WO2025005104A1 - 波長変換素子、これを用いた光回路、及び光源装置 - Google Patents

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polar
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core
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智之 谷川
竜二 片山
正裕 上向井
啓人 本田
将典 岡田
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University of Osaka NUC
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Nichia Corp
Osaka University NUC
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    • 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

  • This disclosure relates to a wavelength conversion element, an optical circuit using the same, and a light source device.
  • Second-order nonlinear optical effects include sum frequency generation and difference frequency generation, and are used in second harmonic generation (SHG) and optical parametric amplification. Wavelength conversion is also performed using these nonlinear optical effects.
  • Wavelength conversion waveguides consisting of periodically inverted polarization of ferroelectrics such as lithium niobate (LN) and lithium tantalate (LT) are commonly known as wavelength converters, but they are difficult to microfabricate and have a low damage threshold in the visible light band.
  • a method has been proposed in which GaN layers are grown in opposing directions from the side walls of a groove formed in a substrate, and a waveguide element for wavelength conversion is fabricated using a first crystal region and a second crystal region with c-axes in opposite directions (see, for example, Patent Document 1). Also, a quasi-phase-matched waveguide has been proposed in which an AlN thin film having a second-order nonlinear optical constant and HfO2 having no polarization are laminated in this order on the surface of a substrate (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2).
  • the method of growing a GaN layer with a c-axis in the opposite direction in the groove involves a complicated manufacturing process, and the quality of the crystal near the interface with the substrate is insufficient.
  • the thickness of the AlN thin film is small, making it difficult to grow a high-quality crystal thin film.
  • a wavelength conversion element is provided that can utilize a high-quality crystal portion with a simple configuration.
  • the wavelength converting element comprises: A substrate having a major surface; an optical waveguide disposed on the main surface of the substrate; Equipped with a core of the optical waveguide includes a polar member having a second-order nonlinear optical constant and a first nonpolar member disposed adjacent to the polar member in a direction parallel to the main surface of the substrate; In a cross section perpendicular to the optical axis of the optical waveguide, one or both side surfaces of the polar member are in contact with the first non-polar member.
  • a wavelength conversion element that can utilize high-quality crystal parts with a simple configuration has been realized.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a wavelength conversion element according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view perpendicular to the optical axis of FIG. 1 .
  • 1A and 1B are diagrams illustrating a waveguide mode propagating through an optical waveguide of a wavelength conversion element.
  • FIG. 13 is a schematic diagram of a first modified example of a wavelength conversion element.
  • 5A to 5C are diagrams showing the steps of manufacturing the optical waveguide of the wavelength conversion element of FIG. 4.
  • 5A to 5C are diagrams showing the steps of manufacturing the optical waveguide of the wavelength conversion element of FIG. 4.
  • 5A to 5C are diagrams showing the steps of manufacturing the optical waveguide of the wavelength conversion element of FIG. 4.
  • FIG. 13 is a schematic diagram of a second modified example of the wavelength conversion element.
  • FIG. 13 is a schematic diagram of a third modified example of the wavelength conversion element.
  • FIG. 13 is a schematic diagram of yet another modified example of the wavelength conversion element.
  • FIG. 13 is a model diagram for calculating the core width for phase matching.
  • FIG. 1 is a diagram showing an electromagnetic field distribution of the TM 00 mode of an optical waveguide.
  • FIG. 13 is a diagram showing the electromagnetic field distribution of the TM 20 mode of the optical waveguide.
  • FIG. 13 is a diagram showing the calculation results of the core width for phase matching in a transverse mode.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a wavelength conversion element according to a second embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a wavelength conversion element according to a third embodiment.
  • 13A and 13B are schematic diagrams of light propagating through a wavelength conversion element according to a third embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a wavelength conversion element according to a fourth embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a wavelength conversion element according to a modified example of the fourth embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a wavelength conversion element according to a fifth embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a wavelength conversion element according to a modified example of the fifth embodiment.
  • 1 is a schematic diagram of a light source device using a wavelength conversion element according to an embodiment.
  • 1 is a schematic diagram of an optical circuit using a wavelength conversion element according to an embodiment.
  • the wavelength conversion element of the embodiment can be used for purposes other than SHG.
  • it is possible to perform wavelength conversion in the reverse process of SHG i.e., conversion from angular frequency ⁇ 2 to angular frequency ⁇ 1 ).
  • It can also be used as a wavelength conversion element that performs arbitrary wavelength conversion by sum frequency generation or difference frequency generation within a range that satisfies the phase matching condition described later.
  • the guided mode In optical waveguides, the guided mode cannot strictly be separated into TM mode and TE mode, and contains components of both. This is called TM-like mode or TE-like mode. In the specification, for the sake of simplicity, it is referred to simply as TM mode, but this stands for TM-like mode.
  • Fig. 1 is a schematic perspective view of a wavelength conversion element 10 of the first embodiment
  • Fig. 2 is a cross-sectional view perpendicular to the optical axis OX of Fig. 1.
  • the direction parallel to the optical axis OX of the wavelength conversion element 10 is defined as the Z direction
  • the normal direction to the surface of the substrate 5 in the XY plane perpendicular to the optical axis OX is defined as the Y direction.
  • the wavelength conversion element 10 comprises a substrate 5 having a principal surface 501, and an optical waveguide 20 disposed on the principal surface 501 of the substrate 5.
  • the core 15 of the optical waveguide 20 includes a polar member 11 having a second-order nonlinear optical constant, and a first nonpolar member 12 disposed adjacent to the polar member 11 in the X direction parallel to the principal surface 501 of the substrate 5.
  • XY plane which is a cross section perpendicular to the optical axis OX of the optical waveguide 20
  • one or both side surfaces 111 of the polar member 11 and the first nonpolar member 12 are in contact. This allows a region with relatively high crystal quality to be used as a waveguide path, thereby reducing optical loss due to the waveguide itself.
  • the "direction parallel to" the main surface 501 does not require that the main surface 501 and the X-axis be strictly parallel in the XY plane, but may include manufacturing errors and process errors, and may include a deviation of, for example, ⁇ 2° or less, preferably ⁇ 0.1° or less.
  • one side surface 111 of the polar member 11 is disposed in contact with the first non-polar member 12, but as described below, the first non-polar member 12 may be disposed in contact with both side surfaces of the polar member 11.
  • the side surface 111 does not need to be perpendicular to the main surface 501 of the substrate 5, and the shape of the polar member 11 in the XY cross section may be a trapezoid or an inverted trapezoid.
  • the core 15 of the optical waveguide 20 is composed of the polar member 11 and the first non-polar member 12 that are in contact with each other in the lateral direction (X direction) on the main surface 501 of the substrate 5.
  • the polar member 11 is formed of, for example, a wurtzite crystal having polarization in the c-axis direction.
  • the polar member 11 can receive light with a higher power density than LN or LT, thereby increasing the conversion efficiency of the wavelength conversion element 10.
  • the c-axis of the polar member 11 formed on the substrate 5 is perpendicular to 501 of the substrate 5, and has polarization in the direction of the arrow.
  • AlN, GaN, ZnO, etc., represented by the general formula AB have a wurtzite crystal structure.
  • the polar member 11 is formed of Al x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1). By adjusting the value of x, the difference in refractive index with the first non-polar member 12 can be reduced.
  • the first non-polar member 12 is a material having no polarity.
  • the first non-polar member 12 is preferably formed as an amorphous layer.
  • the first non-polar member 12 may be selected from the group consisting of Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 , ZrO 2 , and Si 3 N 4.
  • the composition does not necessarily have to match the stoichiometry, and may be in a state in which oxygen or nitrogen is more or less than the stoichiometry.
  • the first non-polar member 12 may be a composite material containing two or more of the above materials. Alternatively, the refractive index may be adjusted by doping with an impurity.
  • This modulation reduces the cancellation of the coupling constant ⁇ , which will be described later, caused by the positive and negative antinodes of the amplitude of the high-order lateral mode generated in the core 15.
  • the spatial modulation here refers to modulation due to the presence or absence of a second-order nonlinear optical constant, and contributes to the efficiency of wavelength conversion.
  • the core 15 formed of the polar member 11 and the first non-polar member 12 is surrounded by the cladding 16.
  • the cladding 16 preferably covers both the side and top surfaces of the core 15.
  • the cladding 16 surrounding the core 15 may be an air layer, or a layer of a material having a lower refractive index than the core 15 may be provided. Silicon oxide (SiO 2 ), silicon oxynitride (SiON), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum oxynitride (AlON), etc. may be used as a material having a lower refractive index than the core 15.
  • the refractive index of the cladding is one of the parameters that determine the modal dispersion and is set appropriately.
  • the height h of the core 15 in the XY cross section corresponds to the film thickness of the polar member 11 and the first non-polar member 12.
  • the height h of the core has a sufficient thickness to increase the confinement of light, and is, for example, 300 nm to 1 ⁇ m.
  • the width W of the core 15 is the sum of the width W1 of the polar member 11 and the width W2 of the first non-polar member 12. In the embodiment, the width W of the core 15 relative to the width W1 of the polar member 11 is set so that the TM 00 mode of the fundamental wave and the TM 20 mode of the second harmonic wave satisfy the phase matching condition. The phase matching condition will be described later.
  • the height h of the polar member 11 may be equal to or greater than the width W1.
  • the aspect ratio (h/W) of the height h and width W of the core 15 may be, for example, 1 to 5, preferably 1 to 3.
  • the aspect ratio (h/W1) of the height h and width W1 of the polar member may be, for example, 2 to 10, preferably 2 to 6.
  • the aspect ratio (h/W2) of the height h to the width W2 of the first non-polar member 12 may be, for example, 2 to 10, and preferably 2 to 6.
  • the width W1 of the polar member 11 may be 0.5 to 2 times the width W2 of the first non-polar member 12.
  • the magnitude of the polarization of the polar member 11 is proportional to the magnitude of the optical electric field.
  • the polarization of the polar member 11 exhibits second-order and/or third-order nonlinear polarization.
  • the effect resulting from such nonlinear polarization is the nonlinear optical effect.
  • SHG is a representative second-order nonlinear optical effect.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a guided mode propagating through the optical waveguide 20.
  • the intensity distribution of the pump light and the signal light in the XY cross section is shown as being integrated in the Y direction and projected onto the XZ plane.
  • the pump light in the TM 00 mode with an angular frequency of ⁇ 1 is incident on the wavelength conversion element 10 in the Z direction.
  • the incidence of the pump light induces nonlinear polarization in the polar member 11 of the core 15, and a signal light with an angular frequency ⁇ 2 different from ⁇ 1 is generated.
  • ⁇ 2 is, for example, twice the angular frequency of ⁇ 1.
  • the guided mode of the signal light with an angular frequency ⁇ 2 is the TM 20 mode.
  • the polar member 11 of the core 15 has a second-order nonlinear optical constant d.
  • the second-order nonlinear optical constant is a third-order tensor, and when the energy of light input and output to the polar member 11 is sufficiently smaller than the band gap energy of the polar member 11, it is expressed by d ij, which is a component of a 3 ⁇ 6 matrix, using a contracted expression.
  • the second-order nonlinear optical constant d ij is proportional to the second-order nonlinear susceptibility ⁇ (2) .
  • the second-order nonlinear optical constant has different components that take finite values depending on the symmetry of the crystal that constitutes the polar member 11.
  • the polar member 11 has, for example, a second-order nonlinear optical constant d 33.
  • d 33 can be used as the maximum component.
  • the signal light of angular frequency ⁇ 2 generated by the interaction between the incident pump light and the polar member 11 propagates through the optical waveguide 20 in the TM 20 mode and is output from the wavelength conversion element 10.
  • the second-order nonlinear optical constant is not limited to d 33 . Taking into consideration the direction of the polarity and the direction of the optical electric field incident on the polar member 11, other components such as d31 may be used.
  • phase matching condition between the pump light and the signal light in order to efficiently generate a second harmonic wave by utilizing the second-order nonlinear optical effect, it is necessary to satisfy the phase matching condition between the pump light and the signal light.
  • the refractive index depends on the angular frequency, it is difficult to achieve phase matching in two states of angular frequency, ⁇ 1 and ⁇ 2.
  • phase matching using a transverse mode is used.
  • the refractive index of the material of the core 15 felt by the light of the wavelength of the pump light i.e., the light of the angular frequency ⁇ 1
  • the refractive index of the material of the core 15 felt by the light of the wavelength of the signal light i.e., the light of the angular frequency ⁇ 2
  • the band gap energy of the wavelength conversion element 10 is sufficiently larger than the energy of the pump light and the signal light
  • the refractive index of the core material felt by the light of the short wavelength is larger than that of the light of the long wavelength, n mat ( ⁇ 1 ) ⁇ n mat ( ⁇ 2 )
  • the effective refractive index n 00 of the core 15 in the fundamental mode is larger than the effective refractive index n m0 in the higher-order transverse mode, n00 > nm0
  • n 00 ( ⁇ 1 ) n m0 ( ⁇ 2 ) That is, the pump light and the signal light in the core 15 can satisfy the phase matching condition.
  • the coupling constant ⁇ is proportional to the value obtained by multiplying the second-order nonlinear susceptibility ⁇ (2) by the square of the electric field E ⁇ 1 and the electric field E ⁇ 2 and integrating the result over the core cross section.
  • the second-order nonlinear susceptibility ⁇ (2) is zero in the region of the first nonpolar member 12.
  • the first non-polar member 12 by designing the first non-polar member 12 to include one positive and one negative antinode in the electric field distribution of the TM 20 mode, only the remaining antinodes contribute to the coupling constant ⁇ . This makes it possible to increase the coupling constant ⁇ compared to the case where phase matching is achieved with a core made of only polar members.
  • the coupling constant ⁇ of the core 15 depends on the overlap of the electric fields of the TM 00 mode and the TM 20 mode in the cross-sectional area of the core 15. For example, by designing the optical waveguide 20 so that the interface between the polar member 11 and the first non-polar member 12 is located at a node of the amplitude of the signal light of the TM 20 mode, the cancellation of positive and negative signals in the overlap of the TM 00 mode and the TM 20 mode in the polar member 11 is reduced. This allows the coupling constant ⁇ to be increased compared to a configuration in which cancellation of positive and negative antinodes of a higher mode occurs when the core 15 is formed only with the polar member 11.
  • the transverse mode in the Y direction in FIG. 3 is preferably the fundamental mode. This allows efficient wavelength conversion by increasing the coupling constant ⁇ .
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a wavelength conversion element 10A as a first modified example of the wavelength conversion element 10.
  • the wavelength conversion element 10A has an optical waveguide 20A on the main surface 501 of the substrate 5.
  • the optical waveguide 20A includes a core 15A and a clad 16.
  • the core 15A has a polar member 11 and a first non-polar member 12 arranged in contact with the side surfaces 111 and 112 on both sides of the polar member 11.
  • the polar member 11 is sandwiched between the first non-polar member 12.
  • the wavelength conversion element 10A has a simple configuration.
  • the polar member 11 and the first non-polar member 12 can be formed thick in the Y direction, and the crystal quality can be improved.
  • a polar material can be arranged in the region where the electric field strength of each of the TM 00 mode and the TM 20 mode is high.
  • the electric field distribution of the TM 20 mode has three antinodes.
  • the coupling constant ⁇ in the formula 1 can be increased by setting the width of the core 15A so that the polar member 11 includes at least the central antinode and the two first non-polar members 12 include the vertices of the outer antinodes. Therefore, the wavelength conversion can be performed efficiently.
  • the width W1 of the polar member 11 may be, for example, 0.5 to 3 times, preferably 1 to 2 times, the sum (W-W1) of the widths W2 of the two first non-polar members 12.
  • the aspect ratio (h/W) of the height h and width W of the core 15 may be, for example, 0.5 to 10, preferably 0.5 to 6.
  • ⁇ Process for Producing Core 15A> 5A to 5D are diagrams showing the steps of manufacturing the core 15A of the wavelength conversion element 10A.
  • a layer 110 of polar material is formed on the main surface 501 of the substrate 5.
  • the substrate 5 can be selected from a suitable substrate such as a sapphire substrate, a GaN substrate, a quartz substrate, an optical glass substrate, a resin substrate, and a silicon substrate with a silicon oxide film.
  • the substrate 5 is preferably a sapphire substrate or a GaN substrate.
  • the layer 110 of polar material can be formed with relatively high quality.
  • As the polar material a material having a wurtzite crystal structure such as AlN, GaN, AlGaN, or ZnO is used.
  • a layer 110 of polar material with good crystal quality is formed by physical vapor deposition (PVD) such as sputtering and evaporation, or chemical vapor deposition (CVD).
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • the composition of Al and Ga may be adjusted to obtain a desired refractive index.
  • the thickness of the layer 110 of polar material is, for example, 300 nm to 1000 nm. Since the phase matching condition can be satisfied by controlling the transverse mode in the width direction (X direction) of the core, the layer 110 of polar material can be made relatively thick. This can improve the crystal quality of the layer 110 of polar material.
  • the layer 110 is processed into a predetermined shape to obtain the polar member 11.
  • the polar member 11 is obtained by processing the layer 110 through a mask patterned into a predetermined shape.
  • the predetermined shape is a shape extending in the Z direction with a width W1 and a height h in the XY cross section as shown in FIG. 1.
  • the height h may be greater than or equal to the width W1.
  • the aspect ratio (h/W1) of the height h and the width W1 may be 1 to 10, preferably 1.5 to 6.
  • the shape of the XY cross section does not necessarily have to be rectangular, and may be a trapezoid, an inverted trapezoid, or the like.
  • the side surfaces 111 and 112 that form a predetermined angle with the main surface 501 of the substrate 5 are obtained.
  • the anisotropic etching may be, for example, a dry process or reactive ion etching.
  • the polar member 11 is a material suitable for microfabrication and can be processed into a predetermined width.
  • a layer 120 of a non-polar material is formed on the entire surface, covering the polar member 11.
  • the layer 120 of the non-polar material is an amorphous layer that does not have polarization.
  • a material having a refractive index relatively close to that of the polar member 11 is used.
  • the difference between the refractive index of the polar member 11 and the refractive index of the layer 120 of the non-polar material may be, for example, 0.001 to 0.2, or 0.001 to 0.1.
  • the non-polar material is selected from the group consisting of Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 , ZrO 2 , and Si 3 N 4.
  • the composition does not necessarily have to match the stoichiometry, and may be in a state where oxygen or nitrogen is more or less than the stoichiometry.
  • the layer 120 of the non-polar material may be a layer of a composite material containing two or more of the above materials.
  • the refractive index may be adjusted by doping impurities. This can reduce the difference between the refractive index of the non-polar material layer 120 and the refractive index of the polar member 11, and therefore can increase the number of combinations of angular frequencies that achieve phase matching between light with angular frequency ⁇ 1 and light with angular frequency ⁇ 2 .
  • the non-polar material layer 120 may be made of Nb2O5 or TiO2 .
  • the polar member 11 is made of AlN , Ta2O5 , HfO2 , Si3N4 , or the like may be used.
  • the amorphous non-polar material layer 120 is formed by a PVD method, a CVD method, an atomic layer deposition (ALD) method, or the like. By using the CVD method or the ALD method, the non-polar material layer 120 with good coverage can be formed on the side surfaces 111 and 112 of the polar member 11.
  • the layer 120 of non-polar material is processed by anisotropic etching to form a first non-polar member 12 that contacts both side surfaces 111 and 112 of the polar member 11.
  • the core 15A with good crystal quality in the portion away from the substrate 5 is obtained.
  • the steps from FIG. 5A to 5D can be realized by a wafer process suitable for mass production, and a core 15A with a simple configuration can be manufactured by a simple process.
  • a cladding 16 may be further formed.
  • the cladding 16 may be air.
  • FIG. 6A is a schematic diagram of a wavelength conversion element 10B of a second modified example of the wavelength conversion element 10.
  • the optical waveguide 20B of the wavelength conversion element 10B has a core 15B composed of a polar member 11 and a first non-polar member 12B.
  • the first non-polar member 12B is in contact with the side surfaces 111 and 112 on both sides of the polar member 11 and the upper surface.
  • the end time of the anisotropic etching is controlled to obtain the core 15B in the shape of FIG. 6A.
  • a thin film 121 of the non-polar material remains on the main surface 501 of the substrate 5.
  • the core 15B in the shape of FIG. 6A is advantageous in that the film thickness of the polar member 11 can be maintained without overcutting the polar member 11.
  • FIG. 6B is a schematic diagram of a wavelength conversion element 10C of a third modified example of the wavelength conversion element 10.
  • the optical waveguide 20C of the wavelength conversion element 10C has a core 15C composed of a polar member 11C and a first non-polar member 12 on the main surface 501 of the substrate 5.
  • the first non-polar member 12B is in contact with the side surfaces 111 and 112 on both sides of the polar member 11 and the upper surface.
  • the core 15C having the shape of FIG. 6B is obtained by controlling the end time of the anisotropic etching of the polar material layer 110.
  • the core 15C having the shape of FIG. 6B is also advantageous in that the film thickness can be secured without excessively removing the polar member 11.
  • FIG. 6C is a schematic diagram showing yet another modified example of the wavelength conversion element 10.
  • the configuration of FIG. 6A and the configuration of FIG. 6B may be combined to form the configuration of the wavelength conversion element 10C'.
  • the optical waveguide 20C' has a core 15C' composed of a polar member 11C and a first non-polar member 12B on the main surface 501 of the substrate 5.
  • the first non-polar member 12B is provided to cover the thin film 115 of the polar material and the upper surface of the polar member 11C, and the clad 16 is formed to cover the core 15C'. Even in the configuration of FIG. 6C, the film thickness can be ensured without excessively removing the polar member 11C.
  • FIG. 7 is a model diagram for determining the core width that satisfies the phase matching condition.
  • the core shape in FIG. 4 is adopted as the model.
  • the substrate 5 is sapphire
  • the polar member 11 of the core 15 is AlN
  • the first non-polar member 12 sandwiching both sides of the polar member 11 is Ta 2 O 5
  • the clad 16 covering the core 15 is Al 2 O 3 .
  • This allows the width and height of the core, the refractive index of the core, the refractive index of the clad, and the refractive index of the substrate to be defined. From this information, the electromagnetic field distribution and the effective refractive index can be obtained by the finite element method.
  • the height h of the core 15 is fixed at 400 nm, the width W of the polar member 11 is fixed at 300 nm, and the width W of the core 15 is changed by changing the width of the first non-polar member 12.
  • the effective refractive index neff in the fundamental wave TM00 mode having a wavelength of 810 nm and the second harmonic wave TM20 mode having a wavelength of 405 nm are the same or sufficiently close to each other.
  • the TM 00 mode with a wavelength of 810 nm shown in FIG. 8A is the guided mode of the pump light, which is the fundamental wave.
  • the TM 20 mode with a wavelength of 405 nm shown in FIG. 8B is the TM 20 mode of the second harmonic.
  • Three electric field loops are located in one polar member 11 and two first non-polar members 12, one each.
  • FIG. 9 shows the calculation results of the effective refractive index n eff in the TM 00 mode and the TM 20 mode when the width W of the core 15 is changed while the width W1 of the polar member 11 is fixed at 300 nm.
  • the open circles represent the calculation results of the dispersion curve in the transverse mode (TM mode) of the angular frequency ⁇ 1.
  • the black circles represent the calculation results of the dispersion curve in the transverse mode (TM mode) of the angular frequency ⁇ 2.
  • the width W of the core 15 is 550 nm
  • the effective refractive index of the TM 00 mode of the angular frequency ⁇ 1 and the effective refractive index of the TM 20 mode of the angular frequency ⁇ 2 are the same.
  • the width W1 of the polar member 11 is 300 nm
  • the width W of the core 15 is set to 550 nm, so that the fundamental wave TM 00 mode (810 nm) and the second harmonic TM 20 mode (405 nm) can be phase-matched. That is, the 0th and 2nd order modes are used in the X direction, and the 0th order modes are phase-matched in the Y direction. This increases the coupling constant ⁇ , enabling efficient wavelength conversion.
  • the dispersion curves indicated by black circles other than the dispersion curve of the second harmonic TM 20 (405 nm) are the TM m0 mode of the second harmonic (m is an integer of 0, 1, or 3 or more), and the existence of multiple higher-order modes is permitted when the width W of the core 15 is in the vicinity of 550 nm.
  • the dispersion curves indicated by white circles other than the dispersion curve of the fundamental wave TM 00 (810 nm) are the higher-order modes of 810 nm (for example, the first-order mode), and the existence of higher-order modes is permitted when the width W of the core 15 is in the vicinity of 550 nm.
  • FIG. 9 the dispersion curves indicated by black circles other than the dispersion curve of the second harmonic TM 20 (405 nm) are the TM m0 mode of the second harmonic (m is an integer of 0, 1, or 3 or more), and the existence of multiple higher-order modes is permitted when the width W of the core 15 is in the vicinity of
  • the higher-order mode of 810 nm is not phase-matched with the TM 20 mode of 405 nm.
  • the width W of the core 15 is wider and exceeds 800 nm, the higher-order mode of 810 nm appears.
  • the fundamental wave TM 00 mode and the second harmonic TM 20 mode are not phase-matched.
  • the width of the core 15 is a width in which the number of possible modes for the component of the first angular frequency (first frequency component) is three or less, and the number of possible modes for the harmonic component of the second angular frequency (second frequency component) that is greater than the first angular frequency is two or more.
  • the width W of the core 15 may be 1.5 times or more and 4 times or less, preferably 1.75 times or more and 3.5 times or less, and more preferably 2 times or more and 3 times or less, the width W1 of the polar member 11. This improves the degree of freedom in the width of the optical waveguide that allows phase matching.
  • the width W1 of the polar member 11 can be processed in the range of 100 nm to 1000 nm, and the width of the core 15 can be appropriately selected in the range of 200 nm to 2000 nm so that the fundamental wave TM 00 mode and the second harmonic wave TM 20 mode satisfy the transverse mode phase matching condition.
  • the width W1 of the polar member 11 is in the range of 100 nm to 500 nm
  • the width of the core 15 may be in the range of 200 nm to 1000 nm.
  • FIG. 9 shows that if the angular frequency of the pump light, the angular frequency of the signal light, the refractive index of the core, and the refractive index of the cladding are determined, the core width that satisfies the phase matching condition can be obtained.
  • the phase matching condition for SHG from 810 nm to 405 nm has been described, but the embodiment is not limited to this.
  • the wavelength conversion may be an optical parametric process from 405 nm to 810 nm. Also, conversion to an arbitrary angular frequency may be performed by sum frequency generation or difference frequency generation.
  • the phase matching is not limited to the TM 00 mode and the TM 20 mode, and both may be phase matched in a higher order mode.
  • the TM p0 mode and the TM q0 mode (p and q are integers equal to or greater than 1) may be used.
  • Second Embodiment 10 is a cross-sectional view of a wavelength conversion element 10D of the second embodiment.
  • the wavelength conversion element 10D has an optical waveguide 20D disposed on the main surface 501 of the substrate 5.
  • the core 15D of the optical waveguide 20D has a polar member 11 having a second-order nonlinear optical constant, a first nonpolar member 12 disposed adjacent to the polar member 11 in a direction parallel to the main surface 501 of the XY cross section (X direction), and a second nonpolar member 13 disposed outside the first nonpolar member 12 and in contact with the side surface of the first nonpolar member 12.
  • the refractive index of the second nonpolar member 13 is greater than that of the first nonpolar member 12.
  • the "outside" of the first nonpolar member 12 means the outside with the polar member 11 as the center when viewed in the X direction of the XY cross section. At this time, the first nonpolar member 12 is located between the polar member 11 and the second nonpolar member 13.
  • the refractive index of the polar member 11 is n 1
  • the refractive index of the first non-polar member 12 is n 2
  • the refractive index of the second non-polar member 13 is n 3
  • n 1 > n 3 > n 2 n 1
  • GaN can be used for the polar member 11
  • SiO 2 can be used for the first non-polar member 12
  • Ta 2 O 5 can be used for the second non-polar member 13.
  • the refractive index n mat of the material felt by the light of the pump light wavelength and the light of the signal light wavelength is n mat ( ⁇ 1 ) ⁇ n mat ( ⁇ 2 )
  • the refractive index felt by the signal light of a short wavelength is high.
  • the magnitude relationship of the effective refractive index in the TM 00 mode and the TM 20 mode is n 00 > n 20 , and the refractive index felt by the TM 00 mode is larger than the refractive index felt by the TM 20 mode.
  • the optical density can be concentrated in the polar member 11, and phase matching can be achieved by utilizing the dispersion of the transverse mode.
  • the signal light which is the second harmonic of the TM 20 mode, is confined to the first non-polar member 12 and the polar member 11 sandwiched between the first non-polar member 12, so that leakage out of the core 15D is reduced. Since one of the loops of the TM 20 mode can be concentrated in the polar member 11, the coupling constant ⁇ can be increased according to the formula 1, and wavelength conversion by nonlinear polarization can be efficiently performed.
  • the refractive index of the second non-polar member 13 is visible, and the refractive index felt when propagating through the core 15 is high.
  • the configuration of the second embodiment allows greater freedom in designing phase matching that utilizes transverse mode dispersion by selecting the refractive index of the material.
  • FIG. 11 is an XY cross-sectional view of the wavelength conversion element 10E of the third embodiment.
  • the wavelength conversion element 10E has an optical waveguide 20E arranged on the main surface 501 of the substrate 5.
  • the core 15E of the optical waveguide 20E further has a third non-polar member 14 arranged on the upper surface of the polar member 11 and the upper surface of the first non-polar member 12.
  • the refractive index of the third non-polar member 14 is equal to or greater than that of the polar member 11.
  • the third non-polar member 14 having a refractive index equal to or greater than that of the polar member 11 allows light to be guided closer to the third non-polar member 14 than to the substrate 5.
  • the light is concentrated more on the upper side of the core 15, which has a good crystalline state, to reduce loss and improve conversion efficiency.
  • the crystal quality of the polar member 11 is better on the upper side of the core 15 than at the interface between the substrate 5 and the core 15.
  • the refractive indexes of the polar member 11 and the first non-polar member 12 are approximately the same, and the refractive index of the third non-polar member 14 is equal to or higher than the refractive indexes of the polar member 11 and the first non-polar member 12.
  • the light L including the pump light and the signal light is concentrated at the upper part of the core 15E, which has a large difference in refractive index with the cladding 16.
  • the effective refractive index of the pump light in the TM 00 mode and the effective refractive index of the signal light in the TM 20 mode become equal, and the phase matching condition is satisfied.
  • the configuration of the third embodiment can reduce losses and increase conversion efficiency by adjusting the refractive index distribution in the core 15.
  • Fourth Embodiment 13 is a cross-sectional view of a wavelength conversion element 10F of the fourth embodiment.
  • the wavelength conversion element 10F has an optical waveguide 20F arranged on the main surface 501 of the substrate 5.
  • the core 15F of the optical waveguide 20F has a polar member 11F and a first non-polar member 12 that contacts the polar member 11F on both side surfaces.
  • the polar member 11F has a first polar member 116, a second polar member 117 and/or a third polar member 118 in the normal direction of the main surface 501 of the substrate 5.
  • the first polar member 116 is arranged between the substrate 5 and the second polar member 117 or the third polar member 118.
  • the refractive indexes of the second polar member 117 and the third polar member 118 are each greater than the refractive index of the first polar member 116. Only one of the second polar member 117 and the third polar member 118 may be used.
  • the refractive indexes of the first polar member 116, the second polar member 117, and the third polar member 118 may be adjusted by adjusting the composition x of Al x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1).
  • the first polar member 116 may be made of AlGaN
  • the second polar member 117 or the third polar member 118 may be made of GaN.
  • InGaN may be used for the polar member 11F.
  • the configuration of the fourth embodiment also concentrates light on the upper side of the core 15F, which has a good crystal state, to reduce loss and improve conversion efficiency.
  • the refractive index of the third polar member 118 may be larger than the refractive index of the first polar member 116 and the refractive index of the second polar member 117. This allows the light to be guided closer to the third polar member 118 than the substrate 5. Because the crystalline quality of the third polarity member 118 is higher than that of the first polarity member 116, light can be concentrated closer to the third polarity member 118 than to the first polarity member 116, reducing light loss.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of a wavelength conversion element 10G, which is a modified example of the fourth embodiment.
  • the wavelength conversion element 10G has an optical waveguide 20G arranged on the main surface 501 of the substrate 5.
  • the core 15G of the optical waveguide 20G has a polar member 11G and a first non-polar member 12 that contacts both side surfaces of the polar member 11G.
  • the polar member 11G has a superlattice that is a periodic superposition of multiple types of crystal lattices. The piezoelectric field generated at the heterointerface of the superlattice can increase the coupling constant ⁇ of the polar member 11G and increase the conversion efficiency.
  • a GaN/AlGaN superlattice is formed by stacking an AlGaN thin film 114 and a GaN thin film 113, each controlled to a predetermined thickness, on the main surface 501 of the substrate 5 with a predetermined number of repetitions.
  • the height of the polar members and the height of the non-polar members do not necessarily have to be the same.
  • the height of the polar members may be higher or lower than the height of the non-polar members.
  • the height of the polar members and the height of the non-polar members can be appropriately set depending on the values of the angular frequencies ⁇ 1 and ⁇ 2 , the combination of the materials of the polar members and the non-polar members, and the widths of the polar members and the non-polar members. An example is shown below.
  • the wavelength conversion element 10H has an optical waveguide 20H arranged on the main surface 501 of the substrate 5.
  • the core 15H of the optical waveguide 20H has a polar member 11 and a first non-polar member 12 that contacts the polar member 11 on both side surfaces.
  • the core 15H formed by the polar member 11 and the first non-polar member 12 is surrounded by a clad 16.
  • the height of the polar member 11 is lower than the height of the first non-polar member 12.
  • the height of the polar member 11 is lower than the height of the first non-polar member 12, so that the light propagating through the core 15H is less affected by the deformed corner 12x. Therefore, the deviation of the phase matching condition due to the variation in the difference in height between the polar member 11 and the first non-polar member 12 is smaller than the design value, and the desired wavelength conversion can be performed.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of a wavelength conversion element 10I, which is a modified example of the fifth embodiment. It is the same as the wavelength conversion element 10H shown in FIG. 15, except for the points described below. That is, the substrate 5 has a convex portion 5x, and a polar member 11 is arranged on the main surface 502 of the convex portion 5x. The first non-polar member 12 is arranged on the main surface 501 of the substrate 5 on which the convex portion 5x is not provided, and the first non-polar member 12 contacts the polar member 11 on both side surfaces of the polar member 11.
  • the first non-polar member 12 forming a part of the core 15I and a part of the cladding 16 are disposed on the main surface 501 of the substrate 5, and the polar member 11 forming a part of the core 15I is disposed on the main surface 502 of the convex portion 5x of the substrate 5.
  • the effective refractive index of the part including the convex portion 5x under the polar member 11 is lower than the effective refractive index in the X direction of the part including the polar member 11 by including the convex portion 5x.
  • the light propagating through the optical waveguide 20I is efficiently confined to the part including the polar member 11 having a relatively high effective refractive index, and the loss due to the influence of the substrate 5 can be reduced.
  • the height of the polar member 11 is lower than the height of the first non-polar member 12, the light propagating through the core 15I is less affected by the deformed corner portion 12x, as in the wavelength conversion element 10H shown in FIG. 15. Therefore, the deviation in the phase matching condition due to the variation in the difference in height between the polar member 11 and the first non-polar member 12 is small relative to the design value, and the desired wavelength conversion can be achieved.
  • FIG. 17 is a schematic diagram of a light source device 100 using a wavelength conversion element 10 of an embodiment.
  • the light source device 100 includes a light source 101 such as a laser diode, and a wavelength conversion element 10 optically coupled to the light source 101.
  • the wavelength conversion element 10 may have any of the configurations of the wavelength conversion elements 10A to 10I of the above-mentioned embodiments and the modified examples.
  • the light source 101 emits light with an angular frequency of ⁇ 0.
  • a second harmonic with an angular frequency of 2 ⁇ 0 is generated by the interaction between the laser light incident on the wavelength conversion element 10 and the core 15, and is output from the wavelength conversion element 10.
  • ultraviolet light can be emitted from the light source device 100 due to SHG in the wavelength conversion element 10.
  • the light source device 100 is used as a highly efficient ultraviolet light source.
  • FIG. 18 is a schematic diagram of an optical circuit 200 using the wavelength conversion element 10 of the embodiment.
  • the optical circuit 200 has a light source 101, a mode converter 103 optically coupled to the light source 101, and a wavelength conversion element 10 optically coupled to the mode converter 103.
  • the light of the fundamental mode of ⁇ 1 emitted from the light source 101 is converted to light of a higher mode by the mode converter 103.
  • the mode converter 103 may be a Y-shaped waveguide formed of an optical waveguide, a directional coupler, a multimode interferometer, or the like.
  • the mode converter 103 may be continuously connected to the wavelength conversion element 10, or a part of the wavelength conversion element 10 may be used as the mode converter 103.
  • the mode-converted light of ⁇ 1 enters the wavelength conversion element 10 as pump light.
  • An optical parametric process occurs due to the interaction between the pump light and the optical waveguide 20 of the wavelength conversion element 10, generating a photon of ⁇ 2 .
  • the signal light generated in the optical parametric process is input to a circuit element 105 constituting a sensor circuit or the like.
  • a signal light of a different wavelength may be input to the wavelength conversion element 10 together with the pump light output from the mode converter 103 to generate difference frequency generation or sum frequency generation.
  • the optical circuit 200 realizes a highly sensitive sensor using the optical parametric process.
  • the wavelength conversion element 10 is a waveguide wavelength converter using phase matching by a transverse mode, and can be integrated with the mode converter 103 and the light source 101. This realizes an optical circuit 200 with a simple configuration and good conversion efficiency.
  • the configuration of polar member 11F or 11G of the fourth embodiment in Figures 13 and 14 may be applied to the polar member 11 in Figures 1, 10, and 11.
  • the configuration of the third embodiment in Figure 11 may be combined with the configuration of the second embodiment in Figure 10.
  • the wavelength conversion element of the embodiment can be applied to a light source device that outputs ultraviolet light or mid-infrared light that is difficult to generate by current injection.
  • An embodiment of the present disclosure may include, for example, the following configuration.
  • the first non-polar member contacts both side surfaces of the polar member at the cross section perpendicular to the optical axis of the optical waveguide. Item 2.
  • the core includes a second non-polar member provided outside the first non-polar member as viewed from the polar member in the cross section perpendicular to the optical axis, the second non-polar member being in contact with a side surface of the first non-polar member; and The refractive index of the second non-polar member is greater than the refractive index of the first non-polar member.
  • the wavelength conversion element according to item 2. (Item 4)
  • the core further includes a third non-polar member disposed on an upper surface of the polar member and an upper surface of the first non-polar member, The refractive index of the third non-polar member is equal to or greater than the refractive index of the polar member.
  • the wavelength conversion element according to any one of items 1 to 3. (Item 5)
  • the polar member has a first polar member and a second polar member in a normal direction of the main surface of the substrate, the first polar member is disposed between the substrate and the second polar member;
  • the refractive index of the second polar member is greater than the refractive index of the first polar member.
  • the width of the core is a width in which the number of modes that can exist for a first frequency component of a first angular frequency is 3 or less, and a width in which the number of modes that can exist for a second frequency component of a second angular frequency higher than the first angular frequency is 2 or more.
  • the width of the core is 200 nm or more and 2000 nm or less.
  • the width of the core is 1.5 times or more and 4 times or less than the width of the polar member.
  • Item 8 The wavelength conversion element according to any one of items 1 to 7.
  • the polar member is formed of a wurtzite crystal having polarization in the c-axis direction.
  • Item 9 The wavelength conversion element according to any one of items 1 to 8.
  • the c-axis of the polar member is perpendicular to the major surface of the substrate.
  • the wavelength conversion element according to item 9. (Item 11)
  • the polar member is formed of Al x Ga 1-x N (where 0 ⁇ x ⁇ 1); The wavelength conversion element according to claim 1 .
  • the first non-polar member is an amorphous layer.
  • Item 12. A wavelength conversion element according to any one of items 1 to 11.
  • the first non - polar member is one selected from the group consisting of Nb2O5 , Ta2O5 , TiO2 , HfO2 , ZrO2 , and Si3N4 ; Item 13.
  • the wavelength conversion element according to any one of items 1 to 12. (Item 14) A laser element; a mode converter optically coupled to the laser element; Item 14.
  • An optical circuit comprising: (Item 15) A laser element; A wavelength conversion element according to any one of items 1 to 13, which is optically coupled to the laser element;
  • a light source device comprising:
  • Substrate 501 Main surface 10, 10A to 10I Wavelength conversion element 11, 11F, 11G Polar member 111, 112 Side surface 116 First polar member 117 Second polar member 118 Third polar member 12 First non-polar member 13 Second non-polar member 14 Third non-polar member 15, 15A to 15I Core 16 Clad 20, 20A to 20I Optical waveguide 100
  • Light source device 101 Light source 103 Mode converter 105 Circuit element 200

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Abstract

シンプルな構成で高品質な結晶の部分を利用可能な波長変換素子を提供する。波長変換素子は、主面を有する基板と、前記基板の前記主面に配置される光導波路と、を備え、前記光導波路のコアは、２次の非線形光学定数を有する極性部材と、前記基板の前記主面と平行な方向で前記極性部材と隣接して配置される第１非極性部材と、を含み、前記光導波路の光軸と直交する断面で、前記極性部材の一方または両方の側面と前記第１非極性部材とが接している。

Description

波長変換素子、これを用いた光回路、及び光源装置
　本開示は、波長変換素子、これを用いた光回路、及び光源装置に関する。
　非線形光学効果を有する物質に強い光を入射すると、光電場の２乗、あるいは３乗に比例する非線形の分極が生じる。２次の非線形光学効果には、和周波発生や差周波発生等があり、第２高調波発生（ＳＨＧ：Second harmonic Generation）や光パラメトリック増幅等に利用されている。また、これらの非線形光学効果を利用して波長変換が行われている。波長変換器として、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）等の強誘電体の周期的な反転分極で構成される波長変換導波路が一般的に知られているが、微細加工が困難であり、可視光帯域でダメージ閾値が低い。
　基板に形成された溝の両側の側壁から互いに向かい合う方向にＧａＮ層を成長させ、ｃ軸が逆向きの第１結晶領域と第２結晶領域で波長変換用の導波素子を作製する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。また、２次の非線形光学定数を持つＡｌＮ薄膜と、分極を持たないＨｆＯ２を基板の表面に順に積層した擬似位相整合導波路が提案されている（たとえば、非特許文献１及び２参照）。
特開２０１８－１９４６１７号公報
２３０ｎｍ遠紫外第二高調波発生に向けた横型擬似位相整合ＨｆＯ２／ＡｌＮ導波路の設計、第８２回応用物理学会秋季学術講演会　講演予稿集、２０２１、講演番号１２ｐ‐Ｎ１０１‐７ ２３０ｎｍ遠紫外第二高調波発生に向けたＨｆＯ２／ＡｌＮ横型擬似位相整合チャネル導波路の作製、第６９回応用物理学会春季学術講演会　講演予稿集、２０２２、講演番号２６ｐ‐Ｅ２０３‐６
　溝内でｃ軸が逆向きのＧａＮ層を成長する方法は、作製工程が複雑であり、基板との界面近傍での結晶の品質が不十分である。ＡｌＮ薄膜とＨｆＯ２を積層する構成では、ＡｌＮ薄膜の厚さが小さく、高品質の結晶薄膜を成長するのが難しい。本開示の一つの側面では、シンプルな構成で高品質な結晶の部分を利用可能な波長変換素子を提供する。
　一つの実施形態において、波長変換素子は、
　主面を有する基板と、
　前記基板の前記主面に配置される光導波路と、
を備え、
　前記光導波路のコアは、２次の非線形光学定数を有する極性部材と、前記基板の前記主面と平行な方向で前記極性部材と隣接して配置される第１非極性部材と、を含み、
　前記光導波路の光軸と直交する断面で、前記極性部材の一方または両方の側面と前記第１非極性部材とが接している。
　シンプルな構成で高品質な結晶の部分を利用可能な波長変換素子が実現される。
第１実施形態の波長変換素子の模式的な斜視図である。 図１の光軸と直交する断面図である。 波長変換素子の光導波路を伝搬する導波モードを模式的に示す図である。 波長変換素子の第１変形例の模式図である。 図４の波長変換素子の光導波路の作製工程図である。 図４の波長変換素子の光導波路の作製工程図である。 図４の波長変換素子の光導波路の作製工程図である。 図４の波長変換素子の光導波路の作製工程図である。 波長変換素子の第２変形例の模式図である。 波長変換素子の第３変形例の模式図である。 波長変換素子のさらに別の変形例の模式図である。 位相整合するコア幅を計算するモデル図である。 光導波路のＴＭ００モードの電磁界分布を示す図である。 光導波路のＴＭ２０モードの電磁界分布を示す図である。 横モードで位相整合するコア幅の計算結果を示す図である。 第２実施形態の波長変換素子の断面図である。 第３実施形態の波長変換素子の断面図である。 第３実施形態の波長変換素子を伝搬する光の模式図である。 第４実施形態の波長変換素子の断面図である。 第４実施形態の変形例の波長変換素子の断面図である。 第５実施形態の波長変換素子の断面図である。 第５実施形態の変形例の波長変換素子の断面図である。 実施形態の波長変換素子を用いた光源装置の模式図である。 実施形態の波長変換素子を用いた光回路の模式図である。
　以下、図面を参照しながら、本開示を実施するための実施形態を説明する。以下の説明は、本開示の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本開示を以下の記載に限定するものではない。各図面中、同一の機能を有する部材には、同一符号を付している場合がある。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態に分けて示す場合があるが、異なる実施形態や実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。後に示す実施形態では、先に示した実施形態との異なる事項について主に説明し、先に示した実施形態と共通の事柄について重複する説明を省略することがある。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合がある。
　以下の実施形態では、説明を簡単にするために、主に角周波数ω１の光を角周波数ω２（＝２×ω１）の光に変換するＳＨＧを例にとり説明する。しかしながら、実施形態の波長変換素子はＳＨＧ以外の用途にも使用することができる。たとえば、ＳＨＧの逆過程の波長変換（すなわち、角周波数ω２から角周波数ω１への変換）が可能である。また、後述する位相整合条件を満たす範囲で、和周波発生または差周波発生により任意の波長変換を行う波長変換素子としても使用することもできる。
　光導波路において、導波モードは厳密にはＴＭモードとＴＥモードに分離することはできず、いずれの成分も含む。これは、ＴＭ‐ｌｉｋｅモードやＴＥ‐ｌｉｋｅモードと呼ばれている。明細書中において、記載を簡略化するために単にＴＭモードと表記するが、これはＴＭ‐ｌｉｋｅモードを表している。
　＜第１実施形態＞
　図１は、第１実施形態の波長変換素子１０の模式的な斜視図、図２は、図１の光軸ＯＸと直交する断面図である。図１、及び図２の座標系で、波長変換素子１０の光軸ＯＸと平行な方向をＺ方向とし、光軸ＯＸと直交するＸＹ面内で基板５の表面に対する法線方向をＹ方向とする。
　波長変換素子１０は、主面５０１を有する基板５と、基板５の主面５０１に配置される光導波路２０と、を備える。光導波路２０のコア１５は、２次の非線形光学定数を有する極性部材１１と、基板５の主面５０１と平行なＸ方向で極性部材１１と隣接して配置される第１非極性部材１２と、を含む。光導波路２０の光軸ＯＸと直交する断面であるＸＹ面内で、極性部材１１の一方または両方の側面１１１と、第１非極性部材１２とが接している。これにより、結晶品質の比較的高い領域を導波経路とすることができ、導波路自身による光損失を低減することができる。
　ここで、主面５０１と「平行な方向」とは、ＸＹ面内で主面５０１とＸ軸とが厳密に平行であることを要求せず、製造誤差やプロセス誤差を含み、たとえば±２°以下、好ましくは±０．１°以下のズレを含んでもよい。図１の例では、極性部材１１の一方の側面１１１が第１非極性部材１２と接して配置されているが、後述するように、極性部材１１の両側面に第１非極性部材１２が接して配置されてもよい。側面１１１は、基板５の主面５０１に対して垂直である必要はなく、極性部材１１のＸＹ断面での形状は台形であってもよいし、逆台形であってもよい。
　基板５の主面５０１上で互いに横方向（Ｘ方向）に接する極性部材１１と第１非極性部材１２とで、光導波路２０のコア１５が構成される。極性部材１１は、たとえば、ｃ軸方向に分極をもつウルツ鉱型結晶で形成されている。極性部材１１は、ＬＮやＬＴと比べて大きなパワー密度の光を入射して、波長変換素子１０の変換効率を高めることができる。図１の上向きの矢印で示すように、基板５上に成膜された極性部材１１のｃ軸は基板５の５０１に対して垂直であり、矢印の方向に分極を有する。一般式ＡＢで表されるＡｌＮ、ＧａＮ、ＺｎＯ等はウルツ鉱型結晶構造を有する。実施形態では、極性部材１１をＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）で形成する。ｘの値を調整することで、第１非極性部材１２との屈折率の差を小さくすることができる。
　第１非極性部材１２は、極性を有さない物質である。第１非極性部材１２は、好ましくはアモルファス層として形成されている。第１非極性部材１２は、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ｓｉ３Ｎ４からなる群から選択されてもよい。なお、組成は必ずしもストイキオメトリに一致する必要はなく、酸素または窒素がストイキオメトリと比べて多い状態または少ない状態であってもよい。さらに、第１非極性部材１２は、上記材料を２種類以上含む複合材料であってよい。もしくは、不純物をドーピングすることで屈折率を調整してもよい。これにより、第１非極性部材１２の屈折率と極性部材１１の屈折率との差を小さくすることができるので、角周波数ω１の光と角周波数ω２の光との間で位相整合を実現する角周波数の組み合わせの数を増やすことができる。第１非極性部材１２と極性部材１１を基板５の主面５０１上で、積層方向ではなく、横方向（Ｘ方向）に隣接させてコア１５を構成することで、極性部材１１の厚さを稼いで、結晶の品質を向上できる。極性を持たない第１非極性部材１２を極性部材１１の側面１１１に接して配置することで、光導波路２０のコア１５中に空間的な変調が導入される。この変調により、コア１５中に発生する高次の横モードの振幅の正負の腹による後述する結合定数κの打ち消し合いが小さくなる。ここでいう空間的な変調とは、２次の非線形光学定数の有無による変調であり、波長変換の効率に寄与する。
　極性部材１１と第１非極性部材１２で形成されるコア１５は、クラッド１６に囲まれている。クラッド１６は、好ましくは、コア１５の側面と上面の両方を覆う。コア１５を取り囲むクラッド１６として空気層を用いてもよいし、コア１５よりも屈折率の低い材料の層を設けてもよい。コア１５よりも屈折率の低い材料として、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２О３）、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）等を用いてもよい。クラッドの屈折率は、モード分散を決定するパラメータのひとつであり、適宜設定される。
　ＸＹ断面でのコア１５の高さｈは、極性部材１１と第１非極性部材１２の膜厚に相当する。コアの高さｈは、光の閉じ込めを大きくできる十分な厚さを有し、一例として３００ｎｍから１μｍである。コア１５の幅Ｗは、極性部材１１の幅Ｗ１と、第１非極性部材１２の幅Ｗ２の合計である。実施形態では、極性部材１１の幅Ｗ１に対するコア１５の幅Ｗは、基本波のＴＭ００モードと、第２高調波のＴＭ２０モードが位相整合条件を満たすように設定されている。位相整合条件は後述する。極性部材１１の結晶品質の良好な部分を増やす観点から、極性部材１１の高さｈを、幅Ｗ１以上にしてもよい。コア１５の高さｈと幅Ｗのアスペクト比（ｈ／Ｗ）は、たとえば、１以上５以下、好ましくは１以上３以下であってよい。極性部材の高さｈと幅Ｗ１のアスペクト比（ｈ／Ｗ１）は、たとえば、２以上１０以下、好ましくは２以上６以下であってよい。第１非極性部材１２の高さｈと幅Ｗ２のアスペクト比（ｈ／Ｗ２）は、たとえば、２以上１０以下、好ましくは２以上６以下であってよい。また、極性部材１１の幅Ｗ１は、第１非極性部材１２の幅Ｗ２の０．５倍以上２倍以下であってよい。
　光導波路２０に入射する光が弱いときは、極性部材１１の分極の大きさは光電場の大きさに比例する。一方で、十分な強度をもつ光が入射すると、極性部材１１の分極には、２次および／または３次の非線形分極が現れる。このような非線形分極から生じる効果が、非線形光学効果である。２次の非線形光学効果の代表としてＳＨＧがある。２つの同じ角周波数をもつ光子が非線形光学媒質と相互作用することにより、もとの光子の２倍のエネルギーの光子が発生する。言い換えると、角周波数が２倍の光子が発生する。
　図３は、光導波路２０を伝搬する導波モードを模式的に示す。図３では、ＸＹ断面におけるポンプ光と信号光の強度分布を、Ｙ方向の積分をとって、ＸＺ面に投影して示している。角周波数ω１のＴＭ００モードのポンプ光が、Ｚ方向に波長変換素子１０に入射する。ポンプ光の入射によりコア１５の極性部材１１に非線形分極が誘発され、ω１と異なる角周波数ω２の信号光が発生する。ω２は、たとえばω１の２倍の角周波数である。この例では、角周波数ω２の信号光の導波モードは、ＴＭ２０モードである。
　コア１５の極性部材１１は、２次の非線形光学定数ｄを有する。２次の非線形光学定数は、３階のテンソルであり、極性部材１１へ入出力される光のエネルギーが極性部材１１のバンドギャップエネルギーよりも十分小さいとき、縮約表現を用いて３×６の行列の成分であるｄｉｊで表される。２次の非線形光学定数ｄｉｊは、２次の非線形感受率χ（２）に比例する。２次の非線形光学定数は、極性部材１１を構成する結晶の対称性により、有限の値をとる成分が異なる。極性部材１１は、たとえば、２次の非線形光学定数ｄ33を有する。基板５の主面５０１と垂直な方向にｃ軸をもつ場合は、ｄ33が最大成分として用いられ得る。入射したポンプ光と極性部材１１との相互作用で発生した角周波数ω２の信号光は、ＴＭ２０モードで光導波路２０を伝搬し、波長変換素子１０から出力される。なお、本実施形態において、２次の非線形光学定数はｄ33に限られない。極性の方向と極性部材１１へ入射する光電場の向きを考慮して、たとえばｄ31など他の成分を利用してもよい。
　波長変換素子１０において、２次の非線形光学効果を利用して効率的に第２高調波を発生させるには、ポンプ光と信号光の間で位相整合条件を満たす必要がある。一般的に、屈折率は角周波数に依存するため、角周波数がω１とω２の２つの状態で位相整合をとることは難しい。これを解消するために、複屈折による位相整合や、周期的分極反転による擬似位相整合が用いられる。この実施形態では、横モードを用いた位相整合を利用する。ポンプ光の波長の光（すなわち、角周波数ω１の光）が感じるコア１５の材料の屈折率をｎmat（ω１）、信号光の波長の光（すなわち、角周波数ω２の光）が感じるコア１５の材料の屈折率をｎmat（ω２）とすると、波長変換素子１０のバンドギャップエネルギーがポンプ光および信号光のエネルギーと比べて十分大きい場合、長波長の光よりも短波長の光が感じるコア材料の屈折率の方が大きく、
　　　ｎmat（ω１）＜ｎmat（ω２）
である。一方、コア１５の実効屈折率の横モード依存性（モード分散）により、基本モードにおけるコア１５の実効屈折率ｎ００は、高次の横モードにおける実効屈折率ｎｍ０よりも大きく、
　　　ｎ００＞ｎｍ０
となる。ここで、ｍはモード次数である。実効屈折率の横モード依存性を利用して、ポンプ光と信号光が感じるモードごとの実効屈折率を同等にすることで、
　　　ｎ００（ω１）＝ｎｍ０（ω２）
を満たすことができる。すなわち、コア１５内でのポンプ光と信号光は位相整合条件を満足し得る。
　角周波数ω１のモードとω２のモードとの間の結合定数κは、以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 結合定数κは、２次の非線形感受率χ（２）と、電場Ｅω１の２乗と、電場Ｅω２を掛け合わせて、コア断面で積分した値に比例する。２次の非線形感受率χ（２）は、第１非極性部材１２の領域ではゼロである。
　したがって、図３の例では、例えば、第１非極性部材１２が、ＴＭ２０モードの電場分布のうち正負の腹を１つずつ含むように設計することで、残りの腹のみが結合定数κに寄与することとなる。これは、極性部材のみからなるコアで位相整合をとる場合と比べて、結合定数κを大きくすることができる。
　コア１５の結合定数κは、コア１５の断面領域でのＴＭ００モードとＴＭ２０モードの電場の重なり合いに依存する。たとえば、極性部材１１と第１非極性部材１２の界面が、ＴＭ２０モードの信号光の振幅の節に位置するように光導波路２０を設計することで、極性部材１１でＴＭ００モードとＴＭ２０モードの重なり合いにおける正負の打ち消し合いを小さくする。これにより、極性部材１１のみでコア１５を形成したときに高次モードの正負の腹の打ち消し合いが生じる構成と比較して、結合定数κを大きくできる。なお、図３においてＹ方向の横モードは基本モードであることが好ましい。これにより、結合定数κを大きくして、効率よく波長変換ができる。
（第１変形例）
　図４は、波長変換素子１０の第１変形例としての波長変換素子１０Ａの模式図である。波長変換素子１０Ａは、基板５の主面５０１の上に、光導波路２０Ａを有する。光導波路２０Ａは、コア１５Ａとクラッド１６を含む。コア１５Ａは、極性部材１１と、極性部材１１の両側の側面１１１と１１２に接して配置される第１非極性部材１２とを有する。光軸ＯＸ（図１参照）と直交するＸＹ断面で、極性部材１１は、第１非極性部材１２の間に挟まれている。図１及び図２の波長変換素子１０と同様に、波長変換素子１０Ａはシンプルな構成を有する。極性部材１１と第１非極性部材１２をＹ方向に厚く形成することができ、結晶品質を向上させることができる。また、対称性が高い形をとることで、ＴＭ００モードとＴＭ２０モードそれぞれの電場強度が高い領域に極性材料を配置できる。
　ＴＭ２０モードの電場分布は３つの腹をもつ。例えば、極性部材１１が少なくとも真ん中の腹を含み、かつ２つの第１非極性部材１２がそれぞれ外側の腹の頂点を含むようにコア１５Ａの幅を設定することで、数１の結合定数κを大きくすることができる。したがって、効率よく波長変換ができる。極性部材１１の幅Ｗ１は、２つの第１非極性部材１２の幅Ｗ２の合計（Ｗ－Ｗ１）の例えば０．５倍以上３倍以下、好ましくは１倍以上２倍以下であってよい。また、コア１５の高さｈと幅Ｗのアスペクト比（ｈ／Ｗ）は、たとえば、０．５以上１０以下、好ましくは、０．５以上６以下であってよい。
　＜コア１５Ａの作製工程＞
　図５Ａから図５Ｄは、波長変換素子１０Ａのコア１５Ａの作製工程図である。図５Ａにおいて、基板５の主面５０１に、極性材料の層１１０を形成する。基板５は、サファイア基板、ＧａＮ基板、石英基板、光学ガラス基板、樹脂基板、シリコン酸化膜付きのシリコン基板など、適切な基板を選択できる。基板５は、好ましくはサファイア基板またはＧａＮ基板である。極性材料の層１１０を比較的高い品質で形成することができる。極性材料として、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＯ等のウルツ鉱型結晶構造をもつ材料を用いる。８００ｎｍ近傍の波長に対して、ＧａＮの屈折率は２．３５、ＡｌＮとＺｎＯの屈折率は、それぞれ２．１８と２．１０である。スパッタリングおよび蒸着等の物理気相成長（ＰＶＤ：Physical Vapor Deposition）法や、化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法により、結晶品質の良好な極性材料の層１１０が形成される。極性材料の層１１０としてＡｌＧａＮを成膜するときは、ＡｌとＧａの組成を調整して、所望の屈折率にしてもよい。極性材料の層１１０の厚さは、たとえば、３００ｎｍ乃至１０００ｎｍにする。位相整合条件はコアの幅方向（Ｘ方向）の横モードを制御することで満たすことができるので、極性材料の層１１０を比較的厚くすることができる。これにより、極性材料の層１１０の結晶品質を高めることができる。
　図５Ｂで、層１１０を所定の形状に加工して極性部材１１を得る。極性部材１１は、層１１０の上に所定の形状にパターニングされたマスクを介して加工することで得られる。所定の形状は、図１に示したように、ＸＹ断面での幅Ｗ１、高さｈで、Ｚ方向に延びる形状である。極性部材１１の結晶品質を確保するために、高さｈを、幅Ｗ１以上にしてもよい。高さｈと幅Ｗ１のアスペクト比（ｈ／Ｗ１）は１以上１０以下、好ましくは１．５以上６以下であってよい。ＸＹ断面の形状は必ずしも長方形でなくてもよく、台形、逆台形などであってもよい。層１１０に対して異方性エッチングを施すことで、基板５の主面５０１と所定の角度をなす側面１１１と１１２が得られる。異方性エッチングは、例えば、ドライプロセスであってよく、反応性イオンエッチングであってよい。以上のように、極性部材１１は、微細加工に適した材料であり、所定の幅に加工することができる。
　図５Ｃで、極性部材１１を覆って、全面に非極性材料の層１２０を形成する。非極性材料の層１２０は、分極をもたないアモルファス層である。非極性材料として、極性部材１１と屈折率が比較的近い材料を用いる。極性部材１１の屈折率と非極性材料の層１２０の屈折率との差はたとえば、０．００１以上０．２以下であってよく、０．００１以上０．１以下であってよい。一例として、非極性材料は、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ｓｉ３Ｎ４からなる群から選択される。なお、組成は必ずしもストイキオメトリに一致する必要はなく、酸素または窒素がストイキオメトリと比べて多い状態または少ない状態であってもよい。さらに、非極性材料の層１２０は、上記材料を２種類以上含む複合材料の層であってよい。もしくは、不純物をドーピングすることで屈折率を調整してもよい。これにより、非極性材料の層１２０の屈折率と極性部材１１の屈折率との差を小さくすることができるので、角周波数ω１の光と角周波数ω２の光との間で位相整合を実現する角周波数の組み合わせの数を増やすことができる。たとえば、極性部材１１をＧａＮで形成する場合は、Ｎｂ２Ｏ５またはＴｉＯ２で非極性材料の層１２０を形成してよい。極性部材１１をＡｌＮで形成する場合は、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、Ｓｉ３Ｎ４などを用いてよい。アモルファスの非極性材料の層１２０は、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、または原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）法などにより形成される。ＣＶＤ法やＡＬＤ法を用いることで、極性部材１１の側面１１１と１１２に対して被覆性の良い非極性材料の層１２０を形成できる。
　図５Ｄで、異方性エッチングにより、非極性材料の層１２０を加工して、極性部材１１の両側の側面１１１と１１２に接する第１非極性部材１２を形成する。これにより、波長変換素子１０Ａのコア１５Ａが得られる。極性部材１１を十分な深さでエッチングすることで、基板５から離れた部分の結晶品質が良好なコア１５Ａが得られる。結晶品質が良好な部分に光を集中させることで光損失が低減され、変換効率を向上させることができる。図５Ａから５Ｄの工程は、量産に適したウェハプロセスで実現可能であり、シンプルな構成のコア１５Ａを簡便なプロセスで作製できる。このあとにクラッド１６をさらに形成してもよい。クラッド１６は空気でもよい。
（第２変形例）
　図６Ａは、波長変換素子１０の第２変形例の波長変換素子１０Ｂの模式図である。波長変換素子１０Ｂの光導波路２０Ｂは、極性部材１１と、第１非極性部材１２Ｂとで構成されるコア１５Ｂを有する。第１非極性部材１２Ｂは、極性部材１１の両側の側面１１１及び１１２と、上面に接している。図５Ｄの工程で、異方性エッチングの終了時点を制御することで、図６Ａの形状のコア１５Ｂが得られる。極性部材１１の上面が露出する前に非極性材料の層１２０の異方性エッチングを終了することで、基板５の主面５０１上に非極性材料の薄膜１２１が残る。図６Ａの形状のコア１５Ｂは、極性部材１１を削り過ぎることなく極性部材１１の膜厚を維持できる点で有利である。また、非極性材料の薄膜１２１が残るようにすることで、極性部材１１の側面と接する第１非極性部材１２Ｂが削れることを低減することができる。これにより、実効屈折率の制御を容易に行うことができる。
（第３変形例）
　図６Ｂは、波長変換素子１０の第３変形例の波長変換素子１０Ｃの模式図である。波長変換素子１０Ｃの光導波路２０Ｃは、基板５の主面５０１の上に、極性部材１１Ｃと第１非極性部材１２とで構成されるコア１５Ｃを有する。第１非極性部材１２Ｂは、極性部材１１の両側の側面１１１及び１１２と、上面に接している。図５Ｂの工程で、極性材料の層１１０の異方性エッチングの終了時点を制御することで、図６Ｂの形状のコア１５Ｃが得られる。基板５の主面５０１が露出する前に極性材料の層１１０の異方性エッチングを終了することで、基板５の主面５０１上に、極性材料の薄膜１１５が残るが、光をコア１５Ｃの内部に効果的に閉じ込めることができる。図６Ｂの形状のコア１５Ｃも、極性部材１１を削り過ぎることなく、膜厚を確保できる点で有利である。
（第４変形例）
　図６Ｃは、波長変換素子１０のさらに別の変形例を示す模式図である。図６Ａの構成と、図６Ｂの構成を組み合わせて波長変換素子１０Ｃ'の構成にしてもよい。光導波路２０Ｃ'は、基板５の主面５０１の上に、極性部材１１Ｃと第１非極性部材１２Ｂとで構成されるコア１５Ｃ'を有する。第１非極性部材１２Ｂは、極性材料の薄膜１１５と極性部材１１Ｃの上面とを覆って設けられ、コア１５Ｃ'を覆ってクラッド１６が形成される。図６Ｃの構成でも、極性部材１１Ｃを削り過ぎることなく、膜厚を確保できる。
　＜コア幅の評価＞
　図７は、位相整合条件を満たすコア幅を求めるモデル図である。この例では、図４のコア形状をモデルに採用する。基板５をサファイア、コア１５の極性部材１１をＡｌＮ、極性部材１１の両側面を挟む第１非極性部材１２をＴａ２Ｏ５、コア１５を覆うクラッド１６をＡｌ２Ｏ３とする。これにより、コアの幅および高さ、コアの屈折率、クラッドの屈折率、および基板の屈折率が定義できる。これらの情報から、有限要素法により電磁界分布および実効屈折率を得ることができる。コア１５の高さｈを４００ｎｍ、極性部材１１の幅Ｗを３００ｎｍに固定し、第１非極性部材１２の幅を変えてコア１５の幅Ｗを変化させる。このモデルを用いて波長８１０ｎｍの光（角周波数ω１）と、波長４０５ｎｍの光（角周波数ω２（＝２×ω１））に対するコア１５の実効屈折率ｎeffを計算する。上述したように、光導波路２０で、実効屈折率ｎeffの横モード依存性（モード分散）を利用して位相整合させるために、波長８１０ｎｍの基本波ＴＭ００モードと、波長４０５ｎｍの第２高調波ＴＭ２０モードにおける実効屈折率ｎeffが同じか、または十分に近接している必要がある。
　図８Ａと図８Ｂは、光導波路２０内の２つの横モードの電磁界分布を示す。図８Ａに示す波長８１０ｎｍのＴＭ００モードは、基本波であるポンプ光の導波モードである。図３で示した模式的な電場強度分布のように、一つのピークがコア１５の中央に存在する。図８Ｂに示す波長４０５ｎｍのＴＭ２０モードは、第２高調波のＴＭ２０モードである。３つの電場の腹が１つの極性部材１１と２つの第１非極性部材１２に１つずつ位置している。
　図９は、極性部材１１の幅Ｗ１を３００ｎｍに固定した状態でコア１５の幅Ｗを変えたときのＴＭ００モードとＴＭ２０モードにおける実効屈折率ｎeffの計算結果である。白丸は角周波数ω１の横モード（ＴＭモード）における分散曲線の計算結果を表す。黒丸は角周波数ω２の横モード（ＴＭモード）における分散曲線の計算結果を表す。コア１５の幅Ｗが５５０ｎｍのときに、角周波数ω１のＴＭ００モードの実効屈折率と角周波数ω２のＴＭ２０モードの実効屈折率が一致する。したがって、極性部材１１の幅Ｗ１が３００ｎｍのときに、コア１５の幅Ｗを５５０ｎｍに設定することで、基本波ＴＭ００モード（８１０ｎｍ）と、第２高調波ＴＭ２０モード（４０５ｎｍ）とを位相整合させることができる。すなわち、Ｘ方向は０次と２次のモードを利用し、Ｙ方向は互いに０次のモードで位相整合する。これにより、結合定数κが大きくなり、効率よく波長変換することができる。
　図９で、第２高調波ＴＭ２０（４０５ｎｍ）の分散曲線以外に示されている黒丸の分散曲線は、第２高調波のＴＭｍ０モードであり（ｍは０、１、および３以上の整数）、コア１５の幅Ｗが５５０ｎｍの近傍で、複数の高次モードの存在が許容される。同様に、基本波ＴＭ００（８１０ｎｍ）の分散曲線以外に示されている白丸の分散曲線は、８１０ｎｍの高次モード（例えば１次のモード）であり、コア１５の幅Ｗが５５０ｎｍの近傍で、高次モードの存在が許容される。ただし、図９から、この幅の近傍では、８１０ｎｍの高次モードは４０５ｎｍのＴＭ２０モードと位相整合しないことがわかる。コア１５の幅Ｗがさらに広く８００ｎｍを超えると、８１０ｎｍの高次モードが現れる。ただし、この幅領域では、基本波ＴＭ００モードと第２高調波ＴＭ２０モードは位相整合しない。
　ここから、光導波路２０の光軸と直交する断面において、コア１５の幅は、第１角周波数の成分（第１周波数成分）に対して存在可能なモード数が３以下となる幅であり、かつ、第１角周波数よりも大きな第２角周波数の高調波成分（第２周波数成分）に対して存在可能なモード数が２以上となる幅である。コア１５の幅Ｗは、極性部材１１の幅Ｗ１の１．５倍以上、４倍以下、好ましくは１．７５倍以上、３．５倍以下、より好ましくは２倍以上、３倍以下であってよい。これにより、位相整合が可能な光導波路の幅の自由度が向上する。
　極性部材１１の幅Ｗ１を１００ｎｍから１０００ｎｍの範囲で加工可能として、基本波ＴＭ００モードと第２高調波ＴＭ２０モードが横モード位相整合条件を満たすように、コア１５の幅を２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲で適切に選択することができる。また、極性部材１１の幅Ｗ１が１００ｎｍから５００ｎｍの範囲であるとき、コア１５の幅を２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲としてもよい。
　図９から、ポンプ光の角周波数と、シグナル光の角周波数と、コアの屈折率と、クラッドの屈折率と、が決まれば、位相整合条件を満足するコア幅を求められることが示される。この例では、８１０ｎｍから４０５ｎｍへのＳＨＧが生じるための位相整合条件を説明したが、実施形態はこれに限られない。波長変換は、４０５ｎｍから８１０ｎｍへの光パラメトリック過程であってもよい。また、和周波発生または差周波発生により任意の角周波数への変換であってもよい。また、ポンプ光とシグナル光とで位相整合条件を満たす横モードの組を見つければよいので、ＴＭ００モードとＴＭ２０モードの位相整合に限られず、共に高次モードで位相整合してもよい。たとえば、ＴＭｐ０モードとＴＭｑ０モード（ｐ、ｑは１以上の整数）であってよい。
　＜第２実施形態＞
　図１０は、第２実施形態の波長変換素子１０Ｄの断面図である。波長変換素子１０Ｄは、基板５の主面５０１の上に配置される光導波路２０Ｄを有する。光導波路２０Ｄのコア１５Ｄは、２次の非線形光学定数を有する極性部材１１と、ＸＹ断面の主面５０１と平行な方向（Ｘ方向）で極性部材１１と隣接して配置される第１非極性部材１２と、第１非極性部材１２の外側に配置されて第１非極性部材１２の側面と接する第２非極性部材１３と、を有する。第２非極性部材１３の屈折率は第１非極性部材１２の屈折率よりも大きい。第１非極性部材１２の「外側」とは、ＸＹ断面のＸ方向で見たときに極性部材１１を中心として外側という意味である。このとき、第１非極性部材１２は極性部材１１と第２非極性部材１３との間に位置する。
　極性部材１１の屈折率をｎ１、第１非極性部材１２の屈折率をｎ２、第２非極性部材１３の屈折率をｎ３とすると、ｎ１＞ｎ３＞ｎ２である。たとえば、極性部材１１にＧａＮを用い、第１非極性部材１２にＳｉＯ２を用い、第２非極性部材１３にＴａ２Ｏ５を用いることができる。波長と導波モードを別々にみると、ポンプ光の波長の光と信号光の波長の光が感じる材料の屈折率ｎmatは、ｎmat（ω１）＜ｎmat（ω２）であり、短波長の信号光が感じる屈折率が高い。また、ＴＭ００モードとＴＭ２０モードにおける実効屈折率の大小関係はｎ００＞ｎ２０であり、ＴＭ００モードが感じる屈折率が、ＴＭ２０モードが感じる屈折率よりも大きい。ここで、実効屈折率の横モード依存性を利用して、ｎ００（ω１）＝ｎｍ０（ω２）の位相整合条件を満たすようにする。
　コア１５Ｄの構成をとることで、極性部材１１に光密度を集中させ、かつ、横モードの分散を利用して位相整合をとることができる。ＴＭ２０モードの第２高調波である信号光は、第１非極性部材１２と、第１非極性部材１２に挟まれた極性部材１１への閉じ込めによってコア１５Ｄの外へのしみ出しが低減される。ＴＭ２０モードの腹の１つを極性部材１１へ集中させることができるので、数１により、結合定数κを大きくして、効率よく非線形分極による波長変換を行うことができる。また、ＴＭ００モードのポンプ光にとっては、第２非極性部材１３の屈折率が見えて、コア１５を伝搬する際に感じる屈折率が高くなる。
　第２実施形態の構成は、材料の屈折率を選択することで、横モードの分散を利用する位相整合の設計の自由度が大きくなる。
　＜第３実施形態＞
　図１１は、第３実施形態の波長変換素子１０ＥのＸＹ断面図である。波長変換素子１０Ｅは、基板５の主面５０１の上に配置される光導波路２０Ｅを有する。光導波路２０Ｅのコア１５Ｅは、極性部材１１の上面と第１非極性部材１２の上面に配置される第３非極性部材１４をさらに有する。第３非極性部材１４の屈折率の大きさは、極性部材１１の屈折率の大きさ以上である。この構成では、極性部材１１以上の屈折率を有する第３非極性部材１４により、光は基板５よりも第３非極性部材１４の近くで導波できる。したがって、結晶状態が良好なコア１５の上側に光をより集中させて損失を低減し、変換効率が向上する。コア１５の上側は、基板５とコア１５の界面よりも極性部材１１の結晶品質が良好だからである。たとえば、極性部材１１にＡｌＮを用い、第１非極性部材１２にＴａ２Ｏ５を用い、第３非極性部材１４にＮｂ２Ｏ５を用いると、極性部材１１と第１非極性部材１２の屈折率はほぼ同じになり、第３非極性部材１４の屈折率が、極性部材１１と第１非極性部材１２の屈折率以上になる。
　図１２は、波長変換素子１０Ｅを伝搬する光の模式図である。ポンプ光と信号光を含む光Ｌは、クラッド１６との屈折率の差が大きいコア１５Ｅの上部に集中する。この状態で、ポンプ光のＴＭ００モードにおける実効屈折率と、信号光のＴＭ２０モードにおける実効屈折率が同等になり、位相整合条件が満たされる。第３実施形態の構成は、コア１５内の屈折率分布を調整することで、損失を低減し変換効率を高めることができる。
　＜第４実施形態＞
　図１３は、第４実施形態の波長変換素子１０Ｆの断面図である。波長変換素子１０Ｆは、基板５の主面５０１の上に配置される光導波路２０Ｆを有する。光導波路２０Ｆのコア１５Ｆは、極性部材１１Ｆと、極性部材１１Ｆの両側の側面で接する第１非極性部材１２を有する。極性部材１１Ｆは、基板５の主面５０１の法線方向に、第１極性部材１１６と、第２極性部材１１７及び／または第３極性部材１１８と、を有する。第１極性部材１１６は、基板５と、第２極性部材１１７または第３極性部材１１８との間に配置される。第２極性部材１１７及び第３極性部材１１８の屈折率は、それぞれ第１極性部材１１６の屈折率よりも大きい。第２極性部材１１７と第３極性部材１１８のいずれか一方だけを用いてもよい。
　極性部材１１Ｆを窒化物で形成する場合は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）の組成ｘを調整することで、第１極性部材１１６と、第２極性部材１１７と、第３極性部材１１８の屈折率を調整してもよい。たとえば、第１極性部材１１６をＡｌＧａＮで形成し、第２極性部材１１７または第３極性部材１１８を、ＧａＮで形成してもよい。極性部材１１ＦにＩｎＧａＮを用いてもよい。第４実施形態の構成も結晶状態が良好なコア１５Ｆの上側に光を集中させて損失を低減し、変換効率を向上することができる。また、第２極性部材１１７および第３極性部材１１８の両方があるとき、第３極性部材１１８の屈折率が第１極性部材１１６の屈折率および第２極性部材１１７の屈折率と比べて大きくてよい。これにより、光は基板５よりも第３極性部材１１８の近くで導波できる。第３極性部材１１８の結晶品質は第１極性部材１１６の結晶品質よりも高いので、光を第１極性部材１１６よりも第３極性部材１１８の近くに集中させて、光損失を低減することができる。
　図１４は、第４実施形態の変形例である波長変換素子１０Ｇの断面図である。波長変換素子１０Ｇは、基板５の主面５０１の上に配置される光導波路２０Ｇを有する。光導波路２０Ｇのコア１５Ｇは、極性部材１１Ｇと、極性部材１１Ｇの両側の側面で接する第１非極性部材１２を有する。極性部材１１Ｇは、複数種類の結晶格子の周期的な重ね合わせである超格子を有する。超格子のヘテロ界面で生じるピエゾ電場により、極性部材１１Ｇの結合定数κを大きくし、変換効率を高めることができる。たとえば、所定の膜厚に制御されたＡｌＧａＮ薄膜１１４とＧａＮ薄膜１１３を所定の繰り返し数で基板５の主面５０１上に積層することで、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子が形成される。
＜第５実施形態＞
　第１実施形態から第４実施形態またはそれらの変形例において、極性部材の高さと非極性部材の高さはかならずしも一致しなくてもよい。例えば、極性部材の高さは非極性部材の高さよりも高くても低くてもよい。角周波数ω１と角周波数ω２の値、極性部材と非極性部材の材料の組み合わせおよび極性部材と非極性部材の幅などに応じて極性部材の高さと非極性部材の高さを適宜設定することができる。以下にその一例を示す。
　図１５は第５実施形態の波長変換素子１０Ｈの断面図である。波長変換素子１０Ｈは、基板５の主面５０１の上に配置される光導波路２０Ｈを有する。光導波路２０Ｈのコア１５Ｈは、極性部材１１と、極性部材１１の両側の側面で接する第１非極性部材１２を有する。極性部材１１と第１非極性部材１２で形成されるコア１５Ｈは、クラッド１６に囲まれている。第５実施形態では、極性部材１１の高さは第１非極性部材１２の高さよりも低い。たとえば、エッチングの工程において第１非極性部材１２の角部１２ｘが変形したとしても、極性部材１１の高さが第１非極性部材１２の高さよりも低いので、コア１５Ｈを伝搬する光は変形した角部１２ｘの影響を受けにくい。したがって、極性部材１１と第１非極性部材１２との高さの差のバラツキによる位相整合条件のズレが設計値に対して小さく、所望の波長変換ができる。
　図１６は第５実施形態の変形例である波長変換素子１０Ｉの断面図である。以下に説明する点以外は図１５に示す波長変換素子１０Ｈと同じである。すなわち、基板５は凸部５ｘを有し、凸部５ｘの主面５０２に極性部材１１が配置されている。第１非極性部材１２は基板５の凸部５ｘが設けられていない主面５０１の上に配置され、第１非極性部材１２は極性部材１１の両側の側面で極性部材１１と接している。
　コア１５Ｉの一部をなす第１非極性部材１２と、クラッド１６の一部とが基板５の主面５０１の上に配置され、コア１５Ｉの一部をなす極性部材１１が基板５の凸部５ｘの主面５０２に配置されている。これにより、基板５の主面５０１と平行なＸ方向において、極性部材１１の下の凸部５ｘを含む部分の実効屈折率は、凸部５ｘを含むことで、極性部材１１を含む部分のＸ方向の実効屈折率よりも低くなる。したがって、光導波路２０Ｉを伝搬する光は、実効屈折率が相対的に高い極性部材１１を含む部分に効率よく閉じ込められ、基板５の影響による損失を低減することができる。また、極性部材１１の高さが第１非極性部材１２の高さよりも低いので、図１５に示す波長変換素子１０Ｈと同様に、コア１５Ｉを伝搬する光は変形した角部１２ｘの影響を受けにくい。よって、極性部材１１と第１非極性部材１２との高さの差のバラツキによる位相整合条件のズレが設計値に対して小さく、所望の波長変換ができる。
　＜波長変換素子の適用例＞
　図１７は、実施形態の波長変換素子１０を用いた光源装置１００の模式図である。光源装置１００は、レーザダイオード等の光源１０１と、光源１０１と光学的に結合する波長変換素子１０と、を含む。波長変換素子１０は、上述した実施例、及び変形例の波長変換素子１０Ａから１０Ｉのいずれの構成を有していてもよい。光源１０１は角周波数ω０の光を出射する。波長変換素子１０に入射したレーザ光とコア１５との相互作用により、角周波数２×ω０の第２高調波が生成され、波長変換素子１０から出力される。たとえば、青色波長帯の光を出射する光源１０１を用いると、波長変換素子１０におけるＳＨＧにより、光源装置１００から紫外光を出射することができる。光源装置１００は高効率の紫外光源として用いられる。
　図１８は、実施形態の波長変換素子１０を用いた光回路２００の模式図である。光回路２００は、光源１０１と、光源１０１と光学的に結合するモード変換器１０３と、モード変換器１０３に光学的に結合する波長変換素子１０とを有する。光源１０１から出射されたω１の基本モードの光は、モード変換器１０３で高次モードの光に変換される。モード変換器１０３は、光導波路で形成されるＹ字型導波路、方向性結合器、またはマルチモード干渉計などを用いることができる。モード変換器１０３は、波長変換素子１０と連続的に接続されてもよく、波長変換素子１０の一部をモード変換器１０３として利用してもよい。
　モード変換されたω１の光は、ポンプ光として波長変換素子１０に入射する。ポンプ光と波長変換素子１０の光導波路２０との相互作用により光パラメトリック過程が生じ、ω２の光子が生成される。光パラメトリック過程で生じた信号光を、センサ回路等を構成する回路素子１０５に入力する。あるいは、モード変換器１０３から出力されるポンプ光とともに別の波長の信号光を波長変換素子１０に入射して、差周波発生や和周波発生を発生させてもよい。光回路２００で、光パラメトリック過程を利用した高感度のセンサが実現される。波長変換素子１０は、横モードによる位相整合を利用した導波路波長変換器であり、モード変換器１０３や光源１０１との集積が可能である。これによりシンプルな構成で変換効率のよい光回路２００が実現される。
　以上、特定の構成例に基づいて説明してきたが、本開示は上述した構成例に限定されない。各実施形態あるいは変形例は互いに組み合わせ可能である。たとえば、図１３及び図１４の第４実施形態の極性部材１１Ｆまたは１１Ｇの構成を、図１、図１０、及び図１１の極性部材１１に適用してもよい。図１１の第３実施形態の構成を、図１０の第２実施形態の構成に組み合わせてもよい。実施形態の波長変換素子を、光センサ用の光増幅器として使用する他、電流注入で生成するのが困難な紫外光や中赤外光を出力する光源装置に適用できる。
　本開示の実施形態は、例えば、以下のような構成を含んでよい。
（項１）
　主面を有する基板と、
　前記基板の前記主面に配置される光導波路と、
を備え、
　前記光導波路のコアは、２次の非線形光学定数を有する極性部材と、前記基板の前記主面と平行な方向で前記極性部材と隣接して配置される第１非極性部材と、を含み、
　前記光導波路の光軸と直交する断面で、前記極性部材の一方または両方の側面と前記第１非極性部材とが接している、
波長変換素子。
（項２）
　前記第１非極性部材は、前記光導波路の前記光軸と直交する前記断面で、前記極性部材の前記両方の側面と接する、
項１に記載の波長変換素子。
（項３）
　前記コアは、前記光軸と直交する前記断面で前記極性部材から見て前記第１非極性部材の外側に、前記第１非極性部材の側面と接して設けられる第２非極性部材、
をさらに有し、
　前記第２非極性部材の屈折率は、前記第１非極性部材の屈折率よりも大きい、
項２に記載の波長変換素子。
（項４）
　前記コアは、前記極性部材の上面と前記第１非極性部材の上面に配置される第３非極性部材をさらに有し、
　前記第３非極性部材の屈折率の大きさは、前記極性部材の屈折率の大きさ以上である、
項１から３のいずれかに記載の波長変換素子。
（項５）
　前記極性部材は、前記基板の前記主面の法線方向に、第１極性部材と、第２極性部材と、を有し、
　前記第１極性部材は、前記基板と前記第２極性部材との間に配置され、
　前記第２極性部材の屈折率は、前記第１極性部材の屈折率よりも大きい、
項１から４のいずれかに記載の波長変換素子。
（項６）
　前記光導波路の前記光軸と直交する前記断面において、前記コアの幅は、第１角周波数の第１周波数成分に対して存在可能なモード数が３以下となる幅であり、かつ、前記第１角周波数よりも大きな第２の角周波数の第２周波数成分に対して存在可能なモード数が２以上となる幅である、
項１から５のいずれか１項に記載の波長変換素子。
（項７）
　前記光軸と直交する前記断面で、前記コアの幅は２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である、
項１から６のいずれか１項に記載の波長変換素子。
（項８）
　前記光軸と直交する前記断面で、前記コアの幅は前記極性部材の幅の１．５倍以上４倍以下である、
項１から７のいずれかに記載の波長変換素子。 
（項９）
　前記極性部材は、ｃ軸方向に分極をもつウルツ鉱型結晶で形成されている、
項１から８のいずれかに記載の波長変換素子。
（項１０）
　前記極性部材のｃ軸は前記基板の前記主面に対して垂直である、
項９に記載の波長変換素子。
（項１１）
　前記極性部材は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ただし、０≦ｘ≦１）で形成されている、
請求項１から１０のいずれかに記載の波長変換素子。
（項１２）
　前記第１非極性部材は、アモルファス層である、
項１から１１のいずれかに記載の波長変換素子。
（項１３）
　前記第１非極性部材は、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ｓｉ３Ｎ４からなる群から選択される１つである、
項１から１２のいずれかに記載の波長変換素子。
（項１４）
　レーザ素子と、
　前記レーザ素子と光学的に結合するモード変換器と、
　前記モード変換器と光学的に結合する、項１から１３のいずれかに記載の波長変換素子と、
を備える、光回路。
（項１５）
　レーザ素子と、
　前記レーザ素子と光学的に結合する項１から１３のいずれかに記載の波長変換素子と、
を備える光源装置。
　この出願は２０２３年６月２７日に出願された日本国特許出願第２０２３－１０５４３２号に基づいてその優先権を主張するものであり、この日本国特許出願の全内容を含む。
　５　基板
　５０１　主面
　１０、１０Ａ乃至１０Ｉ　波長変換素子
　１１、１１Ｆ、１１Ｇ　極性部材
　１１１、１１２　側面
　１１６　第１極性部材
　１１７　第２極性部材
　１１８　第３極性部材
　１２　第１非極性部材
　１３　第２非極性部材
　１４　第３非極性部材
　１５、１５Ａ乃至１５Ｉ　コア
　１６　クラッド
　２０、２０Ａ乃至２０Ｉ　光導波路
　１００　光源装置
　１０１　光源
　１０３　モード変換器
　１０５　回路素子
　２００　光回路

Claims (15)

  1. 　主面を有する基板と、
    　前記基板の前記主面に配置される光導波路と、
    を備え、
    　前記光導波路のコアは、２次の非線形光学定数を有する極性部材と、前記基板の前記主面と平行な方向で前記極性部材と隣接して配置される第１非極性部材と、を含み、
    　前記光導波路の光軸と直交する断面で、前記極性部材の一方または両方の側面と前記第１非極性部材とが接している、
    波長変換素子。
  2. 　前記第１非極性部材は、前記光導波路の前記光軸と直交する前記断面で、前記極性部材の前記両方の側面と接する、
    請求項１に記載の波長変換素子。
  3. 　前記コアは、前記光軸と直交する前記断面で前記極性部材から見て前記第１非極性部材の外側に、前記第１非極性部材の側面と接して設けられる第２非極性部材、
    をさらに有し、
    　前記第２非極性部材の屈折率は、前記第１非極性部材の屈折率よりも大きい、
    請求項２に記載の波長変換素子。
  4. 　前記コアは、前記極性部材の上面と前記第１非極性部材の上面に配置される第３非極性部材をさらに有し、
    　前記第３非極性部材の屈折率の大きさは、前記極性部材の屈折率の大きさ以上である、
    請求項１に記載の波長変換素子。
  5. 　前記極性部材は、前記基板の前記主面の法線方向に、第１極性部材と、第２極性部材と、を有し、
    　前記第１極性部材は、前記基板と前記第２極性部材との間に配置され、
    　前記第２極性部材の屈折率は、前記第１極性部材の屈折率よりも大きい、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の波長変換素子。
  6. 　前記光導波路の前記光軸と直交する前記断面において、前記コアの幅は、第１角周波数の第１周波数成分に対して存在可能なモード数が３以下となる幅であり、かつ、前記第１角周波数よりも大きな第２の角周波数の第２周波数成分に対して存在可能なモード数が２以上となる幅である、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の波長変換素子。
  7. 　前記光軸と直交する前記断面で、前記コアの幅は２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の波長変換素子。
  8. 　前記光軸と直交する前記断面で、前記コアの幅は前記極性部材の幅の１．５倍以上４倍以下である、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の波長変換素子。 
  9. 　前記極性部材は、ｃ軸方向に分極をもつウルツ鉱型結晶で形成されている、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の波長変換素子。
  10. 　前記極性部材のｃ軸は前記基板の前記主面に対して垂直である、
    請求項９に記載の波長変換素子。
  11. 　前記極性部材は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ただし、０≦ｘ≦１）で形成されている、
    請求項９に記載の波長変換素子。
  12. 　前記第１非極性部材は、アモルファス層である、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の波長変換素子。
  13. 　前記第１非極性部材は、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ｓｉ３Ｎ４からなる群から選択される１つである、請求項１から４の何れか１項に記載の波長変換素子。
  14. 　レーザ素子と、
    　前記レーザ素子と光学的に結合するモード変換器と、
    　前記モード変換器と光学的に結合する請求項１から４の何れか１項に記載の波長変換素子と、
    を備える、光回路。
  15. 　レーザ素子と、
    　前記レーザ素子と光学的に結合する請求項１から４の何れか１項に記載の波長変換素子と、
    を備える光源装置。
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