WO2022219687A1 - 波長変換光学素子 - Google Patents

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periodically poled
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拓志 風間
毅伺 梅木
修 忠永
晃次 圓佛
信建 小勝負
飛鳥 井上
啓 渡邉
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Definitions

  • the present invention relates to optical elements using nonlinear optical effects, and more specifically, to wavelength conversion optical elements used in optical communication systems and optical measurement systems.
  • Wavelength conversion is known as a fundamental nonlinear optical effect. This wavelength conversion is a technique that can convert light incident on a nonlinear optical medium into light having a different wavelength. Due to such characteristics, wavelength conversion is widely put into practical use as a technique for generating light in a wavelength band that is difficult to oscillate with a single laser.
  • 1/ ⁇ 3 1/ ⁇ 1 ⁇ 1/ ⁇ 2 (equation 3)
  • SHG and SFG are used in various techniques because they newly generate short-wavelength light (that is, high-energy light) with respect to incident light. For example, when realizing phase sensitive amplification by optical parametric amplification, signal light and strong pumping light are required, and SHG is used as means for generating this pumping light.
  • the three interacting wavelengths have a phase mismatch of zero.
  • One of the means for achieving this is to periodically reverse the polarization of the nonlinear optical material (that is, form a periodically polarized anti-structure) to pseudo-zero the phase mismatch amount. Assuming that the inversion period is ⁇ , if the inversion period ⁇ that satisfies the following (Equation 4) is set for the light of wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3 in the SFG shown in (Equation 1), the phase The mismatch amount can be zero.
  • n1 is the refractive index at wavelength ⁇ 1
  • n2 is the refractive index at wavelength ⁇ 2
  • n3 is the refractive index at wavelength ⁇ 3 .
  • Non-Patent Document 1 ridge-type optical waveguides have been developed that can utilize the properties of the crystal bulk as they are as wavelength conversion optical elements, and have features such as high optical damage resistance, long-term reliability, and ease of device design (for example, , Non-Patent Document 1).
  • This ridge-type optical waveguide is formed by bonding two substrates, thinning one of the substrates, and applying ridge processing.
  • a direct bonding technique is known as a technique for firmly bonding the substrates without using an adhesive or the like when bonding the substrates.
  • a direct-bonded ridge-type waveguide using this technology can receive strong light, and along with the advancement of waveguide technology, we have succeeded in making the core smaller, and its wavelength conversion efficiency is steadily improving. (For example, see Non-Patent Document 2).
  • the present invention is a technique for solving the above problems, and its purpose is to realize the generation of high-intensity converted waves with high efficiency.
  • one embodiment of the present invention provides a wavelength conversion optical element having a periodically poled waveguide for generating a converted wave of high intensity with high efficiency, wherein the periodic
  • the polarization-inverted waveguide includes a core for wavelength-converting a fundamental wave incident on an input end and outputting the converted wave from an output end, and a clad surrounding the core.
  • the wavelength conversion optical element as described above, it is possible to efficiently generate a high-intensity converted wave. Furthermore, there is an effect that it can contribute to the reduction of the device manufacturing process and the simplification of the device structure as compared with the conventional technology.
  • FIG. 4 is a diagram showing a periodically poled waveguide having a structure in which the poling period of the core is changed in an inclined manner
  • FIG. 4 is a diagram showing a periodically poled waveguide having a structure in which the width of the core is changed in an inclined manner
  • FIG. 10 is a diagram showing a wavelength conversion optical element having a structure with a changed poling period
  • FIG. 10 is a diagram showing a wavelength conversion optical element in which the width of the core is changed in an inclined manner
  • FIG. 10 is a diagram showing a wavelength conversion optical element having a structure with a changed poling period
  • FIG. 4 is a diagram showing a wavelength conversion optical element in which the refractive index of the core is changed in a sloping manner
  • a wavelength conversion optical element is a periodically poled waveguide that generates high-order harmonic light from an incident fundamental wave and emits desired wavelength-converted light from the output end of the element. be.
  • the phase matching condition differs from the prior art in that the phase matching condition changes in an inclined manner from the entrance end to the exit end.
  • the temperature of the element rises from the entrance end to the exit end. Therefore, in this embodiment, phase mismatching due to heat generation is suppressed by changing the function of the wavelength conversion optical element in an inclined manner so that phase matching can be achieved in a high-temperature environment as the phase matching condition approaches from the input end to the output end.
  • FIG. 1 is a diagram showing a periodically poled waveguide having a structure in which the poling period of the core is changed in an inclined manner, according to one embodiment of the present invention. It is a diagram showing a core portion of a periodically poled waveguide, which may be either a ridge-type optical waveguide or an embedded waveguide.
  • a periodically poled waveguide When the periodically poled waveguide is used as a ridge type optical waveguide or the like, at least part of the clad covering the periphery of the core becomes an air layer.
  • the periodically poled waveguide 10 has a core 11 that converts the wavelength of light, an incident end 12 at which the fundamental light 14 is incident at one end on one side, and a converted wave 15 wavelength-converted by the core 11 at one end on the opposite side.
  • the polarization inversion period becomes obliquely shorter as it approaches the output end 13 from the input end 12 . That is, in the optical axis direction of the periodically poled waveguide 10, the length of the region in which the polarization is set in one direction gradually shortens from the incident end 12 toward the exit end 13. .
  • FIG. 2 is a diagram showing a periodically poled waveguide having a structure in which the width of the core is graded according to one embodiment of the present invention.
  • the periodically poled waveguide 20 includes a core 21 that performs wavelength conversion of light, an incident end 22 that receives the fundamental light 24, and an output end 23 that outputs a converted wave 25 wavelength-converted by the core 21. It has a structure in which the width of the core 21 becomes obliquely shorter as it approaches the output end 23 from the end 22 . That is, in the optical axis direction of the periodically poled waveguide 20, the lengths of the regions in which the polarization is set in one direction are equal, and as the incident end 22 approaches the output end 23, the direction perpendicular to the optical axis direction is increased.
  • the core 21 has a structure in which the width gradually decreases.
  • a periodically poled waveguide is used in which the core structure changes in the optical axis direction so as not to break the phase matching condition shown in (Equation 4) as it approaches the output end from the incident end. This structure suppresses phase mismatch due to light absorption in the waveguide and accompanying heat generation, and can generate a converted wave with high efficiency.
  • Materials that make up optical waveguides include silicon (Si), silicon dioxide (SiO 2 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), indium phosphide (InP), dielectrics such as polymers, semiconductors, Alternatively, it is selected from nonlinear optical materials composed of compounds obtained by adding additives to these materials.
  • FIG. 1 A first embodiment according to the present invention will now be described with reference to FIGS. 3 and 5.
  • FIG. 1 As the core of the nonlinear optical waveguide approaches the output end, the polarization reversal period changes in a sloping manner.
  • the present invention relates to a wavelength conversion element with a gradually changing wavelength.
  • FIG. 3 is a diagram showing a wavelength conversion optical element having a structure in which the poling period is gradually changed according to one embodiment of the present invention.
  • a wavelength conversion optical element 30 in this embodiment includes the periodically poled waveguide 10 shown in FIG. It has a structure in which the polarization inversion period becomes shorter as it approaches the output end 13 . That is, in the optical axis direction of the periodically poled waveguide 10, the length of the region in which the polarization is set in one direction gradually shortens from the incident end 12 toward the exit end 13. .
  • the core 11 uses a LiNbO 3 -based ferroelectric and is directly bonded to the substrate 31 made of LiTaO 3 .
  • Such a wavelength conversion optical element is designed to convert light in the 1.5 ⁇ m wavelength band into double wave light in the vicinity of a wavelength of 775 nm.
  • the polarization reversal period in this embodiment is designed so that the phase is matched at the desired wavelength in the vicinity of the incident end 12, and the length of the region in which the polarization is set becomes shorter as the exit end 13 is approached. It is This corresponds to shifting the phase matching wavelength to the short wavelength side when using a nonlinear optical waveguide of LiNbO 3 system.
  • the phase matching wavelength shifts to the longer wavelength side as the temperature rises. A converted wave can be generated efficiently.
  • the wavelength conversion optical element in which the polarization inversion period of the core 11 is gradually changed from the entrance end 12 to the exit end 13 is not limited to the case where the core 11 is made of a LiNbO 3 -based ferroelectric material. . Therefore, it is also applicable to periodically poled waveguides using other nonlinear optical materials for the core 11. Similarly, by maintaining the phase matching condition, phase mismatch due to heat generation is suppressed, and the converted wave is efficiently generated. has the effect of generating
  • the waveguide is an example of a ridge-type optical waveguide in which the core is directly bonded to the substrate, but as described above, the same effect can be obtained even with an embedded waveguide.
  • a cladding 56 is provided surrounding the core 51 in the waveguide, as shown in FIG.
  • FIG. 4 illustrates a wavelength conversion optical element with a graded core width, according to one embodiment of the present invention.
  • the wavelength conversion optical element 40 in this embodiment includes the periodically poled waveguide 20 shown in FIG. It has a structure in which the width of the core 21 decreases obliquely as it approaches the output end 23 . That is, in the optical axis direction of the periodically poled waveguide 20, the lengths of the regions in which the polarization is set in one direction are equal, and as the incident end 22 approaches the output end 23, the direction perpendicular to the optical axis direction is increased.
  • the core 21 has a structure in which the width gradually decreases.
  • the core 21 of the wavelength conversion optical element here uses a LiNbO 3 -based ferroelectric material, and is directly bonded to a substrate 41 made of LiTaO 3 .
  • Such a wavelength conversion optical element is designed to convert light in the 1.5 ⁇ m wavelength band into double wave light in the vicinity of a wavelength of 775 nm.
  • the wavelength conversion optical element according to this embodiment configured as described above, quasi-phase matching in which polarization is periodically inverted is used for phase matching, as in the first embodiment. Also, this polarization inversion period is designed to be phase-matched at a desired wavelength in the vicinity of the incident end face. However, unlike the first embodiment, the polarization inversion period of the core 21 is constant. ing. This corresponds to shifting the phase matching wavelength to the short wavelength side when using a nonlinear optical waveguide of LiNbO 3 system. Therefore, by adopting such a form, it is possible to obtain the same effect as in the first embodiment and to generate a converted wave with high efficiency.
  • the wavelength conversion optical element in which the width of the core 21 is changed from the entrance end 22 toward the exit end 23 is not limited to the case where the core 21 is made of a LiNbO 3 -based ferroelectric material. Therefore, even if the wavelength conversion optical element uses another nonlinear optical material for the core 21, the same effect can be obtained. Further, whether the width of the core 21 is shortened or lengthened from the entrance end 22 toward the exit end 23 depends on the nonlinear optical material and the structure of the element. Therefore, the change in width of core 21 is preferably designed to cancel the phase mismatch due to temperature rise of the device.
  • the refractive index of the core changes in a gradient manner. It relates to a wavelength conversion optical element in which the refractive index in each region changes gradually with respect to the optical axis direction of the waveguide.
  • FIG. 6 is a diagram showing a wavelength conversion optical element with a graded core refractive index according to one embodiment of the present invention.
  • the wavelength conversion optical element 60 in this embodiment includes a periodically poled waveguide 61 and a substrate 63 bonded to the lower surface of a core 62 included in the periodically poled waveguide 61, and approaches an exit end 65 from an incident end 64. It has a structure in which the refractive index of the core 62 gradually decreases as it increases. That is, the core has a different refractive index for each period of the polarization inversion period, and the refractive index in each region gradually decreases as it approaches from the incident end 64 to the exit end 65 in the optical axis direction of the waveguide.
  • the core 62 of the wavelength conversion optical element here uses a LiNbO 3 -based ferroelectric material, and is directly bonded to a substrate 63 made of LiTaO 3 .
  • Such a wavelength conversion optical element is designed to convert light in the 1.5 ⁇ m wavelength band into double wave light in the vicinity of a wavelength of 775 nm.
  • the polarization inversion period of the core 62 is constant, that is, the length of the region in which the polarization is set in one direction is equal in the optical axis direction of the periodically poled waveguide.
  • the core width in the direction perpendicular to the optical axis direction of the core 62 is also constant.
  • the refractive index of the core in the ridge type optical waveguide is gradually changed, but the refractive index of the clad in the embedded waveguide may be gradually changed.
  • the refractive index may be gradually changed.
  • the refractive index is changed by changing the composition ratio in this embodiment, the refractive index may be changed by applying other materials. In designing the structure of such an element, it is preferable to design so as to cancel the phase mismatch due to the temperature rise of the element.
  • the present invention is expected to be used in the field of optical communication, the field of quantum information communication using light, and the field of optical measurement systems as a technology for generating a high-intensity converted wave with high efficiency.

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Abstract

非線形光学素子においては、高強度な変換波を生成する時の発熱に起因する波長変換効率の劣化が生じるため、本発明では、周期分極反転導波路を備えた波長変換光学素子であって、前記周期分極反転導波路は、入射端に入射された基本波を波長変換し、出射端から変換波を出射するコアと、前記コアの周辺を覆うクラッドとを備え、前記周期分極反転導波路が、前記入射端から前記出射端に向かい、擬似位相整合が取られるように、素子の構造が徐々に変化する波長変換光学素子を提供する。

Description

波長変換光学素子
　本発明は、非線形光学効果を用いた光学素子に関し、具体的には、光通信システムや光計測システムにおいて用いられる波長変換光学素子に関する。
　非線形光学効果を用いた光応用技術は、新しい光通信分野や光を用いた量子情報通信分野、光計測システム分野等において期待されている。非線形光学効果における基本的な効果として、波長変換が知られている。この波長変換は、非線形光学媒質へ入射する光を、別の波長を有する光に変換できる技術である。このような特性を有することから、波長変換は、レーザー単体では発振が困難な波長帯の光を生成する技術として、広く実用化されている。
　以下に、非線形光学効果における、波長変換の原理を説明する。非線形光学効果では、波長λ１、λ２の光を入力して、新たな波長λ３の光を発生させる。以下の（式１）を満たす波長変換は、和周波発生（Sum Frequency Generation：以下、ＳＦＧとう）と呼ばれる。加えて、λ１＝λ２（すなわち、（式２）を満たす）場合の波長変換は、第二高調波発生（Second harmonic generation：以下、ＳＨＧという）と呼ばれる。
　　　１／λ３＝１／λ１＋１／λ２　（式１）
　　　λ３＝λ１／２　（式２）
一方、（式３）を満たす波長変換は、差周波発生（Difference Frequency Generation：以下、ＤＦＧという）と呼ばれる。
　　　１／λ３＝１／λ１―１／λ２　（式３）
さらに、波長λ１の光のみを入力し、（式３）の関係を満たす別の光（波長がλ２の光と波長がλ３の光別の光）を発生することも可能である（光パラメトリック効果と呼ばれる）。特にＳＨＧ、ＳＦＧは入射光に対して短波長の光（すなわち、エネルギーの高い光）を新たに生成するため、様々な技術に利用されている。例えば，光パラメトリック増幅による位相感応増幅を実現する場合、信号光と強い励起光が必要となるが、この励起光を生成する手段としてＳＨＧが利用される。
　これらの非線形光学効果を効率良く発生させるためには、相互作用する３波長の位相不整合量が０であることが求められる。これを達成する手段の一つとして、非線形光学材料の分極を周期的に反転させる（すなわち、周期分極反構造とする）ことにより、疑似的に位相不整合量を０にすることが挙げられる。反転周期をΛとすると、（式１）で示されるＳＦＧにおいて、波長λ１、λ２、λ３の光に対し以下の（式４）を満たす反転周期Λを設定すれば、擬似的に位相不整合量を０にすることができる。
　　　ｎ３／λ３－ｎ２／λ２－ｎ１／λ１－１／Λ＝０　　　（式４）
ここで、ｎ１は波長λ１での屈折率、ｎ２は波長λ２での屈折率、ｎ３は波長λ３での屈折率である。
　このような周期分極反転構造の採用に加え、波長変換光学素子を導波路化する（すなわち、周期分極反転導波路とする）ことにより、高効率な波長変換が可能となる。非線形光学効果は非線形相互作用を引き起こす光の重なり密度が高いほど、その効果も大きくなる。したがって、光を断面積が小さい導波路に閉じ込め、かつ長い距離にわたって光を導波させることが可能な周期分極反転導波路を適用することにより、高効率な波長変換が可能となる。
　特に、非線形光学材料で大きな非線形定数を有するニオブ酸リチウム（LiNbO3）を用いた周期分極反転導波路は、その波長変換効率の高さから、すでに市販されている光源内に適用され、実用化が進んでいる。
　従来までは、非線形光学材料を用いた導波路構造の実現にはTi拡散やプロトン交換による手法が一般的であった。しかし、近年では、波長変換光学素子として結晶のバルクの特性をそのまま利用でき、高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計の容易性等の特徴を有する、リッジ型光導波路が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。このリッジ型光導波路は、二枚の基板を接合した後、一方の基板を薄膜化し，さらにリッジ加工を施すことによって形成される。この基板を接合する際に、接着剤等を用いず基板同士を強固に接合する技術として、直接接合技術が知られている。この技術を用いた直接接合型リッジ型導波路は、強い光を入射することができ、導波路化技術の進展と共に小コア化に成功しており、その波長変換効率は向上の一途をたどっている（例えば、非特許文献２参照）。
　導波路型の非線形光学素子において、高い変換効率を得るためには、導波路内の長い距離にわたって入射光である基本波と出射光である変換波の位相整合が取られている必要がある。導波路において低強度な光が伝搬する領域では、導波路の長手方向にわたって均一な位相整合条件が保たれていることが望まれる。これは非線形光学材料を用いた周期分極反転導波路においては、均一な導波路構造、かつ均一な分極反転周期により実現される。しかし、構造的に均一な導波路において、高強度な変換波を生成する領域では、位相整合条件が崩れるため、波長変換効率の劣化が生じる。これは、生成された変換波の方が基本波よりも導波路媒体に吸収されやすく、導波路内で光吸収による発熱が生じ、結果として屈折率の温度変化等が引き起こされることに起因する。この発熱量は伝搬する変換波の強度と正の相関を有するため、内部を伝搬する変換波の強度が高くなる出射端に近づくにつれ、導波路の温度が高くなるような温度分布を生じる。このように、非線形光学素子においては、高強度な変換波を生成する時の発熱に起因する波長変換効率の劣化が課題となる。
　このような課題に対する解決方法として、従来技術では、素子の温度が一定となるように素子全体に対して温度調整を施す手法や、素子の近傍にヒーターを搭載することで温度勾配を制御する手法がある。しかし、これらの手法では、素子の作製工程が増えることや、制御システムが多くなることにより、素子の構造が煩雑化するという課題がある。
Y.Nishida, H.Miyazawa, M.Asobe, O.Tadanaga, and H.Suzuki, "Direct-bonded QPM-LN ridge waveguide with high damage resistance at room temperature," Electronics Letters, Vol.39, No.7, pp.609-611(2003) T.Umeki, O.Tadanaga, and M.Asobe, ‘Highly Efficient Wavelength Converter Using Direct-Bonded PPZnLN Ridge Waveguide,’ IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.46, No.8, pp.1206-1213(2010)
　本発明は、上記の課題を解決する手法であり、その目的は、高強度な変換波の生成を、高効率で実現させることである。
　上記の目的を達成するため、本発明の一実施態様は、高強度な変換波の生成を、高効率で実現させるため、周期分極反転導波路を備えた波長変換光学素子であって、この周期分極反転導波路は、入射端に入射された基本波を波長変換し、出射端から変換波を出射するコアと、このコアの周辺を覆うクラッドとを備え、周期分極反転導波路が、入射端から出射端に向かい、擬似位相整合が取られるように、素子の構造が徐々に変化する波長変換光学素子を提供する。
　本発明によれば、上記のような波長変換光学素子とすることにより、高強度な変換波の生成を、高効率で実現することが可能となる。さらに、従来技術に比べて、デバイス作製工程削減や素子構造の簡素化に貢献できるという効果がある。
コアの分極反転周期を傾斜的に変化させた構造を有する周期分極反転導波路を示す図である。 コアの幅を傾斜的に変化させた構造を有する周期分極反転導波路を示す図である。 分極反転周期を変化させた構造を有する波長変換光学素子を示した図である。 コアの幅を傾斜的に変化させた波長変換光学素子を示した図である。 分極反転周期を変化させた構造を有する波長変換光学素子を示した図である。 コアの屈折率を傾斜的に変化させた波長変換光学素子を示した図である。
　本発明の一実施形態による波長変換光学素子は、入射された基本波から高次高調波の光を生成し、素子の出射端から波長変換された所望の光を出射する周期分極反転導波路である。但し、その位相整合条件が、入射端から出射端に近づくにつれ、傾斜的に変化しているという点で従来技術とは異なる。上述の通り、高強度な変換波を生成する周期分極反転導波路では、入社端から出射端に近づくにつれて素子の温度が上昇する。そこで本実施形態では、位相整合条件も入社端から出射端に近づくにつれて高温環境で位相整合がとれるよう、波長変換光学素子の機能が傾斜的に変化することによって発熱による位相不整合を抑制し、高効率に変換波を生成することを可能にする技術を提供する。
　図１は本発明の一実施形態による、コアの分極反転周期を傾斜的に変化させた構造を有する周期分極反転導波路を示す図である。周期分極反転導波路のコア部分を抜き出して示した図であり、リッジ型光導波路、埋込型導波路のいずれであってもよい。なお、周期分極反転導波路をリッジ型の光導波路等とする場合には、コアの周囲を覆うクラッドの少なくとも一部が空気層となる。周期分極反転導波路１０は、光の波長変換を行うコア１１と、片側一端に基本光１４が入射する入射端１２と、反対側の一端にコア１１で波長変換された変換波１５が出射される出射端１３を備え、入射端１２から出射端１３に近づくにつれて、分極反転周期が傾斜的に短くなるような構造を有している。すなわち、周期分極反転導波路１０の光軸方向において、一方の向きに分極が設定された領域の長さが、入射端１２から出射端１３に近づくにつれて、徐々に短くなる構造を有している。
　図２は本発明の一実施形態による、コアの幅を傾斜的に変化させた構造を有する周期分極反転導波路を示す図である。周期分極反転導波路２０は、光の波長変換を行うコア２１と、基本光２４が入射する入射端２２と、コア２１で波長変換された変換波２５が出射される出射端２３を備え、入射端２２から出射端２３に近づくにつれて、コア２１の幅が傾斜的に短くなる構造を有している。すなわち、周期分極反転導波路２０の光軸方向において、一方の向きに分極が設定された領域の長さが等しく、入射端２２から出射端２３に近づくにつれて、光軸方向とは垂直の向きのコア２１の幅が、徐々に短くなる構造を有している。
　上述したように、内部を伝搬する変換波の強度が高くなる出射端に近づくにつれ、導波路の温度が高くなり、発熱に起因する屈折率の温度変化により、位相整合条件が崩れる。そこで、本実施形態では、入射端から出射端に近づくにつれ（式４）に示した位相整合条件を崩さないように、コアの構造が光軸方向に変化する周期分極反転導波路とする。この構造により、導波路における光吸収およびそれに伴う発熱による位相不整合を抑制され、高効率で変換波を生成できる。
　なお、周期分極反転導波路におけるクラッドの材料やコアの材料の、組成比や屈折率を、入射端から出射端に近づくにつれ、傾斜的に変化させても同様の効果を奏する。これは、組成比や屈折率を変化させても、（式４）に示した位相整合条件を保つことができ、それによって発熱による位相不整合を抑制し、それに伴う波長変換効率の低下を抑制できるためである。
　光導波路を構成する材料は、ケイ素（Si）、二酸化ケイ素（SiO2）、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）、タンタル酸リチウム（LiTaO3），インジウムリン（InP）、ポリマー等の誘電体や半導体、もしくはこれらに添加物を加えた化合物等から構成される、非線形光学材料から選ばれる。
（第１の実施形態）
　以下に、図３および図５を参照して、本発明による第１の実施形態を説明する。本実施形態は、非線形光学導波路のコアが出射端に近づくにつれ、分極反転周期が傾斜的に変化する、すなわち、導波路の光軸方向において、一方の向きに分極が設定された領域の長さが徐々に変化する波長変換素子に関する。
　図３は本発明の一実施形態による、分極反転周期を徐々に変化させた構造を有する波長変換光学素子を示した図である。本実施形態における波長変換光学素子３０は、図１に示した周期分極反転導波路１０と、周期分極反転導波路１０に含まれるコア１１の下面に接合された基板３１を備え、入射端１２から出射端１３に近づくにつれて、分極反転周期が傾斜的に短くなるような構造を有している。すなわち、周期分極反転導波路１０の光軸方向において、一方の向きに分極が設定された領域の長さが、入射端１２から出射端１３に近づくにつれて、徐々に短くなる構造を有している。ここで、コア１１は、LiNbO3系の強誘電体が用いられ、LiTaO3からなる基板３１に直接接合されているものとする。このような波長変換光学素子では、波長1.5μm帯の光が倍波の波長775nm付近の光に変換されるように設計されている。
　上記のように構成された本実施形態による波長変換光学素子において、位相整合は分極を周期的に反転させる擬似位相整合が用いられる。上述のように、本実施形態における分極反転周期は、入射端１２の近傍では所望の波長で位相整合され、出射端１３に近づくにつれ、分極が設定された領域の長さが短くなるように設計されている。これは、LiNbO3系の非線形光学導波路を用いた場合、位相整合波長を短波側にシフトさせることに相当する。LiNbO3系の強誘電体を用いた波長変換光学素子では、温度上昇に伴って位相整合波長は長波側にシフトするため、このような形態とすることで発熱による位相不整合を抑制し、高効率に変換波の生成が可能となる。
　このように、コア１１の分極反転周期を入射端１２から出射端１３に近づくにつれ、徐々に変化させた波長変換光学素子は、コア１１にLiNbO3系の強誘電体を用いた場合に限定されない。したがって、コア１１に他の非線形光学材料を用いた周期分極反転導波路にも適用可能であり、同様に、位相整合条件を保つことにより、発熱による位相不整合を抑制し、高効率に変換波を生成する効果を奏する。
　本実施形態を取らずに、位相整合条件が導波路の伝搬方向にわたって均一になるように作製した従来の波長変換光学素子と、本実施形態による波長変換光学素子で、各々の波長変換効率を比較した。その結果、数十mWの基本波を入射した場合は、従来の波長変換光学素子の方が高い波長変換効率を示したが、数W級の基本波を入社した場合は、本実施形態による波長変換光学素子の方が高い波長変換効率を示した。これは本実施形態により、位相整合条件が導波路中で保たれ、素子の温度上昇が抑制できたことを示している。
　上述の実施形態において、導波路は基板上にコアを直接接合したリッジ型光導波路を例に取ったが、上述の通り、埋込型導波路であっても同様の効果を奏する。埋込型導波路の場合、図５に示す通り、導波路におけるコア５１の周囲を覆うクラッド５６が、備えられる。
（第２の実施形態）
　以下に、図４を参照して、本発明による第２の実施形態を説明する。本実施形態は、非線形光学導波路のコアが出射端に近づくにつれ、コアの幅が傾斜的に変化する、すなわち、導波路の光軸方向において、光軸方向とは垂直の向きのコア幅が徐々に変化する波長変換光学素子に関する。
　図４は本発明の一実施形態による、コアの幅を徐々に変化させた波長変換光学素子を示した図である。本実施形態における波長変換光学素子４０は、図２に示した周期分極反転導波路２０と、周期分極反転導波路２０に含まれるコア２１の下面に接合された基板４１を備え、入射端２２から出射端２３に近づくにつれて、コア２１の幅が傾斜的に短くなるような構造を有している。すなわち、周期分極反転導波路２０の光軸方向において、一方の向きに分極が設定された領域の長さが等しく、入射端２２から出射端２３に近づくにつれて、光軸方向とは垂直の向きのコア２１の幅が、徐々に短くなる構造を有している。第１の実施形態と同様に、ここでは波長変換光学素子のコア２１は、LiNbO3系の強誘電体が用いられ、このコア２１はLiTaO3からなる基板４１に直接接合されている。このような波長変換光学素子では、波長1.5μm帯の光が倍波の波長775nm付近の光に変換されるように設計されている。
　上記のように構成された本実施形態による波長変換光学素子において、位相整合は、第１の実施形態と同様に、分極を周期的に反転させる擬似位相整合が用いられる。また、この分極反転周期は入射端面付近では所望の波長で位相整合されるように設計されている。但し、第１の実施形態とは異なり、コア２１の分極反転周期は一定、すなわち、周期分極反転導波路２０の光軸方向において、一方の向きに分極が設定された領域の長さが等しくなっている。これは、LiNbO3系の非線形光学導波路を用いた場合、位相整合波長を短波側にシフトさせることに相当する。したがって、このような形態とすることで、第１の実施形態と同様の効果を奏し、高効率で変換波を生成することが可能となる。
　このように、コア２１の幅を入射端２２から出射端２３に近づくにつれて変化させた波長変換光学素子は、コア２１にLiNbO3系の強誘電体を用いた場合に限定されない。したがって、コア２１に他の非線形光学材料を用いた波長変換光学素子であっても、同様の効果を奏する。またコア２１の幅を入射端２２から出射端２３に近づくにつれて、短くするか長くするかは、非線形光学材料や素子の構造により異なる。したがって、コア２１の幅の変化は、素子の温度上昇による位相不整合を打ち消すように設計することが好ましい。
　本実施形態を取らずに、位相整合条件が導波路の伝搬方向にわたって均一になるように作製した従来の波長変換光学素子と、本実施形態による波長変換光学素子で、各々の波長変換効率を比較した。その結果、数十mWの基本波を入射した場合は、従来の波長変換光学素子の方が高い波長変換効率を示したが、数W級の基本波を入社した場合は、本実施形態による波長変換光学素子の方が高い波長変換効率を示した。これは本実施形態により、素子の温度上昇を抑制したことを示している。
（第３の実施形態）
　以下に、本発明による第３の実施形態を説明する。本実施形態は、非線形光学導波路のコアが出射端に近づくにつれ、コアの屈折率が傾斜的に変化する、すなわち、コアは分極反転周期の１周期毎に異なる屈折率を有しており、それぞれ領域における屈折率が導波路の光軸方向に対して、徐々に変化する波長変換光学素子に関する。
　図６は本発明の一実施形態による、コアの屈折率を徐々に変化させた波長変換光学素子を示した図である。本実施形態における波長変換光学素子６０は、周期分極反転導波路６１と、周期分極反転導波路６１に含まれるコア６２の下面に接合された基板６３を備え、入射端６４から出射端６５に近づくにつれて、コア６２の屈折率が傾斜的に小さくなるような構造を有している。すなわち、コアは分極反転周期の１周期毎に異なる屈折率を有しており、それぞれ領域における屈折率が、導波路の光軸方向において入射端６４から出射端６５に近づくにつれ、徐々に小さくなるような構造を有する。このように屈折率を徐々に変化させるためには、コアに用いられる材料の組成比を変化させることによって達成される。第１の実施形態と同様に、ここでは波長変換光学素子のコア６２は、LiNbO3系の強誘電体が用いられ、このコア６２はLiTaO3からなる基板６３に直接接合されている。このような波長変換光学素子では、波長1.5μm帯の光が倍波の波長775nm付近の光に変換されるように設計されている。
　上記のように構成された本実施形態による波長変換光学素子において、位相整合は、第１および第２の実施形態と同様に、分極を周期的に反転させる擬似位相整合が用いられる。また、この分極反転周期は入射端面付近では所望の波長で位相整合されるように設計されている。但し、第１の実施形態とは異なり、コア６２の分極反転周期は一定、すなわち、周期分極反転導波路の光軸方向において、一方の向きに分極が設定された領域の長さが等しくなっている。また、第２の実施例とは異なり、コア６２の光軸方向に対する光軸方向とは垂直の向きのコア幅も一定となっている。これは、LiNbO3系の非線形光学導波路を用いた場合、位相整合波長を短波側にシフトさせることに相当する。したがって、このような形態とすることで、第１の実施形態および第２の実施形態と同様の効果を奏し、高効率で変換波を生成することが可能となる。
　尚、本実施形態においては、リッジ型光導波路におけるコアの屈折率を徐々に変化させたが、埋込型導波路におけるクラッドの屈折率を徐々に変化させてもよく、コアとクラッドの両方の屈折率を徐々に変化させてもよい。また、本実施形態では組成比を変化させることにより屈折率を変化させたが、他の材料を適用することによって屈折率を変化させてもよい。このような素子の構造設計をするにあたっては、素子の温度上昇による位相不整合を打ち消すように設計することが好ましい。
　本実施形態を取らずに、位相整合条件が導波路の伝搬方向にわたって均一になるように作製した従来の波長変換光学素子と、本実施形態による波長変換光学素子で、各々の波長変換効率を比較した。その結果、数十mWの基本波を入射した場合は、従来の波長変換光学素子の方が高い波長変換効率を示したが、数W級の基本波を入社した場合は、本実施形態による波長変換光学素子の方が高い波長変換効率を示した。これは本実施形態により、位相整合条件が導波路中で保たれ、発熱による位相不整合を抑制できたことを示している。
　本発明は、高強度な変換波を高効率で生成する技術として、光通信分野や光を用いた量子情報通信分野、光計測システム分野への利用が見込まれる。

Claims (7)

  1. 　周期分極反転導波路を備えた波長変換光学素子であって、
    　　前記周期分極反転導波路は、入射端に入射された基本波を波長変換し、出射端から変換波を出射するコアと、
    　　前記コアの周囲を覆うクラッドとを備え、
    　前記周期分極反転導波路が、前記入射端から前記出射端に向かい、擬似位相整合が取られるように、素子の構造が徐々に変化する
    波長変換光学素子。
  2. 　請求項１記載の波長変換光学素子であって、前記周期分極反転導波路おいて、前記周期分極反転導波路の光軸方向における一方の向きに分極が設定された領域の長さが、前記入射端から前記出射端に近づくにつれ、徐々に変化する構造を有する
    波長変換光学素子。
  3. 　請求項１に記載の波長変換光学素子であって、前記周期分極反転導波路において、前記周期分極反転導波路の光軸方向における一方の向きに分極が設定された領域の長さが等しく、
    　前記入射端から前記出射端に近づくにつれて、光軸方向とは垂直の向きの前記コアの幅が、徐々に変化する構造を有する波長変換光学素子。
  4. 　請求項１に記載の波長変換光学素子であって、前記周期分極反転導波路の屈折率が、前記入射端から前記出射端に向かい、徐々に変化している波長変換光学素子。
  5. 　請求項４に記載の波長変換光学素子であって、前記周期分極反転導波路に用いられる材料の組成比が、前記入射端から前記出射端に向かい、徐々に変化している波長変換光学素子。
  6. 　請求項４に記載の波長変換光学素子であって、前記周期分極反転導波路に用いられる材料が、前記入射端から前記出射端に向かい、徐々に変化している波長変換光学素子。
  7. 　請求項１に記載の波長変換光学素子であって、前記クラッドが空気層を含む波長変換光学素子。
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