WO2023218667A1 - 波長変換装置 - Google Patents

波長変換装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2023218667A1
WO2023218667A1 PCT/JP2022/020283 JP2022020283W WO2023218667A1 WO 2023218667 A1 WO2023218667 A1 WO 2023218667A1 JP 2022020283 W JP2022020283 W JP 2022020283W WO 2023218667 A1 WO2023218667 A1 WO 2023218667A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical waveguide
light
waveguide core
wavelength conversion
refractive index
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2022/020283
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
信建 小勝負
毅伺 梅木
貴大 柏崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to US18/865,583 priority Critical patent/US20250314943A1/en
Priority to PCT/JP2022/020283 priority patent/WO2023218667A1/ja
Priority to JP2024520237A priority patent/JPWO2023218667A1/ja
Publication of WO2023218667A1 publication Critical patent/WO2023218667A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
    • G02F1/377—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure
    • G02F1/3775—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure with a periodic structure, e.g. domain inversion, for quasi-phase-matching [QPM]
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
    • G02F1/3551—Crystals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/365—Non-linear optics in an optical waveguide structure
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2202/00—Materials and properties
    • G02F2202/20—LiNbO3, LiTaO3

Definitions

  • the present disclosure relates to a wavelength conversion device.
  • Wavelength conversion technology is attracting attention in applications that require high-power light in a wavelength range that cannot be directly output by a semiconductor laser, or in a wavelength range that can be output but cannot be obtained by a semiconductor laser.
  • the wavelength conversion device is manufactured by using an optical crystal or the like having a second-order nonlinear effect.
  • Typical optical crystals include, for example, LiNbO 3 (lithium niobate), KNbO 3 (potassium niobate), LiTaO 3 (lithium tantalate), or KTiOPO 4 (potassium titanate phosphate).
  • an optical waveguide using periodically poled lithium niobate (hereinafter referred to as PPLN) is an element that can achieve high wavelength conversion efficiency by increasing optical intensity and using quasi-phase matching technology.
  • PPLN is expected to be applied in a wide range of optical wavelength bands from the ultraviolet region to the terahertz region, which is applied to optical signal wavelength conversion in optical communications, optical processing, medical care, bioengineering, etc.
  • PPLN allows the production of parametric amplification elements and excitation light generation elements that constitute phase sensitive amplifiers (PSAs) capable of low-noise optical amplification. For this reason, PPLN is being considered for application as a device that achieves high gain and low noise optical amplification characteristics and plays an important role in the field of next-generation optical fiber communications. Furthermore, in the field of quantum computing, an optical waveguide using PPLN can be inserted into a fiber ring resonator and used as a parametric oscillation element. Regarding such a configuration, a report has been made in which an optical coherent Ising machine device was realized and a large-capacity calculation was demonstrated at a higher speed than a known computer. A wavelength conversion element using an optical crystal such as LiNbO 3 described above is described in, for example, Patent Document 1.
  • Patent Document 1 discloses an example of manufacturing a ridge type optical waveguide.
  • Patent Document 1 describes that in order to improve the light confinement effect in a ridge-type optical waveguide, a first substrate of a nonlinear optical crystal having a periodically poled structure and a refractive index smaller than that of the first substrate are used. It is described that a wavelength conversion element is manufactured by bonding a second substrate having a wavelength conversion element. Further, in Patent Document 1, in order to avoid cracks due to adhesive deterioration and temperature changes, a nonlinear optical crystal of the same type as the first substrate is used as the second substrate, and the first substrate and the second substrate are connected to each other. It is described that diffusion bonding is performed by applying heat to the substrate. In order to further improve the performance of these technologies, it is important to realize a wavelength conversion device with higher wavelength conversion efficiency.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of the optical waveguide core of a known wavelength conversion element.
  • a known wavelength conversion element is conventionally a ridge-shaped optical waveguide in which an optical waveguide core 103 is formed on a substrate 101. Since the optical waveguide core 103 has a ridge shape, the surface is exposed, and the upper part of the waveguide core 103 (in the opposite direction to the substrate 101) is the atmosphere (air).
  • the ridge-shaped optical waveguide core 103 may be easily damaged by being touched during mounting of the optical conversion element. Furthermore, with dust, dirt, etc. adhering to the optical waveguide core 103 that absorbs light at the wavelength of the signal light or control light, the control light with particularly high light intensity hits the dust, dirt, etc. adhering to the core surface. In this case, a large amount of heat is generated due to light absorption. At this time, when the dust adhering to the core surface burns and carbonizes, the light absorption rate further increases and a very large amount of local heat generation occurs. Such heat generation contributes to an increase in optical loss in the optical waveguide near the deposit, heat generation in the optical waveguide core, and damage to the optical waveguide core due to the stress of the deposit.
  • a temperature gradient also tends to occur between the surface of the optical waveguide core 103 and the substrate 101, which is a factor that reduces temperature controllability.
  • the wavelength conversion efficiency of the wavelength conversion element 1 has temperature dependence, and it is necessary to control the temperature of the wavelength conversion element 1 in order to maximize the wavelength conversion efficiency. Therefore, temperature controllability of the wavelength conversion element is important in order to quickly follow changes in the environmental temperature.
  • the optical confinement mode during optical propagation of the signal light and excitation light be as single as possible. Furthermore, in order to satisfy the quasi-phase matching condition, it is desirable that the optical confinement mode propagating in the optical waveguide core be propagated in a single mode as much as possible.
  • a simple Gaussian distribution is used to reduce the optical coupling loss of the input and output of light to the optical wavelength conversion element during direct optical coupling using an optical fiber (butt joint optical coupling) or optical coupling using a spatial optical system such as a lens. It is easier to obtain highly efficient optical connections using single-mode propagation. Furthermore, when a plurality of multimodes propagate in an optical waveguide, the effective refractive index of each mode shifts slightly, and the phase matching conditions during wavelength conversion also shift, making it impossible to function as a highly efficient wavelength conversion element.
  • the overcladding is atmospheric (air) and has a low refractive index, so the optical confinement effect of the optical waveguide core is large and multimode propagation is likely to occur.
  • the effective refractive index of the cladding with the polarization direction horizontal to the substrate surface is very small, about 1.0. Therefore, the optical confinement effect in the polarization direction horizontal to the substrate surface becomes relatively large, and even high-order optical modes can propagate.
  • the effective refractive index of the propagating mode light in the polarization direction perpendicular to the substrate and the effective refractive index of the propagating light mode in the polarization direction horizontal to the substrate have very close values, the material of the optical waveguide core Fluctuations in the refractive index and structural fluctuations in core width, core thickness, etc. occur.
  • the polarization direction is rotated and so-called TE-TM polarization conversion of the propagating light occurs.
  • the optical wavelength band used is narrowly limited, it is possible to design the optical waveguide core so that optical absorption due to energy transition between waveguide modes such as TE-TM conversion does not occur. However, this becomes a serious problem when the wavelength conversion element is used over a wide optical wavelength band. Furthermore, such TE-TM conversion is a perturbed optical energy transition caused by the overlap of the effective refractive indexes in the TE-TM polarization directions of the optical waveguide.
  • a wavelength conversion device is a wavelength conversion device that receives signal light and generates light of a wavelength different from the signal light, and includes an optical waveguide core and the optical waveguide. a substrate having a lower refractive index for the signal light than the core; a wavelength conversion element for converting the wavelength of the signal light; and an overcladding layer having a lower refractive index than the optical waveguide core with respect to the optical wavelength of the control light to be multiplexed with the signal light, and a temperature control element for controlling the temperature of the wavelength conversion element. It is characterized by containing.
  • the above embodiment it is possible to prevent deposits from adhering to the optical waveguide core surface of the wavelength conversion element, improve temperature controllability, and widen the optical wavelength band used. This reduces external influences on the wavelength conversion element, thereby reducing failures and providing a wavelength conversion device that can be used in a wide optical wavelength band.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of an optical waveguide core of a known wavelength conversion element. It is a perspective view showing a wavelength conversion element of this embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the optical waveguide core shown in FIG. 2 taken in a direction perpendicular to the direction of incidence of signal light.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a wavelength converter in which the wavelength converter element of FIG. 3 is housed in a metal housing and a temperature control element is provided.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of a refractive index distribution in a cross section of the optical waveguide structure of Example 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing the effective refractive index of each propagation mode of TE and TM polarized light at a light wavelength of 1400 nm to 1700 nm when the effective refractive index n OC of the overcladding is 1.0.
  • FIG. 7 is a diagram showing the effective refractive index of each propagation mode of TE and TM polarized light at a light wavelength of 1400 nm to 1700 nm when the effective refractive index n OC of the overcladding is 1.2.
  • FIG. 3 is a diagram showing the effective refractive index of each propagation mode of TE and TM polarized light at a light wavelength of 1400 nm to 1700 nm when the effective refractive index n OC of the overcladding is 1.4.
  • FIG. 4 is a diagram showing the effective refractive index of each propagation mode of TE and TM polarized light at a light wavelength of 1400 nm to 1700 nm when the effective refractive index n OC of the overcladding is 1.6.
  • FIG. 4 is a diagram showing the effective refractive index of each propagation mode of TE and TM polarized light at a light wavelength of 1400 nm to 1700 nm when the effective refractive index n OC of the overcladding is 1.6.
  • FIG. 7 is a diagram showing the effective refractive index of each propagation mode of TE and TM polarized light at a light wavelength of 1400 nm to 1700 nm when the effective refractive index n OC of the overcladding is 1.8.
  • FIG. 7 is a diagram showing the effective refractive index of each propagation mode of TE and TM polarized light at a light wavelength of 1400 nm to 1700 nm when the effective refractive index n OC of the overcladding is 2.0.
  • FIG. 7 is a diagram showing the effective refractive index of each propagation mode of TE and TM polarized light at a light wavelength of 1400 nm to 1700 nm when the effective refractive index n OC of the overcladding is 2.1.
  • FIG. 3 is a diagram showing a wavelength region having an intersection between a 0th-order TM propagation mode and a TE propagation mode, which is a wavelength at which TE-TM conversion loss occurs.
  • n 1 , n 2 , n 3 are the refractive indices of the second-order nonlinear material through which the light of each wavelength ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 (each frequency: ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 ) propagates. It is.
  • Equation 7 means that the weighted average of n 1 and n 2 is equal to n 3 using frequency as a weight.
  • the phase matching condition is satisfied when the fundamental wave and the second harmonic have the same refractive index.
  • materials always have refractive index wavelength dispersion, so the phase matching condition is not easily met.
  • (1) is the most widely used method because it is easy to control by angle and temperature.
  • the angle matching method uses a non-parallel arrangement that sets an angle in the propagation direction of the interacting light waves and satisfies the vectorial phase matching condition.
  • is a method of realizing the phase matching condition ⁇ k 0 and generating wavelength-converted light.
  • this angle matching method has a problem in that it is not possible to utilize the maximum nonlinear constant of the nonlinear optical crystal.
  • control the propagation structure of light in addition to material dispersion based on the refractive index, there is structural dispersion that depends on the size and shape of the cross section, and mode dispersion that depends on the mode order. It has the advantage of greatly expanding the degree of freedom in phase velocity control.
  • nonlinear polarization increases and decreases with a period twice the coherence length, so by setting twice the coherence length as the polarization inversion period (inverting the polarization at coherence length intervals), it is possible to generate nonlinear polarization from each point.
  • the nonlinear polarization waves are added together without canceling each other out, and it is possible to generate an effect as if the amount of phase mismatch was reduced to zero in a pseudo manner.
  • This QPM method differs from the above-mentioned angle matching method in that it can use the material orientation that has the maximum component of nonlinear susceptibility, such as a second-order nonlinear crystal, and has the advantage that the operating wavelength range can be set by selecting the inversion period.
  • the material orientation that has the maximum component of nonlinear susceptibility, such as a second-order nonlinear crystal, and has the advantage that the operating wavelength range can be set by selecting the inversion period.
  • a crystal substrate that exhibits a nonlinear optical effect (hereinafter referred to as a nonlinear optical crystal) is made into a periodic polarization inversion structure, and then a proton exchange waveguide is fabricated using the periodic polarization inversion structure.
  • a nonlinear optical crystal substrate is similarly made into a periodic polarization inversion structure, and then a ridge-type optical waveguide is manufactured using a photolithography process and a dry etching process.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the basic configuration 10 of a wavelength conversion device according to an embodiment of the present disclosure.
  • the basic configuration 10 corresponds to the wavelength conversion element of the first embodiment.
  • the basic configuration 10 shown in FIG. 2 is applied to a known wavelength conversion device that generates a difference frequency using QPM. Note that a known wavelength conversion element is disclosed in Patent Document 1.
  • the signal light 1a with low light intensity and the control light 1b with high light intensity enter the multiplexer 14 and are combined.
  • the signal light 1a combined with the control light 1b travels toward a wavelength conversion element including a substrate 12 and an optical waveguide core 11 disposed on the substrate 12.
  • the light is incident on one end of the optical waveguide core 11, which has a periodic polarization inversion structure and exhibits a nonlinear optical effect.
  • the signal light 1a passes through the optical waveguide core 11, it is converted into a difference frequency light 1c having a wavelength different from that of the signal light 1a, and is emitted from the other end of the optical waveguide core 11 together with the control light 1b.
  • the difference frequency light 1c and the control light 1b emitted from the optical waveguide core 11 enter the demultiplexer 15 and are separated from each other.
  • the basic configuration 10 is a wavelength conversion device that receives a signal light 1a and generates light of a wavelength different from that of the signal light 1a.
  • the basic configuration 10 is known in that at least a portion of the optical waveguide core 11 is provided with an overcladding layer 301 that is an overcladding layer having a lower refractive index than the optical waveguide core 11 with respect to the wavelengths of the signal light 1a and the control light 1b. This is different from the optical wavelength conversion device.
  • the wavelength conversion element is an SHG using a wavelength conversion element using the QPM method, which has a periodic polarization inversion structure in which the polarization direction of a ferroelectric crystal or a crystal lacking a center of symmetry is periodically reversed by 180 degrees. Generation and optical parametric oscillation are used.
  • the refractive index of a nonlinear optical crystal has wavelength dispersion, the velocity of the fundamental wave and the velocity of the second harmonic are not equal, so a phase difference appears. For this reason, the composite wave of second harmonics generated along the optical path within the crystal becomes a periodic function.
  • the second harmonic generated at each point within the crystal propagates with a phase shift between each harmonic, and there is a phase difference between the generated second harmonic and the second harmonic generated at a distance called the coherence length Lc. becomes ⁇ .
  • the coherent length Lc is exceeded, the intensity of the synthesized harmonics decreases, and increases and decreases repeatedly in this period.
  • QPM inverts the phase of the polarization wave generated from the optical nonlinear material, that is, inverts the sign of the nonlinear optical constant d, at each cycle of this end.
  • the periodic polarization inversion period which is called the QPM condition
  • the phase of the second harmonic is inverted, and the synthesized second harmonic from the coherent length Lc is Since the phase is corrected, the light intensity of the generated second harmonic is added without dropping, and the amplitude (intensity) of the second harmonic increases, and second harmonic light is generated. become.
  • This feature allows the use of the largest component of the nonlinear optical constant, and can also be used with crystals with a small birefringence.
  • n 3 of the wavelength conversion element is the refractive index at wavelength ⁇ 3
  • n 2 is the refractive index at wavelength ⁇ 2
  • n 1 is the refractive index at wavelength ⁇ 1
  • the polarization inversion period is
  • the optical nonlinear polarization wave is amplified.
  • n 3 / ⁇ 3 -n 2 / ⁇ 2 -n 1 / ⁇ 1 -1/ ⁇ 0 (Formula 12)
  • n 3 is the refractive index at wavelength ⁇ 3
  • n 2 is the refractive index at wavelength ⁇ 2
  • n 1 is the refractive index at wavelength ⁇ 1 .
  • the QPM method can use the material orientation that is the maximum component of the nonlinear susceptibility of a second-order nonlinear crystal or the like.
  • the QPM method has the advantage of being able to set the operating wavelength range by selecting the inversion period, and by using an optical waveguide, it is possible to confine light in a narrow area with high density and propagate over long distances, resulting in high efficiency. wavelength conversion has been achieved so far.
  • the basic configuration 10 shown in FIG. 2 is housed together with a multiplexer and a demultiplexer in a metal casing equipped with input/output ports that can input and output light so that the characteristics do not deteriorate due to changes in the usage environment.
  • a light converting device can be constructed using the following methods.
  • the wavelength conversion efficiency of the wavelength conversion element has temperature dependence, and in order to maximize the wavelength conversion efficiency, it is necessary to control the temperature of the wavelength conversion element.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the optical waveguide core 11 shown in FIG. 2 taken in a direction perpendicular to the direction of incidence of the signal light 1a.
  • the overcladding 301 is a layer whose refractive index for the signal light 1a and the control light 1b is lower than that of the optical waveguide core 11, and enables optical confinement of the optical waveguide core 11.
  • the configuration shown in FIG. 3 includes a substrate 12, an optical waveguide core 11 formed on the substrate 12, and an overcladding 301 formed on the upper surface 12a of the substrate 12 and a part of the surface of the optical waveguide core 11. ing.
  • the refractive index of the substrate 12 with respect to the signal light 1a is lower than that of the optical waveguide core 11.
  • the overcladding 301 shown in FIG. 3 is formed on the upper surface 12a of the substrate 12, the upper surface 11a and the side surface 11b of the optical waveguide core 11, and is not formed on the cross section 11c. This is to prevent the transmittance of the signal light 1a and the control light 1b to the optical waveguide core 11 from being impaired.
  • the over cladding 301 does not need to have a structure that covers the entire top surface 12a of the substrate 12 as shown in FIG. That's fine. Furthermore, this embodiment may be formed so as to cover part of the side surface of the ridge shape, depending on the specifications of the basic configuration 10 and the state of application.
  • the over cladding 301 may have a thickness of 0.5 microns or more, but is preferably 1 micron or more in order to completely prevent the electric field from leaking out from the propagating light.
  • the overcladding 301 reduces the leakage of the optical electric field to the surface of the ridge-shaped optical waveguide core to a negligible extent, even if dust or the like adheres to the surface of the overcladding 301, it will not be generated due to the propagation of high-intensity light. It is possible to reduce the increase in optical loss and the burnout of attached substances such as dust.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a wavelength conversion device 20 that further includes a metal housing bottom member 28, a lid member 29, and a temperature control element 26 in addition to the basic configuration 10 shown in FIG.
  • the metal casing bottom member 28 and the lid member 29 constitute a metal casing.
  • the metal casing is provided with a light input port 200 and an output port 201.
  • the wavelength conversion device 20 shown in FIG. 4 further includes a support member 27 that supports the temperature control element 26.
  • the support member 27 is a metal member for uniformly controlling the temperature of the entire wavelength conversion element 13 including the optical waveguide core 11 and the substrate 12.
  • the temperature control element 26 is inserted between the support member 27 and the metal casing bottom member 28, and conducts heat between the temperature control element 26, the support member 27, and the metal casing bottom member 28, and It is adhesively fixed by a bonding member (not shown) that makes it difficult to change the fixed position.
  • a bonding member (not shown) that makes it difficult to change the fixed position.
  • the wavelength conversion device 20 is provided with a temperature control element 26, and the temperature control element 26 controls the wavelength conversion element 13 from about 20° C. or higher near room temperature within a range that does not practically cause condensation. It is operated in an environment with a temperature range of approximately 100° C. or lower, at which the adhesive does not deteriorate.
  • the signal light 1a and the control light 1b are Since it is necessary to propagate light through the waveguide core 11, it is desirable to use an overcladding 301 having a lower refractive index than the optical waveguide core 11 in order to confine the light at the wavelength of signal light or control light.
  • the overcladding since the signal light and control light leak from the optical waveguide core to the overcladding, the overcladding must be made of a material with excellent optical transparency at the optical wavelengths of the signal light and control light. This is desirable.
  • the refractive index of the optical waveguide core for each TE polarized light and TM polarized light is generally sufficiently larger than the refractive index of air, about 1.0. . Therefore, the relative refractive index of optical confinement in TE polarized light parallel to the substrate becomes large, so the propagation mode in TE polarized light easily becomes multimode, and the optical confinement mode of TE polarized light in a very large number of effective refractive indices becomes optical. This means that it can be transmitted.
  • the propagation mode light of the TE polarization whose effective refractive index is equal to the effective refractive index of the TM polarization is It becomes possible to exist.
  • optical loss of TM polarized light due to TE-TM polarization conversion is likely to occur due to fluctuations in the refractive index or structure of the optical waveguide. Therefore, by not only bringing the refractive index of the overcladding for TM polarized light closer to the optical waveguide core but also bringing the refractive index of the TE polarized light closer to the optical waveguide core, the number of propagation modes for TE polarized light is reduced. - The optical loss of TM polarization conversion can be reduced, and a wide band of optical wavelengths can be realized. In order to realize such a configuration, it is desirable that the refractive index of the overcladding is 0% to 25% lower than the refractive index of the optical waveguide core.
  • the refractive index of the over-cladding be within a range of 0% or more and 6% or less smaller than the refractive index of the optical waveguide core.
  • the refractive index here refers to the refractive index of the signal light and control light with respect to the overcladding, or the refractive index with respect to the optical waveguide core.
  • “Refractive index 0% lower than that of the optical waveguide core” indicates that the refractive index is equal to that of the optical waveguide core.
  • the over-cladding material since signal light and excitation light with high optical intensity are made to enter the optical waveguide core of the wavelength conversion element, it is desirable to use a material that does not easily deteriorate with respect to the optical wavelength used. Furthermore, since the overcladding is fabricated adjacent to the optical waveguide core, it is desirable to use a material with a coefficient of linear thermal expansion close to that of the optical waveguide core.
  • LiNbO 3 lithium niobate
  • KNbO 3 potassium niobate
  • LiTaO 3 lithium tantalate
  • Lithium tantalate), or KTiOPO 4 potassium titanate phosphate
  • Zr zirconium
  • Mg magnesium
  • Zn zinc
  • Sc silver
  • In indium
  • Zr zirconium
  • Nb niobium
  • Ta tantalum
  • Hf hafnium
  • Mg manganesium
  • Zn zinc
  • Sc sinum
  • Ti titanium
  • Y yttrium
  • Al aluminum
  • In (indium) Si (silicon).
  • the material of the optical waveguide core if an optical nonlinear crystal or the like is used as the inorganic material, the material may have a relatively large linear thermal expansion coefficient of 10 ppm or more. In that case, an organic material having a relatively large coefficient of linear thermal expansion can also be used.
  • polyolefins such as polyethylene, polypropylene, and polybutylene, polydienes such as polybutadiene and natural rubber, polystyrene, polyvinyl acetate, polymethyl vinyl ether, polyethyl vinyl ether, polyacrylic acid, polymethyl acrylate, polymethacrylic acid, Vinyl polymers such as polymethyl methacrylate, polybutyl methacrylate, polyhexyl methacrylate, and polydodecyl methacrylate, linear olefin polyethers, polyphenylene oxide (PPO), and their copolymers, blends, and ethers.
  • PPO polyphenylene oxide
  • polyether sulfone which has a mixture of groups and sulfone groups
  • polyether ketone which has a mixture of ether groups and carbonyl groups
  • polyethers such as polyphenylene sulfide (PPS) and polysulfone (PSO), which have thioether groups, and copolymers and blends thereof, and those having at least one substituent such as an OH group, thiol group, carbonyl group, or halogen group at the end of the polyolefin, such as HO-(C-C-C-C-)
  • Polymer materials such as n-(C-C-(C-C-)m)-OH, polyoxides such as polyethylene oxide and polypropylene oxide, polybutyl isocyanate, and polyvinylidene fluoride, as well as epoxy resins and oligomers.
  • polysiloxane or a crosslinked product of polysiloxane may be used.
  • This material not only has a large temperature coefficient of refraction index, but also has excellent water resistance and long-term stability, and is most suitable as the light intensity compensation material of the present invention.
  • Polysiloxane is represented by the following general formula.
  • R1 and R2 on both the left and right sides represent terminal groups, such as hydrogen, alkyl group, hydroxyl group, vinyl group, amino group, aminoalkyl group, epoxy group, alkyl epoxy group, alkoxyepoxy group, methacrylate group, chloro group. , acetoxy group.
  • R3 and R4 of the siloxane bond represent side chain groups, including hydrogen, alkyl group, alkoxy group, hydroxyl group, vinyl group, amino group, aminoalkyl group, epoxy group, methacrylate group, chloro group, acetoxy group, phenyl group, and fluoroalkyl group. group, alkylphenyl group and cyclohexane group.
  • the polysiloxane to be mounted may be one type or a plurality of types may be mixed.
  • cross-linked polysiloxanes are reactive polysiloxanes and polysiloxanes whose terminal groups have vinyl groups, hydrogen, silanol groups, amino groups, epoxy groups, or carbinol groups. This is the reaction shown below.
  • soft gel-like polysiloxane composites containing low-molecular-weight polysiloxane in gel-like polysiloxane, and mixtures of high-molecular-weight polysiloxane and low-molecular-weight polysiloxane. Those that have been subjected to crosslinking reaction can also be used.
  • the method for manufacturing a wavelength conversion element is to first create a periodic polarization inversion structure that satisfies quasi-phase matching conditions using photolithography at a desired position on a wafer substrate made of nonlinear optical crystal, which is a wavelength conversion material.
  • a wafer for an optical waveguide core is manufactured by forming a metal electrode film for the purpose of the optical waveguide, applying a DC high electric field to form periodic polarization inversion, and removing the metal electrode film and the insulating film.
  • the wafer for the optical waveguide core is bonded onto the substrate using a surface activation method using plasma discharge or a thermal bonding method, and then the desired core thickness is obtained by grinding and polishing the film to the desired thickness.
  • a surface activation method using plasma discharge or a thermal bonding method the desired core thickness is obtained by grinding and polishing the film to the desired thickness.
  • an optical waveguide core pattern is formed using a photoresist material on the surface of the optical waveguide core layer on the substrate, and the core layer is formed into a desired ridge-shaped optical waveguide core by dry etching in a vacuum using Ar plasma or the like.
  • the resist residue on the surface of the optical waveguide core is removed by piranha cleaning or the like.
  • an overcladding is formed on the surface of the optical waveguide core of the wavelength conversion element which has a ridge shape.
  • Methods for forming the overclad include solvent dilution, and for materials that do not liquefy, sputtering in an air environment, chemical vapor deposition (CVD), and vacuum evaporation.
  • CVD chemical vapor deposition
  • vacuum evaporation For materials that can be dissolved or made non-fluid by thermal melting or chemical reaction, it is also possible to use a spin coating method, a casting method, etc. in a solution state.
  • FIG. 5 shows a refractive index distribution configuration diagram of a cross section of the optical waveguide structure used in Example 1 of the present invention.
  • FIG. 5 illustrates a refractive index distribution diagram of a cross section of the optical waveguide structure when the effective refractive index n OC of the overcladding is 1.6.
  • FIG. 5 shows the refractive index of the cross section of the optical waveguide core using the shading of the image. The relationship between refractive index and shading is shown by the bar on the right side of the figure.
  • the optical communication wavelengths are S-band (Short-wavelength-Band) from 460 nm to 1530 nm, C-band (conventional-band) from 1530 nm to 1565 nm, and L-band (Long-wavelength-band). )
  • S-band Short-wavelength-Band
  • C-band conventional-band
  • L-band Long-wavelength-band
  • the optical waveguide core 11 shown in FIG. 5 is made of LiNbO 3 (LN), has a Z-cut crystal axis with abnormal refraction in the direction perpendicular to the substrate surface, has a core width of 5.3 ⁇ m, and has a core thickness of 5.3 ⁇ m. It was set to 5.0 ⁇ m.
  • LN LiNbO 3
  • the substrate 12 is an LN crystal using LiTaO 3 (LT), and in order to reduce the influence of the refractive index of adjacent substrates, the optical waveguide core is formed on the substrate 12 by the same width as the core width of 5.3 ⁇ m and the height of 1.0 ⁇ m.
  • a convex rib structure was formed on the surface of the substrate 12.
  • the core width and core thickness are set so that the signal light in TM polarization can be propagated in a single mode, and the core width and core thickness are not 5.3 ⁇ m and 5.0 ⁇ m. Both can be produced.
  • An overcladding 301 with a film thickness of 1.0 ⁇ m was formed on the surface of the optical waveguide core 11, and the surface of the substrate 12 and the area around the overcladding 301 were assumed to be in the atmosphere (vacuum), and the refractive index was assumed to be 1.0. .
  • the propagation mode in the optical wavelength range of 1400 to 1700 nm was calculated, and the wavelength dependence of the effective refractive index was calculated accordingly.
  • a wavelength conversion element we analyze the TM polarization mode perpendicular to the substrate surface and the TE polarization mode parallel to the substrate, and find out that the signal light and excitation light propagating in TM polarization have the same value as the effective refractive index of the TE polarization mode. Since TE-TM polarization conversion occurs when the TE-TM polarization conversion occurs, the optical wavelength was determined.
  • FIGS. 6 to 12 show the optical characteristics when the effective refractive index n OC of the overcladding is 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2.0, and 2.1, respectively.
  • the effective refractive index of each TE and TM polarized light propagation mode at wavelengths from 1400 nm to 1700 nm is shown.
  • the combination of a broken line with a relatively large pitch and ⁇ (dots) indicates the effective refractive index of the zero-order (fundamental) mode of TM polarization, and corresponds to the effective refractive index of the signal light.
  • optical energy conversion between TE mode light and TM mode light occurs due to perturbation of the propagation mode of the optical waveguide near the intersection of the effective refractive index of the TM 0th mode and each higher order TE mode.
  • -TM conversion loss occurs. That is, the intersection of the effective refractive indexes of the TE mode light and the TM mode light becomes the optical wavelength of the TE-TM conversion loss.
  • the wavelength band in which there is no intersection point, that is, in which TE-TM conversion does not occur expands.
  • the long wavelength side of the region where the 0th-order TM propagation mode and the TE propagation mode intersect, which is the wavelength at which TE-TM conversion loss occurs, is marked with a triangle ( ⁇ ), and the short wavelength side is marked with a square ( ⁇ ). Illustrated. In other words, the solid line region in FIG. 13 is the region where TE-TM conversion loss does not occur.
  • wavelength bands of S band, C band, and L band used in optical communication are also illustrated.
  • the refractive index nOC of the overcladding needs to be larger than 1.6, that is, the effective refraction of the optical waveguide core. It is necessary to set the refractive index to be 0% to 25% smaller than the index. Furthermore, in order to use the wavelength conversion element in all wavelength bands of S band, C band, and L band, the refractive index n OC of the overcladding needs to be larger than 2.0, that is, the optical waveguide core It is necessary to set the refractive index to be 0% to 6% smaller than the effective refractive index of . Thus, according to this example, it was found that overcladding formation and refractive index control are necessary to widen the optical wavelength band of the wavelength conversion element.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

信号光（１ａ）が入力され、信号光１ａと異なる波長の差周波光（１ｃ）を発生させる波長変換装置（２０）であって、光導波路コア（１１）と、光導波路コア（１１）よりも信号光に対して低い屈折率を有する基板（１２）と、を含み、信号光（１ａ）の波長を変換する波長変換素子（１３）と、光導波路コア（１１）の表面の少なくとも一部に形成され、信号光（１ａ）と、信号光（１ａ）と合波される制御光（１ｂ）の光波長に対して光導波路コア（１１）よりも屈折率の低いオーバークラッド（３０１）と、波長変換素子（１３）の温度を制御するための温度制御素子（２６）と、を含む。

Description

波長変換装置
　本開示は、波長変換装置に関する。
　波長変換技術は、半導体レーザでは直接出力できない波長域、または出力できる波長域であっても半導体レーザでは得られない高出力な光が必要な用途において注目されている。波長変換装置の作製は、２次の非線形効果を有する光学結晶等を用いることによって実現される。代表的な光学結晶としては、例えば、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、ＫＮｂＯ３（ニオブ酸カリウム）、ＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチウム）、またはＫＴｉＯＰＯ４（チタン酸リン酸カリウム）が挙げられる。特に、周期分極反転ニオブ酸リチウム（Periodically Poled Lithium Niobate、以下、ＰＰＬＮという）を利用した光導波路は、光強度の増大及び疑似位相整合技術の利用による高い波長変換効率を実現可能な素子である。ＰＰＬＮは、光通信における光信号波長変換、光加工、医療、生物工学等に適用される、紫外域からテラヘルツ域に至るまでの幅広い光波長帯での応用に期待されている。
　さらに、ＰＰＬＮは、低雑音な光増幅が可能な位相感応増幅器（ＰＳＡ）を構成するパラメトリック増幅素子及び励起光発生素子の作製が可能である。このため、ＰＰＬＮは、高利得、低雑音な光増幅特性を実現し、次世代の光ファイバ通信分野で重要な役割を担うデバイスとして適用が検討されている。また量子コンピューティングの分野において、ＰＰＬＮを利用した光導波路をファイバリング共振器内に挿入し、パラメトリック発振素子として使用することができる。このような構成については、光コヒーレントイジングマシン装置を実現し、公知の計算機よりも高速に大容量の計算を実証した報告がなされている。上述したＬｉＮｂＯ３等の光学結晶を使った波長変換素子は、例えば、特許文献１に記載されている。
　特許文献１には、リッジ型光導波路を作製する例が開示されている。特許文献１には、リッジ型光導波路において、光の閉じ込め効果を向上させるため、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶の第１の基板と、その第１の基板の屈折率より小さい屈折率を有する第２の基板とを貼り合わせて波長変換素子を作製することが記載されている。また、特許文献１には、接着剤の劣化や温度変化によるクラックを回避するために、第１の基板と同種の非線形光学結晶を第２の基板として使用し、第１の基板と第２の基板とに熱を加えて拡散接合させることが記載されている。これらの技術の更なる高性能化のためには、より高い波長変換効率を有する波長変換装置を実現することが重要となっている。
特許第３７５３２３６号
　しかしながら、特許文献１に記載のようなリッジ型の光導波路は、以下の課題を有する。
（ａ）光導波路コアが剥き出しなことによるゴミ等の付着、光損失の増大と光焼損等の故障
　図１に公知の波長変換素子の光導波路コアの断面図を示す。公知の波長変換素子は、従来、基板１０１上に光導波路コア１０３を形成したリッジ形状の光導波路である。光導波路コア１０３は、リッジ形状であるため、表面が剥き出しであり、導波路コア１０３の上方（基板１０１と反対方向）は、大気(空気)である。導波路コア中を光強度が低い信号光及び光強度の高い制御光が伝搬するとき、光電界の一部が導波路コア表面に染み出す。そのため、導波路コア表面に、信号光や制御光の波長の光を吸収する、ほこりやゴミ等の付着物が発生する。付着物は、伝搬光の光を吸収し、波長変換素子の光損失の増加や波長変換効率の低下が発生する。
（ｂ）むき出しの光導波路コアの破損
　また、リッジ形状の光導波路コア１０３は、光変換素子の実装時に触れられることによって容易に破損してしまうことがある。さらに、光導波路コア１０３に信号光や制御光の波長の光を吸収するほこりやゴミ等が付着した状態で、特に光強度の高い制御光がコア表面に付着したほこりやゴミ等の付着物に当たる場合、光吸収によって非常に大きな発熱が発生する。このとき、コア表面の付着物であるゴミが燃焼して炭化すると、さらに光吸収率が大きくなることにより非常に大きな局所的発熱が発生する。このような発熱は、付着物付近での光導波路の光損失の増大、光導波路コアの発熱及び付着物の応力による光導波路コアの破損の一因となる。
（ｃ）空気クラッドによる熱伝導性の低下
　公知の波長変換素子の光導波路コア１０３の表面は大気(空気等)と接触する。コア上方の表面側への熱伝導は、波長変換素子の基板１０１の側からの直接熱伝導、赤外光線等の熱輻射、導波路コア１０３の表面への大気(空気等)の対流による熱伝導によって起こる。また、主な熱伝導は基板１０１の側からの直接熱伝導となる。このため、基板１０１の側から見て、リッジ形状の光導波路コア１０３の部分は、熱伝導の端部で、大気(空気等)との境界となるため、熱輻射や外気の対流の影響等で、光導波路コア１０３の表面と基板１０１との間でも温度勾配が発生しやすく、温度制御性を低下させる要因となっている。また、波長変換素子１の波長変換効率は温度依存性を有しており、波長変換効率を最大化するためは波長変換素子１の温度を制御することが必要である。このため、環境温度の変化に迅速に追随するために波長変換素子の温度制御性は重要である。
（ｄ）ＴＥ－ＴＭ変換光による光伝搬損失の発生
　波長変換素子において、信号光及び励起光の光伝搬時の光閉じ込めモードはできるだけ単一であることが好ましい。また、疑似位相整合条件を満たすためには、光導波路コア中を伝搬する光閉じ込めモードは、できるだけシングルモード伝搬であることが望ましい。光ファイバによる直接光結合（バットジョイント光結合）や、レンズ等の空間光学系による光結合時、光波長変換素子への光の入出力の光結合損失を低減化させるためにはシンプルなガウス分布形状のシングルモード伝搬の方が高効率な光接続を得やすい。また、光導波路中を複数の多モード伝搬した場合、各モードでの実効屈折率が僅かにずれ、波長変換時の位相整合条件もずれてしまい、高効率な波長変換素子として機能しなくなる。
　さらに、基板表面にリッジ形状の光導波路コアを形成する波長変換素子の場合、オーバークラッドが大気（空気）で屈折率が低いため、光導波路コアの光閉じ込め効果が大きく、多モード伝搬になり易い。例えば、光導波路コアの光非線形結晶軸の異常屈折軸が基板面に対して垂直である波長変換素子の場合、基板面に対して水平な偏光方向のクラッドは、その実効屈折率が大気(空気)に対して約１．０と非常に小さい。このため、基板面に対する水平な偏光方向の光閉じ込め効果は相対的に非常に大きくなり、高次光モードまで伝搬できるようになる。そのため、例えば、基板面に垂直な偏光方向で、信号光シングルモード伝搬させるように光導波路コアを作製しても、基板面に水平な偏波方向でも、複数の多モード光伝搬が可能となり、複数の実効屈折率を有する光伝搬条件を有することになる。
　このとき、基板に垂直な偏波方向での伝搬モード光の実効屈折率と、基板に水平な偏波方向の伝搬光モードの実効屈折率が非常に近い値を持つ場合、光導波路コアの材料屈折率揺らぎや、コア幅、コア厚さ等の構造的な揺らぎが発生する。このとき、偏光方向が回転して伝搬光のいわゆるＴＥ－ＴＭ偏波変換が発生する。ＴＥ－ＴＭ偏波変換が発生すると、出力光として必要な偏光の波長変換光が得られず、全く別の偏光として出力する、あるいは多モード伝搬光として光エネルギーが散逸してしまい、光スペクトル測定上は光吸収のような光エネルギー損失が発生してしまう。
　使用光波長の帯域が狭く限定されている場合には、ＴＥ－ＴＭ変換のような導波モード間のエネルギー遷移による光吸収が起こらないように、光導波路コアを設計することもできなくはないが、広帯域な光波長帯の全域で波長変換素子を使用する場合には非常に問題となる。また、このようなＴＥ－ＴＭ変換は、光導波路のＴＥ－ＴＭ偏光方向の実効屈折率の重なりに起因する摂動の光エネルギー遷移である。このため、信号光と励起光が同じ偏光方向を有する「タイプ１」と呼ばれる波長変換素子や、信号光と励起光が垂直な偏光方向を有する「タイプ２」と呼ばれる波長変換素子でも、光偏波方向が異なるだけで、ＴＥ－ＴＭ偏波変換が同様に発生する。そのため光関係、広帯域な波長変換素子を作製する際には、波長変換素子の光デバイス構造によらず、ＴＥ－ＴＭ変換は無視できなくなる。
　上記目的を達成するために本開示の一形態の波長変換装置は、信号光が入力され、前記信号光と異なる波長の光を発生させる波長変換装置であって、光導波路コアと、前記光導波路コアよりも前記信号光に対して低い屈折率を有する基板と、を含み、前記信号光の波長を変換する波長変換素子と、前記光導波路コアの表面の少なくとも一部に形成され、前記信号光と、前記信号光と合波される制御光の光波長に対して前記光導波路コアよりも屈折率の低いオーバークラッド層と、前記波長変換素子の温度を制御するための温度制御素子と、を含むことを特徴とする。
　以上の形態によれば、波長変換素子の光導波路コア表面への付着物の防止や温度制御性の向上、及び、使用する光波長帯の広帯域化を実現することが可能となる。これにより波長変換素子の外部からの影響を低減化することにより、故障を低減し、広帯域光波長帯で利用可能な波長変換装置を提供することができる。
公知の波長変換素子の光導波路コアの断面図である。 本実施形態の波長変換素子を示す斜視図である。 図２に示す光導波路コアを信号光の入射方向に直交する方向に切断した模式的な断面図である。 図３の波長変換装置素子を金属筐体に収容し、温度制御素子を設けた波長変換装置の構成例を示す図である。 実施例１の光導波路構造の断面の屈折率分布構成図である。 オーバークラッドの実効屈折率ｎＯＣが１．０のときの、光波長１４００ｎｍから１７００ｎｍでの各ＴＥ、ＴＭ偏光の伝搬モードの実効屈折率を示す図である。 オーバークラッドの実効屈折率ｎＯＣが１．２のときの、光波長１４００ｎｍから１７００ｎｍでの各ＴＥ、ＴＭ偏光の伝搬モードの実効屈折率を示す図である。 オーバークラッドの実効屈折率ｎＯＣが１．４のときの、光波長１４００ｎｍから１７００ｎｍでの各ＴＥ、ＴＭ偏光の伝搬モードの実効屈折率を示す図である。 オーバークラッドの実効屈折率ｎＯＣが１．６のときの、光波長１４００ｎｍから１７００ｎｍでの各ＴＥ、ＴＭ偏光の伝搬モードの実効屈折率を示す図である。 オーバークラッドの実効屈折率ｎＯＣが１．８のときの、光波長１４００ｎｍから１７００ｎｍでの各ＴＥ、ＴＭ偏光の伝搬モードの実効屈折率を示す図である。 オーバークラッドの実効屈折率ｎＯＣが２．０のときの、光波長１４００ｎｍから１７００ｎｍでの各ＴＥ、ＴＭ偏光の伝搬モードの実効屈折率を示す図である。 オーバークラッドの実効屈折率ｎＯＣが２．１のときの、光波長１４００ｎｍから１７００ｎｍでの各ＴＥ、ＴＭ偏光の伝搬モードの実効屈折率を示す図である。 ＴＥ－ＴＭ変換損失の発生波長となるＴＭ伝搬０次モードとＴＥ伝搬モードとの交点を有する波長領域を示す図である。
［波長変換装置］
　本開示の一実施形態の説明に先立って、波長変換装置について説明する。
（２次非線形光学効果と位相整合条件の説明）
　一般に、２次非線形光学結晶に波長の異なる信号光（Ｓｉｇｎａｌ光）［波長：λ１、周波数：ω１］と励起光（Ｐｕｍｐ光）［波長：λ２、周波数：ω２］を入射したとき波長変換光（アイドラ光：Ｉｄｅｒ光とも呼ばれる）［波長：λ３、周波数：ω３］は、位相整合条件と呼ばれる関係に従った波長の光を発生させる。
　和周波発生ω３＝ω１＋ω２の場合を考える。光子の運動量はプランク定数ｈと角波数ｋとにより、ｈｋ／（２π）と表されることから、波数不整合をΔｋとすると、運動量保存則より、以下の関係が成り立つ。
　ｈΔｋ／２π＝ｈ（ｋ３－ｋ１－ｋ２）／２π　・・・（式１）
故に、
　Δｋ＝ｋ３－ｋ１－ｋ２　・・・（式２）
　光が伝搬する２次非線形光学結晶の長さをＬ、伝搬方向をＺ方向とすると、非線形分極Ｐｚ（ω１＋ω２）は、ｅｘｐ［ｉ（ｋ１＋ｋ２）Ｚ］で位相が変化するが、発生した振幅Ｅ（ω３）の位相はｅｘｐ（ｉｋ３・Ｚ）であるから、両者の間には
　ｅｘｐ（ｉｋ３・Ｚ）－ｅｘｐ［ｉ（ｋ１＋ｋ２）・Ｚ］
＝ｅｘｐ［ｉ（ｋ３－ｋ１－ｋ２）・Ｚ］＝ｅｘｐ［ｉΔｋ・Ｚ］・・・（式３）
上記より、つまりΔｋ・Ｌの位相差が生じることになる。
　この位相差がπを超えると、位相が反転し、エネルギーの流れる向きが逆転することになり、ω３光子がω１とω２に分裂する過程が起こる。こうして、せっかくつくられた和周波成分の光波が減少に転じてしまう。
ここで位相が反転する距離
　Ｌｃ＝　π／（｜Δｋ｜）　　・・・（式４）
をコヒーレンス長という。
　また、この位相差が２πを超える（つまり光の伝搬長が、コヒーレンス長の２倍を超える）と、再び、エネルギーの流れる向きが元に戻ることになり、非線形分極Ｐｚは、コヒーレンス長の２倍の長さを周期として増減する（コヒーレンス長毎に増加・減少が入れ替わる）ことがわかる。そのため、波長変換光の発生効率を上げるためには、減衰が始まるコヒーレンス長を伝搬する結晶長より長くしなくてはならない。特に、波数不整合がなくなる条件Δｋ＝０を位相整合条件と呼ばれ、波長変換光の発生条件となる。
　このとき、前記のように周波数ω１と周波数ω２の２つの光波を２次非線形材料に入力し、ω３（＝ω１＋ω２）の光を発生させる場合は、和周波発生（ＳＦＧ：Sum-Frequency Generation）と呼ばれる。一方、周波数ω１とω３の２光波を２次非線形材料に入力し、ω２（＝ω３－ω１）の光を発生させる場合は、差周波発生（ＤＦＧ：Difference Frequency Generation）と呼ばれる。
　また、光強度の強い周波数ω３の光を入射し、周波数ω１と周波数ω２の２光波を発生させる現象は光パラメトリック効果を呼ばれる。ここで、結合するすべての光波が同じ方向に進む場合を考えると、波数不整合Δｋは、
　Δｋ＝２π（ｎ３／λ３－ｎ１／λ１－ｎ２／λ２）　　　・・・（式５）
　と表されるため、位相整合条件は、
　ｎ３／λ３＝ｎ１／λ１＋ｎ２／λ２　　　・・・（式６）
　もしくは、
　ω１ｎ１＋ω２ｎ２＝ω３ｎ３　　　・・・（式７）
　となる。
　上記の式において、ｎ１、ｎ２、ｎ３は、各波長λ１、λ２、λ３（各周波数：ω１、ω２、ω３）の光が伝搬する２次非線形材料の屈折率である。このこと、（式７）は、周波数を重みとしてｎ１とｎ２の重み付き平均がｎ３に等しくなることを意味する。特に第２高調波発生で、結合する基本波光子の偏光が同じときは、基本波と２倍波の屈折率が等しいときに位相整合条件が満足される。ところが実際には、物質には必ず屈折率波長分散があるため、位相整合条件は簡単に満たされない。
　そのため一様媒質中では、（１）複屈折性結晶（直線偏光に対する異方性）の結晶方位による屈折率分散を利用したり、（２）旋光性物質（円偏光に対する異方性）による屈折率分散を利用したり、（３）共鳴に伴う異常分散を利用する方法等が検討されている。
　（１）は角度、温度による制御が容易で最も広く用いられ、角度制御の場合は、相互作用する光波の伝搬方向に角度をつけベクトル的に位相整合条件を満たす非平行配置の角度整合法によって、位相整合条件Δｋ＝０を実現し、波長変換光を発生させる手法である。しかしながら、この角度整合法の方法では、非線形光学結晶の最大の非線形定数を利用することが出来ないという問題がある。一方、光の伝搬構造を制御する光導波路やフォトニック結晶等では、屈折率に基づく材料分散の他、断面の寸法と形に依存する構造分散、及びモード次数に依存するモード分散があるため、位相速度制御の自由度は格段に広がるという特長を有している。
（擬似位相整合の説明）
　上記は波数不整合Δｋ＝０をなくす手法であるが、その代わりに波数不整合を許容し、非線形感受率を変調して位相ずれの効果を打ち消す疑似位相整合（Quasi-Phase-Matched、以下、ＱＰＭと記す）法がある。これは、１９６２年Ａｒｍｓｔｒｏｎｇらにより提案されたアイデアで、非線形感受率の符号を周期的に反転した構造により疑似的に位相整合を達成する技術である。前記の通り、非線形分極は、コヒーレンス長の２倍の長さを周期として増減するため、コヒーレンス長の２倍を分極反転周期とする（コヒーレンス長間隔で分極反転させる）ことで各点から発生した非線形分極波は互いに打ち消すことなく足し合わされていき、あたかも擬似的に位相不整合量を０にしたかのような効果を発生させることができる。
　分極反転周期をΛとすると、コヒーレント長の式（式４）より
　Λ＝２・Ｌｃ　　・・・（式８）
とし、結合するすべての光波が同じ方向に進む場合を考えると、（式４）より、波数不整合はゼロではなく、
　Δｋ＝２π（ｎ３／λ３－ｎ１／λ１―ｎ２／λ２）＝２π／Λ　　・・・（式９）
故に、
　ｎ３／λ３－ｎ２／λ２－ｎ１／λ１－１／Λ＝０　・・・（式１０）
であり、式（式８）がＱＰＭの位相整合条件となる。ここで。ｎ３は波長λ３での屈折率、ｎ２は波長λ２での屈折率、ｎ１は波長λ１での屈折率である。
　このＱＰＭ法は、前記の角度整合法とは異なり、２次非線形結晶等の非線形感受率の最大成分となる材料方位を用いることができ、また反転周期の選択により動作波長域を設定できるという利点をもつとともに、光導波路化することにより狭い領域に光を高密度に閉じ込め長距離を伝搬させることができるため、高効率な波長変換がこれまで実現されてきた。
　また、擬似位相整合技術を利用した波長変換素子を作製する方法もいくつか知られている。例えば、非線形光学効果を発現させる結晶（以下、非線形光学結晶という）基板を周期分極反転構造とした後に、その周期分極反転構造を用いてプロトン交換導波路を作製する方法である。また例えば、同様に、非線形光学結晶基板を周期分極反転構造とした後に、フォトリソグラフィプロセス及びドライエッチングプロセスを利用してリッジ型光導波路を作製する方法である。
　図２は、本開示の一実施形態の波長変換装置の基本構成１０を示す斜視図である。基本構成１０は、第一の実施形態の波長変換素子に相当する。図２に示す基本構成１０は、ＱＰＭにより差周波を発生させる公知の波長変換装置に適用されている。なお、公知の波長変換素子は、特許文献１に開示されている。
　図２に示すように、光強度が低い信号光１ａ及び光強度の高い制御光１ｂは、合波器１４に入射し合波される。制御光１ｂと合波した信号光１ａは、基板１２と基板１２の上に配置される光導波路コア１１を含む波長変換素子に向かって進行する。周期分極反転構造を有して非線形光学効果を発現する光導波路コア１１の一方の端に入射する。信号光１ａは、光導波路コア１１の中を通過する時に信号光１ａと異なる波長を有する差周波光１ｃへと変換され、制御光１ｂと共に光導波路コア１１の他方の端から出射される。光導波路コア１１から出射した差周波光１ｃと制御光１ｂとは、分波器１５に入射し、互いに分離される。基本構成１０は、信号光１ａが入力され、信号光１ａと異なる波長の光を発生させる波長変換装置である。基本構成１０は、光導波路コア１１の少なくとも一部に、信号光１ａ、制御光１ｂの波長に対して光導波路コア１１よりも屈折率の低いオーバークラッド層であるオーバークラッド３０１を備える点で公知の光波長変換装置と相違する。
　このとき、波長変換素子としては、強誘電体結晶、あるいは対称中心を欠く結晶の分極方向を周期的に１８０°反転させた周期分極反転構造とする、ＱＰＭ法を有する波長変換素子を用いたＳＨＧ発生と光パラメトリック発振等が利用される。
　一般に、非線形光学結晶の屈折率は波長分散があるため、基本波の速度と第２高調波の速度が等しくないので位相差が現れる。このために、結晶内では光路に沿って発生する第２高調波の合成波は周期関数となる。結晶内の各点で発生した第２高調波は各高調波間で位相がずれて伝搬し、発生した第２高調波とコヒーレント長Ｌｃと呼ばれる距離で発生した第２高調波との問に位相差がπになる。コヒーレント長Ｌｃを超えると合成高調波の強度は減少し、この周期で増減を繰り返すことになる。この廃際の周期毎に、光非線形材料から発生する分極波の位相を反転させる、すなわち非線形光学定数ｄの符号を反転させるのがＱＰＭである。
　このとき、ＱＰＭの条件と称される周期分極反転周期を、コヒーレント長Ｌｃの２倍にあわせてやると、第２高調波の位相が反転して、コヒーレント長Ｌｃからの合成第２高調波の位相を補正する形になるので、発生する第２高調波の光強度は落ちずに加算されるようになり、第２高調波の振幅（強度）が増大し、２次高調波光が発生することになる。この特徴は、非線形光学定数の最大成分を用いることができ、また複屈折率の小さい結晶でも利用できる．
　また、光差周波発生においては、波長変換素子のｎ３は波長λ３での屈折率、ｎ２は波長λ２での屈折率、ｎ１は波長λ１での屈折率とし、分極反転周期をΛとすると、コヒーレント長Ｌｃとしたとき、前記の通り、
　Λ＝２・Ｌｃ　　　・・・（式１１）
　において、光非線形の分極波は増幅される。
このとき、
　ｎ３／λ３－ｎ２／λ２－ｎ１／λ１－１／Λ＝０　　　・・・（式１２）
上記の式（式１２）のように、ＱＰＭの位相整合条件となる。ここで。ｎ３は波長λ３での屈折率、ｎ２は波長λ２での屈折率、ｎ１は波長λ１での屈折率である。
　ＱＰＭ法は、前記の角度整合法とは異なり、２次非線形結晶等の非線形感受率の最大成分となる材料方位を用いることができる。また、ＱＰＭ法は、反転周期の選択により動作波長域を設定できるという利点をもつとともに、光導波路化することにより狭い領域に光を高密度に閉じ込め長距離を伝搬させることができるため、高効率な波長変換がこれまで実現されてきた。
　図２に示す基本構成１０は、実用上、使用環境の変化により特性が劣化しないように、光の入出力が可能な入出力ポートを備えた金属筐体内に合波器及び分波器と共に収容されて光変換装置を構成することが知られている。さらに波長変換素子の波長変換効率は温度依存性を有しており、その波長変換効率を最大化するためは波長変換素子の温度を制御することが必要である。
　図３は、図２に示す光導波路コア１１を信号光１ａの入射方向に直交する方向に切断した模式的な断面図である。前記したように、本実施形態は、光導波路コア１１の少なくとも一部にオーバークラッド３０１を備えている。オーバークラッド３０１は、信号光１ａ、制御光１ｂに対する屈折率が光導波路コア１１よりも低い層であり、光導波路コア１１の光閉じ込めを可能にしている。
　図３に示す構成は、基板１２と、基板１２上に形成された光導波路コア１１と、基板１２の上面１２ａ及び光導波路コア１１の表面の一部に形成されたオーバークラッド３０１とを有している。基板１２の信号光１ａに対する屈折率は、光導波路コア１１よりも低い。図３に示すオーバークラッド３０１は、基板１２の上面１２ａ、光導波路コア１１の上面１１ａ及び側面１１ｂに形成され、断面１１ｃには形成されていない。この点は、信号光１ａ及び制御光１ｂの光導波路コア１１に対する透過性を損なうことを防ぐためである。
　オーバークラッド３０１は、図３に示すように基板１２の上面１２ａの全面に被覆した構造である必要はなく、リッジ形状の光導波路コア１１が入射、または出射する面を除く表面を覆っている構造であればよい。さらに、本実施形態は、基本構成１０の仕様や適用の状態に即してリッジ形状の側面の一部を覆うように形成されてもよい。オーバークラッド３０１の膜厚は０．５ミクロン厚以上であればよいが、伝搬光の染み出し電界を完全に留めるためには、１ミクロン以上の膜厚であることが望ましい。
　オーバークラッド３０１により、リッジ形状の光導波路コアの表面に光電界の染み出しが無視できる程度に小さくなれば、オーバークラッド３０１の表面にゴミ等が付着しても、高強度光の伝搬によって発生する光損失増加や、ゴミ等の付着物の焼損の事態を低減することができる。
　図４は、図３の基本構成１０の構成に、さらに金属筐体底面部材２８、蓋体部材２９、温度制御素子２６を備える波長変換装置２０の構成例を示す図である。金属筐体底面部材２８と蓋体部材２９は金属筐体を構成する。金属筐体には、光の入力ポート２００、出力ポート２０１が設けられている。図４に示す波長変換装置２０は、さらに、温度制御素子２６を支持する支持部材２７を備えている。支持部材２７は、光導波路コア１１及び基板１２を含む波長変換素子１３の全体の温度を均一に制御するための金属部材である。温度制御素子２６は、支持部材２７と金属筐体底面部材２８との間に介挿されており、温度制御素子２６と支持部材２７、金属筐体底面部材２８との間で熱伝導させ、かつ固定位置を変動させにくい図示しない接合部材により接着固定されている。なお、光導波路コア１１、基板１２、波長変換素子１３、合波器１４、分波器１５、信号光１ａ、差周波光１ｃは、図２の説明におけるものと同じであるため説明を省略する。
　また、強誘電体結晶材料を用いた波長変換素子を波長変換装置に用いた場合、短い波長を有する光の照射により波長変換素子の屈折率が変化して特性が低下する光損傷と呼ばれる現象が生じる。この光損傷による影響を抑制する方法として波長変換素子を高温で使用することが提案されている。このため、第１の実施形態は、波長変換装置２０に温度制御素子２６を設け、温度制御素子２６は、波長変換素子１３を実用的には結露しない範囲で室温付近の約２０℃以上から、接着剤が変質しない約１００℃以下の範囲での温度範囲の環境下で動作させている。
　なお、本実施形態は、光導波路コア１１の表面にゴミ等の付着物の付着を防止するだけでよければ、屈折率の制限はないが、実際には、信号光１ａや制御光１ｂを光導波路コア１１で光伝搬をする必要があるため、信号光や制御の光波長において、光を閉じ込めるために光導波路コア１１よりも屈折率の低いオーバークラッド３０１が望ましい。また、光導波路コアからのオーバークラッドへの信号光と制御光の光染み出しが発生するため、オーバークラッドは、信号光と制御光の光波長において、光透過性の優れた材料で作製されることが望ましい。
　ここで、オーバークラッドの屈折率範囲の限定によるＴＥ－ＴＭ光結合の低減化と、使用光帯域の広帯域化について説明する。特に、波長変換素子の光導波路コアとして、非線形結晶を用いる場合、一般的に、光導波路コアの各ＴＥ偏光、ＴＭ偏光での屈折率は、共に空気の屈折率約１．０より十分に大きい。そのため、基板に平行なＴＥ偏光での光閉じ込めの比屈折率は大きくなるため、ＴＥ偏光での伝搬モードはマルチモード化しやすく、非常に多くの実効屈折率でのＴＥ偏光の光閉じ込めモードが光伝搬できることになる。そのため、例え、ＴＭ偏光モードにおいて、信号光や励起光の伝搬モードとシングルモード（０次モード）に近づけて設計しても、ＴＭ偏光の実効屈折率に等しくなるＴＥ偏光の伝搬モード光は、存在できることになる。
　従って、光導波路の屈折率や構造の揺らぎによって、ＴＥ－ＴＭ偏波変換に起因するＴＭ偏光の光損失が発生しやすくなる。そのため、ＴＭ偏光でのオーバークラッドの屈折率を光導波路コアに近づけるだけでなく、ＴＥ偏光の屈折率を光導波路コアに近づけることにより、ＴＥ偏光での伝搬モード数を低減化させることにより、ＴＥ－ＴＭ偏波変換の光損失を低減化させることができ、光波長の広帯域化が実現できることになる。このような構成を実現するため、オーバークラッドの屈折率は、光導波路コアの屈折率の０％から２５％低い屈折率であることが望ましい。さらに、具体的には、オーバークラッドの屈折率は、光導波路コアの屈折率よりも０％以上、６％以下小さい範囲内にあることが望ましい。なお、ここでいう屈折率は、信号光及び制御光のオーバークラッドに対する屈折率、または光導波路コアに対する屈折率を指す。「光導波路コアよりも０％低い屈折率」は、光導波路コアと屈折率が等しいことを指す。
　次に、上記オーバークラッドの材質について説明する。オーバークラッド材料としては、波長変換素子の光導波路コア中を信号光及び光強度の強い励起光を入射させるため、使用する光波長に対して劣化が起こりにくい材料が望ましい。さらに、光導波路コアに隣接してオーバークラッドが作製されるため、光導波路コアと線熱膨張係数が近い材料が望ましく、光導波路コアに用いられる光非線形結晶材料と同様な無機材料、具体的には、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、ＫＮｂＯ３（ニオブ酸カリウム）、ＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチウム）、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１－ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）（不定比組成のタンタル酸リチウム）、またはＫＴｉＯＰＯ４（チタン酸リン酸カリウム）、さらに、それらにＺｒ(ジルコニウム)、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｓｃ（スカンジウム）、またはＩｎ（インジウム）、Ｚｒ(ジルコニウム)、Ｎｂ(ニオブ)、Ｔａ（タンタル)、Ｈｆ(ハフニウム)、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｔｉ(チタン)、Ｙ(イットリウム)、Ａｌ(アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｉ(シリコン）、から選ばれる少なくとも１つの酸化物を含有している無機材料であることが望ましい。
　また、光導波路コアの材料によっては、無機材料として光非線形系結晶等を用いる場合、線熱膨張係数が１０ｐｐｍ以上の比較的大きな線熱膨張係数を有することもある。その場合には、比較的大きな線熱膨張係数を有する有機材料を用いることもできる。より具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン等のポリオレフィン、ポリブタジエン、天然ゴム等のポリジエン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルビニルエーテル、ポリエチルビニルエーテル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリメタクリル酸ヘキシル、ポリメタクリル酸ドデシル等のビニル重合体、直鎖オレフィン系のポリエーテルや、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、及びその共重合体やブレンド体、エーテル基とスルホン基を混在させたポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、エーテル基とカルボニル基を混在させたポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、チオエーテル基を持つポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）やポリスルホン（ＰＳＯ）等のポリエーテル、及びその共重合体やブレンド体、またポリオレフィンの末端にＯＨ基、チオール基、カルボニル基、ハロゲン基等の置換基を少なくとも一つ有するもの、例えば、ＨＯ-（Ｃ-Ｃ-Ｃ-Ｃ-）ｎ-（Ｃ-Ｃ-(Ｃ-Ｃ-)ｍ）-ＯＨ等、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリオキシドやポリブチルイソシアナート、ポリフッ化ビニリデン等の高分子材料、さらには、エポキシ樹脂、オリゴマ物と硬化剤による架橋物がある。また、さらに、これらの材料を２種以上混合した混合物を使用してもよい。
　さらに付け加えるならば、ポリシロキサンまたはポリシロキサンの架橋物（一般には、シリコーン樹脂と呼ばれている）を用いてもよい。この材料は、屈折率の温度係数が大きいだけでなく、耐水性、長期安定性に優れ、本発明の光強度補償材料として最も適当なものである。
　ポリシロキサンは、下記一般式で示される。
　Ｒ１-((Ｒ４)Ｓｉ(Ｒ３)-Ｏ)-((Ｒ４)Ｓｉ(Ｒ３)-Ｏ)ｎ-((Ｒ４)Ｓｉ(Ｒ３)-Ｏ)-Ｒ２
　上式中で、左右両端のＲ１，Ｒ２は末端基を示し、水素、アルキル基、水酸基、ビニル基、アミノ基、アミノアルキル基、エポキシ基、アルキルエポキシ基、アルコキシエポキシ基、メタクリレート基、クロル基、アセトキシ基のいずれかからなる。
　シロキサン結合のＲ３、Ｒ４は側鎖基を示し、水素、アルキル基、アルコキシ基、水酸基、ビニル基、アミノ基、アミノアルキル基、エポキシ基、メタクリレート基、クロル基、アセトキシ基、フェニル基、フロロアルキル基、アルキルフェニル基及びシクロヘキサン基からなる。搭載するポリシロキサンは１種類でも複数の種類を混合してもよい。
　一方、ポリシロキサンの架橋物は、末端基がビニル基、水素、シラノール基、アミノ基、エポキシ基、カルビノール基を有する反応性ポリシロキサンとポリシロキサンを白金触媒、ラジカル、酸性、塩基等の存在下で反応させたものである。また、搭載するポリシロキサンを柔らかいゲル状にしたもの、及びゲル状のポリシロキサンに低分子量のポリシロキサンを含有させた複合物、高分子材料量のポリシロキサンと低分子量のポリシロキサンとを混合しておき架橋反応させたものも、使用することができる。
　次に、以上説明した光変換素子の作製方法について説明する。
　先ず、図２等に示した光導波路コアの作製方法について説明する。波長変換素子の作製方法としては、まず、波長変換材料である非線形光学結晶でせ作製されたウエハ基板の所望の位置にフォトリソグラフィ法を用いて、疑似位相整合条件を満たす周期分極反転構造を作製するための金属電極膜を作製し、直流高電界を印加することによって、周期分極反転を形成し、金属電極膜や絶縁膜を除去することにより、光導波路コア用ウエハを作製する。
　次に、基板上に、光導波路コア用ウエハを、プラズマ放電による表面活性化法や熱接合法を用いて貼り合わせた後、所望の膜厚に研削・研磨することによって、所望のコア厚に加工する。さらに、基板上の光導波路コア層の表面に、フォトレジスト材料による光導波路コアのパターンを形成し、Ａｒプラズマ等による真空下でのドライエッチング法により、コア層を所望のリッジ形状の光導波路コアに加工し、ピラニア洗浄等により、光導波路コアの表面のレジスト残渣等を洗浄除去する。
　次に、本実施形態で光導波路コアの表面に形成される、オーバークラッドの作製方法を説明する。その後、本実施形態は、リッジ形状となった波長変換素子の光導波路コア表面にオーバークラッドを形成する。オーバークラッドの形成方法としては、溶媒希釈や、液状化しない材料については、空環境下でのスパッタリング法や化学気相成長法（ＣＶＤ;Chemical Vapor Deposition）、真空蒸着法を用いることができ、溶媒溶解可能である材料や、熱溶融、化学反応による非流動化が可能な材料については、溶液状態におけるスピンコート法や、キャスト法等を用いることも可能である。
　以下、本開示を実施例により更に具体的に説明するが、本開示はこれら実施例に限定されない。
（実施例１）
　図５は、本発明における実施例１で用いた光導波路構造の断面の屈折率分布構成図を示す。図５は、オーバークラッドの構造と屈折率を分かり易くするために、オーバークラッドの実効屈折率ｎＯＣ＝１．６の場合の光導波路構造の断面の屈折率分布構成図を例示している。図５は、光導波路コアの断面の屈折率を画像の濃淡で示している。屈折率と濃淡との関係は、図中右側のバーにて示される。
　本実施例の波長変換装置では、信号光として光通信波長のＳ帯（Short-wavelength-Band)の４６０ｎｍから１５３０ｎｍ、Ｃ帯（conventional-band）の１５３０ｎｍから１５６５ｎｍ、L帯（Long-wavelength-band）の１５６５ｎｍから１６２５ｎｍにおいて、ＴＥ－ＴＭ変換が発生するかを検証するため、光波長１４００ｎｍから１７００ｎｍの広帯域での各ＴＥ、ＴＭモードでの光伝搬モードを解析し、ＴＥ－ＴＭモード変換損失の発生する波長帯の推定を行った。
　光伝搬モードの解析方法として、ＯｐｔｉＷａｖｅ社のＢＰＭ－ＣＡＤのＭｏｄｅ　Ｓｏｌｖｅｒを使用し、有限要素法を用いて解析した。光導波路断面構造としては、図５に示す光導波路コア１１をＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）とし、基板面に垂直な方向の異常屈折を有する結晶軸のＺカットとし、コア幅５．３μｍ、コア厚さ５．０μｍとした。基板１２は、ＬｉＴａＯ３（ＬＴ）を用いたＬＮ結晶とし、近接する基板の屈折率影響を低減させるために、光導波路コアをコア幅５．３μｍと同じ幅で高さ１．０μｍだけ基板１２の側離して設定し、凸状のリブ構造を基板１２の表面に形成した。コア幅、コア厚さについては、本実施例では、ＴＭ偏光での信号光がシングルモード伝搬が可能となるように設定したものであり、コア幅５．３μｍ、コア厚さ５．０μｍでなくとも、作製可能である。光導波路コア１１の表面に、膜厚１．０μｍのオーバークラッド３０１を形成し、基板１２の表面とオーバークラッド３０１の周囲の領域は大気（真空）と仮定し、屈折率１．０と仮定した。
　また、本実施例の光導波路断面構造において、オーバークラッド３０１の実効屈折率ｎＯＣ＝１．０から、光導波路コアのＴＭ方向（Ｚ軸方向）屈折率に隣接するｎＯＣ＝２．１まで変化させ、光波長１４００から１７００ｎｍの範囲での伝搬モードを計算し、それに伴う実効屈折率の波長依存性を計算した、このとき、信号光と励起光の偏光方向が同じである、タイプ１の波長変換素子と仮定し、基板面に垂直なＴＭ偏光モードと基板と平行なＴＥ偏光モードをそれぞれ解析しＴＭ偏光にて伝搬する信号光や励起光がＴＥ偏光モードの実効屈折率と同じ値を有するときに、ＴＥ－ＴＭ偏波変換が発生するためその光波長を求めた。
　図６から図１２は、オーバークラッドの実効屈折率ｎＯＣが、それぞれ１．０、１．２、１．４、１．６、１．８、２．０、２．１のときの、光波長１４００ｎｍから１７００ｎｍでの各ＴＥ、ＴＭ偏光の伝搬モードの実効屈折率を示す。このとき、相対的にピッチが大きい破線と●（ドット）との組み合わせは、ＴＭ偏光０次（基本）モードの実効屈折率を示し、信号光の実効屈折率に相当する。図６から図１１において、ＴＭ光モードの０次モードの光波長依存性以外は、ＴＥ偏光の各高次モードの実効屈折率の光波長依存性である。図６から図１２のとおり、ＴＭ０次モードとＴＥ各高次モードの実効屈折率の交点近傍において、光導波路の伝搬モードの摂動により、ＴＥモード光とＴＭモード光の光エネルギー変換がおこり、ＴＥ－ＴＭ変換損失が発生する。つまり、ＴＥモード光とＴＭモード光の実効屈折率の交点が、ＴＥ－ＴＭ変換損失の光波長となる。
　その結果、オーバークラッドの屈折率ｎＯＣが１．０から、コア屈折率近傍の２．１に向かって大きくなるに従い、交点のない、つまりＴＥ－ＴＭ変換が発生しない波長帯が広がってくる。
　図１３は、ＴＥ－ＴＭ変換損失の発生波長となるＴＭ伝搬０次モードとＴＥ伝搬モードとの交点を有する領域の長波長側を▲（三角）にて、短波長側を■（四角）にて図示した。つまり図１３の実線領域が、ＴＥ－ＴＭ変換損失が発生しない領域であることになる。図１３においては、光通信にて利用されるＳ帯、Ｃ帯、Ｌ帯の波長帯域についても合わせて図示した。
　図１３より、Ｃ帯全域で本実施例の波長変化素子を使用できるようにするためには、オーバークラッドの屈折率ｎＯＣが１．６より大きくなればよいこと、つまり光導波路コアの実効屈折率よりも０％から２５％小さい屈折率にする必要がある。さらに、Ｓ帯、Ｃ帯、Ｌ帯の全波長帯域にておいて波長変換素子を使用するためには、オーバークラッドの屈折率ｎＯＣが２．０より大きくなればよいこと、つまり光導波路コアの実効屈折率よりも０％から６％小さい屈折率にする必要がある。このように、本実施例によれば、オーバークラッド形成と屈折率制御が、波長変換素子の光波長の広帯域化に必要であることが見出された。
１ａ　信号光
１ｂ　制御光
１ｃ　差周波光
１０　基本構成
１１　光導波路コア
１１ａ　上面
１１ｂ　側面
１１ｃ　断面
１２　基板
１２ａ　上面
１３　波長変換素子
１４　合波器
１５　分波器
２０　波長変換装置
２６　温度制御素子
２７　支持部材
２８　金属筐体底面部材
２９　蓋体部材
１０１　基板
１０３　光導波路コア
３０１　オーバークラッド

Claims (4)

  1. 　信号光が入力され、前記信号光と異なる波長の光を発生させる波長変換装置であって、
    　光導波路コアと、前記光導波路コアよりも前記信号光に対して低い屈折率を有する基板と、を含み、前記信号光の波長を変換する波長変換素子と、
    　前記光導波路コアの表面の少なくとも一部に形成され、前記信号光と、前記信号光と合波される制御光の光波長に対して前記光導波路コアよりも屈折率の低いオーバークラッド層と、
    　前記波長変換素子の温度を制御するための温度制御素子と、を含むことを特徴とする波長変換装置。
  2. 　前記オーバークラッド層の屈折率は、前記光導波路コアの屈折率よりも０％以上、２５％以下低い範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
  3. 　前記オーバークラッド層は、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、ＫＮｂＯ３（ニオブ酸カリウム）、ＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチウム）、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１－ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）（不定比組成のタンタル酸リチウム）、またはＫＴｉＯＰＯ４（チタン酸リン酸カリウム）、さらに、それらにＺｒ(ジルコニウム)、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｓｃ（スカンジウム）、またはＩｎ（インジウム）Ｚｒ(ジルコニウム)、Ｎｂ(ニオブ)、Ｔａ（タンタル)、Ｈｆ(ハフニウム)、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｔｉ(チタン)、Ｙ(イットリウム)、Ａｌ(アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｉ(シリコン）、から選ばれる少なくとも１つの酸化物、
    また、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン等のポリオレフィン、ポリブタジエン、天然ゴム等のポリジエン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルビニルエーテル、ポリエチルビニルエーテル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリメタクリル酸ヘキシル、ポリメタクリル酸ドデシル等のビニル重合体、直鎖オレフィン系のポリエーテルや、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、及びその共重合体やブレンド体、エーテル基とスルホン基を混在させたポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、エーテル基とカルボニル基を混在させたポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、チオエーテル基を持つポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）やポリスルホン（ＰＳＯ）等のポリエーテル、及びその共重合体やブレンド体、またポリオレフィンの末端にＯＨ基、チオール基、カルボニル基、ハロゲン基等の置換基を少なくとも一つ有するもの、エポキシ樹脂、オリゴマ物と硬化剤による架橋物、もしくは以上の材料を２種以上混合した混合物、を含有している、請求項１または２に記載の波長変換装置。
  4. 　前記光導波路コアは、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）を用い、前記基板として、ＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチウム）を用い、前記光導波路コアの表面に、前記信号光と制御光の光波長において、前記光導波路コアよりも屈折率が０％以上、２５％以下低い範囲にある前記オーバークラッド層を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換装置。
PCT/JP2022/020283 2022-05-13 2022-05-13 波長変換装置 Ceased WO2023218667A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US18/865,583 US20250314943A1 (en) 2022-05-13 2022-05-13 Wavelength Converter
PCT/JP2022/020283 WO2023218667A1 (ja) 2022-05-13 2022-05-13 波長変換装置
JP2024520237A JPWO2023218667A1 (ja) 2022-05-13 2022-05-13

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2022/020283 WO2023218667A1 (ja) 2022-05-13 2022-05-13 波長変換装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023218667A1 true WO2023218667A1 (ja) 2023-11-16

Family

ID=88730233

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2022/020283 Ceased WO2023218667A1 (ja) 2022-05-13 2022-05-13 波長変換装置

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20250314943A1 (ja)
JP (1) JPWO2023218667A1 (ja)
WO (1) WO2023218667A1 (ja)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7492507B1 (en) * 2008-08-15 2009-02-17 Corning Incorporated Wavelength conversion devices and fabrication methods for the same
JP2019101299A (ja) * 2017-12-05 2019-06-24 日本放送協会 光偏向装置
WO2020095754A1 (ja) * 2018-11-06 2020-05-14 日本電信電話株式会社 波長変換装置
WO2020100937A1 (ja) * 2018-11-16 2020-05-22 日本電信電話株式会社 波長変換素子およびその作製方法
WO2020105509A1 (ja) * 2018-11-20 2020-05-28 日本電信電話株式会社 波長変換装置
WO2020240676A1 (ja) * 2019-05-27 2020-12-03 日本電信電話株式会社 波長変換光学素子

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6228507B2 (ja) * 2014-04-30 2017-11-08 日本電信電話株式会社 波長変換素子

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7492507B1 (en) * 2008-08-15 2009-02-17 Corning Incorporated Wavelength conversion devices and fabrication methods for the same
JP2019101299A (ja) * 2017-12-05 2019-06-24 日本放送協会 光偏向装置
WO2020095754A1 (ja) * 2018-11-06 2020-05-14 日本電信電話株式会社 波長変換装置
WO2020100937A1 (ja) * 2018-11-16 2020-05-22 日本電信電話株式会社 波長変換素子およびその作製方法
WO2020105509A1 (ja) * 2018-11-20 2020-05-28 日本電信電話株式会社 波長変換装置
WO2020240676A1 (ja) * 2019-05-27 2020-12-03 日本電信電話株式会社 波長変換光学素子

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2023218667A1 (ja) 2023-11-16
US20250314943A1 (en) 2025-10-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Efficient second harmonic generation in a reverse‐polarization dual‐layer crystalline thin film nanophotonic waveguide
JP5164192B2 (ja) 光導波路基板および高調波発生デバイス
US11754908B2 (en) Devices and methods for giant single-photon nonlinearities
WO2020095754A1 (ja) 波長変換装置
JP7160194B2 (ja) 波長変換素子
JP7473850B2 (ja) 波長変換装置
Sun et al. Experimental investigation on the unbalanced Mach–Zehnder interferometer on lithium niobate thin film
JP6228507B2 (ja) 波長変換素子
Li et al. Heterogeneous integration of amorphous silicon carbide on thin film lithium niobate
JP7127472B2 (ja) 波長変換素子の作製方法
CN113612108B (zh) 一种基于斜切非线性晶体脊型波导的频率转换器及其制备方法
Chen et al. Analysis of cascaded second-order nonlinear interaction based on quasi-phase-matched optical waveguides
WO2023218667A1 (ja) 波長変換装置
JP6348439B2 (ja) 波長変換素子
JP7553868B2 (ja) 波長変換装置及び波長変換装置の製造方法
WO2023218646A1 (ja) 波長変換システム
US20240152025A1 (en) Optical Wavelength Conversion Device
JP7846421B2 (ja) 波長変換素子の製造方法
JP7849628B2 (ja) 光導波路素子およびその製造方法
JP7617478B2 (ja) 波長変換素子
Yusof et al. The Influence of Crystal Orientation Variation towards the Modal Phase Matching Condition in Lithium Niobate on Insulator Waveguide.
Inman et al. Efficient Light Generation in Ultraviolet-A Band on Chip
Zhang et al. High‐Efficiency Second Harmonic and Third Harmonic Generation in Dual Periodically Poled Lithium Niobate Waveguides
Yan et al. Second-order nonlinear frequency conversion in lithium niobate waveguides: principles, fabrication, and recent advances
WO2026004145A1 (ja) 光導波路

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22941743

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2024520237

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18865583

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 22941743

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 18865583

Country of ref document: US