端面に向かって導波する。
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み、これらの複数の導波路の中から、最も適切な１つの導波路を選択できる。導波路間で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ピッチ）を変更することもできる。最も適切な導波路の選択の一例を挙げれば、波長変換素子の応用目的にもよるが、複数の導波路の各々に対して伝搬損失を測定し、この損失最小のものを選択することで実施できる。またチップの一方の端面から異なる波長の２つに光信号を入力し、他方の端面からの波長変換光のレベルを測定して、波長変換効率最大の導波路を選択することもできる。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何等かの条件に基づいて１つまたは複数の導波路を選択する際に、本発明の構成および考え方を利用できる。したがって、本発明は導波路の選択方法としての側面も持っていることに留意されたい。
図４の本発明の波長変換素子のスラブ導波路４０２ａ～４０２ｃは、ドライエッチングによる微細加工を利用して、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作製する際に、エッチングマスクで覆われた部分に同時に形成される。本発明の波長変換素子では、スラブ導波路４０２ａ～４０２ｃの各々に、異なる導波路幅を周期的に繰り返すグレーティング構造が形成されている。チップの一方の端面からスラブ導波路４０２ａ～４０２ｃへ入力された試験光は、このグレーティングの周期およびスラブ導波路の屈折率で決まる特定の波長のみで強く反射される。したがって、試験光を入力する端面側に特定の波長の反射光（戻り光）が出力され、他方の端面からは反射光の波長以外の波長の試験光が出力される。
本発明の波長変換素子において、複数の導波路４０１ａ、４０１ｂおよび隣接するスラブ導波路４０２ａ～４０２ｃは、波長変換素子として機能する非線形導波路にスラブ導波路が影響を与えない程度の間隔を置いて配置される。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、両導波路が導波光の波長程度以上離れていれば良い。複数の導波路の（ｘ軸方向）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１０μｍから数１００μｍ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配置して構成されたチップ３０１の状態に切り出される（ステップ２０３）。この工程は未だ導波路の選択が行われていない段階であって、いわば作製途中状態のチップ状態であり、このチップ内には数十から１００を越える多数の導波路が含まれていることに留意されたい。この後で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）が、図４の波長変換素子４００に実施される。すなわち図４に示した波長変換素子の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、すべての導波路に対して光学特性を取得する。
従来技術の構成では、本来選択対象では無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工程の効率低下、歩留まり低下、コスト増等の問題を生じ、一連の波長変換素子の作製の妨げとなっていた。
これに対し図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、予め分かっている波長の反射光の存在を常時モニタすることで、グレーティング構造で反射してきた光を判別可能である。誤ってスラブ導波路に対して光学特性が測定されても、試験光の入力側で検出される反射光量の大きさから直ちに測定値の異常を検出できる。出力側の透過光において、反射光の波長成分が減衰していることによっても、スラブ導波路に対する誤った測定を検出できる。
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出された段階で、光学特性評価、導波路選択工程（ステップ２０４）におけるエラー是正のための様々な修正工程が可能となる。例えば、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の修正工程が可能となる。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、誤った測定が検出されたときの修正工程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にグレーティング構造を備えることによって、誤測定時の反射光が利用可能となり、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測定を効率的に実施できる。
図４の波長変換素子におけるスラブ導波路のグレーティング構造は、スラブ導波路の幅を異なる２種類の幅で周期的に繰り返す構成となっている。グレーティング構造は、入力光の内の特定の波長のみを反射させ、出力光ではこの特定の波長を減衰させることで、光フィルタとして機能する。グレーティング構造は、図４に示したような異なる導波路幅を光導波方向（ｚ軸方向）に繰り返す構造以外にも、様々な形態によって実現可能である。例えば光導波方向（ｚ軸方向）について、スラブ導波路の厚み方向の屈折率を周期的に変調することでも実現可能である。厚み方向の屈折率変調は、単純に導波路厚みに周期構造を持たせても良いし、スラブ導波路とは別の材料をスラブ導波路上に周期的に構築しても良い。すなわち複数のスラブ導波路の各々は、導波路上に、屈折率が１より大きい材料が導波路長さ方向に周期的に配置されたものとして構成できる。コアの両脇が空気であるリッジ構造の導波路であれば、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によって、スラブ導波路幅に周期構造を持たせる構成を簡単に作製できる。図４では、最も簡単なスラブ導波路の幅方向を周期的に変えたグレーティング構造を例に説明をしている。上述のような構造的な周期構造によるグレーティングでは、材料の物理定数として屈折率に変化を与えているわけではないが、導波路長さ方向に周期的に実効的な屈折率変化が与えられることになる。
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、周期構造を備えた複数のスラブ導波路４０２ａ～４０２ｃとして実施できる。周期構造は、複数のスラブ導波路の各々に導波路長さ方向に周期的な屈折率変化を与えられたグレーティング構造を含む。
図５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。従来技術を示した図１および本発明を示した図４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）を２本しか示していない。また、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５の上面図は、波長変換素子となる非線形導波路が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である。図５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）５０１－１～５０１－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５０２－１～５０２－ｎ＋１が構成されている。
スラブ導波路の各々は、周期的に変調された導波路幅を備えており、特定の波長の光を反射させることが可能となっている。すなわち、スラブ導波路の各々が導波路長さ方向（Ｚ軸）に周期的な屈折率変化を与えられたグレーティング構造を持っている。このグレーティング構造によって反射波が生じる特定の波長は、予め知ることができる。非線形導波路の光学特性を評価する時に、特定波長の反射波の有無をモニタすることによって、測定対象でないスラブ導波路に関連した誤った測定を検出し、光学特性評価、導波路選択工程におけるエラー是正の様々なアクション（修正工程）を取ることが可能となる。
[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している。この段階におけるドライエッチングの問題を解決する結果として、本来不要なスラブ導波路が形成されていた。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グレーティング構造を備えていた。本実施形態では、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（図２のステップ２０６～２０８）をさらに効率的に実施する波長変換素子の構成を提示する。また、波長変換素子の作製方法も提示する。
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している。この段階におけるドライエッチングの問題を解決する結果として、本来不要なスラブ導波路が形成されていた。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グレーティング構造を備えていた。本実施形態では、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（図２のステップ２０６～２０８）をさらに効率的に実施する波長変換素子の構成を提示する。また、波長変換素子の作製方法も提示する。
図２に示したように波長変換素子を実際に利用するためには、選択された導波路を複数含む作製途中の中間サイズチップを、選択された導波路を１本だけ含み後工程の組み立て作業に適したより小さい最終サイズチップに切り出し、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、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た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。例えば光モジュールは、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とることができる。さらにモジュール内では、最終サイズに切り出した波長変換素子チップの一方の端面および入力光ファイバの間、他方の端面および出力光ファイバの間で、いずれも光学接続が必須である。従って、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。
アレイ導波路の光学特性を評価した後、選択された導波路を含むチップは、モジュール内に実装される。最終サイズに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５×５μｍ程度である。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できる構成を提案する。
図６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６の波長変換素子６００のチップは、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（ウェーファ）状態からチップ状態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導波路６０１－１～６０１－ｎと、導波路から離間して概ね平行に形成されたグレーティング構造を備えるスラブ導波路６０２－１～６０２－ｎ＋１とから構成されている。さらに、各スラブ導波路のグレーティング構造はその周期（繰り返し距離）がそれぞれΛ１～Λｎ＋１に設定されており、それぞれのスラブ導波路が周期に対応した異なる反射波長を持っている。したがって、複数のスラブ導波路のグレーティング構造はそれぞれ異なる周期を持ち、前記異なる周期に対応した特定の波長の光を反射するよう構成されている。図６では、ｎ本の複数の導波路の中から、図面上で一番下に位置している１本の導波路６０１－ｎが所望の導波路として選択された状態を示している。複数の導波路６０１－１～６０１－ｎは、波長変換動作が可能な非線形導波路である。
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ステップ２０４）、選択される導波路と同等にスラブ導波路においても試験光を導波してしまうことが問題であった。この問題は、既に第１の実施形態で述べたスラブ導波路のグレーティング構造を採用することによって解消される。上述のように、所望の導波路が既に１本に選択された後の段階で、選択された導波路に対してより厳密で難しい光結合を行う必要がある。一方、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のほうが、光結合をより簡単に実施できる。発明者らは、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、モジュール組み立ておよびアラインメント調整工程ではむしろ調整精度、効率の点で有用ではないかとの着想に至った。モジュール組立・調整の工程では、導波路が選択された中間サイズのチップはさらに小さな単位（最終チップサイズ）に切り出されてモジュールに組み込まれる。このため、選択された非線形導波路がどのチップの何番目の導波路であるのかを迅速かつ正確に識別することも重要である。選択された非線形導波路の両隣またはどちらか一方のスラブ導波路の反射波長を予め知っていれば、観測される反射波長に基づいて目的とする選択した非線形導波路の位置をより正確に特定することができる。すなわち、モジュール組立・調整の工程において、選択した非線形導波路に隣接するスラブ導波路を積極的に利用することで、光ファイバとの光結合のアライメントを効率的かつ正確に行うことができるようになる。
図７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７のフロー７００は、図２に示した波長変換素子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で最終サイズに切り出されたチップを、図７のステップ７０２でモジュール内に実装し、ステップ７０３、７０４で、レンズを介してチップ端面の導波路コアおよび光ファイバ間を光結合（アラインメント）する。
ステップ７０３で、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６０２－１～６０２－ｎ＋１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。再び図６の上面図を参照すると、非線形導波路６０１－１～６０１－ｎと比べ、スラブ導波路６０２－１～６０２－ｎ＋１は、導波路の配列方向（ｘ軸方向）にはるかに広い幅を持っている。具体的には、前述のように非線形導波路のコア幅が５μｍ程度なのに対して、スラブ導波路は１０～１００μｍの幅を持っている。従ってスラブ導波路に対しては、少なくとも基板の厚さ方向（ｙ軸方向）に対して、非常に精度良くアラインメントを実施できる。ステップ７０３におけるスラブ導波路を用いた祖調整は、入力側の試験光に対して、出力側の透過光のレベルを測定しながら実施できる。すなわち、透過光のレベルが最大となるように、入力側および出力側の光結合をそれぞれ調整すれば良い。試験光が入力される入力側については戻り光である反射波のレベルを用いても実施できる。すなわち、図３に示した試験系において試験光源側に反射波のレベルを測定することで、入力側のアラインメントが実施できる。出力側の測定器によって透過した試験光のレベルを用いて実施しても良い。
ステップ７０４で、アライメントされたスラブ導波路の反射光波長を確認し、選択された非線形導波路に隣接したスラブ導波路に設定された波長であるかどうかの確認を実施する。グレーティング構造からスラブ導波路の反射波長が予め知られていれば、実測された反射波長を確認することで、選択された非線形導波路に隣接するスラブ導波路であるかどうかを確認することができる。反射波長の確認は、入力側で反射波の波長を直接観測しても良い。反射波長の確認には、例えば入力側に光サーキュレータを設け、反射光成分のみを受光できるようにすれば良い。受光部に光スペクトラムアナライザや波長計を設置することで、反射光の波長と強度を測定することができる。また出力側の測定器において、反射波長のレベルが低下していることを観測しても良い。従って、異なる反射波長に設定された複数のスラブ導波路を備える場合には、試験光源として、すべての反射波長を含む広帯域光源を使用する必要がある。ここで、実測された反射波長が予期した波長と異なっている場合は、反射波長の確認をしながら、選択された非線形導波路に隣接するスラブ導波路に到達するまで再度移動とアライメントを行う。スラブ導波路の反射波長の間隔が予め分かっていれば、上述の移動も効率的に実施できる。
図７のフロー図では、ステップ７０３およびステップ７０４を別個のものとして分けて説明しているが、反射波のレベルおよびその波長を同時に観測できる。したがって、これら２つのステップを実質的に同時に実施することができる。また、図５に示した第１の実施形態のように、すべてのスラブ導波路で反射波長が同一であれば、試験光の反射波のレベルまたは透過光のレベルだけでスラブ導波路との祖調整が実施され、ステップ７０４は不要となる。
実測された反射波長が予期した波長と一致した後、ステップ７０５で、祖調整を行ったスラブ導波路から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る。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、選択された導波路に対してさらにより微細なアライメントを実施できる。上述のステップ７０３～７０５における２段階のアライメントは調整方法の一例であってこれだけに限られず、様々な手順、調整アルゴリズムが可能で。ステップ７０４のスラブ導波路と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７０５の非線形導波路との微調整の段階で、３方向の調整を繰り返し行っても良い。
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５０１ａ、５０１ｂ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それぞれ異なるグレーティング周期を持つスラブ導波路５０２ａ～５０２ｃとして実施できる。複数のスラブ導波路のグレーティング構造はそれぞれ異なる周期を持ち、前記異なる周期に対応した特定の波長の光を反射する。
上述のように、スラブ導波路においてそれぞれ異なる周期のグレーティング構造を持たせることで全導波路の光学特性の評価を誤りなく実施して所望の導波路を選択できる。さらに、選択された導波路に隣接する少なくとも１本のスラブ導波路の反射波長を知っていることで、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際、スラブ導波路を用いてより簡単、正確に光ファイバへの光調芯（アラインメント）ができる。スラブ導波路を用いて、波長変換素子の効率的なモジュール実装が可能となる。ステップ７０３～７０５の後は、ステップ７０６でモジュールの組立を完了する。ステップ７０７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、波長変換素子モジュールの組立・調整工程フロー７００は終了する。
図２および図７に示したように、本発明は波長変換素子の作製方法の側面も持っている。すなわち、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各々に、波路長さ方向に周期的な屈折率変化を与えられたグレーティング構造を作製するステップと、前記グレーティング構造の周期に対応した波長の反射波を検出しながら、前記複数の導波路の光学特性を順次測定して、所望の光学特性を有する導波路を選択するステップ（第１の実施形態）と、前記選択された導波路に隣接し、少なくとも一方の側にある前記スラブ導波路からの前記反射波に基づいて、前記選択された導波路と光ファイバとの光結合を行うステップ（ステップ７０３～７０５）とを備えるものとして実施できる。前記光結合を行うステップは、前記複数のスラブ導波路の前記グレーティング構造がそれぞれ異なる周期を持ち（第２の実施形態）、前記異なる周期に対応した特定の波長の反射波に基づいて、前記選択された導波路に隣接する少なくとも１つの前記スラブ導波路と前記光ファイバとの粗い光結合を行う第１のステップ（ステップ７０３、７０４）と、前記光ファイバと、前記選択された導波路との精密な光結合を行う第２のステップ（ステップ７０５）とを含む。
以下、本発明の上述の２つの実施形態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５を再び参照すれば、第１の実施形態の波長変換素子５００の実施例では、波長変換を行う非線形導波路５０１－１～５０１－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５０１－１～５０１－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５の波長変換素子５００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１．５５μｍ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。各スラブ導波路は周期的に幅が変調されたグレーティング構造が形成されるよう、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フローから工程を増やすことなく、実施例１の波長変換素子の構成を実現することが可能である。
グレーティングによる反射波長については、次の式（５）で与えられる。
２ｎΛ＝ｍλ 式（５）
２ｎΛ＝ｍλ 式（５）
ここで、ｎは実効屈折率、Λはグレーティング周期、λは反射波長、ｍは次数(整数)である。通常、グレーティングは１次（ｍ＝１）の反射光を用いるのが最も簡単である。本実施例においては、各スラブ導波路は第１の幅３０μｍと第２の幅３３μｍを周期的に繰り返す構造とし、波長１．５５μｍの光を反射させることを想定した。このとき、スラブ導波路の実効屈折率は約２．１３であり、式（５）からグレーティング周期は０．３６μｍとした。本実施例では１次のグレーティングを利用しているため、比較的細かい０．３６μｍのグレーティング周期が要求されているが、作製が難しい場合は高次のグレーティングを用いても良い。たとえば次数ｍ＝１０とした場合、同じ１．５５μｍの光を反射させるときのグレーティング長は３．６４μｍとなる。
一方、グレーティングの反射波長における反射率Ｒは、次の式（６）で与えられる。
Ｒ＝ｔａｎｈ2（πＬΔｎη／λ） 式（６）
Ｒ＝ｔａｎｈ2（πＬΔｎη／λ） 式（６）
ここで、Δｎはグレーティング構造の屈折率変調幅、Ｌはグレーティング長、ηはコアに含まれる伝搬光の割合を示している。ηはここでは簡単のため１として考える。本実施例においてはΔｎは約０．００００３である。切り出すチップ長によって反射率は異なるが、式（６）からチップ長２ｍｍで反射率約７０％、チップ長３ｍｍで反射率が９０％以上となる。ＰＰＬＮ導波路を用いた波長変換素子では、通常素子の長さは３０～５０ｍｍ程度であり、上述の本実施例のグレーティング構造によって、十分なレベルの反射光を観測可能である。
上述の本実施例の構造のスラブ導波路を作製して試験光を入力したところ、１．５５μｍの反射光が観測された。所望の非線形導波路を選択するための光学特性の評価時も、選択の対象となる非線形導波路およびスラブ導波路を、反射光の存在の有無によって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）、一方のコア端面および試験光源からのファイバの間、他方のコア端面および測定装置へのファイバの間のいずれの場合も、アラインメント誤りは生じない。効率的かつ確実に測定すべき非線形導波路を認識し、光学特性の測定を実施して、所望の導波路を選択できる。
上述の反射波長は、グレーティングの周期やスラブ導波路サイズを変更することで制御可能である。したがって、非線形導波路の動作波長や、測定系の光源や受光系の波長域に応じて調整が可能である。
図６を再び参照すれば、第２の実施形態の波長変換素子６００の具体的な実施例について、図５に示した実施例１の構成との相違点を中心に述べる。実施例２では、スラブ導波路６０２－１～６０２－ｎ＋１のグレーティング周期が、それぞれΛ１～Λｎ＋１に設定されている。複数のスラブ導波路に対して、それぞれ異なる反射波長が設定されており、反射波長を予め知っていれば、スラブ導波路の位置を特定し、さらに隣接する選択された非線形導波路の位置を特定できる。反射波長Λ１～Λｎ+１は、概ね等間隔となるように設定されている。本実施例の波長変換素子６００においては、各スラブ導波路は第１の幅３０μｍおよび第２の幅３３μｍを周期的に繰り返すグレーティング構造を持つ。グレーティングの繰り返し周期を、Λ１＝０．３５９１μｍ、Λ２＝０．３６０３μｍとして、隣接するスラブ導波路間で約１．２ｎｍずつ変化させている。このときの反射波長はスラブ導波路６０２－１で１５３０ｎｍ、スラブ導波路６０２－２で１５３５ｎｍとなり、隣接するスラブ導波路間で反射波長を約５ｎｍずつ変化させている。
波長変換を行う非線形導波路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６の波長変換素子６００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、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１．５５μｍとなるように設計した。非線形導波路６０１－１～６０１－ｎ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およびスラブ導波路を、反射光の存在をモニタすることで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ステップ２０４）に、一方のコア端面および試験光源からのファイバの間、他方のコア端面および測定装置へのファイバの間のいずれの場合においても、アラインメント誤りは生じない。効率的かつ確実に測定すべき非線形導波路を特定し、光学特性の測定を実施して、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６００のチップをモジュールへ実装することを想定し、選択された導波路６０１－ｎの両側のスラブ導波路６０２－ｎ、６０２－ｎ＋１の各反射波長が予め設定した波長であることを確認した。所望の導波路を選択して、モジュール化に向けて最終サイズのチップに切り出した（ステップ２０５）後で、モジュール組立時にスラブ導波路を利用した祖調整（ステップ７０３）および反射光観測（ステップ７０４）を行うことができる。ステップ７０３およびステップ７０４は同時に実施可能である。最終サイズに切り出したチップをモジュール内に実装する際、反射光の波長およびレベルを観測することによって、レンズを介したチップ端面および光ファイバの間のアライメントが容易になり、選択した非線形導波路を誤りなく実装することができる。これにより、図２および図７に示した一連の波長変換素子の作製工程の品質、コストを改善できる。
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分野においても利用されており、あらゆる波長帯域の波長変換素子にも適用できる。
上述の実施形態および実施例では、波長変換素子モジュールは、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ち、ピッグテールファイバ形態のものとして説明した。しかしながら単一のチップを含む構成だけに限られず、２以上のチップを含み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でも同様の効果を発揮する。このような装置では、複数の波長変換素子を利用し、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光信号処理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ない。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、本発明によって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。特に、光通信システム、光計測システムに利用できる。
１００、３０１、３０１－１～３０１－４ 波長変換素子チップ
１０１ａ～１０１ｂ、３０２－１～３０２－ｎ、４０１ａ～４０１ｂ、５０１－１～５０１－ｎ、６０１－１～６０１－ｎ 導波路（非線形導波路）
１０２ａ～１０２ｃ、４０２ａ～４０２ｃ、５０２－１～５０１－ｎ＋１、６０２－１～６０２－ｎ＋１ スラブ導波路
１０４、４０４ 基板
３００ ウェーファ
３０３ 試験光源
３０６ 測定器
４００、５００、６００、７００ 波長変換素子
１０１ａ～１０１ｂ、３０２－１～３０２－ｎ、４０１ａ～４０１ｂ、５０１－１～５０１－ｎ、６０１－１～６０１－ｎ 導波路（非線形導波路）
１０２ａ～１０２ｃ、４０２ａ～４０２ｃ、５０２－１～５０１－ｎ＋１、６０２－１～６０２－ｎ＋１ スラブ導波路
１０４、４０４ 基板
３００ ウェーファ
３０３ 試験光源
３０６ 測定器
４００、５００、６００、７００ 波長変換素子
Claims (8)
- 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であって、各々が導波路長さ方向に周期的な屈折率変化を与えられたグレーティング構造を有する、複数のスラブ導波路と
を備えたことを特徴とする波長変換素子。 - 前記複数のスラブ導波路の前記グレーティング構造はそれぞれ異なる周期を持ち、前記異なる周期に対応した特定の波長の光を反射することを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
- 前記複数のスラブ導波路の各々は、導波路長さ方向に幅または厚みを周期的に変調された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。
- 前記複数のスラブ導波路の各々は、導波路上に、屈折率が１より大きい材料が導波路長さ方向に周期的に配置された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。
- 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４いずれかに記載の波長変換素子。
- 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。
- 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各々に、導波路長さ方向に周期的な屈折率変化を与えられたグレーティング構造を作製するステップと、
前記グレーティング構造の周期に対応した波長の反射波を検出しながら、前記複数の導波路の光学特性を順次測定して、所望の光学特性を有する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、少なくとも一方の側にある前記スラブ導波路からの前記反射波に基づいて、前記選択された導波路と光ファイバとの光結合を行うステップと
を備えることを特徴とする方法。 - 前記光結合を行うステップは、
前記複数のスラブ導波路の前記グレーティング構造がそれぞれ異なる周期を持ち、前記異なる周期に対応した特定の波長の反射波に基づいて、前記選択された導波路に隣接する少なくとも１つの前記スラブ導波路と前記光ファイバとの粗い光結合を行う第１の光結合ステップと、
前記光ファイバと、前記選択された導波路との精密な光結合を行う第２の光結合ステップと
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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