JP2008209522A - Wavelength conversion element and wavelength conversion module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、面型で発光する波長変換素子、及び波長変換モジュールに関するものである。 The present invention relates to a wavelength conversion element that emits light in a plane type and a wavelength conversion module.
光エレクトロニクスの様々な分野において、光源としてのレーザダイオード（Laser Diode；以下ＬＤと記載する）の役割は大きい。しかしながら、ＬＤの波長はＬＤを構成する材料組成により決定するため、ＬＤからの直接発光が実用化されていない空白の波長領域が存在する。特に、可視光では波長５５０ｎｍ付近の緑色の波長領域においてＬＤ単体での発光デバイスが実用化されておらず、空白の波長領域となっている。
この緑色の波長領域におけるＬＤ単体での発光デバイスが実用化されれば、ＲＧＢの三色ＬＤ光源が揃うことになり、プロジェクターやテレビなどの画像形成装置の光源として利用できるようになる。さらに、フルカラーのレーザ光源が実用化できれば、色再現性、電力消費、光の指向性などの点で、これまでのランプや、近年注目されているＬＥＤ照明と比較して、光源としての高性能化が期待できる。さらに可視光に限らず、赤外光の波長多重技術を用いる光通信においても、波長変換素子への期待は大きい。
In various fields of optoelectronics, the role of a laser diode (Laser Diode; hereinafter referred to as LD) as a light source is significant. However, since the wavelength of the LD is determined by the composition of the material constituting the LD, there is a blank wavelength region in which direct light emission from the LD has not been put into practical use. In particular, in the visible light, a light emitting device with a single LD is not put into practical use in a green wavelength region near a wavelength of 550 nm, and is a blank wavelength region.
If a light emitting device with a single LD in the green wavelength region is put into practical use, RGB three-color LD light sources will be prepared and can be used as light sources for image forming apparatuses such as projectors and televisions. In addition, if a full-color laser light source can be put into practical use, it has higher performance as a light source compared to conventional lamps and LED lighting that has been attracting attention in recent years in terms of color reproducibility, power consumption, and light directivity. Can be expected. Further, not only visible light but also optical communication using infrared wavelength multiplexing technology has high expectations for wavelength conversion elements.
空白の波長領域の波長を与えるレーザは、励起用レーザと波長変換素子による波長変換技術によって実現することができる。波長変換技術とは、励起レーザ光を波長変換材料へ照射することで、その周波数の和周波または差周波から任意の波長を生成する技術のことである。
現在実用化されている緑色レーザは、光励起に近赤外波長で発光するＬＤを用いて、ネオジウム添加バナジウム酸塩結晶などの固体レーザ材料を励起することで、１０６４ｎｍ付近のレーザ光を発光させ、タンタル酸リチウムやＫＴＰなどの非線形光学結晶による第２高調波を発生させるという波長変換方法を用いている。このように、直接遷移材料系が開発されていない波長帯域では、固体レーザ媒質や第２高調波結晶を用いるために、ＬＤ単体に比べて発光効率が低く、また高出力な光を得にくいといった課題がある。
第２高調波結晶に擬似位相整合を与える周期分極反転構造を形成することで、高効率な出力光を得ることができる。このような素子として、バルク結晶に分極反転構造を形成するバルク型素子がある。また、光導波路を加工することで、光のパワー密度を増加させることができるので、高効率な出力光を得ることができる。このような素子として、Ｔｉ拡散技術を用いることで光導波路を形成した光導波路型素子がある。
A laser that provides a wavelength in a blank wavelength region can be realized by a wavelength conversion technique using an excitation laser and a wavelength conversion element. The wavelength conversion technique is a technique for generating an arbitrary wavelength from the sum frequency or the difference frequency of the frequencies by irradiating the wavelength conversion material with excitation laser light.
The green laser currently in practical use emits laser light of around 1064 nm by exciting a solid laser material such as neodymium-doped vanadate crystal using an LD that emits light at a near infrared wavelength for photoexcitation. A wavelength conversion method is used in which second harmonics are generated by a nonlinear optical crystal such as lithium tantalate or KTP. Thus, in a wavelength band where a direct transition material system has not been developed, since a solid laser medium or a second harmonic crystal is used, the luminous efficiency is lower than that of an LD alone, and it is difficult to obtain high output light. There are challenges.
By forming a periodically poled structure that gives quasi-phase matching to the second harmonic crystal, highly efficient output light can be obtained. As such an element, there is a bulk type element that forms a domain-inverted structure in a bulk crystal. Moreover, since the power density of light can be increased by processing the optical waveguide, highly efficient output light can be obtained. As such an element, there is an optical waveguide element in which an optical waveguide is formed by using a Ti diffusion technique.
しかしながら、これらの素子で高効率と高出力を両立させるのは困難である。つまり、バルク型素子では、第２高調波が局在しないために発熱がある程度抑えられ、高出力が期待できるものの、同時に基本波の光パワー密度を大きくすることができないので、高効率化は困難である。また、分極反転技術による擬似位相整合に対する波長許容度は、伝搬距離を長くするほど厳しくなり、出力を安定させるためには基本的には温度制御機構を設ける必要がある。さらにこれらの方法で、十分な変換効率を得るためには、素子の大きさをｃｍ程度としなければならず、小型化が困難であるため、コストを下げることができないなどの課題がある。
一方、光導波路型素子による第２高調波発生法では、入力光を光導波路内に閉じ込めることができるので、光のパワー密度を向上させることができ、高効率化が可能となる。しかし、材料に第２高調波の吸収がわずかにあるために、光導波路内に第２高調波を伝搬させると、その吸収による発熱で擬似位相整合条件が崩れ、出力を大きくすることができない。この発熱を抑える方法として、特許文献１では材料そのものの光吸収を減らす方法が取られている。しかしながら、可視光領域で材料の光吸収を小さくするのにも限界があり、高出力になればなるほど、吸収による動作不安定を減少させることは困難である。
However, it is difficult to achieve both high efficiency and high output with these elements. In other words, in the bulk type element, since the second harmonic is not localized, heat generation is suppressed to some extent, and high output can be expected, but at the same time, the optical power density of the fundamental wave cannot be increased, so it is difficult to increase efficiency. It is. Further, the wavelength tolerance for the quasi phase matching by the polarization inversion technique becomes stricter as the propagation distance becomes longer, and it is basically necessary to provide a temperature control mechanism in order to stabilize the output. Furthermore, in order to obtain sufficient conversion efficiency by these methods, the size of the element must be about cm, and it is difficult to reduce the size, and thus there is a problem that the cost cannot be reduced.
On the other hand, in the second harmonic generation method using the optical waveguide element, the input light can be confined in the optical waveguide, so that the power density of the light can be improved and the efficiency can be improved. However, since the material has a slight absorption of the second harmonic, if the second harmonic is propagated in the optical waveguide, the quasi phase matching condition is lost due to heat generated by the absorption, and the output cannot be increased. As a method of suppressing this heat generation,
また、可視光光源を画像生成装置の光源として利用することを考えると、面型で均一な光を照射する光源への期待も大きい。平面からレーザ光を発生させることが出来るデバイスの一つとして、垂直共振器面発光レーザがある。
面発光レーザは単体での出力は小さいが、２次元アレー状に配置できるためにトータルでの高出力化が期待できる。しかも、しきい値電流も低いので、低消費電力で高出力駆動が可能である。しかしながら、材料の制約から利用できる波長帯域は限られており、特に可視光の面発光レーザは実用化されていない。
近年、フォトニック結晶と呼ばれる誘電体周期構造を用いることで、光デバイスの高性能化が期待されている。例えば、フォトニック結晶の強い光閉じ込め効果により、高効率な波長変換が実現できる可能性がある。しかしながら、フォトニック結晶を非線形光学素子に応用した例は少なく、特許文献２のように原理的な実証にとどまっており、具体的な応用に関する従来例はほとんどない。
Although the surface emitting laser has a small output, it can be arranged in a two-dimensional array, so that a high total output can be expected. In addition, since the threshold current is also low, high output driving is possible with low power consumption. However, the wavelength band that can be used is limited due to material limitations, and in particular, a surface emitting laser for visible light has not been put to practical use.
In recent years, high performance of optical devices is expected by using a dielectric periodic structure called a photonic crystal. For example, there is a possibility that highly efficient wavelength conversion can be realized due to the strong light confinement effect of the photonic crystal. However, there are only a few examples where the photonic crystal is applied to the nonlinear optical element, and only the fundamental proof as in
上記のように従来の波長変換素子においては、発光効率を上げるために分極反転構造の導入や光導波路構造を用いる工夫がされているが、変換光と入力光が光導波路内を伝搬するために、変換光の吸収による発熱が起こり、位相整合条件がずれるために高出力化が困難であるという問題点があった。
また、面型レーザ光源として面発光レーザ素子があるが、材料により発光波長が限定され、可視光に対しての面型レーザ光源が実用化されていないという問題点があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、高効率かつ高出力な面型の波長変換素子、及び波長変換モジュールを提供するものである。
As described above, in the conventional wavelength conversion element, in order to increase the light emission efficiency, the introduction of a polarization inversion structure and the use of an optical waveguide structure have been devised, but the converted light and the input light propagate in the optical waveguide. However, heat is generated due to absorption of the converted light, and the phase matching condition is deviated, which makes it difficult to increase the output.
Further, although there is a surface emitting laser element as a surface type laser light source, there is a problem that a light emitting wavelength is limited depending on a material, and a surface type laser light source for visible light has not been put into practical use.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a highly efficient and high-output surface-type wavelength conversion element and a wavelength conversion module.
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、基板上に波長変換材料を有する薄膜層を設けた波長変換素子であって、前記薄膜層は、入力光を閉じ込める光閉じ込め部と、変換光を入力光の進行方向と異なる方向に放出する光放射部とを有し、前記光放射部がフォトニック結晶構造であり、前記光閉じ込め部と前記光放射部とが異なる平面上にあることを特徴とする。
また請求項２に記載の発明は、前記光閉じ込め部が３次元光導波路である請求項１に記載の波長変換素子を特徴とする。
また請求項３に記載の発明は、基板上に波長変換材料を有する薄膜層を設けた波長変換素子であって、前記薄膜層は、入力光を閉じ込める光閉じ込め部と、変換光を入力光の進行方向と異なる方向に放出する光放射部とを有し、前記光放射部がフォトニック結晶構造であり、前記光閉じ込め部と前記光放射部とが同一平面上にあることを特徴とする。
In order to solve the above problem, the invention according to
The invention according to
The invention according to
また請求項４に記載の発明は、前記光放射部と前記光閉じ込め部を２次元フォトニック結晶スラブによる線欠陥導波路により形成した請求項３に記載の波長変換素子を特徴とする。
また請求項５に記載の発明は、前記線欠陥導波路が低群速度伝搬かつ低波長分散で光伝搬させる構造を有する請求項４に記載の波長変換素子を特徴とする。
また請求項６に記載の発明は、前記線欠陥導波路の幅を狭くした請求項５に記載の波長変換素子を特徴とする。
また請求項７に記載の発明は、前記線欠陥導波路の欠陥近傍のフォトニック結晶サイズを変化させた請求項５又は６に記載の波長変換素子を特徴とする。
また請求項８に記載の発明は、前記線欠陥導波路の欠陥部分の屈折率を変化させた請求項５乃至７の何れか一項に記載の波長変換素子を特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the wavelength conversion element according to the third aspect, wherein the light emitting portion and the light confinement portion are formed by a line defect waveguide made of a two-dimensional photonic crystal slab.
The invention according to claim 5 is characterized by the wavelength conversion element according to
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the wavelength conversion element according to the fifth aspect, wherein the width of the line defect waveguide is reduced.
The invention according to claim 7 is characterized by the wavelength conversion element according to claim 5 or 6, wherein the photonic crystal size in the vicinity of the defect of the line defect waveguide is changed.
The invention according to
また請求項９に記載の発明は、前記光閉じ込め部に周期的な分極反転領域を設けた請求項１乃至８の何れか一項に記載の波長変換素子を特徴とする。
また請求項１０に記載の発明は、さらに入力光の進行方向を変更させる曲がり導波路を備えた請求項１乃至９の何れか一項に記載の波長変換素子を特徴とする。
また請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０の何れか一項に記載の波長変換素子を積層して構成した波長変換素子を特徴とする。
また請求項１２に記載の発明は、前記薄膜層に集光部を設けた請求項１乃至１１の何れか一項に記載の波長変換素子を特徴とする。
また請求項１３に記載の発明は、請求項１乃至１２の何れか一項に記載の波長変換素子を備え、前記薄膜層の層厚方向部分に反射部を設けた波長変換モジュールを特徴とする。
また請求項１４に記載の発明は、請求項１乃至１２の何れか一項に記載の波長変換素子と、入力光を発生する発光層を有するレーザ光源と、を備え、前記薄膜層と前記発光層が近接配置されている波長変換モジュールを特徴とする。
The invention according to claim 9 is the wavelength conversion element according to any one of
The invention according to claim 10 is characterized by the wavelength conversion element according to any one of
The invention according to claim 11 is characterized by a wavelength conversion element configured by stacking the wavelength conversion elements according to any one of
The invention according to
A thirteenth aspect of the present invention is a wavelength conversion module comprising the wavelength conversion element according to any one of the first to twelfth aspects, wherein a reflective portion is provided in a layer thickness direction portion of the thin film layer. .
The invention according to claim 14 includes the wavelength conversion element according to any one of
本発明によれば、波長変換された変換光を光導波路内から放射することで、面型での発光素子を実現し、さらに光導波路内での強力な光閉じ込めによる高効率化と、変換光を光導波路から放出することによる変換光の高出力化を同時に満たす波長変換素子を提供することができる。 According to the present invention, a planar light emitting device is realized by radiating converted wavelength-converted light from the inside of the optical waveguide, and further, high efficiency by powerful light confinement in the optical waveguide, and converted light. Thus, it is possible to provide a wavelength conversion element that simultaneously satisfies the enhancement of the output power of the converted light by emitting the light from the optical waveguide.
以下、本発明による波長変換素子と波長変換モジュールの実施形態について説明する。
［第１の実施形態］
図１は本発明の波長変換素子の第１の実施形態を示した図であり、図１（ａ）は波長変換素子の側面図である。
この図１に示す波長変換素子では、基板１０１上にバッファ層１０２を設け、その上に波長変換材料を含む薄膜層１０３が形成されている。バッファ層１０２は基板と同じ材料であってもよく、目的によっては空気によるエアーブリッジ構造や基板自身がバッファ層を兼ねる構造としても良い。薄膜層１０３には入射光１０４を閉じ込める光閉じ込め部１０５と、変換光１０６を放射する光放射部１０７が形成されている。ここでは光閉じ込め部１０５と光放射部１０７は異なる平面上に近接積層しながら形成する。なお、図示していないが光閉じ込め部１０５と光放射部１０７との間に層があっても良い。
光放射部１０７にはフォトニック結晶が形成され、フォトニック結晶の効果により変換光１０６が選択的に薄膜層１０３の外に放出される。光放射部１０７は光の波長程度の厚さを持つ層に形成され、面内にフォトニック結晶が形成されている。フォトニック結晶とは、屈折率が異なる物質を周期的に分布させた人工構造物である。フォトニックバンドによってその特性が決定する。
Hereinafter, embodiments of a wavelength conversion element and a wavelength conversion module according to the present invention will be described.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a view showing a first embodiment of the wavelength conversion element of the present invention, and FIG. 1 (a) is a side view of the wavelength conversion element.
In the wavelength conversion element shown in FIG. 1, a buffer layer 102 is provided on a substrate 101, and a thin film layer 103 containing a wavelength conversion material is formed thereon. The buffer layer 102 may be made of the same material as the substrate. Depending on the purpose, the buffer layer 102 may have an air bridge structure using air or a structure in which the substrate itself also serves as the buffer layer. The thin film layer 103 is formed with a light confinement portion 105 that confines incident light 104 and a light emission portion 107 that emits converted light 106. Here, the light confinement part 105 and the light emission part 107 are formed while being stacked close to each other on different planes. Although not shown, a layer may be provided between the light confinement part 105 and the light emission part 107.
A photonic crystal is formed in the light emitting portion 107, and the converted light 106 is selectively emitted out of the thin film layer 103 due to the effect of the photonic crystal. The light emitting portion 107 is formed in a layer having a thickness of about the wavelength of light, and a photonic crystal is formed in the plane. A photonic crystal is an artificial structure in which substances having different refractive indexes are periodically distributed. The characteristics are determined by the photonic band.
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す光放射部を一点鎖線Ａ１−Ａ２で切断した断面図の一例を示す。図１（ｂ）は１次元（１Ｄ）のフォトニック結晶構造である。矩形形状１１１が光放射部１０７の層に周期的に形成されている。フォトニック結晶としての効果を有するためには、矩形形状１１１を形成する媒質と光放射部１０７の層を形成する媒質との屈折率が異なる屈折率分布を持つ必要がある。光放射部１０７の層と矩形形状１１１の周期構造との間に屈折率差が存在すればフォトニック結晶として働く。例えば、光放射部１０７の層を石英（屈折率〜１．５）で形成し、矩形周期構造を石英にパターニングとエッチングにより空気（屈折率〜１）で形成することができる。また、光放射部１０７の層をポリマー（屈折率〜１．５）で形成し、矩形周期構造を窒化シリコン（屈折率〜２）で形成しても、屈折率差を同じように取ることができる。フォトニック結晶としての効果を十分に出すためには、屈折率差が大きい必要があり、例えば窒化シリコンと空気のような組合せであることが好ましい。
ここでは、特定の１方向（ｘ方向）のみに屈折率周期構造が形成されているために、１次元のフォトニック結晶配列が形成されていることになる。ここでは、ライン形状の階段状屈折率分布を例に出しているが、分布屈折率状の屈折率分布でも良い。ある特定の方向に屈折率周期構造ができればよく、フォトニックバンドにより決定される特性に応じた構造を用いることが可能である。
FIG. 1B shows an example of a cross-sectional view of the light emitting section shown in FIG. 1A taken along the alternate long and short dash line A1-A2. FIG. 1B shows a one-dimensional (1D) photonic crystal structure. A
Here, since the refractive index periodic structure is formed only in one specific direction (x direction), a one-dimensional photonic crystal array is formed. Here, a line-shaped stepped refractive index distribution is taken as an example, but a distributed refractive index-shaped refractive index distribution may be used. It is sufficient if a refractive index periodic structure can be formed in a specific direction, and it is possible to use a structure according to characteristics determined by a photonic band.
図１（ｃ）は図１（ａ）に示す光放射部を一点鎖線Ａ１−Ａ２で切断した断面図の他の例を示す。
図１（ｃ）は、２次元（２次元）のフォトニック結晶構造である。２次元のフォトニック結晶とは、屈折率の周期構造が２次元面内に分布している構造である。図１（ｃ）では、円形状のホールまたはピラー１１２が異なる屈折率をもつ光放射部層に三角配列で周期的に配置することで屈折率分布が形成されている。図１（ｃ）では、円形状の三角配列構造であるが、屈折率分布を与えるパターンは円以外にも多角形でも良い。またそれらの配列も三角配列以外に正方配列や蜂の巣配列でもよく、さらには特殊な周期構造でもよく、フォトニックバンドにより決定される光放出特性に応じた構造を用いることが可能である。
さらには、図示はしていないが、光放射部１０７に３次元の周期構造を有するフォトニック結晶構造をとることも可能である。３次元構造としては誘電体球を自己配列させた自己形成３次元フォトニック結晶配列や、角柱を積層させた構造や自己クローニング法による誘電体膜積層などの構造があり、それらを光放射構造に用いることができる。
この構成により入力光を閉じ込める薄膜層に変換光が閉じ込められることでの不具合を解消でき、高出力な波長変換光を出力できる。
FIG. 1C shows another example of a cross-sectional view of the light emitting section shown in FIG. 1A taken along the alternate long and short dash line A1-A2.
FIG. 1C shows a two-dimensional (two-dimensional) photonic crystal structure. A two-dimensional photonic crystal is a structure in which a periodic structure of refractive index is distributed in a two-dimensional plane. In FIG. 1C, a refractive index distribution is formed by periodically arranging circular holes or pillars 112 in a light emitting portion layer having different refractive indexes in a triangular arrangement. In FIG. 1C, a circular triangular array structure is used, but the pattern giving the refractive index distribution may be a polygon other than a circle. In addition to the triangular arrangement, these arrangements may be a square arrangement or a honeycomb arrangement, or may be a special periodic structure, and a structure according to the light emission characteristics determined by the photonic band can be used.
Further, although not shown, the light emitting portion 107 can have a photonic crystal structure having a three-dimensional periodic structure. Three-dimensional structures include self-forming three-dimensional photonic crystal arrays in which dielectric spheres are self-aligned, structures in which prisms are stacked, and dielectric film stacking by a self-cloning method. Can be used.
With this configuration, problems caused by confining the converted light in the thin film layer confining the input light can be eliminated, and high-power wavelength-converted light can be output.
［第２の実施形態］
また本発明の波長変換素子においては光閉じ込め部に３次元光導波路を用いることができ、以下、３次元光導波路の一例について説明する。
図２は本発明の波長変換素子の第２の実施形態を示した図であり、図２（ａ）〜（ｃ）は波長変換素子を光の進行方向に垂直な面で切断した断面図である。
図２（ａ）は波長変換素子の光閉じ込め部のコアが矩形形状の矩形型光導波路であり、２０１は基板、２０２は波長変換材料を含む薄膜層である。この薄膜層２０２には異なる平面上に光閉じ込め部２０３と光放射部２０４が形成されている。図２（ａ）では光閉じ込め部２０３が、コア２０５とクラッド２０６からなり、矩形形状のコア２０５がクラッド２０６に囲まれている矩形型光導波路である。コア２０５を矩形形状にすることで、光を３次元的に閉じ込めることができるので、より強く入力光を閉じ込めることが可能な光閉じ込め部２０３を形成することができる。
光放射部２０４とコア２０５の距離を波長程度まで近づけて形成する。これは、距離が離れすぎていると光は放射されず、近づけすぎると入射光が光放射部２０４の影響を受けるためである。コア２０５と光放射部２０４との距離は波長程度とすることで、効率よく光放射部で光結合が起こる。
[Second Embodiment]
In the wavelength conversion element of the present invention, a three-dimensional optical waveguide can be used for the light confinement portion. An example of the three-dimensional optical waveguide will be described below.
FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the wavelength conversion element of the present invention, and FIGS. 2A to 2C are cross-sectional views of the wavelength conversion element taken along a plane perpendicular to the light traveling direction. is there.
FIG. 2A shows a rectangular optical waveguide in which the core of the light confinement portion of the wavelength conversion element is rectangular, 201 is a substrate, and 202 is a thin film layer containing a wavelength conversion material. The
The
また、基板２０１の屈折率ｎ１、クラッド２０６の屈折率ｎ２、光放射部２０４の屈折率ｎ３、コア２０５の屈折率ｎ４としたときに、これらの屈折率の関係を、ｎ１＜ｎ２＜ｎ３＜ｎ４としておくことで、全反射での光伝搬を可能とした３次元光導波路を形成し、光放射部２０４への光結合効率を高めることができる。但し、光放射部２０４の屈折率は変換光が放出される構造であれば良く、必ずしも屈折率関係である必要はない。
図２（ｂ）は波長変換素子の光閉じ込め部のコアがリッジ形状のリッジ型光導波路である。この場合は、コア２１１の厚みが厚い部分の等価屈折率がそれ以外の等価屈折率よりも大きいために、コア２１１の厚い部分に光が閉じ込められて３次元的に伝搬する。
図２（ｃ）は分布屈折率型の光導波路である。ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムにチタン拡散やプロトン交換などの方法を用いて屈折率が高いコア２２１を形成することで、３次元光導波路を形成し、光を３次元的に閉じ込める。その上部に光放射部２０４を形成することで波長変換効率を高め、外部に光を放出する構造である。
Also, assuming that the refractive index n1 of the
FIG. 2B shows a ridge type optical waveguide in which the core of the light confinement portion of the wavelength conversion element has a ridge shape. In this case, since the equivalent refractive index of the thick part of the
FIG. 2C shows a distributed refractive index type optical waveguide. A core 221 having a high refractive index is formed on lithium niobate or lithium tantalate using a method such as titanium diffusion or proton exchange, thereby forming a three-dimensional optical waveguide and confining light three-dimensionally. The
以下、光閉じ込め部に３次元光導波路を形成したときの効果を説明する。
ここでは波長変換の代表的な例として第２高調波発生（Second Harmonic Generation：SHG）による波長変換を例に挙げて説明する。
第２高調波は、基本波を与えるレーザ光のパワー密度の２乗に比例する。つまり、基本波を与えるレーザ光の出力パワーをＰ0、基本波のビームの大きさをｗとすると、第２高調波の出力Ｐ1は、
Ｐ1＝α（Ｐ0/ｗ）2
と表すことができる。
ここで、αは定数である。第２高調波の出力を増大させるためには、Ｐ0を大きくして、ｗを小さくすることで、光のパワー密度を増加させる必要がある。
Hereinafter, the effect when the three-dimensional optical waveguide is formed in the optical confinement portion will be described.
Here, wavelength conversion by second harmonic generation (SHG) will be described as an example as a representative example of wavelength conversion.
The second harmonic is proportional to the square of the power density of the laser beam that gives the fundamental wave. That is, if the output power of the laser beam that gives the fundamental wave is P 0 and the magnitude of the beam of the fundamental wave is w, the output P 1 of the second harmonic is
P 1 = α (P 0 / w) 2
It can be expressed as.
Here, α is a constant. In order to increase the output of the second harmonic, it is necessary to increase the power density of light by increasing P 0 and decreasing w.
光のパワー密度を向上させる方法の一つとして、３次元光導波路を形成することで、コアに光を強く閉じ込める方法がある。バルク型の構造では、光は回折により波長変換材料を伝搬する間に広がってしまい、効率を向上させることができない。薄膜層を形成することにより、層厚方向への光の閉じ込めが実現できるが、層厚方向と垂直な方向へは光が広がってしまう。３次元光導波路であると光パワーの大部分はコアに閉じ込められ伝搬させることができるので、入射光のパワー密度を増加させることが可能であり、波長変換の効率を向上させることができる。
以上のように光閉じ込め部に３次元的な光導波路を形成することで、入力光をより強く閉じ込めることができ、光パワー密度を向上させることができるので、変換効率の向上が期待でき、同時に変換光を放出してしまうので変換光による影響を抑えることができる。
As one method for improving the power density of light, there is a method of strongly confining light in a core by forming a three-dimensional optical waveguide. In the bulk type structure, light spreads while propagating through the wavelength conversion material due to diffraction, and the efficiency cannot be improved. By forming a thin film layer, light confinement in the layer thickness direction can be realized, but light spreads in a direction perpendicular to the layer thickness direction. In the case of a three-dimensional optical waveguide, most of the optical power can be confined and propagated in the core, so that the power density of incident light can be increased, and the efficiency of wavelength conversion can be improved.
As described above, by forming a three-dimensional optical waveguide in the optical confinement portion, the input light can be confined more strongly, and the optical power density can be improved. Since the converted light is emitted, the influence of the converted light can be suppressed.
［第３の実施形態］
図３は本発明の波長変換素子の第３の実施形態を示した図であり、図３（ａ）は波長変換素子の側面図である。
この図３に示す波長変換素子では、３０１が基板であり、この基板３０１上にバッファ層３０２を形成し、その上に波長変換材料を含む薄膜層３０３を形成する。薄膜層３０３の厚みは光の波長程度の厚みであり、薄膜層３０３には光閉じ込め部と光放射部とを同一平面上に形成する。ここで、光閉じ込め部と光放射部とを同一平面上に形成するときに、光閉じ込め部と光放射部とが一体となった構造であっても良い。光閉じ込め部は入力光３０４を閉じ込めて変換光３０５を生成する。光放射部はフォトニック結晶で形成され、変換光を選択的に放射することができる。
図３（ｂ）〜（ｅ）は、図３（ａ）に示す薄膜層を一点鎖線Ｃ１−Ｃ２で切断した断面図である。図３（ｂ）（ｃ）は、３次元光導波路のコア上下に光放射部を形成した例であり、(ｄ)（ｅ)は３次元光導波路のコア側面に光放射部を形成した例である。
図３（ｂ）は、光閉じ込め部が３次元光導波路３１１であり、この３次元光導波路３１１のコア上下面にサブミクロン間隔で周期部３１２を形成した構造である。ここでは、周期部３１２を３次元光導波路３１１のコア上部に形成している。周期部３１２はコアと同じ材料でも良いし、異なる材料でも良い。このような構造とすることで、周期部３１２がある部分は周期部３１２がない部分と比較して等価的な屈折率が大きくなり、フォトニック結晶としての効果を発現する。また周期部３１２は長方形で形成しているが、多角形でも円形でも良い。
[Third Embodiment]
FIG. 3 is a view showing a third embodiment of the wavelength conversion element of the present invention, and FIG. 3A is a side view of the wavelength conversion element.
In the wavelength conversion element shown in FIG. 3,
3B to 3E are cross-sectional views of the thin film layer shown in FIG. 3A taken along the alternate long and short dash line C1-C2. FIGS. 3B and 3C are examples in which light emitting portions are formed above and below the core of the three-dimensional optical waveguide, and FIGS. 3D and 3E are examples in which the light emitting portions are formed on the side surfaces of the core of the three-dimensional optical waveguide. It is.
FIG. 3B shows a structure in which the light confinement portion is a three-dimensional
図３（ｃ）は３次元光導波路のコア３２１に円形の周期部３２２を形成し、周期部３２２がある部分と、周期部３２２が無い部分とを比較して等価的な屈折率が低くなるような構成である。このような構造にすることにより、円形部３２２がフォトニック結晶の光放射部として働く。
図３（ｄ）は３次元光導波路を形成し、光導波路のコア３３１の側面部分に、サブミクロン間隔で周期部３３２が形成されている。光は３次元光導波路に強く閉じ込められることで、高効率な変換光を生成し、変換光は周期部３３２で光導波路から外へ放射される。この構造の場合は変換光を生成する部分にパターンを形成する必要が無いので、波長変換への影響を抑えることができる。
図３（ｅ）は屈折率が高い薄膜に、屈折率が低い周期部３４１が形成されている部分と形成されていない部分３４２を同時に形成し、入力光は周期部３４１が形成されていない部分を伝搬する構造である。周期部３４１を形成することで、周期部３４１によりフォトニックバンドが形成され、入射波を閉じ込めながら変換光を放出するよう形状を実現することができる。
In FIG. 3C, a circular
In FIG. 3D, a three-dimensional optical waveguide is formed, and
In FIG. 3E, a thin film having a high refractive index is formed simultaneously with a portion where the
［第４の実施形態］
図４は本発明の波長変換素子の第４の実施形態を示した図であり、図４（ａ）は波長変換素子の側面図である。
図４（ａ）において、４０１は基板であり、この基板４０１上にバッファ層４０２、その上に波長変換材料を含む薄膜層４０３を形成する。薄膜層４０３には光放射部と光閉じ込め部が形成されており、入力光４０４は閉じ込められ、変換光４０５のみが入力光４０４の伝搬方向とは異なる方向に放出される。光放射部としてフォトニック結晶を用いる。
図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す薄膜層を一点鎖線Ｄ１−Ｄ２で切断した断面図である。波長変換材料を含む薄膜層４０３の厚さは、入力光４０４の波長と同程度の厚さを持つ。その薄膜面内に２次元フォトニック結晶を形成し、欠陥としてフォトニック結晶配列を形成しない部分を設ける。図４（ｂ）は、その欠陥が直線状に配置されている線欠陥構造の例である。
[Fourth Embodiment]
FIG. 4 is a view showing a fourth embodiment of the wavelength conversion element of the present invention, and FIG. 4 (a) is a side view of the wavelength conversion element.
4A,
FIG. 4B is a cross-sectional view of the thin film layer shown in FIG. 4A taken along the alternate long and short dash line D1-D2. The thickness of the
このように波長程度の薄膜に２次元のフォトニック結晶配列が形成されている構造は、２次元フォトニック結晶スラブと呼ばれ、またフォトニック結晶スラブに線欠陥構造が形成されているとき、その部分は線欠陥導波路と呼ばれる。特定の波長に対して、２次元フォトニック結晶は強い反射作用を示すために、入力光に対して反射するような設計にすることで、フォトニック結晶配列には光が存在できなくすることができる。さらに薄膜層を低屈折率媒質で覆うと、光を薄膜層へ閉じ込めることができる。これらの効果で、入力光を線欠陥内に強く閉じ込めることができるために、光導波路として機能する。この光導波路の効果により、高効率での波長変換を可能とし、さらにフォトニック結晶の効果により光を外部に放射することも可能となる。
また、図４（ｃ）のように、線欠陥導波路は複数であっても良く、光を線欠陥部分に閉じ込めることができればよい。さらに線欠陥同士を近接させて結合導波路として利用することも可能であり、結合導波路により線欠陥導波路では得られなかった特性を得ることができる。
Such a structure in which a two-dimensional photonic crystal array is formed on a thin film having a wavelength is called a two-dimensional photonic crystal slab. When a line defect structure is formed in a photonic crystal slab, The part is called a line defect waveguide. Since the two-dimensional photonic crystal exhibits a strong reflection effect for a specific wavelength, it is possible to prevent light from being present in the photonic crystal array by designing it to reflect input light. it can. Further, when the thin film layer is covered with a low refractive index medium, light can be confined in the thin film layer. With these effects, the input light can be strongly confined in the line defect, so that it functions as an optical waveguide. Due to the effect of this optical waveguide, wavelength conversion can be performed with high efficiency, and light can also be emitted to the outside due to the effect of the photonic crystal.
Further, as shown in FIG. 4C, there may be a plurality of line defect waveguides as long as light can be confined in the line defect portion. Further, the line defects can be brought close to each other to be used as a coupled waveguide, and characteristics that cannot be obtained with the line-defect waveguide can be obtained by the coupled waveguide.
以下、フォトニック結晶スラブに形成した線欠陥導波路による光の閉じ込めと放出機構の詳細を述べる。図２０に２次元フォトニック結晶の線欠陥導波路シミュレーション結果を示す。シミュレーションには２次元の平面波展開法を用いた。
計算モデルを図２０（ａ）に示す。屈折率２．０の媒質に円孔三角配列のフォトニック結晶を配置し、１列分の線欠陥を形成して線欠陥導波路とした。円孔の直径はフォトニック結晶配列の周期の０．７０倍とし、円孔の屈折率は１．０と仮定した。
図２０（ｂ）に光の伝搬方向への投影バンドをシミュレーションした結果を示す。ここで、波数は光の伝搬方向への正射影とした規格化波数であり、規格化周波数とはフォトニック結晶の周期で規格化された周波数である。２１０１がフォトニックバンドギャップであり、曲線２１０２と２１０３がバンドギャップ内の伝搬モードと呼ばれる光伝搬を決定するバンド曲線である。このバンド曲線上の任意の点で波数と周波数が特定された光伝搬が可能となる。
このバンド曲線では上下（ｚ方向）の閉じ込めが考慮されていない。フォトニック結晶スラブの構造では、上下は屈折率差による光の全反射で閉じ込められている。そこで、ライトラインと呼ばれる周囲の屈折率で決定する直線で分けられた領域によって特性が変わってくる。つまり、ライトライン以下の光周波数では、光はスラブ内に閉じ込められているので、フォトニックバンドにより伝搬モードが決定されるが、ライトライン以上の光の周波数では、光はスラブ内に閉じ込められないので、フォトニックバンドが意味をなさない領域となる。
The details of the light confinement and emission mechanism by the line defect waveguide formed in the photonic crystal slab will be described below. FIG. 20 shows a simulation result of a two-dimensional photonic crystal line defect waveguide. A two-dimensional plane wave expansion method was used for the simulation.
A calculation model is shown in FIG. A photonic crystal in a triangular array of circular holes is arranged in a medium having a refractive index of 2.0, and a line defect for one column is formed to form a line defect waveguide. The diameter of the circular hole was assumed to be 0.70 times the period of the photonic crystal array, and the refractive index of the circular hole was assumed to be 1.0.
FIG. 20B shows the result of simulating the projection band in the light propagation direction. Here, the wave number is a normalized wave number that is an orthogonal projection in the light propagation direction, and the normalized frequency is a frequency that is normalized by the period of the photonic crystal. Reference numeral 2101 denotes a photonic band gap, and curves 2102 and 2103 are band curves for determining light propagation called a propagation mode within the band gap. Light propagation in which the wave number and frequency are specified at an arbitrary point on the band curve is possible.
In this band curve, confinement in the vertical direction (z direction) is not considered. In the photonic crystal slab structure, the upper and lower sides are confined by total reflection of light due to the difference in refractive index. Therefore, the characteristics vary depending on the area divided by the straight line determined by the surrounding refractive index called a light line. In other words, at light frequencies below the light line, light is confined in the slab, so the propagation mode is determined by the photonic band, but at frequencies above the light line, light is not confined in the slab. Therefore, the photonic band is an insignificant area.
［空気ライトライン］
ここで、例えば、上下が空気（屈折率１．０）でフォトニック結晶スラブが覆われた構造を仮定したとき、図２０（ｂ）に示すフォトニックバンド図で傾き１の空気ライトライン２１０４以下では、光は閉じ込められるが、空気ライトライン以上では光は閉じ込められずに外部に放射される。フォトニックバンドギャップ内には伝搬モードが２本存在し、ライトライン以下の周波数に対応する波数で、閉じ込めモードを形成して光は伝搬する。ライトライン以上の周波数に対応する波数に対しては、バンド曲線は意味を持たずに、基本的には外部への放射モードとして光は外部へ放射される。
入力光として、伝搬モード２１０３上の点Ｐ１（波数ｋ1、周波数ω1）に注目する。点Ｐ１は空気ライトライン以下の伝搬モードの点であるから、閉じ込めモードとして入力光は線欠陥導波路内を伝搬する。第２高調波発生の場合を考えると、エネルギーと波数の保存から、波数２ｋ1（＝ｋ2）で周波数が２ω1の変換波が生じる。フォトニック結晶の周期性から、変換波にはバンドの折り返し効果による波数変換が生じ、１−ｋ2の波数での伝搬特性を示す。変換波はバンド図では点Ｐ２（波数ｋ2、周波数２ω1）での特性を持ち、空気ライトラインよりも高周波数側の点で放射モード領域であることから、変換波は光導波路内を伝搬できずに、外部に放射する。
[Air light line]
Here, for example, assuming a structure in which the photonic crystal slab is covered with air (refractive index of 1.0) at the top and bottom, the air light line 2104 having a slope of 1 in the photonic band diagram shown in FIG. Then, light is confined, but light is not confined above the air light line and is emitted to the outside. There are two propagation modes in the photonic band gap, and light propagates by forming a confinement mode at a wave number corresponding to a frequency below the light line. For wave numbers corresponding to frequencies above the light line, the band curve has no meaning and light is radiated to the outside basically as a radiation mode to the outside.
As an input light, attention is paid to a point P1 (wave number k 1 , frequency ω 1 ) on the
［ＳｉＯ2ライトライン］
フォトニック結晶スラブの上下が媒質であるときも同様であり、例えば石英で挟まれていることを仮定したとき、ライトラインは屈折率（〜１．４５）の逆数の傾きを持つ直線２１１１でバンド曲線に描くことができる。このときライトライン以下での伝搬モード２１１２はバンド曲線であり、この曲線上の点Ｐ３（波数ｋ1、周波数ω2）に着目する。
入力波が波数ｋ1、規格化周波数ω2であるので、変換波の波数は２ｋ1（＝ｋ2）、周波数２ω2となる。
フォトニックバンドの折り返し効果によって、変換波は波数１−ｋ2に対応した波数の点Ｐ４での伝搬特性を示すが、Ｐ４は放射領域であるので、線欠陥導波路内に閉じ込められずに外部に放射する。
以上のことから、線欠陥導波路を用いると、フォトニック結晶の効果により、その変換波は線欠陥導波路内を伝搬させずに放射させることができる。光導波路内に変換波が蓄積しないために、変換波による温度上昇などによる影響を抑えることができ、高出力と高効率を両立させた波長変換素子を実現できる。
[SiO 2 light line]
The same applies to the case where the upper and lower sides of the photonic crystal slab are media. For example, when it is assumed that the photonic crystal slab is sandwiched between quartz, the light line is a band of a
Since the input wave has the wave number k 1 and the normalized frequency ω 2 , the wave number of the converted wave is 2k 1 (= k 2 ) and the frequency 2ω 2 .
Due to the folding effect of the photonic band, the converted wave exhibits a propagation characteristic at a point P4 having a wave number corresponding to the wave number 1-k 2. However, since P4 is a radiation region, the converted wave is not confined in the line defect waveguide. Radiates to.
From the above, when a line defect waveguide is used, the converted wave can be radiated without propagating through the line defect waveguide due to the effect of the photonic crystal. Since the converted wave does not accumulate in the optical waveguide, it is possible to suppress the influence caused by the temperature rise due to the converted wave, and to realize a wavelength conversion element that achieves both high output and high efficiency.
［第５の実施形態］
フォトニック結晶スラブ線欠陥導波路内を伝搬する光は、光パワーの伝搬スピードを決定する群速度が光の周波数（光の波長）によって大きく変化するという課題がある。このような性質は、光の群速度が大きくなるにつれて顕著になる。つまり、光の群速度が大きいと僅かな周波数変化に対して、群速度が大きく変化する。このことは、フォトニックバンド図からも明らかで、群速度がフォトニックバンドの傾きで定義されることから、群速度が小さい（バンド曲線の傾きが小さい）と、その傾きは周波数によって大きく変わる。入射光の波長変化のほかに、外部からの影響によって、僅かに屈折率が変化しても群速度が変化してしまう。このように通常の線欠陥導波路であると、低群速度領域ではその群速度分散が大きいということが課題である。
一方、群速度が小さければ、線欠陥導波路内での光と非線形材料との相互作用が大きくなり、短い距離で高い変換効率が得られる可能性があるため、入射光の群速度を小さくすることが好ましい。
そこで本発明の構造を用いると、フォトニック結晶の構造を調整することで、低群速度と低群速度分散を両立させることができる。
[Fifth Embodiment]
The light propagating in the photonic crystal slab line defect waveguide has a problem that the group velocity that determines the propagation speed of the optical power varies greatly depending on the frequency of light (the wavelength of light). Such a property becomes more prominent as the group velocity of light increases. That is, when the group velocity of light is large, the group velocity changes greatly with respect to a slight frequency change. This is also apparent from the photonic band diagram. Since the group velocity is defined by the slope of the photonic band, when the group velocity is small (the slope of the band curve is small), the slope varies greatly depending on the frequency. In addition to the change in the wavelength of the incident light, the group velocity changes due to an external influence even if the refractive index slightly changes. Thus, in the case of a normal line defect waveguide, the problem is that the group velocity dispersion is large in the low group velocity region.
On the other hand, if the group velocity is small, the interaction between the light and the nonlinear material in the line defect waveguide increases, and high conversion efficiency may be obtained at a short distance. Therefore, the group velocity of incident light is reduced. It is preferable.
Therefore, when the structure of the present invention is used, both the low group velocity and the low group velocity dispersion can be achieved by adjusting the structure of the photonic crystal.
図５はフォトニック結晶光導波路の円孔サイズを大きくしていったときのフォトニックバンドと群速度を表すシミュレーション結果を示した図である。なお、シミュレーションは２次元の平面波展開法を用いた。
図５（ａ）は第５の本実施形態のシミュレーションモデルであり、媒質５０１にフォトニック結晶配列５０２が形成されており、三角格子配列で１列の欠陥導波路５０３を形成している。媒質の屈折率を３．０、フォトニック結晶配列の周期をａとしその直径２ｒを変化させたときのシングルモードを与えるバンド曲線と、そのバンド曲線から算出される群速度を図５（ｂ）に示す。
円孔のサイズを大きくしていくと、バンド曲線の傾きが一定となり、群速度が一定で変化が滑らかな部分が出てくることがわかる。例えば、ｒ／ａ＝０．３８５のとき、規格化周波数０．３８４付近で群速度０．０３ｃ（ｃは真空中の光速）を保たせることができる。０．０３ｃは通常のバルク型波長変換素子を伝搬する光のスピードの１／１５であり、相互作用長を通常の素子と比較して極端に小さくすることが可能である。
このように、第５の実施形態によれば、波長変化に対して出力の安定した、高効率で高出力な波長変換光を出力できる。
FIG. 5 is a diagram showing a simulation result representing a photonic band and a group velocity when the circular hole size of the photonic crystal optical waveguide is increased. The simulation used a two-dimensional plane wave expansion method.
FIG. 5A shows a simulation model of the fifth embodiment, in which a
It can be seen that as the size of the circular hole is increased, the slope of the band curve becomes constant, and a portion where the group velocity is constant and the change is smooth appears. For example, when r / a = 0.385, the group velocity of 0.03c (c is the speed of light in vacuum) can be maintained near the normalized frequency of 0.384. 0.03c is 1/15 of the speed of light propagating through a normal bulk-type wavelength conversion element, and the interaction length can be made extremely small as compared with a normal element.
As described above, according to the fifth embodiment, it is possible to output wavelength-converted light with high efficiency and high output whose output is stable with respect to a change in wavelength.
［第６の実施形態］
図６（ａ）（ｂ）は第６の実施形態のシミュレーションモデル図であり、図５（ａ）と同様に三角格子配列の円孔フォトニック結晶配列であり、１列の欠陥導波路を形成している。フォトニック結晶配列６０２の周期をａ、円孔の直径を２ｒ、媒質６０１の屈折率を３．０、円孔の半径を０．３０ａとしてシミュレーションを行った。ここでは、光導波路の側面にあるフォトニック結晶配列全体を内側にずらした構造である。６０３が一列抜きの欠陥導波路に対する最内側の円孔の中心線であり、６０４が内側に全体をずらしたときの円孔の中心線である。
ここで、三角格子フォトニック結晶で欠陥導波路を形成するために、１列分だけフォトニック結晶配列を埋めた欠陥導波路の導波路幅（導波路の中心に対して対称かつ最内側に配置している円孔の中心同士の間隔）は、三角格子の周期をａとすると、√３ａと表すことができる。この幅を中心へｓだけ狭めたとき、その狭めた幅は式１により表せる。パラメータｓを変化させたときのシングルモードを与えるバンド曲線とそのバンド曲線から算出される群速度を図６（ｃ）に示す。
[Sixth Embodiment]
6 (a) and 6 (b) are simulation model diagrams of the sixth embodiment. Like FIG. 5 (a), a circular hole photonic crystal array in a triangular lattice arrangement is formed, and one row of defect waveguides is formed. is doing. The simulation was performed assuming that the period of the
Here, in order to form a defect waveguide with a triangular lattice photonic crystal, the waveguide width of the defect waveguide in which the photonic crystal array is filled by one row (symmetrical with respect to the center of the waveguide and arranged on the innermost side) The distance between the centers of the circular holes) can be expressed as √3a, where a is the period of the triangular lattice. When this width is narrowed by s toward the center, the narrowed width can be expressed by
パラメータｓを増加させるとバンドが歪み、それに伴い群屈折率が規格化周波数に対して一定の領域が出てくる。ｓ＝０．２５のとき群速度は０．０３ｃで、中心波長から０．５％程度の間で群速度がほぼ一定となる。
［数式１］
このように、第６の実施形態によれば、波長変化に対して出力の安定した、高効率で高出力な波長変換光を出力できる。
When the parameter s is increased, the band is distorted, and accordingly, a region where the group refractive index is constant with respect to the normalized frequency appears. When s = 0.25, the group velocity is 0.03c, and the group velocity is substantially constant between about 0.5% from the center wavelength.
[Formula 1]
As described above, according to the sixth embodiment, it is possible to output wavelength-converted light with high efficiency and high output whose output is stable with respect to a change in wavelength.
［第７の実施形態］
欠陥導波路の近傍のフォトニック結晶サイズを変化させることによっても、群速度を小さくし、群速度分散をゼロにする効果をもたせることができる。ここで近傍とは、フォトニック結晶配列の１０層までを指し、特に１層から４層程度のフォトニック結晶配列のサイズや形状を変化させることにより、欠陥導波路のバンド曲線を操作することを目的とする。
一例として、図７（ａ）のように最近傍の円孔７０１のサイズを変化させたときのシミュレーション結果を図７（ｂ）に示す。その他のシミュレーション条件は図６と同様である。円孔サイズを通常の円孔の１．１０倍から０．８５倍まで変化させたとき、バンド曲線が歪み、群屈折率が規格化周波数に対して一定の領域が出てくる。円孔サイズを０．８５倍としたときに、中心波長から２％の範囲で群速度０．１０ｃを保つことができる。ここでは、最近傍の円孔サイズを変化させた計算例であるが、最近傍の円孔サイズだけでなく、近傍の数列（図での７０２や７０３の部分）のフォトニック結晶のサイズを変化させても良く、さらに円孔のサイズだけでなく、形状を変化させたものを構成しても良い。
このように、第７の実施形態によれば、波長変化に対して出力の安定した、高効率で高出力な波長変換光を出力できる。
[Seventh Embodiment]
By changing the size of the photonic crystal in the vicinity of the defect waveguide, the group velocity can be reduced and the group velocity dispersion can be reduced to zero. Here, the vicinity means up to 10 layers of the photonic crystal array, and in particular, manipulating the band curve of the defect waveguide by changing the size and shape of the photonic crystal array of about 1 to 4 layers. Objective.
As an example, FIG. 7B shows a simulation result when the size of the nearest
As described above, according to the seventh embodiment, it is possible to output wavelength-converted light with high efficiency and high output, whose output is stable with respect to wavelength change.
［第８の実施形態］
図８（ａ）は第８の実施形態のシミュレーションモデル図であり、これまでのシミュレーションと同様に、円孔三角格子によるフォトニック結晶配列であり、一列欠陥を設けることで線欠陥導波路としている。図８（ｂ）は、線欠陥部分８０１の屈折率を変化させたときの、屈折率の変化に対するバンド曲線と群速度の変化のシミュレーション結果である。フォトニック結晶を形成している媒体の屈折率を２．０とし、屈折率変化部分の幅を（式２）で表される幅（１列欠陥導波路に対して、最内側の円孔の中心間隔から半径分を差し引いた部分の幅）として、その部分の屈折率ｎｃの変化をシミュレーションした。
このような構造に対しても、低群速度を保ちつつ低群速度分散であるフォトニック結晶線欠陥導波路を形成することが可能であることを示している。
［数式２］
このように、第８の実施形態によれば、波長変化に対して出力の安定した、高効率で高出力な波長変換光を出力できる。
[Eighth Embodiment]
FIG. 8A is a simulation model diagram of the eighth embodiment. Similar to the previous simulations, the photonic crystal array is a circular triangular lattice, and a line defect waveguide is formed by providing a single row defect. . FIG. 8B is a simulation result of changes in the band curve and the group velocity with respect to changes in the refractive index when the refractive index of the line defect portion 801 is changed. The refractive index of the medium forming the photonic crystal is set to 2.0, and the width of the refractive index changing portion is represented by (Expression 2) (the width of the innermost circular hole with respect to the single-row defect waveguide). The change in the refractive index nc of the portion was simulated as the width of the portion obtained by subtracting the radius from the center interval.
It is shown that it is possible to form a photonic crystal line defect waveguide having a low group velocity dispersion while maintaining a low group velocity even for such a structure.
[Formula 2]
As described above, according to the eighth embodiment, it is possible to output wavelength-converted light with high efficiency and high output, which has a stable output with respect to wavelength change.
［第９の実施形態］
図９（ａ）は線欠陥導波路が形成されたフォトニック結晶スラブの平面図であり、図９（ｂ）は、一点鎖線Ｅ１−Ｅ２で切断した断面図である。波長変換材料を含み、入力光の波長程度の厚さをもつ薄膜９０１にフォトニック結晶９０２が形成され、線欠陥導波路９０３が形成されている。
入力光が線欠陥導波路を伝搬することにより、変換光が生成され、フォトニック結晶の効果により変換光が外部に放出されるが、線欠陥導波路内に残る変換光も一部存在する。その変換光が位相不整合により変換効率を下げることを妨げるために、薄膜には分極反転領域９０４が周期的に形成され、線欠陥導波路を伝搬する入力光を効率良く波長変換する構造となっている。
図９（ｂ）は分極反転に対するポーリング形状を示している。光パワーは主に光導波路内に集中しているので、欠陥部分に周期反転構造が形成されていれば良い。もちろん全体に周期反転構造がスラブ面内全体に構成されていても良い。このように分極反転構造を形成することにより、高効率での波長変換が可能となる。
分極反転領域の幅は、コヒーレント長よりも小さくする必要があり、変換光のフォトニック結晶導波路内の群速度に応じて幅を設定する必要がある。その幅はサブミクロンから数ミクロンであり、幅に応じた分極反転の形成法を選ぶ必要がある。
周期分極反転の形成方法には、電界印可法、イオン交換法などがあるが、微細な領域に分極反転を形成するには電子ビームによるマイクロドメイン反転法を用いても良い。
このように、第９の実施形態によれば、高効率で高出力な波長変換光を出力できる。
[Ninth Embodiment]
FIG. 9A is a plan view of a photonic crystal slab in which a line defect waveguide is formed, and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line E1-E2. A
As the input light propagates through the line defect waveguide, converted light is generated, and the converted light is emitted to the outside due to the effect of the photonic crystal, but there is also part of the converted light remaining in the line defect waveguide. In order to prevent the converted light from lowering the conversion efficiency due to phase mismatch, a domain-inverted region 904 is periodically formed in the thin film to efficiently convert the wavelength of the input light propagating through the line defect waveguide. ing.
FIG. 9B shows a poling shape with respect to polarization reversal. Since the optical power is mainly concentrated in the optical waveguide, it is sufficient that the periodic inversion structure is formed in the defect portion. Of course, the entire periodic inversion structure may be formed in the slab surface. By forming the domain-inverted structure in this way, wavelength conversion with high efficiency becomes possible.
The width of the domain-inverted region needs to be smaller than the coherent length, and the width needs to be set according to the group velocity of the converted light in the photonic crystal waveguide. The width is from submicron to several microns, and it is necessary to select a polarization inversion formation method according to the width.
A method for forming periodic polarization inversion includes an electric field application method, an ion exchange method, and the like. To form polarization inversion in a fine region, a microdomain inversion method using an electron beam may be used.
Thus, according to the ninth embodiment, wavelength conversion light with high efficiency and high output can be output.
［第１０の実施形態］
図１０（ａ）は第１０の実施形態に係る波長変換素子の構造を示した図であり、基板１００１上に３次元光導波路１００２と１次元フォトニック結晶構造１００３からなる波長変換素子を数本用意し、それらが曲がり導波路１００４で接続されている。入力光１００５は変換光に変換されながら伝搬し、曲がり導波路で方向転換され光導波路１００６に入力される。
曲がり導波路１００４は、３次元導波路で形成することが可能である。導波路のコアとクラッドの屈折率差を大きくした光導波路で形成された３次元導波路は、その曲率半径を数ミクロンにすることが可能である。そのため、１０ミクロン程度の間隔で光導波路を配置することができ、それらを接続することができる。このような光導波路の配置により、正方形に近い領域内で、発光させることができる。また、最後の光導波路の終端部分に反射部１００７を導入することで、変換しきれずに伝搬してきた入力光を戻すことができるので、入力光の損失を最小限にとどめることが可能となる。
[Tenth embodiment]
FIG. 10A is a diagram showing the structure of the wavelength conversion element according to the tenth embodiment. Several wavelength conversion elements comprising a three-dimensional
The
図１０（ｂ）は２次元フォトニック結晶構造で波長変換素子を形成した例を示す。
基板１０１１上に波長変換材料の波長程度の厚さを有する薄膜に２次元フォトニック結晶配列１０１２を形成し、線欠陥導波路１０１３を形成して、波長変換導波路を形成する。これらの波長変換導波路を複数並べて配置し、それらを曲がり導波路で接続してある。曲がり導波路には、フォトニック結晶曲がり導波路１０１４で接続することや、３次元光導波路の曲がり導波路１０１５で接続することも可能である。フォトニック結晶曲がり導波路や３次元光導波路の曲がり導波路で接続する場合、屈折率差を大きく採ることが可能であるので、曲率半径を数ミクロンとすることができ、光導波路を離さずに接続することが可能である。
長さ１００ミクロンの波長変換導波路を１０ミクロン間隔で配置し、それらを曲がり導波路で接続することで１００ミクロン角での変換光を発光させることが可能である。このように構成すれば、１ｍｍ必要であった長さを１００ミクロンに抑えることができ、出力光を小さい領域に収めることが可能となる。
さらに分極反転構造１０１６を一様に作っておくことで、曲がり導波路による折り返し構造を設ければ、高密度な光導波路をごく微小な部分に形成することが可能であるため、分極反転領域を小さくすることができ、製作誤差による効率低下を減少させることができる。この構成により、変換光の発光領域のサイズを任意に設定でき、出力光を小さい領域におさめることができる。
FIG. 10B shows an example in which a wavelength conversion element is formed with a two-dimensional photonic crystal structure.
A two-dimensional
By arranging wavelength conversion waveguides having a length of 100 microns at intervals of 10 microns and connecting them by bending waveguides, it is possible to emit converted light at a 100 micron angle. With this configuration, the length of 1 mm required can be suppressed to 100 microns, and the output light can be contained in a small region.
Further, by making the domain-inverted
［第１１の実施形態］
図１１（ａ）は第１１の実施形態に係る波長変換素子の側面図である。図１１（ａ）に示す波長変換素子では、１１０１、１１０２、１１０３が波長変換素子を形成する薄膜層であり、それらを積層したものである。この積層したそれぞれの薄膜層に異なる波長もしくは同じ波長の入力光を入射する。出力光は入力光の進行方向とは異なる方向にそれぞれの層から放射される。異なる波長を入力したとき、その波長に応じた変換光が出力され、薄膜層が変換光に対して透明である材料を用いているので、変換された各々の波長に対して同じ面からの発光を実現できる。
薄膜層にフォトニック結晶線欠陥導波路を形成したとき、変換光は主に線欠陥部分から放出されるため、面均一に発光させるためには、光導波路をずらして配置することが有効である。
図１１（ｂ）（ｃ）は波長変換素子の平面図である。薄膜層１１０１、１１０２、１１０３に光導波路１１０４、１１０５、１１０６が形成されている。この光導波路に同じ波長の入力光を導入したとき、導波路の位置をずらして積層することで、光出力の増大と放射光を均一にすることができる。
図１１（ｂ）は平行移動させて導波路をずらした例である。この構造では導波路方向を揃えながら、導波路間からの発光を重ねることができ、放射パターンを均一化することが可能となる。また、図１１（ｃ）は導波路の方向を異なるようにすることで、偏光方向などを乱し、面内で均質な発光が得られる。
[Eleventh embodiment]
FIG. 11A is a side view of the wavelength conversion element according to the eleventh embodiment. In the wavelength conversion element shown in FIG. 11A,
When the photonic crystal line defect waveguide is formed in the thin film layer, the converted light is mainly emitted from the line defect portion. Therefore, in order to emit light uniformly, it is effective to displace the optical waveguide. .
FIGS. 11B and 11C are plan views of the wavelength conversion element.
FIG. 11B shows an example in which the waveguide is shifted by translation. In this structure, light emission from the waveguides can be overlapped while aligning the waveguide directions, and the radiation pattern can be made uniform. Further, in FIG. 11C, by changing the direction of the waveguide, the polarization direction is disturbed, and uniform light emission can be obtained in the plane.
［第１２の実施形態］
図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、波長変換素子に形成された光導波路への入力構造を示した図である。
波長変換素子に入射光を入射する場合は、レーザ光源からの入射光を光導波路へ高効率で入力する必要がある。レンズで光を絞って入射する方法が一般的であるが、光を波長オーダにまで絞る必要があり、位置合わせが極めて困難になる。
そこで、位置合わせのトレランスを解消する方法として図１２に示すような、導波路が形成されている部分に集光機能を持たせた波長変換素子を構成する。
図１２（ａ）は集光構造をサブ波長構造で形成したときの平面図である。１２０１が光学波長程度の厚さを持つ薄膜であり、薄膜上にフォトニック結晶配列１２０２を形成している。フォトニック結晶配列に線欠陥導波路１２０３を形成して、入力光を伝搬させる。１２０４がサブ波長構造で形成されている集光構造であり、レーザ光からの光１２０５は集光構造で線欠陥導波路の端面に集光させられる。この構造はフォトニック結晶構造と同時に製作することができる。
図１２（ｂ）は集光構造に屈折率分布を持たせて、レンズ形状を形成したときの平面図である。１２１１が屈折率を高くしてレンズ形状に加工したものである。このような構造は、レンズ形状の部分だけ高い屈折率を有する媒質で構成することができる。
図１２（ｃ）は集光構造にグレーティングを形成した例である。１２２１がグレーティングであり、これもフォトニック結晶と同時に形成することができる。
この構成により、入力光を入力するときの位置合わせ誤差を緩和することができる。
[Twelfth embodiment]
12A, 12B, and 12C are diagrams showing an input structure to the optical waveguide formed in the wavelength conversion element.
When incident light is incident on the wavelength conversion element, it is necessary to input the incident light from the laser light source to the optical waveguide with high efficiency. A method of narrowing and entering light with a lens is common, but it is necessary to narrow the light to a wavelength order, and positioning becomes extremely difficult.
Therefore, as a method for eliminating the tolerance of alignment, a wavelength conversion element having a light collecting function in a portion where a waveguide is formed as shown in FIG. 12 is configured.
FIG. 12A is a plan view when the condensing structure is formed with a sub-wavelength structure.
FIG. 12B is a plan view when a lens shape is formed by giving a refractive index distribution to the condensing structure. No. 1211 is processed into a lens shape by increasing the refractive index. Such a structure can be composed of a medium having a high refractive index only in the lens-shaped part.
FIG. 12C shows an example in which a grating is formed on the condensing structure.
With this configuration, it is possible to reduce an alignment error when inputting input light.
［第１３の実施形態］
図１３（ａ）は、第１３の実施形態に係る波長変換モジュールの側面図である。波長変換材料を含む薄膜層１３０１と、バッファ層１３０２と、基板１３０３とから形成される波長変換素子に反射部１３０４を挟み込んだ構造である。反射部１３０４は誘電体多層膜や金属を用いて形成する。このような構成することで、変換光を特定の方向に放出することができる。図１３（ａ）では変換光を基板とは反対側に放出する構造である。図１３（ｂ）は反射部１３０５に傾きを設けることで、上下に放出される光を特定の方向に放出させることができる構成を示している。
[Thirteenth embodiment]
FIG. 13A is a side view of the wavelength conversion module according to the thirteenth embodiment. In this structure, a reflective portion 1304 is sandwiched between wavelength conversion elements formed from a thin film layer 1301 containing a wavelength conversion material, a
［第１４の実施形態］
図１４は第１４の実施形態に係る波長変換モジュールを示した図である。
この図１４に示す波長変換モジュールは、波長変換素子に近接させて半導体レーザチップを配置することで半導体レーザからの光を波長変換構造へ結合するようにしている。
図１４に示す波長変換モジュールは波長変換素子と半導体レーザを直接結合させたものであり、図１４（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
波長変換素子１４０１の薄膜層１４０３と半導体レーザ１４０２の発光層１４０４の高さを一致させるように支持台座１４０５上に形成する。発光層と薄膜層とを近接配置させることで発光層からの光を発光層に高効率で結合させることができる。光導波路と発光端面の平面内の位置を合わせるためには、電極形成位置を調整することにより結合効率を調整することができる。
[Fourteenth embodiment]
FIG. 14 is a view showing a wavelength conversion module according to the fourteenth embodiment.
In the wavelength conversion module shown in FIG. 14, the semiconductor laser chip is arranged close to the wavelength conversion element so that the light from the semiconductor laser is coupled to the wavelength conversion structure.
The wavelength conversion module shown in FIG. 14 is obtained by directly coupling a wavelength conversion element and a semiconductor laser. FIG. 14A is a plan view and FIG. 14B is a side view.
The thin film layer 1403 of the wavelength conversion element 1401 and the light emitting layer 1404 of the semiconductor laser 1402 are formed on the support base 1405 so as to coincide with each other. By arranging the light emitting layer and the thin film layer close to each other, light from the light emitting layer can be coupled to the light emitting layer with high efficiency. In order to match the positions of the optical waveguide and the light emitting end face in the plane, the coupling efficiency can be adjusted by adjusting the electrode formation position.
図１５に示す波長変換モジュールは、レーザの発光層を薄膜層の上に形成し、発光層と薄膜層を光の波長程度まで近接配置させることで、レーザからの光を波長変換素子へ結合する構造であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。発光層１５０４で生じたレーザ光は波長程度まで近接した薄膜層１５０３へエバネッセント結合により光を取り出すことで、波長変換素子へ入力し、波長変換して外部へ放出される。
図１６、図１７は異なるレーザチップを配置した波長変換モジュールを積層した構造である。図１６に示す波長変換モジュールは、半導体レーザ（レーザチップ）と波長変換素子とを直接接合して積層した構造である。このときの半導体レーザの波長は同じ波長でも良いし、異なる波長でも良い。同じ波長であれば、このような積層構造をとることで、特定波長の光出力を増大させることができる。異なる波長であれば、このような積層構造をとることで異なる波長の光出力を同じ領域から発光させることができる。例えば色の三原色であるＲＧＢ光をそれぞれ同じ領域で発光させることができる。図１７はレーザ発光層と薄膜層とを層厚方向で近接配置させることでエバネッセント結合を起こす光モジュールを積層した構成である。
この構成によりレーザ光源と波長変換素子を集積した波長変換モジュールを構築することができる。
In the wavelength conversion module shown in FIG. 15, the light emitting layer of the laser is formed on the thin film layer, and the light emitting layer and the thin film layer are arranged close to the wavelength of the light to couple the light from the laser to the wavelength conversion element. It is a structure, (a) is the top view, (b) is the side view. The laser light generated in the light emitting layer 1504 is extracted by evanescent coupling to the thin film layer 1503 close to the wavelength, and is input to the wavelength conversion element, converted into wavelength, and emitted to the outside.
16 and 17 show a structure in which wavelength conversion modules having different laser chips are stacked. The wavelength conversion module shown in FIG. 16 has a structure in which a semiconductor laser (laser chip) and a wavelength conversion element are directly bonded and stacked. At this time, the semiconductor lasers may have the same wavelength or different wavelengths. If it is the same wavelength, the optical output of a specific wavelength can be increased by taking such a laminated structure. If the wavelengths are different, by taking such a laminated structure, light outputs of different wavelengths can be emitted from the same region. For example, RGB light that is the three primary colors can be emitted in the same region. FIG. 17 shows a configuration in which an optical module that causes evanescent coupling by laminating a laser emitting layer and a thin film layer in the layer thickness direction is laminated.
With this configuration, a wavelength conversion module in which a laser light source and a wavelength conversion element are integrated can be constructed.
これまで説明した各実施形態で用いられる波長変換材料は、非線形光学係数が大きいものであることが好ましく、光学結晶、半導体、有機材料などを用いることができる。代表的な非線形光学材料としては、ニオブ酸リチウムやニオブ酸チタン、ＫＴＰ、ＫＴＮ、ＫＤＰ、ＡＤＰ、ＳＢＮ等の光学結晶、またはＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＺｎＯなどの半導体、もしくはＰＺＴ、ＰＺＬＴ等のセラミックス、さらにアゾ色素、スチルベンゼン色素、ダストなどの有機分子または有機結晶などがある。
以下に本発明の波長変換素子の代表的な製作方法を述べる。ここでは、図４の構成の製作方法を記載するが、その他の構成に対しても同様な方法により製作可能である。
まず波長変換材料として、ニオブ酸リチウム基板と台座基板を用意する。台座基板にはニオブ酸リチウムやガラス、石英、シリコンなどを用いる。この基板にバッファ層となる石英層をスパッタリングにより成膜し、成膜面と台座基板表面を合わせて接合する。接合には接着剤等による接着や、ウェハ同士の加熱接合、プラズマ効果を用いた低温接合、常温接合などの方法を適切に用いる。ここでは、接着剤により接合した。接合した基板の波長変換材料側を研磨により、波長程度（５００ｎｍ）まで薄膜化し、薄膜層を形成する。薄膜層の形成には研磨のほかにイオンスライスなどの方法で薄膜化しても良い。
The wavelength conversion material used in each of the embodiments described so far preferably has a large nonlinear optical coefficient, and an optical crystal, a semiconductor, an organic material, or the like can be used. Typical nonlinear optical materials include optical crystals such as lithium niobate, titanium niobate, KTP, KTN, KDP, ADP, and SBN, or semiconductors such as GaAs, InAs, InSb, GaSb, and ZnO, or PZT, PZLT, and the like. Ceramics, azo dyes, stilbenzene dyes, organic molecules such as dust, or organic crystals.
A typical manufacturing method of the wavelength conversion element of the present invention will be described below. Here, a manufacturing method of the configuration of FIG. 4 will be described, but other configurations can be manufactured by the same method.
First, a lithium niobate substrate and a pedestal substrate are prepared as wavelength conversion materials. For the base substrate, lithium niobate, glass, quartz, silicon, or the like is used. A quartz layer serving as a buffer layer is formed on this substrate by sputtering, and the film formation surface and the base substrate surface are joined together. For bonding, methods such as bonding with an adhesive, heating bonding between wafers, low-temperature bonding using a plasma effect, and room-temperature bonding are appropriately used. Here, it joined by the adhesive agent. The wavelength conversion material side of the bonded substrates is polished to a thickness of about the wavelength (500 nm) to form a thin film layer. In addition to polishing, the thin film layer may be formed by a method such as ion slicing.
図１８に７００ｎｍまで薄膜化したニオブ酸リチウム薄膜の製作後の電子顕微鏡写真を示す。これは台座に固定されていない状態であるが、サブミクロン厚の薄膜化に成功している。次に、この薄膜層に電子ビームリソグラフィーとドライエッチングにより、フォトニック結晶をパターニングする。電子ビームリソグラフィーによるパターニングであるため、線欠陥導波路など柔軟なパターニングが可能である。
図１９はドライエッチングにより製作されたニオブ酸リチウム上フォトニック結晶配列の電子顕微鏡写真を示す。周期６００ｎｍ、円孔直径４００ｎｍのフォトニック結晶の作成に成功している。この波長変換素子に光の入出力構造を付加し、半導体レーザとの実装を実現することで、波長変換モジュールを製作する。
本発明の波長変換素子に９3０ｎｍ、１０６４ｎｍ、１２５０ｎｍの発振波長を持つ半導体レーザを組み合わせた波長変換モジュールによるＲＧＢレーザ光源と、液晶パネルやＤＭＤなどのＭＥＭＳによる空間変調器、投射レンズを組み合わせることで、コンパクトな画像作成装置を形成することができ、１立方センチメートルで画像を生成するレーザプロジェクターエンジンを形成することができる。
FIG. 18 shows an electron micrograph after the production of a lithium niobate thin film having a thickness of 700 nm. This is a state where it is not fixed to the pedestal, but it has succeeded in reducing the thickness to a submicron thickness. Next, the photonic crystal is patterned on the thin film layer by electron beam lithography and dry etching. Since patterning is performed by electron beam lithography, flexible patterning such as a line defect waveguide is possible.
FIG. 19 shows an electron micrograph of a photonic crystal array on lithium niobate fabricated by dry etching. A photonic crystal having a period of 600 nm and a hole diameter of 400 nm has been successfully produced. A wavelength conversion module is manufactured by adding a light input / output structure to the wavelength conversion element and realizing mounting with a semiconductor laser.
By combining an RGB laser light source by a wavelength conversion module combining a semiconductor laser having an oscillation wavelength of 930 nm, 1064 nm, and 1250 nm with the wavelength conversion element of the present invention, a spatial modulator by a MEMS such as a liquid crystal panel or DMD, and a projection lens, A compact image creation device can be formed, and a laser projector engine that produces an image at 1 cubic centimeter can be formed.
１０１、２０１、３０１、４０１、１００１、１０１１、１３０３…基板、１０２、３０２、４０２、１３０２…バッファ層、１０３、２０２、３０３、４０３、１１０１、１３０１、１４０３、１５０３…薄膜層、１０４、３０４、４０４、１００５…入射光、１０５、２０３…光閉じ込め部、１０６、３０５、４０５…変換光、１０７、２０４…光放射部、１１１…矩形形状、１１２…ピラー、２０５、２１１、２２１、３２１…コア、２０６…クラッド、３１１、１００２、１００４、１００６、１０１４、１０１５、１１０４…光導波路、３１２、３３１、３４１…周期部、３２２、３３２…円形部、５０１、６０１…媒質、５０２、６０２、９０２、１００３、１０１２、１２０２…フォトニック結晶配列、５０３…欠陥導波路、７０１…円孔、８０１…線欠陥部分、９０１…薄膜、９０３、１０１３、１２０３…線欠陥導波路、９０４…分極反転領域、１００３…フォトニック結晶構造、１００７、１３０４、１３０５…反射部、１０１６…分極反転構造、１４０１…波長変換素子、１４０２…半導体レーザ、１４０４、１５０４…発光層、１４０５…支持台座、２１０２…曲線、２１０４…空気ライトライン、２１１１…直線、２１１２…伝搬モード
101, 201, 301, 401, 1001, 1011, 1303 ... substrate, 102, 302, 402, 1302 ... buffer layer, 103, 202, 303, 403, 1101, 1301, 1403, 1503 ... thin film layer, 104, 304, 404, 1005 ... incident light, 105, 203 ... light confinement part, 106, 305, 405 ... converted light, 107, 204 ... light emission part, 111 ... rectangular shape, 112 ... pillar, 205, 211, 221, 321 ...
Claims (14)
前記薄膜層は、入力光を閉じ込める光閉じ込め部と、変換光を入力光の進行方向と異なる方向に放出する光放射部とを有し、
前記光放射部がフォトニック結晶構造であり、前記光閉じ込め部と前記光放射部とが異なる平面上にあることを特徴とする波長変換素子。 A wavelength conversion element provided with a thin film layer having a wavelength conversion material on a substrate,
The thin film layer has a light confinement portion that confines input light, and a light emission portion that emits converted light in a direction different from the traveling direction of the input light,
The wavelength conversion element according to claim 1, wherein the light emitting portion has a photonic crystal structure, and the light confining portion and the light emitting portion are on different planes.
前記薄膜層は、入力光を閉じ込める光閉じ込め部と、変換光を入力光の進行方向と異なる方向に放出する光放射部とを有し、
前記光放射部がフォトニック結晶構造であり、前記光閉じ込め部と前記光放射部とが同一平面上にあることを特徴とする波長変換素子。 A wavelength conversion element provided with a thin film layer having a wavelength conversion material on a substrate,
The thin film layer has a light confinement portion that confines input light, and a light emission portion that emits converted light in a direction different from the traveling direction of the input light,
The wavelength converting element, wherein the light emitting portion has a photonic crystal structure, and the light confinement portion and the light emitting portion are on the same plane.
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