WO2025013169A1 - 波長変換素子の特性測定デバイス及び方法 - Google Patents

波長変換素子の特性測定デバイス及び方法 Download PDF

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    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for

Definitions

  • This disclosure relates to an optical system that uses nonlinear optical effects, and more specifically, to a device and a measurement method for measuring the basic characteristics of an optical waveguide type wavelength conversion element.
  • Nonlinear optical and electro-optical elements are being developed to generate and modulate coherent light over the ultraviolet, visible, infrared, and terahertz ranges for applications such as optical signal wavelength conversion and optical modulation in optical communications, optical measurement, optical processing, medical care, and bioengineering.
  • oxide compound substrates such as lithium niobate (LiNbO3) are known as promising materials with very high second-order nonlinear optical and electro-optic constants.
  • Periodically poled lithium niobate is known as an example of an optical device that uses the high nonlinearity of lithium niobate, and wavelength conversion elements that utilize second harmonic generation (SHG), difference frequency generation (DFG), and sum frequency generation (SFG) by this PPLN are known.
  • DFG which can use a technologically mature excitation light source around 1 ⁇ m and signal light in the communication wavelength band, is considered to be promising for such a mid-infrared light source.
  • wavelength conversion technology that can generate visible light such as green light using an excitation light source around 1 ⁇ m and SHG or SFG is considered to be promising.
  • wavelength conversion technology using DFG can convert light in the 1.55 ⁇ m wavelength band, which is mainly used in optical fiber communication, to another wavelength band in one go, so it can be applied to optical routing in wavelength division multiplexing and to avoiding wavelength collisions in optical routing, and wavelength conversion devices are considered to be one of the key devices for building large-capacity communication optical networks.
  • optical waveguide type elements are effective. This is because the wavelength conversion efficiency is proportional to the power density of the light propagating through the nonlinear medium, and by forming a waveguide structure, it is possible to confine the light to a limited range. For this reason, various waveguides using nonlinear media have been researched and developed, and examples of waveguide structures include Ti-diffused waveguides, diffusion-type waveguides called proton-exchanged waveguides, and ridge-type optical waveguides.
  • Non-Patent Document 1 In order to realize high wavelength conversion efficiency in any waveguide structure, in addition to simply having low propagation loss of guided light, high uniformity of the fabricated waveguide structure is important (Non-Patent Document 1).
  • a PPLN waveguide a nonlinear optical waveguide
  • the quasi-phase matching condition between the fundamental optical signal and the second harmonic optical signal must satisfy the following formula 1, where the wavelengths and effective refractive indices of the fundamental optical signal and the second harmonic optical signal are nF , ⁇ F , nSH , ⁇ SH , respectively, and the polarization inversion period is ⁇ .
  • the effective refractive indexes vary depending on the width and thickness of the waveguide, if there is a distribution in the waveguide width or thickness along the length of the waveguide, the wavelength that satisfies the condition of formula 1 will differ at each point of the waveguide, resulting in a deterioration in wavelength conversion efficiency. For this reason, uniformity in the width and thickness of the waveguide is important to achieve high wavelength conversion efficiency, which means that highly accurate waveguide processing technology is required.
  • the basic performance indexes of the PPLN waveguide are the phase matching wavelength and the wavelength conversion efficiency.
  • the fundamental wave optical signal 107 is input from a fundamental wave light source 101 to a PPLN waveguide 105
  • the second harmonic optical signal 109 output while sweeping the wavelength of the optical signal is plotted using a photoreceiver 103 for the second harmonic band, and these two can be measured from a phase matching curve obtained by plotting the second harmonic optical signal 109 output using a photoreceiver 103 for the second harmonic band.
  • the optical property measuring device 400 of the present disclosure it is possible to evaluate the phase matching distribution characteristics and/or the waveguide loss of the second harmonic optical signal 109, which were previously difficult to evaluate, with a simple configuration.
  • Fig. 9 is a flow chart showing the procedure for measuring the optical characteristics.
  • the PPLN waveguide 105 to be evaluated is set on the base 401 provided on the optical property measuring device 400, and the evaluation is started 901.
  • a part of the PPLN waveguide 105 is adjusted to a desired temperature using a temperature adjustment mechanism 403 903.
  • a fundamental optical signal 107 is input to the incident surface of the PPLN waveguide 105 from a fundamental light source 101 installed to correspond to the incident surface of the PPLN waveguide 105, and the wavelength of the fundamental optical signal 107 is swept 905.
  • the fundamental optical signal 107 propagates through the PPLN waveguide 105, and the corresponding second harmonic optical signal 109 is output from the output surface of the PPLN waveguide 105 and received by the optical receiver 103 installed opposite the output surface 907.
  • the position adjustment mechanism 405 moves the temperature adjustment mechanism 403 811 and performs the above steps 905 and 907 again. Thereafter, when the temperature adjustment mechanism 403 reaches the specified position, the phase-matched wavelength of the received second harmonic optical signal 109 is analyzed 913, and the process ends 915.
  • the analysis 913 of the phase-matched wavelength for each portion of the PPLN waveguide 105 may be performed after each light receiving step 907, or may be performed all at once after the repeated measurements by moving the position of the temperature adjustment mechanism 403 are completed.
  • Fig. 10 is a flow chart showing the procedure for measuring the optical characteristics.
  • the PPLN waveguide 105 to be evaluated is set on the base 401 provided on the optical property measuring device 400, and the evaluation is started 901.
  • a part of the PPLN waveguide 105 is adjusted to a desired temperature using a temperature adjustment mechanism 403 903.
  • a fundamental optical signal 107 is input to the incident surface of the PPLN waveguide 105 from a fundamental light source 101 installed to correspond to the incident surface of the PPLN waveguide 105, and the wavelength of the fundamental optical signal 107 is swept 905.
  • the fundamental optical signal 107 propagates through the PPLN waveguide 105, and the corresponding second harmonic optical signal 109 is output from the output surface of the PPLN waveguide 105 and received by the optical receiver 103 installed opposite the output surface 907 (first light receiving process).
  • the positional relationship between the incident surface of the fundamental optical signal 107 and the exit surface of the second harmonic optical signal 109 is reversed 1001.
  • the fundamental optical signal 107 is input from the fundamental light source 101 to the incident surface of the PPLN waveguide 105, and the wavelength of the fundamental optical signal 107 is swept again 1003.
  • the fundamental optical signal 107 propagates through the PPLN waveguide 105, and the second harmonic optical signal 109 is output from the exit surface of the PPLN waveguide 105 and is received again by the optical receiver 103 installed opposite the exit surface 1005 (second light receiving process).
  • the intensity (P SH1 ) of the second harmonic optical signal 109 acquired in the first light receiving process 907 and the intensity (P SH2 ) of the second harmonic optical signal 109 acquired in the second light receiving process 1005 are substituted into the above-mentioned Equations 3 and 4 to calculate the loss ⁇ of the second harmonic optical signal 109 1007. Then, the evaluation ends 915.
  • the above formula can be stored in a memory that is integrated with the optical property measuring device 400 or that is attached externally as a separate component, and can be calculated by a processor such as a microcomputer that is integrated with the optical property measuring device 400 or that is attached externally as a separate component.
  • the optical property measuring device 400 can provide a simple measurement system for locally evaluating the manufacturing quality of the PPLN waveguide 105 and quantifying the waveguide loss of the second harmonic optical signal 109 in addition to the distribution characteristics of the phase matching.
  • the device and measurement method for measuring the basic characteristics of an optical waveguide-type wavelength conversion element disclosed herein makes it possible to evaluate the distribution characteristics of phase matching within the element and the waveguide loss of second harmonic light with a simple configuration by locally adjusting the temperature within the element and performing measurements with the positional relationship between the entrance surface and the exit surface reversed.

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Abstract

本開示は、光導波路の一部の光学特性及び第２高調波光の導波損失を取得し、評価するためのデバイス及び測定方法を提供する。具体的に光学特性測定デバイスは、非線形光学導波路内における二次非線形光学過程の基本波となる光を出力する基本波光源と、非線形光学導波路から出力される第２高調波の帯域内の光を受光する受光器と、非線形光学導波路を設置する台座であって、台座は、非線形光学導波路の一部の温度を調節する１つまたは複数の温度調節素子を有する温度調節機構と、温度調節機構により温度を調節する非線形光学導波路の位置を変更する位置調整機構を備える。

Description

波長変換素子の特性測定デバイス及び方法
　本開示は、非線形光学効果を用いた光学システムに関し、具体的には、光導波路型波長変換素子の基本特性を測定するためのデバイス及び測定方法に関する。
　光通信における光信号波長変換や光変調、光計測、光加工、医療、生物工学などの応用のための紫外域－可視域－赤外域－テラヘルツ域にわたるコヒーレント光の発生と変調のために、多くの非線形光学素子及び電気光学素子の開発が進められている。このような素子に用いられる非線形光学媒質および電気光学媒質としては種々の材料が研究開発されており、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの酸化物系化合物基板は二次非線形光学定数・電気光学定数が非常に高く有望な材料として知られている。この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、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）が知られており、このＰＰＬＮによる第２高調波発生（ＳＨＧ）・差周波発生（ＤＦＧ）・和周波発生（ＳＦＧ）を利用した波長変換素子が知られている。
　例えば、２から５μｍの中赤外の波長域には様々な環境ガスの基準振動などの強い吸収線が存在するため、小型の中赤外光源の開発が望まれている。このような中赤外域の光源には、技術的に成熟された１μｍ付近の励起光源と通信波長帯の信号光を用いることのできるＤＦＧが有望だと考えられている。また、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とから、１μｍ付近の励起光源を用いて、ＳＨＧやＳＦＧにより、緑色光などの可視光の発生を行うことのできる波長変換技術が有望視されている。さらに、ＤＦＧを用いた波長変換技術を用いると、光ファイバ通信で主に用いられている波長１．５５μｍ帯の光を一括で別の波長帯に変換できることから、波長分割多重方式における光のルーティングや、光ルーティングにおける波長の衝突回避などへ適用が可能であり、波長変換装置は大容量通信光ネットワークを構築するキーデバイスの一つとして考えられている。
　ＰＰＬＮにおいて高効率を得るためには、光導波路型の素子が有効である。これは波長変換効率が非線形媒質を伝搬する光のパワー密度に比例するためであり、導波路構造を形成することで限られた範囲に光を閉じ込めることができるからである。このため非線形媒質を用いた種々の導波路が研究開発されており、導波路構造としては例えば、Ｔｉ拡散導波路や、プロトン交換導波路と呼ばれる、拡散型の導波路や、リッジ型の光導波路などがある。
　いずれの導波路構造においても高い波長変換効率を実現するためには、単純に導波する光の伝搬損失が低いことに加え、作製する導波路構造の高い均一性が重要になる(非特許文献１)。これは例えば、非線形光学導波路（以下、ＰＰＬＮ導波路として記載）内においてＳＨＧを起こす場合には、基本波光信号と第２高調波光信号との間の疑似位相整合条件は、基本波光信号、第２高調波光信号の波長、実効屈折率をそれぞれ、ｎF、λF、ｎSH、λSH、分極反転周期をΔとした場合に、以下の式１を満たす必要がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
このとき、それぞれの実効屈折率は導波路の幅や厚みによって変化するため、導波路の長手方向に渡って導波路幅や厚みに分布がある場合、式１の条件を満たす波長が導波路の各地点で異なってしまうため、波長変換効率が劣化してしまう。このため、高い波長変換効率を実現するためには、導波路の幅や厚みの均一性が重要であり、高精度な導波路加工技術が必要になることを意味している。
　高い波長変換効率のＰＰＬＮ導波路実現に向けて重要になるのは導波路加工技術ではあるものの、重要となるのはその良し悪しを判断するための導波路性能の評価技術である。ＰＰＬＮ導波路の基本性能指標として位相整合波長と波長変換効率がある。例えば、この２つは、図１に示すように、基本波光源１０１からＰＰＬＮ導波路１０５に基本波光信号１０７が入力した際に、光信号の波長を掃引しながら出力される第２高調波光信号１０９を第２高調波帯用の受光器１０３を用いてプロットすることで得られる位相整合曲線から測定することができる。図２に示すように、シングルピッチの分極反転周期を持つＰＰＬＮの場合、理想的には単一波長のピークを持つＳｉｎｃ関数上の位相整合曲線が得られる。位相整合波長は、第２高調波光の強度が最大となる波長であり、波長変換効率はＳＨＧ過程の下記の式２を用いて算出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
ここで、ＰSHは第２高調波光の出力強度、ηは波長変換効率、ＰFは入力基本波光の強度である。このように位相整合波長と、波長変換効率は、簡易な測定系で評価することが可能である。
　しかしながら、図１の測定系で評価できる位相整合波長と波長変換効率は、ＰＰＬＮ導波路トータルでの性能しか見ていない。上述したように、ＰＰＬＮ導波路は導波路の長手方向に渡る各地点で位相整合条件を満足することが重要であり、均一な加工が必要になる。このため、作製した導波路の性能を評価する上では導波路各地点での位相整合曲線を得ることが望ましく、それが評価できればどこでどの程度位相整合条件がずれているかを把握することができるため、導波路加工の工程等にフィードバックしていくことが可能になる。
　また、ＰＰＬＮ導波路においてもう一つ重要となるのが光の導波損失である。光の導波損失がそもそも大きい場合、二次非線形光学過程で発生し、導波路から出力される光強度が弱くなってしまうため、高い波長変換効率が実現できなくなってしまう。このため、光の導波損失を定量化し、導波損失の小さい加工工程を確立していくことが重要となる。
　ここで、光の導波損失にも基本波光波長の導波損失と、第２高調波光の導波損失がある。基本波光波長に関しては、通常は光源や周辺光学部品が数多く流通している波長帯を選択するため、導波損失の評価自体は難しくなく、例えば導波路の長さを変更しながら損失を測定してくカットバック法や、単純にＰＰＬＮ導波路の挿入損失からカップリング損失を差し引いて評価する方法、反射率の分布測定器を用いた導波損失測定法など用いることで導波損失の評価が可能である。一方で、第２高調波帯の波長については、光源等の光学機器が入手しにくいことに加えて、導波路自体が第２高調波光からするとマルチモード導波路となっているため、損失測定自体が難しい。一般にＰＰＬＮ導波路はコアサイズを小さくし、パワー密度を高くすることで効率が向上するため、基本波波長に対してシングルモード導波路となるコアサイズで設計する。このとき、第２高調波は、基本波波長の半分であるのに対して、導波路のコアサイズは同じであることから、必然的にマルチモード導波路となってしまう。マルチモード導波路に外部から光を入射した場合、複数の高次モードが励起され、それぞれ伝搬してしまうために、どのモードでどの程度の導波損失となっているのか切り分けができず、導波損失の評価が困難となってしまう。このような理由から導波損失の中でも第２高調波光の導波損失の評価は困難であった。
T. Umeki et al.,"Highly Efficient Wavelength Converter Using Direct-Bonded PPZnLN Ridge Waveguide", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, 46, 8, 2010
　以上のように、ＰＰＬＮ導波路の出来栄えを評価する上で重要となる、位相整合の分布特性に加え第２高調波光信号の導波損失を定量化することが困難であることを鑑み、本発明ではこれらの特性を簡易な測定系で評価することのできるデバイス及び測定方法を提供する。
　例示的な実施形態の態様によれば、非線形光学導波路の光学特性を測定する光学特性測定デバイスは、非線形光学導波路内における二次非線形光学過程の基本波となる光を出力する基本波光源と、非線形光学導波路から出力される第２高調波の帯域内の光を受光する受光器と、非線形光学導波路を設置する台座であって、台座は、非線形光学導波路の一部の温度を調節する１つまたは複数の温度調節素子を有する温度調節機構と、温度調節機構により温度を調節する非線形光学導波路の位置を変更する位置調整機構を備える。
　例示的な実施形態の態様によれば、非線形光学導波路の光学特性を測定する光学特性測定デバイスは、非線形光学導波路内における二次非線形光学過程の基本波となる光を出力する基本波光源と、非線形光学導波路から出力される第２高調波の帯域内の光を受光する受光器と、非線形光学導波路を設置する台座であって、台座は、非線形光学導波路の一部の温度を調節する１つまたは複数の温度調節素子と、１つまたは複数の温度調節素子のオン／オフを選択的に切り替える一つ又は複数のスイッチである温度調節機構を備えた光学特性測定デバイス。
　例示的な実施形態の態様によれば、非線形光学導波路の光学特性を測定する光学特性測定デバイスは、非線形光学導波路内における二次非線形光学過程の基本波となる光を出力する基本波光源と、非線形光学導波路から出力される第２高調波の帯域内の光を受光する受光器と、非線形光学導波路を設置する台座であって、台座は、非線形光学導波路の一部の温度を調節する温度調節機構であって、温度調節機構は、非線形光学導波路の上面から温度を調節するように構成され、温度調節機構の位置を調節する位置調整機構を備える。
　例示的な実施形態の態様によれば、非線形光学導波路の光学特性を測定する光学特性測定デバイスは、非線形光学導波路内における二次非線形光学過程の基本波となる光を出力する基本波光源と、非線形光学導波路から出力される第２高調波の帯域内の光を受光する受光器と、非線形光学導波路を設置する台座であって、台座は、非線形光学導波路の一部の温度を調節する温度調節機構であって、温度調節機構は、ペルチェ素子、またはヒーターのいずれかであり、温度調節機構の位置を調節する位置調整機構を備える。
　例示的な実施形態の態様によれば、非線形光学導波路の光学特性を測定する光学特性測定デバイスは、非線形光学導波路内における二次非線形光学過程の基本波となる光を出力する基本波光源と、非線形光学導波路から出力される第２高調波の帯域内の光を受光する受光器と、非線形光学導波路を設置する台座であって、台座は、非線形光学導波路の一部の温度を調節する温度調節機構と、温度調節機構の位置を調節する位置調整機構を備え、非線形光学導波路は、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、又はＬｉＮｂ(ｘ)Ｔａ(１－ｘ)Ｏ3（０≦ｘ≦１）若しくは、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有する。
　例示的な実施形態の態様によれば、非線形光学導波路の光学特性を測定する方法は、非線形光学導波路の一部の温度を調節する第１のステップと、非線形光学導波路に入射される基本波光の波長を掃引する第２のステップと、非線形光学導波路から出力される第２高調波光信号を受光する第３のステップと、受光した第２高調波光信号の位相整合特性を分析する第４のステップを備える。
　例示的な実施形態の態様によれば、非線形光学導波路の光学特性を測定する方法は、非線形光学導波路の一部の温度を調節する第１のステップと、非線形光学導波路に入射される基本波光の波長を掃引する第２のステップと、非線形光学導波路から出力される第２高調波光信号を受光する第３のステップと、受光した第２高調波光信号の位相整合特性を分析する第４のステップに加えて、非線形光学導波路の一部の温度を調節する位置が所定の位置になるまで、非線形光学導波路の一部の温度を調節する位置の移動するステップ、並びに、第１のステップ、第２のステップ、及び第３のステップを繰り返すことをさらに備える。
　例示的な実施形態の態様によれば、非線形光学導波路の光学特性を測定する方法は、非線形光学導波路の一部の温度を調節する第１のステップと、非線形光学導波路に入射される基本波光の波長を掃引する第２のステップと、非線形光学導波路から出力される第２高調波光信号を受光する第３のステップと、受光した第２高調波光信号の位相整合特性を分析する第４のステップに加えて、第３のステップの後に、非線形光学導波路の基本波光信号を入射する面と第２高調波光信号出力される面の位置関係を逆にするステップ、並びに、第２のステップ及び第３ステップを繰り返すステップをさらに備える。
　上述した本開示の構成と手法により、通常は評価が困難であった位相整合の分布特性と第２高調波光の導波損失を簡易な構成で評価することが可能になる。
　本開示のさらなる特徴および利点は、添付の図を参照して、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
従来における非線形光学素子の特性測定系を示す概略図である。 図１に示す特性測定系を用いて得られた位相整合波長曲線を示す図である。 位相整合波長曲線の温度依存性を示す図である。 本開示にかかるＰＰＬＮ導波路の位相整合の温度依存性を用いた光学特性測定デバイスを示す図である。 本開示にかかる光学特性測定デバイスを用いて、局所的にＰＰＬＮ導波路を加熱した時に計測した位相整合波長曲線を示す図である。 本開示にかかる光学特性測定デバイスを用いてＰＰＬＮ導波路の全領域を局所的に加熱しながら特性測定をする方法及びその結果を示す図である。(Ｉ)は、温度調節機構がＰＰＬＮ導波路の左端（ｘ＝０ｍｍ）に位置する時の様子とその位相整合特性であり、(ＩＩ)はｘ＝５ｍｍ、(ＩＩＩ)はｘ＝１０ｍｍ、(ＩＶ)はｘ＝４０ｍｍに位置する時のものである。 本開示にかかるＰＰＬＮ導波路と温度調節機構との相対的な位置関係を変更できる別の光学特性測定デバイスを示す図である。 本開示にかかる光学特性測定デバイスに基づいて第２高調波光の導波損失を取得するためのデバイス構成を示す図であり、（ａ）は第１の受光過程における第２高調波光信号の強度ＰSH1を取得する構成を示し、（ｂ）は第２の受光過程における第２高調波光信号の強度ＰSH2を取得する構成を示す。 本開示にかかる光学特性測定デバイスを用いて局所的にＰＰＬＮ導波路の一部を評価する測定方法を示すフローチャートである。 本開示にかかる光学特性測定デバイスを用いて第２高調波光の導波損失を取得するための測定方法を示すフローチャートである。
　以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。なお、図は模式的なものであり、機能又は構造を概念的に説明するものである。また、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。図面において、同一の参照符号は、可能な限り同一又は類似の構成要素に用いる。
（実施形態１）
　本開示では、ＰＰＬＮ導波路の位相整合特性の温度依存性を活用することで、ＰＰＬＮ導波路の光信号伝搬方向に沿った各地点で位相整合条件を局所的に評価できるデバイスを提供する。まず初めに位相整合の温度特性について説明する。
　位相整合の条件は、上記の式１の通りではあるが、導波路の材料であるニオブ酸リチウムの屈折率は、温度に依存するためにＰＰＬＮの導波路の温度が異なる場合には位相整合条件を満たす波長が変わる。図３に位相整合の温度依存性の一例を示す。横軸は第２高調波光信号の波長であり、縦軸は規格化した波長変換効率である。温度を上げると位相整合波長が長波側に移動し、温度を下げた場合には短波側に移動する挙動を示し、位相整合波長の温度依存性は、０．１４ｎｍ／℃程度である。
　本開示にかかるＰＰＬＮ導波路の位相整合の温度依存性を用いた光学特性測定デバイス４００を図４に示している。光学特性測定デバイス４００は、基本波光信号１０７を発生させてＰＰＬＮ導波路１０５に入力する基本波光源１０１と、第２高調波光信号１０９を受光するために受光器１０３を用いる点は図１の場合と同様であるが、ＰＰＬＮ導波路１０５の一部の温度を局所的に調節するための機構４０３（すなわち、温度調節機構）を設けている点が異なる。以下に、光学特性測定デバイス４００の構成についてさらに詳しく説明する。
　光学特性測定デバイス４００は、ＰＰＬＮ導波路１０５内で二次非線形光学過程の種となる基本波光信号１０７を発生させてＰＰＬＮ導波路１０５に向けて入力する基本波光源１０１、ＰＰＬＮ導波路１０５を介して出力される第２高調波光信号１０９の受光する受光器１０３、ＰＰＬＮ導波路１０５一部の温度を調節するために形成された温度調節機構４０３、及びＰＰＬＮ導波路１０５に対して温度調節機構４０３の位置を移動するために設置された位置調節機構４０５を有する。また、ＰＰＬＮ導波路１０５並びに温度調節機構４０３及び位置調節機構４０５は、台座４０１上に設置される。
　基本波光源１０１は、図４に示すように、ＰＰＬＮ導波路１０５の入射面に対抗するように形成されており、ＰＰＬＮ導波路１０５内における二次非線形光学過程の基本波なる光を出力する。基本波光源１０１の種類は、応用分野に応じて任意に選択され得る。いくつかの実施形態では、基本波光源１０１として、限定はせずに、ダイオードポンプ固体レーザ、バルクレーザ、ファイバレーザ、ファイバ増幅バルクレーザ、ファイバ増幅器、ディスクレーザ、および赤外レーザデバイスを含めた任意の多様なレーザデバイスを使用され得る。また、一実施形態では、基本波光源１０１は、低電力又は低エネルギーのファイバベースレーザ（ｆｉｂｅｒ－ｂａｓｅｄ ｌａｓｅｒ）、ガスレーザ、二酸化炭素（ＣＯ２）レーザネオジムドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザデバイスを使用され得る。
　また、基本波光源１０１の波長及び／又は出力強度は、ＰＰＬＮ導波路１０５の特性に応じて任意に選択され得る。いくつかの実施形態では、基本波光源１０１は、光源のみである場合もあるが、ユーザーが波長及び／又は出力強度を任意に制御できる制御部品又は機構を含む場合もある。
　受光器１０３は、ＰＰＬＮ導波路１０５の出射面に対抗するように形成され、第２高調波光信号１０９を受光する。受光器１０３は、ＰＰＬＮ導波路１０５から出力される第２高調波の光を受光し得る受光帯域を有している。いくつかの実施形態では、限定はせずに、光電効果を用いた光電管又は光電子増倍管、若しくは半導体の内部光電効果を利用したフォトトランジスタ、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオードなどを使用され得る。
　温度調節機構４０３は、ＰＰＬＮ導波路１０５の一部の温度を調節するためにＰＰＬＮ導波路１０５の近傍に設置され得る。また、温度調節機構４０３は、ＰＰＬＮ導波路１０５と直接接触されていてもよく、一定距離に離れた場所に設置され、間接的に温度調節してもよい。さらに、図４では、ＰＰＬＮ導波路１０５の底面側に温度調節機構４０３が設置されているように図示したが、必ずしも底面側である必要はなく、ＰＰＬＮ導波路１０５の側面又は上面側に設置されても、若しくはリング状でＰＰＬＮ導波路１０５を囲んでもよい。
　温度調節機構４０３は、加熱機能と冷却機能のうちのいずれかの１つを有する温度調節素子４０４（図７を参照）でもよく、又は両機能を有する温度調節素子４０４でもよい。いくつかの実施形態では、温度調節素子４０４には、例えば、小型のペルチェ素子やヒーターなどが使用され得る。
　一実施形態として、位置調節機構４０５は、温度調節機構４０３及び／又は温度調節素子４０４と結合され、温度調節機構４０３及び／又は温度調節素子４０４を基本波光信号１０７の伝搬方向（図４のおけるｘ方向）に沿って移動させるように設置される。いくつかの実施形態では、位置調節機構４０５と温度調節機構４０３は、それぞれ単体の部品として結合されてもよく、統合された一体部品として提供されてもよい。
　別の実施形態として、位置調節機構４０５は、ＰＰＬＮ導波路１０５と結合され、ＰＰＬＮ導波路を移動させることにより温度調節機構４０３との相対的な位置関係を変更することで、温度調節機構４０３により温度を調節するＰＰＬＮ導波路１０５の位置を変更できる。
　さらに別の実施形態として、台座４０１自体が位置調節機構４０５の機能を有し、台座４０１上に設置された温度調節機構４０３又はＰＰＬＮ導波路１０５を移動させることにより相対的な位置関係を変更して、温度調節機構４０３により温度を調節するＰＰＬＮ導波路１０５の位置を変更できる。
　位置調節機構４０５は、例えば、マイクロメーター付きの微動台であり、ユーザーにより手動で操作されてもよく、電動モーターなどと結合され自動的に操作されてもよい。上記のＰＰＬＮ導波路１０５、温度調節機構４０３、及び位置調節機構４０５は、台座４０１上に配置され得る。
　いくつかの実施形態では、ＰＰＬＮ導波路１０５は、非線形光学素子であり、例示的にＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、又はＬｉＮｂ(ｘ)Ｔａ(１－ｘ)Ｏ3（０≦ｘ≦１）若しくは、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有する。
　ＰＰＬＮ導波路１０５の位相整合特性の温度依存性を活用する本開示の光学特性測定デバイス４００を用いて導波路一部を加熱することで局所的な位相整合波長のみをシフトさせ、言い換えると残りの導波路トータルでの位相整合波長から分離することで、その地点における局所的な位相整合特性をしることができる。一例として、図４のｘ方向に延伸している長さ４５ｍｍのＰＰＬＮ導波路１０５に対し、同じくｘ方向に５ｍｍの幅を有する温度調節機構を用いて局所的に温度を５０℃に上げ、残りの導波路部分は、室温として位相整合特性の評価を行った。温度調節機構４０３により加熱されるＰＰＬＮ導波路１０５の部分と加熱されないＰＰＬＮ導波路１０５の残りの部分とで大幅に導波路長が異なるため、波長変換効率に差はあるものの、位相整合波長は分離でき、５０℃の場合の局所的な位相整合特性が評価できる。ただし、本実施形態において、局所加熱機構を行わない残りの導波路部分については室温としたが、ペルチェ素子、又はヒーターを用いて一定温度に保持してもよい。
　上記評価の結果を図５に示す。横軸は、第２高調波光信号１０９の波長であり、縦軸はその相対強度である。図５を参照すれば、５０℃で加熱されたＰＰＬＮ導波路１０５の局所部に対する位相整合波長（すなわち、グラフの右峰）は、加熱されないＰＰＬＮ導波路１０５の残りの部分に対する位相整合波長（すなわち、グラフの中央峰）に比べて長波側に移動され、明確に分離されていることが確認できる。これは、ＰＰＬＮ導波路１０５のトータルの位相整合特性から所望の部分のみの位相整合特性を取り出して評価することができることを意味する。
　さらに拡張された実施形態では、図６(ａ)に示すように、温度調節機構４０３を基本波光信号１０７の進行方向（図４を参照すれば、ＰＰＬＮ導波路１０５の延伸（ｘ）方向）に沿って（例えば、（Ｉ）から（ＩＶ）の位置へ）位置を移動していくことで、ＰＰＬＮ導波路１０５全体に対する各地点における５０℃での位相整合特性を評価することができる。図６(Ｉ)は、温度調節機構４０３がＰＰＬＮ導波路１０５の左端（ｘ＝０ｍｍ）に位置する時の様子とその位相整合特性であり、(ＩＩ)はｘ＝５ｍｍ、(ＩＩＩ)はｘ＝１０ｍｍ、(ＩＶ)はｘ＝４０ｍｍに位置する時のものである。加熱によって分離されたＰＰＬＮ導波路１０５内の各部分における位相整合特性は、図６(ｂ)に示すように計測され、比較され、評価される。したがって、本開示における光学特性測定デバイス４００は、ＰＰＬＮ導波路１０５の局所的な一部の評価を可能にする。
（実施形態２）
　本実施形態では、上述の第１の実施形態に基づいて、温度調節機構４０３を変形した光学特性測定デバイス４００をさらに提供する。第１の実施形態と共通する部分については適宜に説明を省略する。
　温度調節機構４０３は、基本波光信号１０７の伝搬方向（図７のおけるｘ方向）に配列された複数の温度調節素子４０４_１～４０４_Ｎを備えることができる。それぞれの温度調節素子４０４_１～４０４_Ｎは、これらのオン／オフを選択的に切り替えすることができる一つ又は複数のスイッチ４０７に繋がる。この変形形態では、一つ又は複数のスイッチ４０７が、ＰＰＬＮ導波路１０５と温度調節機構４０３との相対的な位置関係を変更することにより、温度調節機構４０３により温度を調節するＰＰＬＮ導波路１０５の位置を変更する位置調節機構４０５を構成する。温度調節素子（４０４）には、例えば、小型のペルチェ素子やヒーターなどが使用され得る。
（実施形態３）
　本実施形態では、上述の光学特性測定デバイス４００に基づいて、第２高調波光の導波損失を取得する更なる方法を提供する。
　図８は、本開示における光学特性測定デバイス４００の上面図である。図８(ａ)に示している光学特性測定デバイス４００は、図４に示したデバイス４００と同一構成であるが、図８(ｂ)に示している光学特性測定デバイス４００は、基本波光源１０１と受光器１０３の位置関係を逆にしたものである。また、上述した通り基本波光信号１０７の伝搬損失評価は数多くあり、容易に評価できることから、ここでは前提としてＰＰＬＮ導波路１０５内の基本波光信号１０７の導波損失は、既知であるものとしている。
　図８では例えば、局所温度調節機構４０３を４０ｍｍ地点（ｘ＝４０ｍｍ）とした場合を想定している。図８(ａ)の測定の場合に、ＰＰＬＮ導波路１０５に基本波光信号１０７が入力された地点（Ｐ）での基本波光信号１０７の強度をＰF、基本波光信号１０７の４０ｍｍ伝搬時の導波損失をα、温度調節機構４０３を導波路長４０ｍｍ地点としたときの局所的な波長変換効率をη、受光器１０３によって受光される第２高調波光信号１０９の強度をＰSH1とすると上記の式２から以下の式３のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　一方で、図８(ａ)に示した構成から基本波光信号１０７の入射面と第２高調波光信号１０９の出射面逆にした図８(ｂ)の測定の場合は、ＰＰＬＮ導波路１０５に基本波光信号１０７が入力された地点（Ｐ）での基本波光信号１０７の強度をＰF、第２高調波光信号１０９の４０ｍｍ伝搬時の損失をβ、温度調節機構４０３を導波路長４０ｍｍ地点としたときの局所的な波長変換効率をη、受光器１０３によって受光される第２高調波光信号１０９の強度をＰSH2とすると上記の式２から以下の式４のようになる。ただし、ＰＰＬＮ導波路１０５の左右の両端からの入射時におけるカップリングロスは同じであると仮定する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
　基本波光信号１０７の導波損失αは、既知という前提のもと、ＰSH1及びＰSH2は、測定値として得られることから、式３及び式４を用いて第２高調波光信号１０９の伝搬損失βの値を求めることが可能となる。本測定方法のポイントとなるのは、ＳＨＧ過程で発生した第２高調波光信号１０９を用いた測定をしている点であり、第２高調波信号１０９は、基本波光信号１０７の基本モードと位相整合する基本モードでのみ励振されるため、上述したようなマルチモード導波路起因の高次モードの励振といった問題が生じないことを利用している点である。
　以上のように、本開示における光学特性測定デバイス４００を用いることで、従来は評価が困難であった位相整合の分布特性及び／又は第２高調波光信号１０９の導波損失を簡易な構成で評価することが可能になる。
（実施形態４）
　以下に上記の実施形態に示した光学特性測定デバイス４００を用いてＰＰＬＮ導波路１０５の位相整合の分布特性を測定方法について図９を参照しながら説明する。図９は、光学特性測定するための手順を示すフローチャートである。
　本測定前に光学特性測定デバイス４００に設けられた台座４０１に評価対象のＰＰＬＮ導波路１０５をセットし、評価を開始する９０１。ＰＰＬＮ導波路１０５の一部にかかる位相整合波長のみをシフトさせ、トータルでの位相整合波長から分離するために、温度調節機構４０３を用いてＰＰＬＮ導波路１０５の一部を所望温度に調節する９０３。温度が所望温度に到達して一定になった際に、ＰＰＬＮ導波路１０５の入射面に対応するように設置された基本波光源１０１からＰＰＬＮ導波路１０５の入射面に対して基本波光信号１０７を入力し、基本波光信号１０７の波長を掃引する９０５。基本波光信号１０７は、ＰＰＬＮ導波路１０５内を伝搬し、それに対する第２高調波光信号１０９がＰＰＬＮ導波路１０５の出射面から出力され、出射面に対抗するように設置された受光器１０３によって受光される９０７。
　次に、評価対象のＰＰＬＮ導波路１０５の長さに従って事前に指定された位置に温度調節機構４０３が達したがいないかを判断する９０９。達していない場合、位置調節機構４０５は温度調節機構４０３を移動させ８１１、上記の９０５及び９０７過程を再度実施する。その後、温度調節機構４０３が指定位置に到達した時に、受光された第２高調波光信号１０９の位相整合波長は、分析され９１３、プロセスは終了する９１５。ただし、ＰＰＬＮ導波路１０５の各部分に対する上記位相整合波長の分析９１３は、それぞれの受光過程９０７の後に毎回実施せれてもよく、温度調節機構４０３の位置移動による繰り返し計測の終了後、一括で実施されてもよい。
（実施形態５）
　以下に上記の実施形態３に示した光学特性測定デバイス４００を用いてＰＰＬＮ導波路１０５の第２高調波光信号１０９の導波損失を評価方法について図１０を参照しながら説明する。図１０は、光学特性測定するための手順を示すフローチャートである。
　本測定前に光学特性測定デバイス４００に設けられた台座４０１に評価対象のＰＰＬＮ導波路１０５をセットし、評価を開始する９０１。ＰＰＬＮ導波路１０５の一部にかかる位相整合波長のみをシフトさせ、トータルでの位相整合波長から分離するために、温度調節機構４０３を用いてＰＰＬＮ導波路１０５の一部を所望温度に調節する９０３。温度が所望温度に到達して一定になった際に、ＰＰＬＮ導波路１０５の入射面に対応するように設置された基本波光源１０１からＰＰＬＮ導波路１０５の入射面に対して基本波光信号１０７を入力し、基本波光信号１０７の波長を掃引する９０５。基本波光信号１０７は、ＰＰＬＮ導波路１０５内を伝搬し、それに対する第２高調波光信号１０９がＰＰＬＮ導波路１０５の出力面から出力され、出力面に対抗するように設置された受光器１０３によって受光される９０７（第１の受光過程）。
　次に、第２高調波光信号１０９の損失βを評価するために、基本波光信号１０７の入射面と第２高調波光信号１０９の出射面の位置関係を逆にする１００１。基本波光源１０１からＰＰＬＮ導波路１０５の入射面に対して基本波光信号１０７を入力し、基本波光信号１０７の波長を再び掃引する１００３。基本波光信号１０７は、ＰＰＬＮ導波路１０５内を伝搬し、第２高調波光信号１０９がＰＰＬＮ導波路１０５の出射面から出力され、出射面に対抗するように設置された受光器１０３によって再び受光される１００５（第２の受光過程）。
　その後、第１の受光過程９０７で取得した第２高調波光信号１０９の強度（ＰSH1）と第２の受光過程１００５で取得した第２高調波光信号１０９の強度（ＰSH2）を上述の式３及び式４に代入し、第２高調波光信号１０９の損失βを計算する１００７。その後、評価は終了する９１５。
　上記の計算式は、光学特性測定デバイス４００と一体される又は別の部品として外付けされるメモリになどに格納され得、光学特性測定デバイス４００と一体されたまたは別の部品として外付けされたマイコンなどのプロセッサで計算され得る。
　したがって、本開示による光学特性測定デバイス４００は、以上のように、ＰＰＬＮ導波路１０５製造品質を局所的に評価し、位相整合の分布特性に加え第２高調波光信号１０９の導波損失を定量化する簡易な測定系を提供できる。
（追加的な考慮事項）
　本発明の実施形態の前述の説明は、例示の目的で提示されており、網羅的であること、または開示された正確な形態に限定することは、意図されていない。当業者は、上記の開示に照らして多くの修正および変更が可能であることを理解することができる。
　最後に、本明細書で使用される文言は、主に可読性および指示目的のために選択されたものであり、発明の主題を描写または制限するために選択されたものではない場合がある。したがって、発明の範囲は、この詳細な説明によって制限されるのではなく、添付の特許請求の範囲によって制限されることを意図する。したがって、本発明の実施形態の開示は、特許請求の範囲に記載される本発明の範囲を例示することを意図するものであり、限定するものではない。
　このように、本開示の光導波路型波長変換素子の基本特性を測定するためのデバイス及び測定方法では、素子内の温度を局所的に調節することや入射面と出射面の位置関係を逆にして計測を行うことにより素子内の位相整合の分布特性と第２高調波光の導波損失を簡易な構成で評価することが可能となる。
１０１　　　基本波光源
１０３　　　受光器
１０５　　　ＰＰＬＮ導波路
１０７　　　基本波光信号
１０９　　　第２高調波光信号
４００　　　光学特性測定デバイス
４０１　　　台座
４０３　　　温度調節機構
４０４　　　温度調節素子
４０４＿１　第１の温度調節素子
４０４＿Ｎ　第Ｎの温度調節素子
４０５　　　位置調節機構
４０７　　　スイッチ
９０１　　　開始
９０３　　　導波路の一部の温度を調節する
９０５　　　基本波光信号の波長を掃引する
９０７　　　第２高調波光信号を受光する
９０９　　　指定位置に達したか判断する
９１１　　　温度調節機構の位置を移動する
９１３　　　取得結果を分析する
９１５　　　終了
１００１　　基本波光信号の入射面と第２高調波信号の出射面の位置関係を逆にする
１００３　　基本波光信号の波長を掃引する
１００５　　第２高調波光信号を受光する
１００７　　取得した第２高調波光信号から第２高調波光信号の損失を計算する

Claims (8)

  1. 　非線形光学導波路の光学特性を測定する光学特性測定デバイスであって、
    　前記非線形光学導波路内における二次非線形光学過程の基本波となる光を出力する基本波光源と、
    　前記非線形光学導波路から出力される第２高調波の帯域内の光を受光する受光器と、
    　前記非線形光学導波路を設置する台座であって、前記台座は、
    　　前記非線形光学導波路の一部の温度を調節する１つまたは複数の温度調節素子を有する温度調節機構と、
    　　前記温度調節機構により温度を調節する前記非線形光学導波路の位置を変更する位置調整機構と
    を備えた光学特性測定デバイス。
  2. 　前記１つまたは複数の温度調節素子は複数の温度調節素子であり、前記温度調節機構は、前記複数の温度調節素子のオン／オフを選択的に切り替える一つ又は複数のスイッチである、請求項１に記載の光学特性測定デバイス。
  3. 　前記温度調節素子は、前記非線形光学導波路の上面から温度を調節するように構成されている、請求項１又は２に記載の光学特性測定デバイス。
  4. 　前記温度調節素子は、ペルチェ素子、又はヒーターである、請求項１又は２に記載の光学特性測定デバイス。
  5. 　前記非線形光学導波路が、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、又はＬｉＮｂ(ｘ)Ｔａ(１－ｘ)Ｏ３（０≦ｘ≦１）若しくは、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有している請求項１又は２に記載の光学特性測定デバイス。
  6. 　非線形光学導波路の光学特性を測定する方法であって、
    　前記非線形光学導波路の一部の温度を調節する第１のステップと、
    　前記非線形光学導波路に入射される基本波光信号の波長を掃引する第２のステップと、
    　前記非線形光学導波路から出力される第２高調波光信号を受光する第３のステップと、
    　前記受光した前記第２高調波光信号の位相整合特性を分析する第４のステップと、
    を備えた光学特性測定方法。
  7. 　前記非線形光学導波路の前記一部の温度を調節する位置が所定の位置になるまで、前記非線形光学導波路の前記一部の温度を調節する位置を移動するステップ、並びに、前記第１のステップ、前記第２のステップ、及び前記第３のステップを繰り返すことをさらに備える請求項６に記載の光学特性測定方法。
  8. 　前記第３のステップの後に、前記非線形光学導波路の前記基本波光信号を入射する面と前記第２高調波光信号が出力される面の位置関係を逆にするステップ、前記第２のステップ及び前記第３のステップを繰り返すステップ、並びに、前記第２高調波光信号の損失を計算するステップをさらに備える請求項６又は７に記載の光学特性測定方法。
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