WO2024075304A1 - 波長変換素子及び波長変換方法 - Google Patents

波長変換素子及び波長変換方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2024075304A1
WO2024075304A1 PCT/JP2022/037728 JP2022037728W WO2024075304A1 WO 2024075304 A1 WO2024075304 A1 WO 2024075304A1 JP 2022037728 W JP2022037728 W JP 2022037728W WO 2024075304 A1 WO2024075304 A1 WO 2024075304A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical waveguide
heater
wavelength conversion
width
conversion element
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/037728
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
花奈 住原
貴大 柏崎
真志 阿部
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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 日本電信電話株式会社 filed Critical 日本電信電話株式会社
Priority to PCT/JP2022/037728 priority Critical patent/WO2024075304A1/ja
Publication of WO2024075304A1 publication Critical patent/WO2024075304A1/ja

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

Definitions

  • the present invention relates to a wavelength conversion element and a wavelength conversion method that uses a heater to compensate for the decrease in wavelength conversion efficiency of an optical waveguide.
  • Nonlinear optical devices and electro-optical devices are underway to generate and modulate coherent light for use in applications such as wavelength conversion of optical signals in optical communications, optical modulation, optical measurement, optical processing, medical care, and bioengineering.
  • the wavelengths of the coherent light required span the ultraviolet, visible, infrared, and terahertz ranges. Among these, there is a wavelength range of visible light around 0.5 ⁇ m that is difficult to achieve with semiconductor lasers.
  • Coherent light in this wavelength range can be generated by wavelength conversion that generates visible light such as green by second harmonic generation or sum frequency generation using an excitation light source with a wavelength of around 1 ⁇ m. Wavelength conversion elements that perform this type of wavelength conversion are described, for example, in Patent Document 1 and Patent Document 2.
  • the wavelength conversion elements described in Patent Documents 1 and 2 each include an optical waveguide made of a second-order nonlinear optical crystal, and a heater disposed in the optical waveguide.
  • the heater heats the optical waveguide to partially change the refractive index of the optical waveguide. This configuration can suppress deviations in phase-matched wavelengths due to heat generated by the optical waveguide or manufacturing errors, and can increase the wavelength conversion efficiency.
  • one embodiment of the wavelength conversion element disclosed herein includes a substrate, a nonlinear optical waveguide formed on the substrate, and a heater formed along the propagation direction of light passing through the optical waveguide and supplying heat to the optical waveguide, the optical waveguide having a shape in which at least one of the width and thickness, which are directions intersecting the propagation direction, is nonuniform, and the heater supplies heat to the optical waveguide to correct the nonuniformity of the amount of phase mismatch caused by the nonuniformity of the shape of the optical waveguide so as to reduce it.
  • a wavelength conversion method is a method for converting the wavelength of light using a wavelength conversion element including a substrate, a nonlinear optical waveguide formed on the substrate, and a heater formed along the propagation direction of light passing through the optical waveguide and supplying heat to the optical waveguide, wherein the optical waveguide has a shape in which at least one of the width and thickness, which are directions intersecting the propagation direction, is nonuniform, and the heater supplies heat to the optical waveguide to correct for nonuniformity in the amount of phase mismatch caused by nonuniformity in the shape of the optical waveguide.
  • the above embodiment provides a wavelength conversion element and a wavelength conversion method that can adjust the refractive index to a higher degree of precision in accordance with the shape of the optical waveguide, thereby improving the wavelength conversion efficiency.
  • Graph (a) is a graph showing the relationship between the length and width of an optical waveguide in the direction of light propagation
  • graph (b) is a graph showing the relationship between the length and thickness of an optical waveguide in the direction of light propagation
  • graph (c) is a graph showing the wavelength of light output from the optical waveguide on the horizontal axis and the spectral intensity of this light on the vertical axis.
  • 1A, 1C, and 1E are schematic perspective views showing an optical waveguide or a heater for heating an optical waveguide
  • 1B, 1D, and 1F are diagrams showing the relationship between the spectrum intensity and wavelength of light output from the corresponding optical waveguide.
  • 1A to 1D are perspective views illustrating a wavelength conversion element applied to the present disclosure.
  • FIG. 4A to 4D are perspective views for explaining a configuration in which an insulating layer is provided between an optical waveguide and a heater in the wavelength conversion element of FIG. 3A to FIG.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining correction of the amount of phase mismatch depending on the area of a heater. 13 is a diagram for explaining correction of the amount of phase mismatch depending on the distance between a heater and an optical waveguide.
  • FIG. 1A is a graph showing the relationship between the position Z in the light propagation direction and the width of the optical waveguide
  • FIG. 1B is a graph showing the wavelength conversion efficiency of the ideal wavelength conversion element shown in FIG. 1A and the wavelength conversion efficiency of an actual wavelength conversion element
  • FIG. 1A is a graph showing the relationship between the position Z in the light propagation direction and the width of the optical waveguide
  • FIG. 1B is a graph showing the wavelength conversion efficiency of the ideal wavelength conversion element shown in FIG. 1A and the wavelength conversion efficiency of an actual wavelength conversion element
  • 1C is a graph showing the calculation value of the appropriate temperature gradient for increasing the wavelength conversion efficiency of the actual wavelength conversion element.
  • 1A is a conceptual diagram of a wavelength conversion element used in a first embodiment
  • FIG. 1B is an enlarged top view of a portion of the wavelength conversion element shown in FIG.
  • (a) is a graph showing the temperature measured directly under the heater of the first embodiment.
  • (b) is a graph for explaining the effect of correction of wavelength conversion efficiency by the heater of the first embodiment.
  • (c) is a graph showing the temperature measured directly under the heater for three types of heaters made of different materials.
  • 11 is a graph showing the relationship between the position of the heater in the light propagation direction and the temperature directly below the heater.
  • FIG. 11 is a top view for explaining a wavelength conversion element according to a second embodiment.
  • Graph (a) shows the relationship between temperature and position on the Z axis along a virtual line 1 ⁇ m below the heater, and graph (b) shows the relationship between the wavelength of the second harmonic corrected by the heater and the spectrum intensity.
  • 13 is a graph showing the results of confirming the dependency of characteristics of a distance control type heater on the material.
  • Waveguide-type nonlinear optical media provide high output power, but the uniformity of the shape of the optical waveguide affects the wavelength conversion characteristics.
  • the uniformity of the optical waveguide in the direction toward the light propagation direction affects wavelength conversion elements that use quasi-phase matching.
  • uniformity of shape includes the constancy of the shape and size in the direction intersecting the light propagation direction of the optical waveguide, that is, the constancy of the width and thickness.
  • the width and thickness of an optical waveguide being constant means that the width and thickness are constant from the input to the output of the optical waveguide, and an optical waveguide whose width or thickness changes from the input to the output is called an optical waveguide with a non-uniform shape.
  • FIG. 1(a) is a graph showing the length of the assumed optical waveguide in the light propagation direction on the horizontal axis and the width on the vertical axis.
  • FIG. 1(b) is a graph showing the length of the optical waveguide in the light propagation direction on the horizontal axis and the thickness on the vertical axis, and
  • FIG. 1(c) is a graph showing the wavelength of light output from the optical waveguide on the horizontal axis and the spectrum intensity of this light on the vertical axis.
  • the dashed lines c1, c3, and c5 are all data for optical waveguides formed as designed (hereinafter, also referred to as "ideal optical waveguides").
  • the solid lines c2, c4, and c6 are all data for optical waveguides with non-uniform width and thickness shown in FIG. 1(a) and FIG. 1(b).
  • the peak of the optical conversion efficiency of the ideal optical waveguide is approximately 5.5 ⁇ 10 22 (arbitrary units).
  • E 2 ⁇ is the electric field amplitude of the second harmonic (SHG)
  • L is the length of the optical waveguide
  • d is the nonlinear optical constant of the second harmonic
  • ⁇ is the phase mismatch amount
  • ⁇ SHG is the wavelength of the second harmonic
  • ⁇ F is the wavelength of the fundamental wave
  • n SHG is the effective refractive index of the second harmonic
  • n F is the effective refractive index of the fundamental wave.
  • an optical waveguide (also referred to as an "actual optical waveguide") having manufacturing errors in the width direction indicated by the solid line c2 in FIG. 1(a) and the thickness direction indicated by the solid line c4 in FIG. 1(b).
  • the width of the optical waveguide differs from the design value by about ⁇ 1.5 ⁇ m.
  • the thickness of the optical waveguide differs from the design value by about -0.8 ⁇ m to 0.3 ⁇ m.
  • the electric field amplitude E 2 ⁇ of the second harmonic is calculated using equations (1) and (2).
  • the wavelength conversion efficiency of the actual optical waveguide is about 44% of the wavelength conversion efficiency of the ideal optical waveguide, as shown in FIG. 1(c). That is, in order to realize the ideal wavelength conversion efficiency, it is necessary to manufacture the optical waveguide so that the width and thickness are constant with respect to the propagation direction of light.
  • oxide-based compound substrates such as lithium niobate have very high second-order nonlinear optical constants and electro-optic constants, and are promising materials.
  • an optical device using the high nonlinearity of lithium niobate a wavelength conversion element using second harmonic generation, difference frequency generation, and sum frequency generation by quasi-phase matching is known.
  • Non-Patent Document 1 describes the following formula (3) which represents the refractive index of Ln.
  • n i is the refractive index of zinc oxide (ZnO)-doped LN
  • a x and ⁇ 0 are constants
  • C NbLi is the proportion of Li 2 O in LN.
  • F in formula (3) is a parameter that depends on temperature.
  • Non-Patent Document 2 describes the following formula (4) which shows the refractive index of LT.
  • n e is the refractive index of LT
  • ⁇ is the wavelength
  • A, B, ⁇ A , ⁇ B and C are constants obtained from temperature.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 have investigated how to reduce the non-uniformity of the phase mismatch amount caused by non-uniformity in at least one of the width and thickness of the optical waveguide by using the heating temperature of a heater, and correct it with higher accuracy than the configurations described in Patent Documents 1 and 2. This will be explained in detail below.
  • 2(a), 2(b), 2(c), 2(d), 2(e) and 2(f) are diagrams for explaining the basic concept of the present disclosure.
  • 2(a), 2(c) and 2(e) are schematic perspective views showing an optical waveguide or a heater for heating an optical waveguide, and in each case, the optical waveguide is formed on a substrate 1.
  • 2(b), 2(d) and 2(f) are schematic graphs showing the spectrum intensity of light output from the corresponding optical waveguide on the vertical axis and the wavelength on the horizontal axis.
  • the Z axis shows the propagation direction of light in the waveguide.
  • the length in the propagation direction of light is referred to as the length of the waveguide.
  • the width of the optical waveguide is parallel to the substrate 1 and perpendicular to the propagation direction of light.
  • the thickness of the optical waveguide is the length in the direction perpendicular to the length and width.
  • the "shape" of an optical waveguide is determined by the combination of the length, width, and thickness of the optical waveguide.
  • FIG. 2(a) is a perspective view of an ideal optical waveguide 21 with a constant width over its entire length.
  • the wavelength conversion efficiency in FIG. 2(b) corresponding to the optical waveguide 21 is also referred to as the "ideal value".
  • the ideal value refers to the highest wavelength conversion efficiency calculated from the designed waveguide structure.
  • an optical waveguide 22 with an inconstant width may be formed as shown in FIG. 2(b). It is clear that the wavelength conversion efficiency of the optical waveguide 22 is lower than the optical waveguide efficiency shown in FIG. 2(b), as shown in FIG. 2(d). Note that in actual optical waveguides, not only the width may be inconsistent as in the optical waveguide 22, but the thickness may also be inconsistent. It is also known that the wavelength conversion efficiency decreases when the thickness of the optical waveguide is inconsistent.
  • the inventors of the present disclosure form a heater 3 that supplies heat to the optical waveguide 22 in the vicinity of the actual optical waveguide 22, as shown in FIG. 2(e).
  • This embodiment is premised on the assumption that the optical waveguide 22 is an actual optical waveguide having a non-uniform shape in the light propagation direction.
  • the heater 3 supplies heat to the optical waveguide 22, thereby correcting the non-uniformity of the phase mismatch amount caused by the non-uniformity of the shape of the optical waveguide 22 so as to reduce it.
  • the heater 3 of this embodiment has parts that supply different amounts of heat to the optical waveguide 22 along the light propagation direction.
  • FIG. 2(f) shows the conversion efficiency of the optical waveguide 22 heated by the distributed heater 3. It is clear from FIG. 2(f) that heating the optical waveguide 22 with the distributed heater 3 obtains a higher wavelength conversion efficiency than that shown in FIG. 2(d).
  • the degree of non-uniformity of the shape of the optical waveguide is not particularly limited.
  • the degree of non-uniformity is arbitrary as long as the wavelength conversion efficiency is lower than that obtained by an ideal optical waveguide.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 it is possible to obtain the optimal temperature of an optical waveguide that increases wavelength conversion efficiency. Therefore, if the optical waveguide has a uniform waveguide width and thickness, the obtained optimal temperature will be uniform. However, the optimal temperature varies locally depending on the width and thickness of the optical waveguide.
  • the first and second embodiments propose to set each part of the optical waveguide to an optimal temperature for increasing the wavelength conversion efficiency depending on the width and thickness, and to compensate for the effect of reduced wavelength conversion efficiency due to manufacturing errors.
  • FIG. 3(a), 3(b), 3(d) and 3(e) are perspective views for explaining a wavelength conversion element applied to the present disclosure.
  • the wavelength conversion elements shown in FIG. 3(a) to FIG. 3(d) are each provided with a substrate 11 or a substrate 12, an optical waveguide 25 or an optical waveguide 26, and any of heaters 31a, 31b, 32a and 32b.
  • the wavelength conversion elements in FIG. 3(a) and FIG. 3(c) are configured such that the optical waveguide 25 protrudes from the surface of the substrate 11.
  • Such a configuration is also called a strip type or a ridge type.
  • the wavelength conversion elements in FIG. 3(b) and FIG. 3(d) are configured such that the optical waveguide 26 is not exposed from the surface of the substrate 12.
  • Such a configuration is also called an embedded type.
  • the heaters 31a, 31b, 32a, and 32b shown in Fig. 3(a) to Fig. 3(d) are all distributed heaters, and correct the non-uniformity of the phase mismatch amount caused by the non-uniformity of the shape of the optical waveguide based on the amount of heat supplied to the optical waveguide so as to reduce it.
  • the heaters 31a, 31b, 32a, and 32b are all formed along the direction of light propagation, but the heater 31a shown in Fig. 3(a) and the heater 32a shown in Fig. 3(b) are arranged on the side of the optical waveguide 25 or the optical waveguide 26.
  • the heaters 31b shown in Fig. 3(c) and the heater 32b shown in Fig. 3(d) are arranged above the optical waveguide 25 or the optical waveguide 26, and in particular, directly above the optical waveguide 25 or the optical waveguide 26, and are in contact with the optical waveguide 25 or the optical waveguide 26.
  • the waveguide is of the ridge type or the buried type, an oxide-based compound substrate such as lithium niobate ( LiNbO3 ) can be used as the substrate 11.
  • the ridge type waveguide contains at least one of LiNbO3 , KNbO3 , LiTaO3 , LiNb( x )Ta( 1-x ) O3 (0 ⁇ x ⁇ 1) or KTiOPO4 as a material, or such a material may contain at least one of the group consisting of Mg, Zn, Sc and In as an additive.
  • the heaters 31a, 31b, 32a, and 32b may be made of any one of gold (Au), copper (Cu), iron (Fe), titanium (Ti), nickel (Ni), and chromium (Cr), or an alloy containing at least one of these.
  • Au gold
  • Cu copper
  • Fe iron
  • Ti titanium
  • Ni nickel
  • Cr chromium
  • an insulating layer may be provided between the heaters 31a, 31b, 32a, and 32b and the optical waveguide.
  • Figures 4(a), 4(b), 4(c) and 4(d) are perspective views of wavelength conversion elements in which an insulating layer 41 is provided between the heater and the optical waveguide.
  • Figure 4(a) shows a wavelength conversion element in which an insulating layer 41 is provided between the optical waveguide 25 and the heater 31a shown in Figure 3(a).
  • Figure 4(b) shows a wavelength conversion element in which an insulating layer 41 is provided between the optical waveguide 26 and the heater 32a shown in Figure 3(b)
  • Figure 4(c) shows a wavelength conversion element in which an insulating layer 41 is provided between the optical waveguide 25 and the heater 31b shown in Figure 3(c)
  • Figure 4(d) shows a wavelength conversion element in which an insulating layer 41 is provided between the optical waveguide 26 and the heater 32b shown in Figure 3(d).
  • the insulating layer 41 is also provided in the configurations in which heaters are provided to the sides of the optical waveguide, as shown in FIG. 3(a) and FIG. 3(b), because the insulating layer 41 has the effect of protecting the optical waveguide even when the heater is on the side.
  • FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the correction of the amount of phase mismatching according to the area of the heater.
  • Fig. 5 shows a configuration in which a heater 310 is provided on the side of the optical waveguide 250, taking the configuration shown in Fig. 3(a) as an example.
  • the heater 310 is shown enlarged at a larger magnification than the optical waveguide 250 in order to clearly show the configuration of the first embodiment.
  • the optical waveguide 250 does not have a constant width along the light propagation direction Z, and has a large width portion wa and a small width portion wb. There is no specific width regulation for the large width portion wa and the small width portion wb.
  • the large width portion wa is the region where the two outer edges e1, e2 of the optical waveguide 250 in the Z-axis direction each include a portion that is convex toward the outside, and the small width portion wb is the region where each includes a portion that is convex toward the inside.
  • the large width portion wa does not include a portion where the outer edges e1, e2 are convex toward the inside
  • the small width portion wb does not include a portion where the outer edges e1, e2 are convex toward the outside.
  • FIG. 5 some of the large width portions and small width portions are indicated with the symbols wa and wb for ease of viewing the drawing.
  • the heater 310 shown in FIG. 5 has a large portion wc and a small portion wd along the Z direction, similar to the optical waveguide 250.
  • the large portion wc is a region of the heater 31a where the two outer edges e3 and e4 of the heater 310 each include a portion that is convex toward the outside.
  • the small portion wd is a region of the heater 310 where the two outer edges e3 and e4 of the heater 310 each include a portion that is convex toward the inside.
  • the large portion wc and the small portion wd do not include a portion where the outer edges e3 and e4 are convex toward the inside, and the small portion wd does not include a portion where the outer edges e3 and e4 are convex toward the outside.
  • the large portion wc and the small portion wd are formed alternately, and in FIG. 5, some of the large portions and small portions are indicated with the symbols wc and wd for ease of viewing.
  • the heater 310 is also provided with a large portion wc and a small portion wd.
  • the large portion wc retains more heat than the small portion wd, and can retain a larger amount of heat than the small portion wd.
  • the large portion wa of the optical waveguide 250 and the large portion wc of the heater 310 are arranged to coincide with the Y direction in the figure, and the large portion wa is heated by the large portion wc, and the small portion wb is heated by the small portion wd. In this way, the temperature of each portion of the optical waveguide 250, which has a non-uniform width, can be adjusted to the phase matching temperature, and the wavelength conversion efficiency of the optical waveguide 250 can be improved.
  • the width of the portion of the heater 310 close to the portion of the waveguide 310 that should be kept relatively hot is made wider, so that the heater 310 can retain a larger amount of heat.
  • the width of the portion of the heater 310 close to the portion of the waveguide 310 that should be kept relatively cold is made narrower.
  • Such a heater 310 controls the temperature of the optical waveguide 250 by its area, and makes it possible to set the temperature of each portion of the optical waveguide 310 so that the amount of phase mismatch is the same.
  • the heater of the first embodiment is also referred to as an "area-controlled heater.”
  • the preferred width of the area-controlled heater is expressed as a polynomial of the width and thickness of the optical waveguide.
  • the following equation (5) can be used as the polynomial.
  • w TO refers to the width of the heater
  • w i refers to the width of the i-th part of the optical waveguide
  • d i refers to the thickness of the i-th part of the optical waveguide.
  • ⁇ and ⁇ are coefficients. According to formula (5), it is possible to easily design the area-controlled heater according to the shape of the optical waveguide.
  • FIG. 6 is a top view for explaining a wavelength conversion element of the second embodiment.
  • the correction of the phase mismatch amount by the heater is performed according to the distance between the heater and the optical waveguide.
  • the wavelength conversion element of the second embodiment includes an optical waveguide 250 having a large width portion wa and a small width portion wb, and a heater 311.
  • the heater 311 has a certain width and has a close portion 311a whose distance to the optical waveguide 250 is relatively short, and a remote portion 311b whose distance to the optical waveguide 250 is relatively far.
  • the close portion 311a coincides with the large portion wa in the Y direction
  • the remote portion 311b coincides with the small width portion wb in the Y direction.
  • the distance between the large portion wa and the close portion 311a is da
  • the distance between the small width portion wb and the remote portion 311b is db.
  • the distance between the optical waveguide 250 and the heater 311 refers to the distance between an edge e 5 of the optical waveguide 250 facing the heater 311 and an edge e 6 of the heater 311 facing the optical waveguide 250 .
  • the heater 311 of the second embodiment is formed in a shape that provides an optimal distance from the optical waveguide, where the phase mismatch between the large width portion wa and the small width portion wb is the same. That is, the heater 311 is formed in a shape that is close to the portion of the optical waveguide 250 that should be relatively high temperature, and is far from the portion of the optical waveguide 250 that should be relatively low temperature. That is, in the second embodiment, the temperature of the optical waveguide 250 is controlled by the distance between the optical waveguide 250 and the heater 311, and a desired temperature gradient can be provided to the optical waveguide 250.
  • the heater of the second embodiment is hereinafter also referred to as a "distance-controlled heater.”
  • the distance between the preferred optical waveguide and the heater for the distance control type is expressed as a polynomial of the width and thickness of the optical waveguide.
  • the following equation (6) can be used as the polynomial.
  • D TO indicates the distance between the optical waveguide and the heater
  • w i indicates the width of the i-th part of the optical waveguide
  • d i indicates the thickness of the i-th part of the optical waveguide.
  • ⁇ and ⁇ are coefficients. According to formula (6), it is possible to easily design a distance-controlled heater according to the shape of the optical waveguide.
  • the first embodiment relates to a wavelength conversion element equipped with an area-controlled heater.
  • the first embodiment is based on a simulation experiment conducted to investigate the heat propagation in an LN substrate. For this reason, while the actual optical waveguide is about 8 ⁇ m wide x 8 ⁇ m thick x 4.3 cm long, the first and second embodiments are simulated with a heater placed on a large LN heat bath. In this setting, a gold heater is provided on a lithium niobate substrate with a width of 1 cm, a thickness of 500 ⁇ m and a length of 43 cm.
  • Figures 7(a), 7(b) and 7(c) are all diagrams for explaining the first embodiment.
  • Figure 7(a) is a graph showing the relationship between position Z in the light propagation direction and the width of the actual optical waveguide assumed in the first embodiment, with the horizontal axis showing position Z in the propagation direction and the vertical axis showing width.
  • Figure 7(b) is a graph showing the wavelength conversion efficiency of the ideal wavelength conversion element shown in Figure 7(a) and an actual wavelength conversion element, with the horizontal axis showing the wavelength of the output light and the vertical axis showing the spectrum intensity of the light.
  • Figure 7(c) is a graph showing the calculated value of the appropriate temperature gradient for increasing the wavelength conversion efficiency of the actual wavelength conversion element, with the horizontal axis showing position Z in the light propagation direction of the LN substrate and the vertical axis showing the temperature of the LN substrate.
  • the dashed line c7 in Figure 7(a) shows the width of the optical waveguide of an ideal wavelength conversion element, indicating that the width of the optical waveguide is constant within the measurement range.
  • An ideal wavelength conversion element has an optical waveguide with a thickness of 8 ⁇ m and a width of 8.4 ⁇ m, and achieves ideal wavelength conversion efficiency when the temperature is constant at 40°C.
  • the solid line c8 in Figure 7(a) shows the actual width of the optical waveguide. It can be seen from the solid line c8 that the width of the actual optical waveguide assumed in the first embodiment increases at a constant rate in the direction of light propagation.
  • the dashed line c9 in Figure 7(b) shows the wavelength conversion efficiency of an ideal wavelength conversion element
  • the solid line c10 shows the wavelength conversion efficiency of an actual wavelength conversion element.
  • the wavelength conversion efficiency of the actual wavelength conversion element is lower than that of the ideal wavelength conversion element, specifically, it is significantly lower at 25.8%.
  • the temperature gradient required to correct such wavelength conversion efficiency has a constant slope, as shown in Figure 7(c).
  • Figure 8(a) is a perspective view showing an image of an actual wavelength conversion element of the first embodiment.
  • Figure 8(b) is a top view showing an enlarged view of range VIIb shown in Figure 8(a).
  • the heater 71 is formed on an LN substrate 75 assumed to be an optical waveguide, with the length of the side 71a facing the light propagation direction being 1 ⁇ m, the length of the opposite side 71b being 5 ⁇ m, the length between the sides 71a and 71b being 4.3 cm, and the thickness being 1 ⁇ m.
  • a heat quantity of 2.5 W is supplied to the heater 71, and the temperature of the bottom surface of the lithium niobate substrate is kept constant (25°C).
  • FIG. 9(a) and 9(b) are graphs for explaining the results of the simulation experiment performed in the first embodiment.
  • FIG. 9(a) is a graph showing the temperature directly below the heater 71, with the horizontal axis showing the position Z in the light propagation direction and the vertical axis showing the temperature.
  • FIG. 9(b) is a graph for explaining the effect of correction of the wavelength conversion efficiency by the heater 71 of the first embodiment, with the horizontal axis showing the wavelength of the second harmonic output and the vertical axis showing the light intensity.
  • the temperature directly below the heater 71 changes with a constant gradient from about 30°C to 50°C in the range from side 71a to side 71b of the heater 71.
  • FIG. 9(c) is a graph showing the temperature measured directly below three types of heaters 71 made of different materials, similar to FIG. 9(a), with the horizontal axis showing the position Z in the light propagation direction and the vertical axis showing the temperature.
  • the dashed line c11 in FIG. 9 indicates the spectral intensity (ideal value) of the second harmonic of a wavelength conversion element with an ideal optical waveguide.
  • the ideal optical waveguide refers to an optical waveguide having the same length and thickness as the optical waveguide of the first embodiment, manufactured from the same material, and having a constant width.
  • the solid line c13 indicates the spectral intensity of the second harmonic output from the optical waveguide of the wavelength conversion element in which the heater 71 is removed from the configuration shown in FIG. 8(a) and FIG. 8(b).
  • the dashed line c12, which is finer than the dashed line c11, indicates the spectral intensity of the second harmonic output from the optical waveguide of the first embodiment, which has been corrected by the heater 71. According to FIG. 9(b), it was confirmed that the wavelength conversion element of the first embodiment, in which the phase mismatch amount is corrected by the heater 71, can obtain a wavelength conversion efficiency of 99.3% of the ideal value.
  • the relationship between the position Z in the light propagation direction and the temperature directly below the heater was confirmed for heaters made of gold, copper, and iron.
  • the plot ⁇ in FIG. 9(c) is data for a heater made of gold.
  • the plot ⁇ is data for a heater made of copper, and the plot ⁇ is data for a heater made of iron. It can be seen that the relationship between the temperature directly below the heater in the first embodiment and the position in the light propagation direction is roughly similar regardless of the heater material.
  • Figure 10 is a graph showing the position Z of the heater in the light propagation direction on the horizontal axis and the temperature directly below the heater on the vertical axis.
  • the temperature when the heater is placed directly above the optical waveguide is shown by plot ⁇
  • the temperature when the heater is placed to the side of the optical waveguide is shown by plot ⁇ .
  • the temperature gradient when the heater is placed directly above the optical waveguide closely matches the temperature gradient obtained by the calculation in Figure 7(c).
  • the temperature gradient when the heater is placed to the side of the optical waveguide differs from that in Figure 7(c), it is clear that it has a certain slope.
  • the first embodiment can correct the decrease in wavelength conversion efficiency caused by non-uniformity in the shape of the optical waveguide whether the heater is provided above or to the side of the optical waveguide. Therefore, the heater may be provided either above or to the side of the optical waveguide, and the location of the heater can be determined from the perspective of the required temperature gradient and the difficulty of fabrication.
  • the second embodiment relates to a wavelength conversion element having a distance-controlled heater.
  • FIG. 11 is a top view for explaining the wavelength conversion element of the second embodiment.
  • a simulation experiment was conducted in which a gold heater 72 was provided on an LN substrate 75 with a width of 1 cm, a thickness of 500 ⁇ m, and a length of 43 cm.
  • the heater 72 has a constant width of 1 ⁇ m, a length of approximately 4.3 cm, and a thickness of 1 ⁇ m.
  • a heat quantity of 4 W was supplied to the heater 72.
  • the temperature of the bottom surface of the lithium niobate substrate was kept constant (25°C).
  • the heater 72 is tilted in the -Z direction, which is the direction of light propagation.
  • -Z direction which is the direction of light propagation.
  • an imaginary line L that is parallel to the direction of light propagation in the LN substrate 75 is shown.
  • the angle ⁇ between the imaginary line L and the heater 72 is 5 degrees (-89.5 degrees).
  • Such a distance-controlled heater 72 becomes farther away from the straight line L the closer it is to the -Z direction.
  • FIG. 12(a) and 12(b) are graphs for explaining the temperature gradient obtained by the second embodiment.
  • FIG. 12(a) is a graph showing the relationship between the temperature 1 ⁇ m below the heater 72 and along the imaginary line L, and the position on the Z axis corresponding to the temperature (Z coordinate of the imaginary line L).
  • FIG. 12(b) shows the relationship between the wavelength of the second harmonic corrected by the heater 72 and the spectrum intensity. As shown in FIG. 12(a), the temperature of the LN substrate 75 along the imaginary line L in the second embodiment changes along a curve, and becomes higher as it approaches the heater 72.
  • the second embodiment can locally control the temperature of the optical waveguide by adjusting the distance between the optical waveguide and the heater, and can match the amount of phase mismatch in the propagation direction of the light in the optical waveguide.
  • the tendency of the temperature gradient in FIG. 12(a) is in good agreement with the ideal temperature gradient shown in FIG. 7(c) over the entire length of the assumed heater.
  • dashed line c14 indicates the spectral intensity of the second harmonic of a wavelength conversion element having an ideal optical waveguide.
  • Solid line c16 indicates the spectral intensity of the second harmonic output from the optical waveguide when the phase mismatch amount is not corrected by heater 72.
  • dashed line c15 which is finer than dashed line c14, indicates the spectral intensity of the second harmonic output from the optical waveguide in which the phase mismatch amount has been corrected by heater 72. It was confirmed that, according to the second embodiment, the wavelength conversion efficiency can be increased to 89.4% of the ideal value by using the distance-controlled heater 72.
  • Figure 13 is a graph showing the results of confirming the dependency of the characteristics of the distance-controlled heater on the material. The confirmation was performed by examining the relationship between the temperature along the imaginary line L 1 ⁇ m below the heater 72 shown in Figure 11 and the corresponding position on the Z axis corresponding to the temperature, as in the experiment whose results are shown in Figure 12 (a), using gold, copper, or iron as the material of the heater 72 shown in Figure 11.
  • the plot ⁇ in Figure 13 is data for a heater made of gold.
  • the plot ⁇ is data for a heater made of copper
  • the plot ⁇ is data for a heater made of iron.
  • Ridge-type optical waveguides can utilize the bulk properties of the crystal as is (no impurities are mixed in), and therefore have features such as high optical damage resistance, long-term reliability, and easy device design. Ridge-type optical waveguides can be formed by thinning one of the substrates of an optical element formed by bonding two substrates, and then performing ridge processing.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

基板と、基板に形成された非線形の光導波路（２２）と、光導波路（２２）を通る光の伝播方向に沿って形成され、光導波路に熱を供給するヒータ（３）と、を含み、光導波路（２２）は、伝搬方向と交差する方向である幅または厚さの少なくとも一方が不均一な形状を有し、ヒータ（３）は、光導波路（２２）に熱を供給することにより、光導波路（２２）の形状の不均一性によって生じる位相不整合量の不均一性を低減するように補正する。

Description

波長変換素子及び波長変換方法
　本発明は、ヒータを用いて、光導波路の波長変換効率の低下を補償する波長変換素子及び波長変換方法に関する。
　光通信における光信号の波長変換、光変調、光計測、光加工、医療、生物工学等の応用に用いられるコヒーレント光の発生及び変調のため、非線形光学デバイスや電気光学デバイスの開発が進められている。なお、求められるコヒーレント光の波長は、紫外域、可視光、赤外域、テラヘルツ域に渡っている。このうちの０．５μｍ付近の可視光の波長域には、半導体レーザでは実現の難しい波長域が存在する。このような波長域のコヒーレント光は、波長が１μｍ付近の励起光源を用いて、第二高調波発生や和周波数発生により緑色等の可視光を発生させる波長変換によって発生させることができる。このような波長変換を行う波長変換素子は、例えば、特許文献１、特許文献２に記載されている。
　特許文献１、特許文献２に記載の波長変換素子は、いずれも２次非線形光学結晶により構成された光導波路と、この光導波路に配置されたヒータと、を備えている。ヒータは、光導波路を加熱して光導波路の屈折率を部分的に変化させる。このような構成によれば、光導波路が発生する熱または作製誤差による位相整合波長のずれを抑え、波長の変換効率を高めることができる。
特開２０１４－２１１５３８号公報 特開２０１４－２１１５３９号公報
U. Schlarb et al, Optical materials 4, October 1995 p791-795. N.A.Barboza et al, Appl Phys, 7 March 2009 B 95, p453-458. M.H. Chou, K. R. Parameswaran, and M. M. Fejer. " Multiple-channel wavelength conversion by use of engineered quasi-phase-matching structures in LiNbO3 waveguides," OPTICS LETTERS Vol. 24 (1999) p1157. Martin M. Fejer at el ,IEEE JORNAL OF QUANTUM ELECTORONICS,VOL.28,No11,November(1992) p2631-2654. V G Dmitriev, G G Gurzadyan, and D N Nikogosyan, " Handbook of Nonlinear Optical Crystal," Springer-Verlag (1990) p119． Toshiaki Suhara and Hiroshi Nishihara, " Theoretical Analysis of Waveguide Second-Harmonic Generation Phase Matched with Uniform and Chirped Gratings," IEEE Journal of Quantuｍ Electronics, Vol． 26 No7． p1265 (1990)．
　しかしながら、光導波路の作製誤差は、光導波路の幅や厚さを不均一にする。このような不均一の規模は、ヒータの占める大きさ（面積）よりも小規模である。このため、特許文献２に記載のように、光導波路をヒータにより部分的に加熱して屈折率を変更することは、光導波路の形状の不均一さに対応して屈折率を変更することに検討の余地を残している。本開示は、上記の点に鑑みてなされたものであり、光導波路の形状に対応し、より高精度に屈折率を調整し、ひいては波長変換効率を高めることができる波長変換素子及び波長変換方法に関する。
　上記目的を達成するために本開示の一形態の波長変換素子は、基板と、基板に形成された非線形の光導波路と、光導波路を通る光の伝播方向に沿って形成され、光導波路に熱を供給するヒータと、を含み、光導波路は、伝搬方向と交差する方向である幅または厚さの少なくとも一方が不均一な形状を有し、ヒータは、光導波路に熱を供給することにより、光導波路の形状の不均一性によって生じる位相不整合量の不均一性を低減するように補正する。
　本開示の一形態の波長変換方法は、基板と、前記基板に形成された非線形の光導波路と、前記光導波路を通る光の伝播方向に沿って形成され、前記光導波路に熱を供給するヒータと、を含む波長変換素子により光の波長を変換する方法であって、前記光導波路は、前記伝搬方向と交差する方向である幅または厚さの少なくとも一方が不均一な形状を有し、前記ヒータは、前記光導波路に熱を供給し、前記光導波路の形状の不均一性によって生じる位相不整合量の不均一性を低減するように補正する。
　以上の形態によれば、光導波路の形状に対応し、より高精度に屈折率を調整し、ひいては波長変換効率を高めることができる波長変換素子及び波長変換方法を提供することができる。
（ａ）は光導波路の光の伝播方向の長さと幅との関係を示すグラフ、（ｂ）は光導波路の光の伝播方向の長さと厚さとの関係を示すグラフ、（ｃ）は、光導波路から出力される光の波長を横軸、この光のスペクトラム強度を縦軸に示すグラフである。 （ａ）、（ｃ）及び（ｅ）は、光導波路または光導波路を加熱するヒータを示す模式的な斜視図である。（ｂ）、（ｄ）及び（ｆ）は、いずれも対応する光導波路から出力される光のスペクトラム強度と波長との関係を示す図である。 （ａ）から（ｄ）は、いずれも本開示に適用される波長変換素子を説明するための斜視図である。 （ａ）から（ｄ）は、図３（ａ）から図３（ｄ）の波長変換素子において、光導波路とヒータとの間に絶縁層を設けた構成を説明するための斜視図である。 ヒータの面積に応じる位相不整合の量の補正を説明するための図である。 ヒータと光導波路との距離に応じる位相不整合の量の補正を説明するための図である。 （ａ）は光の伝搬方向の位置Ｚと光導波路の幅との関係を示すグラフである。（ｂ）は（ａ）に示した理想的な波長変換素子と実際の波長変換素子との波長変換効率を示すグラフであり、（ｃ）は実際の波長変換素子の波長変換効率を高めるために適正な温度勾配の計算値を示すグラフである。 （ａ）は第１の実施例で使用する波長変換素子のイメージ図である。（ｂ）は（ａ）に示す波長変換素子の一部を拡大して示す上面図である。 （ａ）は第１の実施例のヒータの直下で測定した温度を示すグラフである。（ｂ）は、第1の実施例のヒータによる波長変換効率の補正の効果を説明するためのグラフである。（ｃ）は材料の異なる三種類のヒータについて、ヒータの直下で測定した温度を示すグラフである。 ヒータの光の伝搬方向の位置と、ヒータ直下の温度との関係を示すグラフである。 第２の実施例の波長変換素子を説明するための上面図である。 （ａ）はヒータの直下から１μｍ下方であって、かつ、仮想線に沿う温度とＺ軸上の位置との関係を示すグラフである。（ｂ）は、ヒータによって補正された第二高調波の波長とスペクトラム強度との関係を示すグラフである。 距離制御型のヒータの材料に対する特性の依存性について確認した結果を示すグラフである。
　［概要］
　以下、本開示の第１の実施形態、第２の実施形態の説明に先立って、本開示の基本的な考え方を説明する。ここで、本明細書では、先ず、光導波路の構造（形状）と、波長変換特性との関係について説明する。概要及び第１、第２の実施形態の説明に用いられる図面は、同様の構成に同様の符号を付し、説明の一部を略す場合がある。また、図面は、第１、第２の実施形態における各構成、構成同士の位置関係、作用、効果及び技術思想を説明することを目的とし、その形状や大きさ、比率等を正確に示すとは限らない。
　導波路型の非線形光学媒質は、高い出力パワーを提供するが、その光導波路の形状の均一性は波長変換特性に影響を与える。特に、光の伝播方向に向かう方向の光導波路の均一性は、疑似位相整合を用いた波長変換素子に影響を及ぼす。ここで、形状の均一性には、光導波路の光伝搬方向と交差する方向の形状や大きさ、すなわち幅や厚さの一定性が含まれる。本明細書において、光導波路の幅や厚さが一定であるとは、光導波路の入力から出力に至るまで幅や厚さが一定であることをいい、入力から出力の間に幅や厚さが変化する光導波路を形状が不均一な光導波路という。
　例えば、長さ４．３ｃｍ、幅及び厚さが共に８μｍの光導波路を想定する。図１（ａ）は、想定される光導波路の光の伝播方向の長さを横軸に、幅を縦軸に示すグラフである。図１（ｂ）は、光導波路の光の伝播方向の長さを横軸、厚さを縦軸に示すグラフ、図１（ｃ）は、光導波路から出力される光の波長を横軸、この光のスペクトラム強度を縦軸に示すグラフである。図１（ａ）から図１（ｃ）において、破線ｃ１、ｃ３、ｃ５は、いずれも設計通り形成されている光導波路（以下、「理想的な光導波路」とも記す）のデータである。実線ｃ２、ｃ４、ｃ６は、いずれも図１（ａ）、図１（ｂ）に示す幅及び厚さが不均一な光導波路のデータである。図１（ｃ）の破線ｃ５が示すように、理想的な光導波路の光変換効率のピークは、凡そ５．５×１０22（任意単位となっている）
　図１（ｃ）に示す波長変換効率は、以下の式（１）、式（２）によって算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上記において、Ｅ2ωは第二高調波（ＳＨＧ）の電場振幅、Ｌは光導波路の長さ、ｄは第二高調波の非線形光学定数、Δβは位相不整合量、λSHGは第二高調波の波長、λFは基本波の波長、ｎSHGは第二高調波の実効屈折率、ｎFは基本波の実効屈折率である。なお、式（１）、式（２）を使って第二高調波の電場振幅Ｅ2ω、位相不整合量Δβを算出することは、例えば、文献１に記載されている。式（２）に示す実効屈折率ｎSHG、ｎFは、導波路の幅や厚さに依存することが知られている。
　ここで、図１（ａ）において実線ｃ２が示す幅方向及び図１（ｂ）において実線ｃ４が示す厚さ方向の製造誤差を有する光導波路（「実際の光導波路」とも記す）を考える。実際の光導波路においては、光導波路の幅が設計値と±１．５μｍ程度の範囲で相違する。また、光導波路の厚さは、設計値と－０．８μmから０．３μmの程度の範囲で相違する。実際の光導波路について、式（１）、式（２）を使って第二高調波の電場振幅Ｅ2ωを計算する。この結果、実際の光導波路の波長変換効率は、図１（ｃ）に示すように、理想的な光導波路の波長変換効率の４４％程度となることが分かる。すなわち、理想的な波長変換効率を実現するためには、光導波路の幅や厚さが、光の伝播方向に対して一定になるように作製する必要がある。
　しかしながら、光導波路の作製誤差を１μｍ未満にすることは素子のスループットや歩留まりを考慮すると困難である。そこで、光導波路作製後の補正技術として、先の特許文献１、２に記載されているように、局所ヒータを用いる手法が提案されている。この手法は、光の電場振幅が材質の屈折率に依存する性質、及び、光導波路の材料であるニオブ酸リチウム（ＬＮ）及びタンタル酸リチウム（ＬＴ）の屈折率が温度に依存する性質を利用している。すなわち、波長変換素子に用いられる非線形光学媒質及び電気光学媒質としては種々の材料が研究開発されている。ニオブ酸リチウム等の酸化物系化合物基板は、２次非線形光学定数、電気光学定数が非常に高く、有望な材料であることが公知である。ニオブ酸リチウムの高い非線形性を用いた光デバイスの一例として、擬似位相整合による第二高調波発生、差周波発生、和周波発生を利用した波長変換素子が公知になっている。
　ここで、ＬＮの屈折率ｎiと、ＬＴの屈折率ｎeについて説明する。非特許文献１には、Ｌｎの屈折率を表す以下の式（３）が記載されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・式（３）
　上記式（３）において、ｎiは酸化亜鉛（ＺｎＯ）ドープのＬＮの屈折率、ＡX、μ0は定数、ＣNbLiはＬＮにおけるＬｉ2Ｏの割合である。式（３）中のＦは、温度に依存するパラメータである。
　また、非特許文献２には、ＬＴの屈折率を示す以下の式（４）が記載されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・式（４）
　式（４）において、ｎeはＬＴの屈折率、λは波長、Ａ、Ｂ、λA、λB及びＣはそれぞれ温度から得られる定数である。式（２）に示した実効屈折率ｎSHG、ｎFの計算には、式（３）、（４）の屈折率ｎi，ｎeの情報が必要である。このため、波長変換効率は、光導波路の幅、厚さ、波長と共に、温度にも依存することが明らかである。
　本開示の発明者らは、上記の非特許文献１、２に基づいて、光導波路の幅または厚さの少なくとも一方の不均一性に起因する位相不整合量の不均一性をヒータによる加熱温度によって低減し、特許文献１、２に記載の構成よりも高い精度で補正することについて検討した。以下、詳細に説明する。
　図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）、図２（ｄ）、図２（ｅ）及び図２（ｆ）は、本開示の基本的な概念を説明するための図である。図２（ａ）、図２（ｃ）及び図２（ｅ）は、光導波路または光導波路を加熱するヒータを示す模式的な斜視図であって、いずれにおいても光導波路が基板１上に形成されている。図２（ｂ）、図２（ｄ）及び図２（ｆ）は、いずれも対応する光導波路から出力される光のスペクトラム強度を縦軸に、波長を横軸に示す模式的なグラフである。また、図２（ｂ）、図２（ｄ）及び図２（ｆ）のいずれにおいても、導波路の光の伝搬方向をＺ軸で示す。本明細書において、光の伝搬方向の長さを導波路の長さという。光導波路の幅は、基板１に平行であって、かつ光の伝搬方向に直交する方向である。光導波路の厚さは、長さ及び幅に直交する方向の長さである。本明細書でいう光導波路の「形状」は、光導波路の長さ、幅及び厚さの組み合わせによって決定する。
　図２（ａ）は、長さの全域にわたって幅が一定の理想的な光導波路２１の斜視図である。また、光導波路２１に対応する図２（ｂ）の波長変換効率を「理想値」とも記す。理想値は、設計上の導波路構造から計算される、最も高い波長変換効率を指す。しかし、実際の製造においては、例えば、図２（ｂ）に示すように、幅が一定でない光導波路２２が形成され得る。光導波路２２の波長変換効率は、図２（ｄ）に示すように、図２（ｂ）に示す光導波路効率より低下することが明らかである。なお、実際の光導波路においては、光導波路２２のように幅が不均一になることに限らず、厚さが不均一になる場合もある。光導波路の厚さが不均一である場合にも、波長変換効率が低下することが公知である。
　以上のことから、本開示の発明者らは、図２（ｅ）に示すように、実際の光導波路２２の近傍に、光導波路２２に熱を供給するヒータ３を形成する。本実施形態は、光導波路２２が光の伝搬方向に向かって形状が不均一な実際の光導波路であることが前提となる。ヒータ３は、光導波路２２に熱を供給することにより、光導波路２２の形状の不均一性によって生じる位相不整合量の不均一性を低減するように補正する。つまり、本実施形態のヒータ３は、光の伝搬方向に沿って、光導波路２２に供給する熱量が異なる部分を有している。以下、本実施形態において、このようなヒータ３を、熱の供給量に分布を有することから、「分布型ヒータ」とも記す。図２（ｆ）は、分布型のヒータ３によって加熱された光導波路２２の変換効率を示している。図２（ｆ）によれば、分布型のヒータ３により光導波路２２を加熱することは、図２（ｄ）に示すよりも高い波長変換効率を得ることが明らかである。
　なお、上記において、光導波路の形状の不均一の程度は、特に限定されるものではない。不均一の程度は、理想的な光導波路によって得られる波長変換効率よりも波長変換効率が低下する範囲において任意である。
　すなわち、非特許文献１、２に記載の計算式によれば、波長変換効率を高める光導波路の最適な温度を求めることが可能である。したがって、均一な導波路幅、厚さの光導波路であれば、求めた最適な温度は均一である。しかしながら、光導波路の幅や厚さによって最適な温度は局所的に異なる。第１の実施形態、第２の実施形態は、幅や厚さに応じて光導波路の各部を波長変換効率を高めるのに最適な温度にし、作製誤差による波長変換効率低下の影響を補償することを提案する。
　（波長変換素子の構成）
　図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｄ）及び図３（ｅ）は、いずれも本開示に適用される波長変換素子を説明するための斜視図である。図３（ａ）から図３（ｄ）に示す波長変換素子は、いずれも基板１１または基板１２と、光導波路２５または光導波路２６と、ヒータ３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂのいずれかと、を備えている。図３（ａ）、図３（ｃ）の波長変換素子は、基板１１の表面から光導波路２５が突出するタイプの構成である。このような構成は、ストリップ型、あるいはリッジ型とも言われている。また、図３（ｂ）、図３（ｄ）の波長変換素子は、基板１２の表面から光導波路２６が露出しないタイプの構成である。このような構成は、埋め込み型とも言われている。
　図３（ａ）から図３（ｄ）に示すヒータ３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂは、いずれも分布型のヒータであって、光導波路に供給する熱量に基づいて、光導波路の形状の不均一に応じて生じる位相不整合量の不均一性を低減するように補正する。ヒータ３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂは、いずれも光の伝搬方向に沿って形成されるが、図３（a）に示すヒータ３１ａ、図３（ｂ）に示すヒータ３２ａは、光導波路２５または光導波路２６の側方に配置される。図３（ｃ）に示すヒータ３１ｂ、図３（ｄ）に示すヒータ３２ｂは、光導波路２５または光導波路２６の上方に配置され、特に光導波路２５または光導波路２６の直上に光導波路２５または光導波路２６に接触する。
　リッジ型等、埋め込み型のいずれにあっても、基板１１としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）等の酸化物系化合物基板を用いることができる。特に、リッジ型の導波路は、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂ（x）Ｔａ（1-x）Ｏ3（０≦ｘ≦１）またはＫＴｉＯＰＯ4のうちの少なくとも１つを材料に含み、あるいは、このような材料にＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群のうちの少なくとも一種を添加物として含有させてもよい。
　また、ヒータ３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂの材料としては、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）のいずれか１つ、または少なくともいずれか１つを含む合金を用いることができる。このように、ヒータ３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂは、金属を材料とするため、光導波路に接触する場合、光導波路から漏れた光が金属に吸収されることが考えられる。このため、第１の実施形態、第２の実施形態は、ヒータ３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂと光導波路との間に絶縁層を設けてもよい。
　図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）及び図４（ｄ）は、ヒータと光導波路との間に絶縁層４１を設けた波長変換素子の斜視図である。図４（ａ）は、図３（ａ）に示した光導波路２５とヒータ３１aとの間に絶縁層４１を設けた波長変換素子を示している。また、図４（ｂ）は図３（ｂ）に示した光導波路２６とヒータ３２aとの間に絶縁層４１を設けた波長変換素子を、図４（ｃ）は図３（ｃ）に示した光導波路２５とヒータ３１ｂとの間に絶縁層４１を設けた波長変換素子を、図４（ｄ）は図３（ｄ）に示した光導波路２６とヒータ３２ｂとの間に絶縁層４１を設けた波長変換素子をそれぞれ示している。なお、光導波路２５と接してヒータ３１ｂを設ける構成（図３（ｃ））と、光導波路２６と接してヒータ３２ｂを設ける構成（図３（ｄ））のみならず、光導波路の側方にヒータを設ける図３（ａ）、図３（ｂ）の構成についても絶縁層４１を設けたのは、ヒータが側方にある場合にも絶縁層４１は光導波路を保護する効果を有するためである。
　［第１の実施形態］
　（ヒータによる位相不整合量の補正）
　第１の実施形態は、ヒータによる位相不整合量の補正を、ヒータの面積に応じて行っている。図５は、ヒータの面積に応じる位相不整合の量の補正を説明するための模式図である。図５は、図３（ａ）に示す構成を例にし、光導波路２５０の側方にヒータ３１０を設けた構成を示している。なお、図５においては、第１の実施形態の構成を明瞭に示すため、ヒータ３１０を光導波路２５０よりも大きな倍率で拡大して示している。
　図５に示すように、光導波路２５０は、その光の伝搬方向Ｚに沿って幅が一定ではなく、大幅部ｗａと、小幅部ｗｂとを有している。なお、大幅部ｗａ、小幅部ｗｂには、幅の具体的な規定はなく、光導波路２５０のＺ軸方向の２つの外縁ｅ１、ｅ２が、それぞれ外側に向かって凸の部分を含む領域を大幅部ｗａ、それぞれ内側に向かって凸の部分を含む領域を小幅部ｗｂとする。大幅部ｗａ、小幅部ｗｂとなる領域の大きさに特に規定はないが、大幅部ｗａは外縁ｅ１、ｅ２が内側に向かって凸になる箇所を含まず、小幅部ｗｂは外縁ｅ１、ｅ２が外側に向かって凸になる箇所を含まない。図５においては、図面の見易さのために一部の大幅部及び小幅部にｗａ、ｗｂの符号を付して示している。
　図５に示すヒータ３１０は、光導波路２５０と同様に、Ｚ方向に沿って大幅部ｗｃ、小幅部ｗｄを有している。大幅部ｗｃは、ヒータ３１０の２つの外縁ｅ３、ｅ４が、それぞれ外側に向かって凸の部分を含むヒータ３１ａの領域である。小幅部ｗｄは、ヒータ３１０の２つの外縁ｅ３、ｅ４が、それぞれ内側に向かって凸の部分を含むヒータ３１０の領域である。大幅部ｗｃ、小幅部ｗｄとなる領域の大きさに特に規定はないが、大幅部ｗｃは外縁ｅ３、ｅ４が内側に向かって凸になる箇所を含まず、小幅部ｗｄは外縁ｅ３、ｅ４が外側に向かって凸になる箇所を含まない。図５に示した例では、大幅部ｗｃと小幅部ｗｄとが交互に形成されていて、図５においては、図面の見易さのために一部の大幅部及び小幅部にｗｃ、ｗｄの符号を付して示している。
　光導波路２５０の大幅部ｗａと小幅部ｗｂとは、その幅が異なるため、同じ温度である場合、その位相不整合量に不一致を生じ、波長変換効率が低下する。このため、第１の実施形態は、図５に示すように、ヒータ３１０にも大幅部ｗｃ、小幅部ｗｄを設けている。大幅部ｗｃは、小幅部ｗｄに比べて多くの熱を保持し、小幅部ｗｄよりも大きい熱量を保持することができる。そして、光導波路２５０の大幅部ｗａとヒータ３１０の大幅部ｗｃとを図中のＹ方向に一致するように配置し、大幅部ｗａを大幅部ｗｃによって加熱し、小幅部ｗｂを小幅部ｗｄによって加熱する。このようにすれば、幅が不均一な光導波路２５０の各部分の温度を位相整合温度に合せて、光導波路２５０の波長変換効率を高めることができる。
　すなわち、第１の実施形態は、導波路３１０において、相対的に高温にすべき箇所に近いヒータ３１０の部分の幅を太くし、ヒータ３１０がより多くの熱量を保持するようにする。反対に、相対的に低温にすべき箇所に近いヒータ３１０の部分の幅を狭くする。このようなヒータ３１０は、面積によって光導波路２５０の温度を制御し、光導波路３１０の各部の温度を位相不整合量が一致するように設定することが可能になる。第１の実施形態のヒータを、以下、「面積制御型のヒータ」とも記す。
　面積制御型の好ましいヒータの幅は、光導波路の幅と厚さの多項式で表される。多項式としては、例えば、以下の式（５）が考えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・式（５）
　式（５）において、ｗTOはヒータの幅を指し、ｗiは光導波路のi番目の部分の幅、ｄiは光導波路のi番目の部分の厚さを指す。α、βはそれぞれ係数である。このような式（５）によれば、面積制御型ヒータを、光導波路の形状に合わせて容易に設計することが可能になる。
　［第２の実施形態］
　図６は、第２の実施形態の波長変換素子を説明するための上面図である。第２の実施形態は、ヒータによる位相不整合量の補正を、ヒータと光導波路との距離に応じて行っている。図６に示すように、第２の実施形態の波長変換素子は、大幅部ｗａ及び小幅部ｗｂを有する光導波路２５０と、ヒータ３１１と、を備えている。ヒータ３１１は、一定の幅を有していて、かつ、光導波路２５０との距離が相対的に短い近接部３１１ａ、光導波路２５０との距離が相対的に遠い遠隔部３１１ｂを有している。近接部３１１ａは、大幅部ｗａとＹ方向の位置が一致し、遠隔部３１１ｂは、小幅部ｗｂとＹ方向の位置が一致する。図６において、大幅部ｗａと近接部３１１ａとの距離をｄａ、小幅部ｗｂと遠隔部３１１ｂとの距離をｄｂとする。なお、光導波路２５０とヒータ３１１との距離は、光導波路２５０のヒータ３１１に向かう側の縁部ｅ５と、ヒータ３１１の光導波路２５０に向かう縁部ｅ６との距離をいう。
　ヒータ３１１が光導波路２５０を加熱するエネルギー密度は、ヒータ３１１と光導波路２５０との距離が長いほど減少する。このため、第２実施形態のヒータ３１１は、大幅部ｗａと小幅部ｗｂとの位相不整合量が一致する、光導波路との最適な距離をとるような形状に形成される。すなわち、ヒータ３１１は、光導波路２５０において相対的に高温とすべき箇所との距離が近く、相対的に、低温とすべき箇所との距離が遠くなる形状に形成される。すなわち、第２の実施形態は、光導波路２５０とヒータ３１１との距離によって光導波路２５０の温度を制御し、光導波路２５０の温度に所望の勾配をつけることができる。第２の実施形態のヒータを、以下、「距離制御型のヒータ」とも記す。
　距離制御型の好ましい光導波路とヒータとの距離は、光導波路の幅と厚さの多項式で表される。多項式としては、例えば、以下の式（６）が考えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・式（６）
　式（６）において、ＤTOは光導波路とヒータとの距離を指し、ｗiは光導波路のi番目の部分の幅、ｄiは光導波路のi番目の部分の光導波路の厚さを指す。α、βはそれぞれ係数である。このような式（６）によれば、距離制御型ヒータを、光導波路の形状に合わせて容易に設計することが可能になる。
　［第１の実施例］
　第１の実施例は、面積制御型のヒータを備える波長変換素子に関する。第１の実施例は、ＬＮ基板における熱の伝搬を調査するために行われたシミュレーション実験に基づいている。このため、実際の光導波路が幅８μm×厚さ８μｍ×長さ４．３ｃｍ程度のところ、第１の実施例、第２の実施例は、大きな熱浴ＬＮにヒータを載せたという設定でシミュレーションを行っている。この設定では、幅１ｃｍ、厚さ５００μｍ、長さ４３ｃｍのニオブ酸リチウム基板に金製のヒータが設けられるものとした。
　図７（ａ）、図７（ｂ）及び図７（ｃ）は、いずれも第１の実施例について説明するための図である。図７（ａ）は、光の伝搬方向の位置Ｚと、第１の実施例で想定される実際の光導波路の幅との関係を示すグラフであって、横軸に伝搬方向の位置Ｚを、縦軸に幅を示している。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示した理想的な波長変換素子と実際の波長変換素子との波長変換効率を示すグラフであって、横軸に出力される光の波長を、縦軸に光のスペクトラム強度を示す。図７（ｃ）は、実際の波長変換素子の波長変換効率を高めるための適正な温度勾配の計算値を示すグラフであって、横軸にＬＮ基板の光の伝搬方向の位置Ｚを、縦軸にＬＮ基板の温度を示す。
　図７（ａ）中の破線ｃ７は、理想的な波長変換素子の光導波路の幅を示し、測定範囲において光導波路の幅が一定であることを示している。理想的な波長変換素子は、光導波路が厚さ８μｍ、幅８．４μｍであり、温度４０℃で一定の場合に理想的な波長変換効率を得る。図７（ａ）中の実線ｃ８は、実際の光導波路の幅を示す。実線ｃ８によれば、第１の実施例で想定する実際の光導波路の幅は、一定の割合で光の伝搬方向に大きくなっていることが分かる。
　図７（ｂ）中の破線ｃ９は理想的な波長変換素子の波長変換効率を示し、実線ｃ１０は、実際の波長変換素子の波長変換効率を示している。破線ｃ９、実線ｃ１０から明らかなように、実際の波長変換素子の波長変換効率は、理想的な波長変換素子の波長変換効率よりも低く、具体的には２５．８％と大きく低下する。このような波長変換効率を補正する（位相不整合量を光の伝搬方向に対して一定にする）ことに必要な温度勾配は、図７（ｃ）に示すように、一定の傾きを有している。
　図８（ａ）は、第１の実施例の実際の波長変換素子のイメージを示す斜視図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す範囲ＶＩＩｂを拡大して示す上面図である。ヒータ７１は、光導波路と仮定するＬＮ基板７５上に形成され、光の伝搬方向に向かう辺７１ａの長さが１μｍ、反対側の辺７１ｂの長さが５μｍ、辺７１ａ、７１ｂ間の長さは４．３ｃｍ、厚さは１μｍである。第１の実施例においては、ヒータ７１に２．５Ｗの熱量を供給し、ニオブ酸リチウム基板の底面の温度を一定（２５℃）に保っている。
　図９（ａ）、図９（ｂ）は、第１の実施例で行ったシミュレーション実験の結果を説明するためのグラフである。図９（ａ）は、ヒータ７１の直下の温度を示す図であり、横軸に光の伝搬方向の位置Ｚを、縦軸に温度を示している。図９（ｂ）は、第1の実施例のヒータ７１による波長変換効率の補正の効果を説明するためのグラフであり、横軸に出力される第二高調波の波長を、縦軸に光の強度を示している。図９（ａ）に示すように、ヒータ７１直下の温度は、ヒータ７１の辺７１ａから辺７１ｂまでの範囲において、凡そ３０℃から５０℃まで一定の傾きを持って変化している。このような温度の変化は、図７（ｃ）に示した計算値によく一致している。図９（ｃ）は、材料の異なる三種類のヒータ７１について、図９（ａ）と同様に、その直下で測定した温度を示すグラフであり、横軸に光の伝搬方向の位置Ｚを、縦軸に温度を示している。
　図９中の破線ｃ１１は、理想的な光導波路を備えた波長変換素子の第二高調波のスペクトラム強度（理想値）を示している。ここで、理想的な光導波路は、第1の実施例の光導波路と同様の長さ及び厚さを有し、同様の材料で製造され、かつ、幅が一定の光導波路を指す。実線ｃ１３は、図８（ａ）、図８（ｂ）に示した構成からヒータ７１を除いた波長変換素子の光導波路から出力される第二高調波のスペクトル強度を示す。破線ｃ１１よりも細かい破線ｃ１２は、第１の実施例の、ヒータ７１によって補正を行った光導波路から出力される第二高調波のスペクトル強度を示す。図９（ｂ）によれば、ヒータ７１によって位相不整合量を補正した第１の実施例の波長変換素子は、理想値の９９．３％の波長変換効率を得ることができることが確認された。
　次に、以上の結果を、ヒータの材料を変更して確認した。図９（ｃ）に示すように、第１の実施例では、金、銅、鉄を材料とするヒータについて、光の伝搬方向の位置Ｚと、ヒータ直下の温度との関係を確認した。図９（ｃ）中のプロット●は、金を材料とするヒータのデータである。プロット■は、銅を材料とするヒータのデータであり、▲は鉄を材料とするヒータのデータである。第1の実施例のヒータ直下の温度と光の伝搬方向における位置との関係は、ヒータの材料によらず、凡そ同様であることが分かる。また、温度は、０から４．３ｃｍの範囲で３０℃から５０℃まで一定の傾きを持って変化している。このような温度勾配は、計算で求めた図７（ｃ）の温度勾配とよく一致している。このことから、第１の実施例は、ヒータの材料によらず計算された温度勾配を実現し、理想値に近い波長変換効率を得る波長変換素子を得ることができることを確認した。
　以上の結果は、先に説明した第１の実施形態の、相対的に温度を高くしたい導波路の部分を幅の広いヒータで加熱して位相不整合量を補正する効果を確認するものとなった。
　次に、面積制御型のヒータについて、光導波路の上方に設けた場合と、側方に設けた場合とについて、ヒータにおける光の伝搬方向の位置と温度とを比較した。ヒータを光導波路の上方に設ける構成は、例えば、図３（ｃ）、図３（ｄ）、図４（ｃ）、図４（ｄ）に示される。ヒータを光導波路の側方に設ける構成は、例えば、図３（ａ）、図３（ｂ）、図４（ａ）、図４（ｂ）に示される。第１の実施例では、ヒータをリッジ型の光導波路の直上に設ける図３（ｃ）の構造と、ヒータをリッジ型の光導波路の側方に設ける図３（ａ）の構造とを比較した。図３（ａ）の構造において、光導波路とヒータとの距離は、０．１ｍｍである。
　図１０は、横軸にヒータの光の伝搬方向の位置Ｚを示し、縦軸にヒータ直下の温度を示すグラフである。図１０中において、ヒータを光導波路の直上に設けた場合の温度をプロット●で示し、ヒータを光導波路の側方に設けた場合の温度をプロット■で示す。ヒータを光導波路の直上に設けた場合の温度勾配は、図７（ｃ）の計算で得た温度勾配によく一致している。また、ヒータを光導波路の側方に設けた場合の温度勾配は、図７（ｃ）と相違するものの、一定の傾きを持っていることが明らかである。また、ヒータを光導波路の側方に設けた場合の温度勾配を図７（ｃ）の温度勾配に近づけるためには、ヒータの設計条件やヒータに供給されるエネルギーを調整することが考えられる。
　以上のことから、第１の実施例は、ヒータを光導波路の上方に設けた場合であっても、側方に設けた場合であっても、光導波路の形状の不均一性に起因する波長変換効率の低下を補正し得ることを確認した。したがって、ヒータの設置箇所は、光導波路の上方、側方のいずれであってもよく、どこに配置するかは必要とする温度勾配や作製難易度の観点から決めればよい。
　（第２の実施例）
　第２の実施例は、距離制御型のヒータを備える波長変換素子に関する。
　図１１は、第２の実施例の波長変換素子を説明するための上面図である。第２の実施例では、熱の伝搬を確認するため、幅１ｃｍ、厚さ５００μｍ、長さ４３ｃｍのＬＮ基板７５の上に金製のヒータ７２を設けた設定のシミュレーション実験を行っている。ヒータ７２は、幅が１μｍと一定であり、長さが略４．３ｃｍ、厚さが１μｍである。第２の実施例においては、ヒータ７２に４Ｗの熱量が供給された。また、ニオブ酸リチウム基板の底面の温度は一定（２５℃）に保たれている。
　シミュレーションにおいて、ヒータ７２は、光の伝搬方向であるＺ方向の反対（－Ｚ方向）に向かって傾いている。図１１中に、ＬＮ基板７５の光の伝搬方向と平行な仮想線Ｌを示す。仮想線Ｌとヒータ７２とがなす角度θは、５度（－８９．５度）である。このような距離制御型のヒータ７２は、－Ｚ方向に向かうほど直線Ｌと距離を隔てることになる。
　図１２（ａ）、図１２（ｂ）は、いずれも第２の実施例によって得られる温度勾配を説明するためのグラフである。図１２（ａ）は、ヒータ７２の直下から１μｍ下方であって、かつ、仮想線Ｌに沿う温度と、温度と対応するＺ軸上の位置（仮想線ＬのＺ座標）との関係を示すグラフである。図１２（ｂ）は、このようなヒータ７２によって補正された第二高調波の波長とスペクトラム強度との関係を示す。図１２（ａ）に示すように、第２の実施例の仮想線Ｌに沿うＬＮ基板７５の温度は、曲線に沿って変化し、ヒータ７２に近づくにしたがって高くなる。このような結果から、第２の実施例は、光導波路とヒータとの距離を調整することによって光導波路の温度を局所的に制御し、光導波路の光の伝搬方向における位相不整合量を一致させることができることが分かる。また、図１２（ａ）の温度勾配の傾向は、想定されるヒータの全長にわたって図７（ｃ）に示す理想的な温度勾配とよく一致している。
　図１２（ｂ）において、破線ｃ１４は理想的な光導波路を備える波長変換素子の第二高調波のスペクトル強度を示す。実線ｃ１６は、ヒータ７２による位相不整合量の補正を受けない場合に光導波路から出力される第二高調波のスペクトル強度を示す。破線ｃ１４よりも細かい破線ｃ１５は、ヒータ７２により位相不整合量が補正された光導波路から出力される第二高調波のスペクトル強度を示す。第２の実施例によれば、距離制御型のヒータ７２により、理想値の８９．４％まで波長変換効率を高めることができることを確認した。
　図１３は、距離制御型のヒータの材料に対する特性の依存性について確認した結果を示すグラフである。確認は、図１１に示したヒータ７２の材料を金、銅、鉄のいずれかとし、図１２（ａ）に結果を示した実験と同様に、ヒータ７２の直下よりも１μｍ下の仮想線Ｌに沿う温度と、温度に対応するＺ軸上の対応する位置との関係を調べることによって行った。図１３中のプロット●は、金を材料とするヒータのデータである。プロット■は、銅を材料とするヒータのデータであり、▲は鉄を材料とするヒータのデータである。第２の実施例のヒータ直下より１μｍ下方の温度と光のＺ軸方向における位置との関係は、ヒータの材料によらず、凡そ同様であることが分かる。また、温度は、０から４．３ｃｍの範囲で３０℃から５０℃まで一定の傾きを持って変化している。このような温度勾配は、計算で求めた図７（ｃ）の温度勾配との一致が見られる。このことから、第２の実施例は、ヒータの材料によらず計算された温度勾配を実現し、理想値に近い波長変換効率を得る波長変換素子を得ることができることを確認した。
　以上のことから、距離制御型ヒータの場合、光導波路の温度を相対的に高くしたいところはヒータとの距離を近くすればよいことが分かる。このような結果は、分布型ヒータの設計に有効である。
　以上説明した第1の実施形態、第２の実施形態、第１の実施例及び第２の実施例においては、いずれもリッジ型の光導波路を用いて説明を行った。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る（不純物の混入が無い）ことから、高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計が容易である、といった特長を有している。リッジ型の光導波路は、二枚の基板を接合して形成された光学素子の一方の基板を薄膜化した後リッジ加工をすることによって形成することができる。
１，１１，１２　基板
２１，２２，２５，２６，２５０　光導波路
３，３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ，７１，７２，３１０，３１１　ヒータ
４１　絶縁層
７１ａ，７１ｂ　辺
７５　ＬＮ基板
３１１ａ　近接部
３１１ｂ　遠隔部

Claims (8)

  1. 　基板と、
    　前記基板に形成された非線形の光導波路と、
    　前記光導波路を通る光の伝播方向に沿って形成され、前記光導波路に熱を供給するヒータと、を含み、
    　前記光導波路は、前記伝搬方向と交差する方向である幅または厚さの少なくとも一方が不均一な形状を有し、
    　前記ヒータは、前記光導波路に熱を供給することにより、前記光導波路の形状の不均一性によって生じる位相不整合量の不均一性を低減するように補正する、
    　波長変換素子。
  2. 　前記ヒータによる位相不整合量の補正は、前記ヒータの面積に応じて行われる、請求項１に記載の波長変換素子。
  3. 　前記ヒータによる位相不整合量の補正は、前記ヒータの前記光導波路に対する距離に応じて行われる、請求項１に記載の波長変換素子。
  4. 　前記光導波路は、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂ（x）Ｔａ（1-x）Ｏ3（０≦ｘ≦１）またはＫＴｉＯＰＯ4のうちの少なくとも１つを材料に含み、あるいは前記材料にＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群のうちの少なくとも一種を添加物として含有するリッジ型の光導波路である、請求項１に記載の波長変換素子。
  5. 　前記光導波路と前記ヒータとの間に絶縁層を備える、請求項１に記載の波長変換素子。
  6. 　前記ヒータは、Ａｕ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒの少なくとも１つを材料に含む、請求項１に記載の波長変換素子。
  7. 　前記ヒータの幅または前記ヒータと前記光導波路との距離が、前記光導波路の幅と厚さの多項式で表される、請求項１に記載の波長変換素子。
  8. 　基板と、前記基板に形成された非線形の光導波路と、前記光導波路を通る光の伝播方向に沿って形成され、前記光導波路に熱を供給するヒータと、を含む波長変換素子により光の波長を変換する方法であって、前記光導波路は、前記伝搬方向と交差する方向である幅または厚さの少なくとも一方が不均一な形状を有し、前記ヒータは、前記光導波路に熱を供給し、前記光導波路の形状の不均一性によって生じる位相不整合量の不均一性を低減するように補正する、
    　波長変換方法。
PCT/JP2022/037728 2022-10-07 2022-10-07 波長変換素子及び波長変換方法 WO2024075304A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2022/037728 WO2024075304A1 (ja) 2022-10-07 2022-10-07 波長変換素子及び波長変換方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2022/037728 WO2024075304A1 (ja) 2022-10-07 2022-10-07 波長変換素子及び波長変換方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024075304A1 true WO2024075304A1 (ja) 2024-04-11

Family

ID=90608016

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2022/037728 WO2024075304A1 (ja) 2022-10-07 2022-10-07 波長変換素子及び波長変換方法

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2024075304A1 (ja)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005156584A (ja) * 2003-11-20 2005-06-16 Matsushita Electric Ind Co Ltd 分散補償モジュール
JP2009025399A (ja) * 2007-07-17 2009-02-05 Oki Electric Ind Co Ltd 導波路素子及び波長変換素子
JP2014211538A (ja) * 2013-04-18 2014-11-13 日本電信電話株式会社 波長変換素子
JP2015219421A (ja) * 2014-05-19 2015-12-07 日本電信電話株式会社 波長変換素子
WO2020254799A1 (en) * 2019-06-19 2020-12-24 University Of Southampton Method for fabrication of ridge waveguides

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005156584A (ja) * 2003-11-20 2005-06-16 Matsushita Electric Ind Co Ltd 分散補償モジュール
JP2009025399A (ja) * 2007-07-17 2009-02-05 Oki Electric Ind Co Ltd 導波路素子及び波長変換素子
JP2014211538A (ja) * 2013-04-18 2014-11-13 日本電信電話株式会社 波長変換素子
JP2015219421A (ja) * 2014-05-19 2015-12-07 日本電信電話株式会社 波長変換素子
WO2020254799A1 (en) * 2019-06-19 2020-12-24 University Of Southampton Method for fabrication of ridge waveguides

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5481636A (en) Wavelength conversion element
Lim et al. Infrared radiation generated by quasi‐phase‐matched difference‐frequency mixing in a periodically poled lithium niobate waveguide
JP6596201B2 (ja) 光偏向素子
JP2969787B2 (ja) 非線形強誘電体光学材料に対するドメイン制御方法
WO2024075304A1 (ja) 波長変換素子及び波長変換方法
TWI297802B (en) Method of fabricating two-dimensional ferroelectric nonlinear crystals with periodically inverted domains
US6952307B2 (en) Electric field poling of ferroelectric materials
Saha et al. Broadband second harmonic generation in a tapered isotropic semiconductor slab using total internal reflection quasi phase matching
JP2002250949A (ja) 光導波路素子、光波長変換素子および光導波路素子の製造方法
JPH11326966A (ja) 第二高調波発生装置
JP3005225B2 (ja) ドメイン反転構造部を有する非線形強誘電体光学素子の製造方法
TWI459110B (zh) 光學非線性晶體光波導及其製作方法
JP2015219421A (ja) 波長変換素子
Chauvet et al. LiNbO3 ridge waveguides realized by precision dicing on silicon for high efficiency second harmonic generation
Foglietti et al. Fabrication of band-gap structures in planar nonlinear waveguides for second harmonic generation
US20220236621A1 (en) Wavelength Conversion Optical Element
Liu et al. Widely tunable, monochromatic THz generation via Cherenkov-type difference frequency generation in an asymmetric waveguide
JP2010078639A (ja) 波長変換素子及びその製造方法
WO2024100865A1 (ja) 光導波路素子およびその製造方法
Rastogi et al. Effect of proton exchange on periodically poled ferroelectric domains in lithium tantalate
US20220229345A1 (en) Optical waveguide structure
Kolenda et al. Green second-harmonic generation in a periodically poled planar GaN waveguide
Shandarov et al. Planar domain structures formed by electron-beam poling in Y-and X-cut LiNbO 3 and waveguides Zn: LiNbO 3
Hu et al. Theoretical analysis of optimal quasi-phase matched second harmonic generation waveguide structure in LiTaO3 substrates
JPH06342177A (ja) 光導波路装置の製造方法と光周波数逓倍装置

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: 22961490

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1