JP2007079225A - 波長変換素子の接続方法および接続部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 波長変換素子の導波路とモード径が異なる光ファイバとの接続において、接続損失を低減する。
【解決手段】 周期分極反転構造を有する擬似位相整合型波長変換素子１９に形成されている導波路２３と光ファイバ１４とを接続する接続部材１５であって、導波路２３と光学的に結合され、導波路２３のモード径と一致する端面と、光ファイバ１４と光学的に結合され、光ファイバ１４のモード径と一致する端面とを有するモードサイズ変換用導波路２２を備えた。
【選択図】 図４

Description

本発明は、波長変換素子の接続方法および接続部材に関し、より詳細には、波長変換素子に形成された導波路と光ファイバとを光学的に結合するための波長変換素子の接続方法および接続部材に関する。

従来、光の波長を変換する波長変換素子として、半導体光増幅器を応用した素子、四光波混合を利用する素子、二次非線形光学効果である第二高調波発生、和周波発生、差周波発生を利用した波長変換素子等が知られている（例えば、特許文献１参照）。この中で、ニオブ酸リチウム（以下、ＬＮという）を用いた擬似位相整合型波長変換素子（以下、ＱＰＭ−ＬＮ素子という）は、ＱＰＭ−ＬＮ素子に入力する１つまたは２つの波長の入射光の組み合わせと、周期的な分極反転構造の周期を変化させることによって、任意の波長の変換光を取り出すことができる。ＱＰＭ−ＬＮ素子を用いた光源により、可視光領域または中赤外領域におけるレーザ光源の実用化が期待されている。

ＱＰＭ−ＬＮ素子を用いた光源のモジュール化のためには、１つまたは２つの半導体レーザの出力する励起光を、光ファイバを介してＱＰＭ−ＬＮ素子の導波路に入射することが必要である。そこで、半導体レーザが１つの場合は、出力用のファイバピグテイルを有する半導体レーザを用意し、ファイバピグテイルをＱＰＭ−ＬＮ素子の導波路に接続する。半導体レーザが２つの場合は、入出力用の光ファイバを備えた波長合分波器により、２つの励起光を合波して、ＱＰＭ−ＬＮ素子の導波路に接続する。それぞれ、光ファイバと導波路との接続は、レンズを用いた光学系により、光学的に結合していた。

例えば、波長５６０ｎｍである黄緑色の可視光を発生するためには、波長１．３μｍの半導体レーザと波長０．９８μｍの半導体レーザとから出力された励起光を、波長合波器を用いて合波して、ＱＰＭ−ＬＮ素子の導波路に入射する。ＱＰＭ−ＬＮ素子の和周波発生によって得られた変換光を取り出すことにより、可視光を出力する。

特開２００３−１４０２１４号公報

しかしながら、レンズを用いた光学系の光回路は、レンズ部品、レンズ部品をＹＡＧ溶接するためのホルダ、金属フェルールなどの部品点数が多く、モジュール化のための作業工程が煩雑であるという問題があった。また、レンズ部品等の個々の部品の値段が高く、モジュールの低価格化が難しいという問題もあった。

さらに、上述した波長５６０ｎｍの光源を構成する場合、波長１．３μｍの励起光と波長０．９８μｍの励起光との波長のひらきが大きいために、光強度の１／ｅ^２で定義されるモード径の差が大きい。従って、ＱＰＭ−ＬＮ素子の導波路に結合する場合において、モード径の大きさが異なることによる損失が発生する。また、波長のひらきが大きいために、レンズの収差によって結合最適位置が波長により異なるという問題もあった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、波長変換素子の導波路とモード径が異なる光ファイバとの接続損失が小さな接続方法および接続部材を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、周期分極反転構造を有する擬似位相整合型波長変換素子に形成されている導波路と光ファイバとを接続する波長変換素子の接続方法であって、前記導波路のモード径と前記光ファイバのモード径とを一致させるモードサイズ変換用光回路を介して接続することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、周期分極反転構造を有する擬似位相整合型波長変換素子に形成されている導波路と光ファイバとを接続する接続部材であって、前記導波路と光学的に結合され、前記導波路のモード径と一致する端面と、前記光ファイバと光学的に結合され、前記光ファイバのモード径と一致する端面とを有するモードサイズ変換用導波路を備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の前記モードサイズ変換用導波路は、石英基板上に形成されたテーパ導波路であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の前記モードサイズ変換用導波路は、シリコン基板上に形成されたテーパ導波路であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の前記モードサイズ変換用導波路は、高比屈折率差光ファイバであり、前記光ファイバとテーパ状の融着接続部を介して接続されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項２ないし５のいずれかに記載の接続部材において、前記擬似位相整合型波長変換素子に形成されている導波路は、リッジ型導波路であり、高比屈折率差導波路であることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項２ないし５のいずれかに記載の前記光ファイバは、偏波保持ファイバであることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、擬似位相整合型波長変換素子に形成されている導波路のモード径と光ファイバのモード径とを一致させるモードサイズ変換用光回路を介して接続するので、接続損失を低減させることが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１に、本発明の実施例１にかかる波長変換素子の接続方法を示す。波長変換素子１６の導波路は、モードサイズ変換用の光回路であるＰＬＣ１５を介して、光ファイバ固定部材１１に固定された光ファイバ１４と接続される。

図２に、光ファイバ固定部材１１の断面を示す。光ファイバ固定部材１１は、深さ１７５μｍのＶ溝２１が形成された、石英またはパイレックス（登録商標）製の基板１２と、やとい１３とにより構成されている。Ｖ溝２１には、外径１２５μｍの光ファイバ１４が把持され、接着剤によって固定され、基板１２上部には、やとい１３が接着剤によって固定されている。やとい１３は、光ファイバ固定部材１１とＰＬＣ１５との接合面積を大きくするための部材である。Ｖ溝２１両側の斜面とやとい１３の底面とにより形成される三角形の中に、円形の光ファイバ１４が３点で支持されるように固定されている。

光ファイバ１４は、ＱＰＭ−ＬＮ素子の導波路に入射される偏波面を一定にするために、偏波保持ファイバを用いるのが望ましい。さらに、波長０．９８μｍにおいて、単一モード条件が満たされるような偏波保持ファイバ（以下、９８０ＰＡＮＤＡファイバという）を用いるのが望ましい。９８０ＰＡＮＤＡファイバを導波する１．３μｍ光のモード径は１０μｍ程度であるのに対し、０．９８μｍ光のモード径は８μｍ程度である。

図３に、波長変換素子１６の断面を示す。波長変換素子１６は、ベース基板１７上に、ＱＰＭ−ＬＮ素子１９が接着剤によって固定されており、その上部には、やとい１８が接着剤によって固定されている。ＱＰＭ−ＬＮ素子１９には、リッジ構造の導波路２３が形成されている。やとい１８は、波長変換素子１６とＰＬＣ１５との接合面積を大きくするための部材である。

ベース基板１７またはやとい１８に用いる部材は、熱膨張係数がＬＮの値１７×１０^−６（１／Ｋ）に近い部材が、接着応力を少なくする意味で望ましい。熱膨張係数が極端に異なる場合、例えば、石英ガラス（熱膨張係数＜１０×１０^−７）を用いた場合、接着後の温度上昇または冷却によって導波路に熱ひずみが発生し、最悪の場合には、導波路が破損する恐れがある。ＬＮ基板を用いることがもっとも望ましいが、タンタル酸リチウム（以下、ＬＴという）基板（熱膨張係数１５×１０^−６）、または多成分ガラス（例えば、住田光学ＰＦＫ８５、ＰＦＫ７５ガラス）などを用いることができる。

ベース基板１７またはやとい１８の厚さは、１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが望ましい。好適な例としては、１．５ｍｍのＬＴ基板を用いることが好ましい。１ｍｍより薄いと強度が十分でなく、端面研磨を行う研磨冶具に固定した際に破損する恐れがある。また、２ｍｍよりも厚い基板は、値段が高価となり部材費がかかるとともに、導波路への熱伝導が阻害されて、導波路の温度コントロールが精密に行えなくなる。ＱＰＭ−ＬＮ素子１９の厚さが５００μｍ程度あるので、ベース基板１７を１．５ｍｍ厚とし、やとい１８を１ｍｍ厚とし、端面接着に預かる部材全体の厚さ３ｍｍとするのがもっとも好ましい。

図４に、実施例１にかかる接続部の詳細を示す。波長変換素子１６の端面は、斜め１２度にカットして研磨されている。相対するＰＬＣ１５の端面は斜め１８度に研磨されている。これは、ＱＰＭ−ＬＮ素子１９の屈折率が２．１であるのに対して、石英ガラスの屈折率が１．４８であり、スネルの法則で満足される光の伝播方向に導波路の向きを一致させるためである。また、導波路端面を斜めにカットすることにより、端面での反射戻り光を少なくすることができる。

ＰＬＣ１５は、石英基板またはシリコン基板上に作製された石英系平面型光波回路である。ＰＬＣ１５内部に作製されたコア２２は埋め込み構造であり、図中にコア２２の大きさを点線で示している。ＰＬＣ１５内部のコア２２の大きさは、光ファイバ１４に結合する側が細く、ＱＰＭ−ＬＮ素子１９の導波路２３に結合する側が太い構造となっている。

光ファイバ固定部材１１の端面は、斜め８度にカットして研磨され、相対するＰＬＣ１５の端面も斜め８度にカットして研磨されている。垂直にカットされている場合、石英ガラスの屈折率を１．５とすると、フレネル反射によって光ファイバ１４の端面から４％（１４ｄＢ）の反射戻り光が発生する。４０ｄＢ以上の反射減衰量を得るためには、８度より大きい角度で、端面を斜めにカットする必要がある。

図５に、実施例１にかかる接続部の光の強度分布の計算結果を示す。ここで、ＰＬＣ１５のコアとクラッドの比屈折率差（Δｎ）を０．７５％とし、光ファイバ１４の比屈折率差（Δｎ）を０．３％とした。図５（ａ）は、ＰＬＣ１５と光ファイバ固定部材１１との接続部におけるＰＬＣ１５側の光の強度分布である。ＰＬＣ１５のコア２２の幅２ａ＝１．２μｍ、高さ２ｄ＝６μｍとしたときの、波長１．３μｍの光の強度分布の計算結果を等高線で示してある。相対する光ファイバ１４側の光の強度分布を図５（ｂ）に合わせて示す。ＰＬＣ１５のコア幅を１．２μｍと細くする事によって、波長１．３μｍの光の強度が、コア２２からしみだす割合が多くなり、光ファイバ１４のモード径におよそ一致していることが理解できる。その結果、結合損失は−０．０５ｄＢと見積もられる。

図５（ｃ）は、ＰＬＣ１５と波長変換素子１６との接続部におけるＰＬＣ１５側の光の強度分布である。コア幅２ａ＝６μｍ、高さ２ｄ＝６μｍとしたときの、波長１．３μｍの光の強度分布の計算結果を等高線で示してある。これに対し、ＱＰＭ−ＬＮ素子１９の導波路２３は、図３に示したようにリッジ構造を有しており、コアの周りの３方向が屈折率１．５の接着剤に囲まれている超高比屈折率差Δｎ＝２８％の導波路である。このような導波路２３における波長１．３μｍの光のモード径は、ほぼ導波路サイズと同じである。本実施形態では、ＱＰＭ−ＬＮ素子１９の導波路２３の大きさを、７×７μｍ程度としたときに、最も接続損失を小さくすることができる。

このようにして、テーパ導波路を用いたモードサイズ変換を行うことによって、ＱＰＭ−ＬＮ素子１９の導波路２３と光ファイバ１４とを直接接続する場合と比較して、大幅に接続損失を低減させることができる。従って、ＱＰＭ−ＬＮ素子１９において、波長変換に寄与する励起光量が増大し、高効率の波長変換を達成することができる。

図６に、実施例２にかかるＱＰＭ−ＬＮ素子の製造方法を示す。実施例２おいては、ＺｎドープＬｉＮｂＯ_３を用いてリッジ導波路型のＱＰＭ−ＬＮ素子１９を作製する。最初に、予め周期分極反転構造が作製されているＺカットＺｎドープＬｉＮｂＯ_３基板４１と、ＺカットＭｇドープＬｉＮｂＯ_３基板４２とを用意する。基板４１，４２は、いずれも両面が光学研磨されてある３インチウエハであり、厚さは５００μｍである。

基板４１，４２の表面を通常の酸洗浄またはアルカリ洗浄によって親水性にした後、２つの基板を清浄雰囲気中で重ね合わせる。重ね合わせた基板を電気炉に入れ、５００℃で３時間熱処理することにより接合を行う（第１の工程）。接合された基板はボイドフリーであり、室温に戻してもクラックなどは発生しない。次に、グラインダなどの研削装置および研磨装置を用いて、基板４１の厚さが８μｍになるまで薄膜化する。基板４１の研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより、鏡面の研磨表面を得る（第２の工程）。

次に、研磨された薄膜基板をダイシングソーにセットし、粒子径が４ミクロン以下のダイアモンドブレードを用いた精密加工により、コア幅７μｍのリッジ導波路を作製する（第３の工程）。ダイシング加工によって形成された溝４３ａ，４３ｂは、深さは２０μｍ程度である。溝４３ａ，４３ｂの深さは、コアの膜厚、すなわち７μｍよりも深いことが望ましい。コアの膜厚よりも浅い場合には、導波路進行方向の溝加工深さのわずかな変動により、導波路の等価屈折率が変化するので、発生する位相整合条件のずれによって変換効率が劣化するからである。好適な溝４３ａ，４３ｂの深さは、コアの膜厚の２倍程度から４０μｍ以下である。４０μｍを超えて深く加工することは、導波路自体の機械的強度が劣化するからである。作製された基板を短冊状に切りだし、導波路端面を光学研磨することにより、長さ２０ｍｍのＱＰＭ−ＬＮ素子１９が得られる。

なお、予め周期分極反転構造が作製されているＺカットＺｎドープＬｉＮｂＯ_３基板４１と、ＬＴ基板とを用いてもよい。また、ノンドープＬｉＮｂＯ_３基板とＬＴ基板とを用いてもよいし、ＺカットＭｇドープＬｉＮｂＯ_３基板とＬＴ基板とを組み合わせても、ＱＰＭ−ＬＮ素子１９を作製することができる。

基板の厚さは、５００μｍに限らず、厚さ２００μｍ以上１ｍｍ以下の基板を用いることができる。基板厚さが２００μｍ以下の場合には、基板自体のソリによって接合時に接合界面にボイドが発生する恐れがある。また、１ｍｍより厚い基板を用いた場合には、基板自体の材料費が高くなり、製造原価を押し上げる原因となる。

実施例２においても、実施例１と同じくコアとクラッドの比屈折率差Δｎ＝０．７５％のＰＬＣ１５により、ＱＰＭ−ＬＮ素子１９の導波路２３と光ファイバ１４とを接続する。ＰＬＣ１５は、光ファイバ１４に接続される側のコア幅が１．２μｍ、導波路２３に接続される側のコア幅が６μｍ、高さが６μｍであり、コア幅がテーパ状に変化する。

光ファイバ１４とコア２２との接続損失が小さくなるように調芯したのち、ＵＶ接着材によって、ＰＬＣ１５および光ファイバ固定部材１１を接着固定する。このとき、波長１．３μｍの光の接続損失は０．０５ｄＢである。次に、コア２２と導波路２３との接続損失が小さくなるように調芯したのち、波長変換素子１６を接着固定する。このときの調芯には、波長１．３μｍの光と波長０．９８μｍの光をファイバカプラで合波して光ファイバ１４に入射する。ＱＰＭ−ＬＮ素子１９の和周波発生によって生じる５６０ｎｍの黄緑光をモニタしながら、出力が最大となる調芯位置で波長変換素子１６とＰＬＣ１５とを接着固定する。

波長１．３μｍ、３０ｍＷの光と、波長０．９８μｍ、７０ｍＷの光とを入力すると、波長５６０ｎｍ、２５ｍＷの出力光が得られ、１２００％／Ｗ以上の高い変換効率を得ることができる。

なお、比屈折率差Δｎ＝１．５％のＰＬＣ１５を用いることもできる。９８０ＰＡＮＤＡファイバである光ファイバ１４と接続される側のコア幅を１．０μｍ、高さを４．５μｍとしたとき、結合損失を最小にすることができる。ＱＰＭ−ＬＮ素子１９の導波路２３に接続される側のコア幅を４．５μｍ、高さを４．５μｍとし、導波路２３のコアサイズを５×５μｍとすることにより、２０００％／Ｗの波長変換効率を得ることができる。

図７に、本発明の実施例３にかかる波長変換素子の接続方法を示す。実施例３では、モードサイズ変換用の光回路として、ＰＬＣの代わりに、高比屈折率差光ファイバを用いる。ＱＰＭ−ＬＮ素子１９の導波路２３は、光ファイバ固定部材５１に固定された高比屈折率差光ファイバ５４と接続される。光ファイバ固定部材５１は、Ｖ溝５５が形成された、石英またはパイレックス（登録商標）製の基板５２と、やとい（図示しない）とにより構成されている。波長変換素子１６の端面は、斜め１２度にカットして研磨されている。相対する光ファイバ固定部材５１の端面は斜め１８度に研磨されている。

高比屈折率差光ファイバ５４は、９８０ＰＡＮＤＡファイバ６２と融着接続されている。融着接続部６３は、ＴＥＣ加工により、コア径が緩やかに変化するようにテーパ状に加工され、補強部材６１によって固定されている。図７は、光ファイバのコア径が融着接続部６３で変化する様子を概念的に示しており、光ファイバの外径は図示していない。

高比屈折率差光ファイバ５４は、Δｎ＝１．９％であり、波長１．３μｍの光のモード径は５．０μｍである。従って、ＱＰＭ−ＬＮ素子１９の導波路２３のコアサイズは、５×５μｍとすると、最も接続損失を小さくすることができる。

波長１．３μｍ、３０ｍＷの光と、波長０．９８μｍ、７０ｍＷの光とを入力すると、波長５６０ｎｍ、２５ｍＷの出力光が得られ、１２００％／Ｗ以上の高い変換効率を得ることができる。また、Δｎ＝２．２％の高比屈折率差光ファイバ５４を使用した場合には、導波路２３のコアサイズは４×４μｍとなり、２０００％／Ｗの変換効率を得ることができる。さらに、Δｎ＝３．７％の高比屈折率差光ファイバ５４を使用した場合には、導波路２３のコアサイズは３×３μｍとなり、２５００％／Ｗの変換効率を得ることができる。

本発明の実施例１にかかる波長変換素子の接続方法を示す構成図である。 光ファイバ固定部材の構成を示す断面図である。 波長変換素子の構成を示す断面図である。 実施例１にかかる接続部の詳細を示す図である。 実施例１にかかる接続部の光の強度分布の計算結果を等高線で示した図である。 実施例２にかかるＱＰＭ−ＬＮ素子の製造方法を示す図である。 本発明の実施例３にかかる波長変換素子の接続方法を示す構成図である。

符号の説明

１１，５１ 光ファイバ固定部材
１２，５２ 基板
１３，１８ やとい
１４ 光ファイバ
１５ ＰＬＣ
１６ 波長変換素子
１７ ベース基板
１９ ＱＰＭ−ＬＮ素子
２１，５５ Ｖ溝
２２ コア
２３ 導波路
５４ 高比屈折率差光ファイバ
６１ 補強部材
６２ ９８０ＰＡＮＤＡファイバ
６３ 融着接続部

Claims (7)

1. 周期分極反転構造を有する擬似位相整合型波長変換素子に形成されている導波路と光ファイバとを接続する波長変換素子の接続方法であって、
   前記導波路のモード径と前記光ファイバのモード径とを一致させるモードサイズ変換用光回路を介して接続することを特徴とする波長変換素子の接続方法。
2. 周期分極反転構造を有する擬似位相整合型波長変換素子に形成されている導波路と光ファイバとを接続する接続部材であって、
   前記導波路と光学的に結合され、前記導波路のモード径と一致する端面と、前記光ファイバと光学的に結合され、前記光ファイバのモード径と一致する端面とを有するモードサイズ変換用導波路を備えたことを特徴とする接続部材。
3. 前記モードサイズ変換用導波路は、石英基板上に形成されたテーパ導波路であることを特徴とする請求項２に記載の接続部材。
4. 前記モードサイズ変換用導波路は、シリコン基板上に形成されたテーパ導波路であることを特徴とする請求項２に記載の接続部材。
5. 前記モードサイズ変換用導波路は、高比屈折率差光ファイバであり、前記光ファイバとテーパ状の融着接続部を介して接続されていることを特徴とする請求項２に記載の接続部材。
6. 前記擬似位相整合型波長変換素子に形成されている導波路は、リッジ型導波路であり、高比屈折率差導波路であることを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の接続部材。
7. 前記光ファイバは、偏波保持ファイバであることを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の接続部材。
   

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