JPH04356031A - 入射テーパ光導波路およびそれを用いた波長変換素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コヒーレント光源を応
用した、光情報処理、光応用計測制御分野に使用される
光導波路とレーザおよびファイバとの高効率結合を可能
にする入射テーパ光導波路、およびそれを用いた波長変
換素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】プロトン交換法によりＬｉＮｂＯ３上に
光導波路を形成し、ＴＥ／ＴＭモードスプリッタや波長
変換素子などが作製されていた。上記光導波路は基板と
の屈折率差（Δｎｅ＞０．１）が大きくシングルモード
のみ伝搬させようとすると厚みが０．４〜０．６μｍと
非常に薄くなっていた。そのため上記光導波路への結合
効率を向上させるため光入射部をテーパにすることが考
えられる。

【０００３】従来の入射テーパ光導波路としては、例え
ば光導波路の入射部をテーパ状に広げたものがある。図
１０はこの従来の入射テーパ光導波路の基本的構成を示
すものであり、２１は誘電体基板、２２は光導波路、２
３はテーパ光導波路、２４は入射部である。

【０００４】以上のように構成された従来の入射テーパ
光導波路においては、入射部の形状及び面積を変えて、
光導波路に励起するコヒーレント光の波面分布と光導波
路を伝搬する導波モード分布を整合させ光導波路とコヒ
ーレント光との高い結合効率を得る入射テーパ光導波路
である。

【０００５】また、この入射テーパ光導波路の作製方法
として（アプライドオプティクス（Ａｐｐｌｉｅｄ　　
Ｏｐｔｉｃｓ）１９７９年３月号　　１８巻のＰ９００
〜９０２）の　シ゛ェイ　シー　キャンヘ゛ル　（　Ｊ
．Ｃ．Ｃａｍｐｂｅｌｌ　）氏によると図１０に示され
るように基板２１を除々に硝酸銀の溶液２４中に浸して
いくことにより拡散深さを変化させて入射テーパ光導波
路を形成するというものである。ＬｉＮｂＯ３基板２１
に光導波路を形成する場合、溶液２５として安息香酸を
用い２００℃程度の温度でテーパ状光導波路が作製され
る。図１１で３６はヒータ、２７はビーカである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な構成では、入射テーパ光導波路の入射部２４を光導波
路に対して充分広げることが難しい。また入射部では幅
方向と深さ方向が広がっているが光導波路をテーパ状に
細くする部分で、光の導波する部分が急に狭くなってい
るので、ここに光が集中すると光導波路内の電界密度が
急激に増加し光損傷を起こす。テーパ部では幅、深さ共
に広がっているためマルチモード光導波路になっている
が、光損傷によって発生した屈折率変化によって、マル
チモードのそれぞれの導波モード間で結合が起こりシン
グルモードの光導波路とテーパ部とが結合する部分で結
合ロスが発生する。

【０００７】また、上記のような入射テーパ光導波路の
作製方法では、高温で熱処理するため蒸気により液に浸
されていない部分の温度が低下し再現性よく設計通りの
入射部が形成できないという問題もあった。

【０００８】本発明は、伝搬ロスの少なくかつ高い結合
効率をもち、かつ光損傷にも強い入射テーパ光導波路を
提供することを目的とする。また、上記の光導波路を用
いて波長変換素子を形成し、高い変換効率の波長変換素
子を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため、本発明では基板上に形成した深さｄ１の光導
波路と前記光導波路の端部に形成した基板水平方向にテ
ーパ状に広がった深さｄ２（ｄ２＞ｄ１）の入射部と、
前記光導波路と前記入射部の間に形成した深さがｄ２か
らｄ１にテーパ状に変化している深さテーパ部を備えた
入射テーパ光導波路とするものである。

【００１０】さらに、本発明は、非線形光学結晶基板上
に形成した深さｄ１のイオン交換光導波路と前記イオン
交換光導波路の端部に形成した基板水平方向にテーパ状
に広がった深さｄ２（ｄ２＞ｄ１）の入射部と、前記光
導波路と前記入射部の間に形成した深さがｄ２からｄ１
にテーパ状に変化している深さテーパ部を備えた波長変
換素子とするものである。

【００１１】さらに好ましくは入射導波路の幅をＷ２、
深さをｄ２としたときに導波光強度Ｐに対してＰ／（ｄ
２×Ｗ２）≦３００ＫＷ／ｃｍ２とするものである。

【００１２】

【作用】本発明は前述した構成により、基板上に形成し
た深さｄ１の光導波路と前記光導波路の端部に形成した
基板水平方向にテーパ状に広がった深さｄ２（ｄ２＞ｄ
１）の入射部と前記光導波路と前記入射部の間に形成し
た深さがｄ２からｄ１にテーパ状に変化している深さテ
ーパ部を備えた構成により、すなわち、入射部における
光損傷の発生を回避するため光導波路幅テーパ部におい
ては光導波路深さを深くし光導波路内の電界密度を下げ
、幅方向のテーパ部が終了し光導波路がシングルモード
になった後、光導波路を深さ方向にテーパ状に細くした
。これによって伝搬ロスの少なく、かつ高い結合効率を
もち、かつ光損傷に強い入射テーパ光導波路を構成する
ことができる。また、上記の光導波路を用いて波長変換
素子を形成することにより波長変換素子の結合効率を向
上し、高い変換効率の波長変換素子の作製が可能になる
。

【００１３】

【実施例】

（実施例１）図１は、第１の実施例における入射テーパ
光導波路の構成を示すものである。図１において１は屈
折率２．１の＋Ｚ板（Ｚ軸と垂直に切り出された基板の
＋側）のＬｉＮｂＯ３からなる基板、２は燐酸中でのプ
ロトン交換処理により形成された屈折率２．３深さ１．
５μｍの幅方向にテーパ状に広がった幅テーパ部、３は
燐酸中でのプロトン交換処理により形成された深さ０．
４μｍの光導波路、４は燐酸中でのプロトン交換処理に
より形成された深さ１．５μｍから０．４μｍにテーパ
状に深さが変化している深さテーパ部、５は光学研磨に
より端面に形成した入射部である。

【００１４】本実施例での構成のポイントは、ＬｉＮｂ
Ｏ３基板１上に、深さｄ２の入射部５と、深さｄ２の幅
テーパ入射部２と、深さｄ１の光導波路３を構成したな
かで特に、深さがｄ２で一定の幅テーパ入射部と、光導
波路３の幅テーパ入射部２との結合部分に深さがｄ２か
らｄ１へ変化する深さテーパ部４を設けたことである。

【００１５】ここで、幅テーパ入射部の深さをｄ２で一
定にすることと、光導波路３中に深さテーパ部４を設け
ることが重要である理由について図面を用いて説明する
。

【００１６】図２（Ａ）は深さ方向と幅方向が同時に変
化しているテーパ部２ａをもつ従来の光導波路で、（Ｂ
）は幅方向のテーパ部２と深さ方向のテーパ部４とに分
かれている本実施例の光導波路である。

【００１７】図２（Ａ）において、テーパ部２ａでのロ
スは光損傷による屈折率変化によって発生する。すなわ
ち、これはテーパ部２ａの光導波路幅が光導波路７ａに
対して広がっているためにマルチモード光導波路になっ
ており、光損傷によって発生した屈折率変化によって導
波している光のモードが基本モードから他のマルチモー
ドに移っていくことによる。ところが、導波部分７ａの
光導波路幅は基本モードのみ伝搬するシングルモード光
導波路であるために、テーパ部２ａで発生したマルチモ
ードとシングルモード光導波路との間でモード間のミス
マッチが発生し、ロスの原因となる。これを導波モード
を用いて説明する。

【００１８】図２（Ａ）の（ａ）は入射部５ａで励起さ
れた基本モードである。ところがテーパ部２ａになると
幅、深さともに減少するため、光のパワー密度が増加す
る。これによって、光損傷が発生すると屈折率分布が（
ｂ）に示すように変化し、導波モードが基本モードから
マルチモードに移行していく。

【００１９】さらに（ｃ）になるとマルチモードへの移
行が大きくなる。ところが光導波路部２ａにおいては（
ｄ）に示すように基本モードしか伝搬しないシングルモ
ード光導波路であるから（ｃ）（ｄ）間のモードのミス
マッチが発生し、この部分で大きな結合ロスが発生する
。

【００２０】この結合ロスを防止するにはテーパ部３ａ
におけるパワー密度の集中を低減させ、光損傷の防止を
行なう必要がある。そこで本発明では幅テーパと深さテ
ーパを分離し、深さテーパ部を光導波路に設定すること
により幅テーパ部の断面積を増加させ、幅テーパ部での
光のパワー密度を低減させた。これによって光損傷の防
止が可能になった。これを図２（Ｂ）を用いて説明する
。

【００２１】図２（Ｂ）の（ｅ）に示すように基本モー
ドで励起された導波モードは幅テーパ部２が幅方向にし
か狭くなっておらずの断面積が従来に比べて大きいため
、光のパワー密度の増加は少なく光損傷は発生しない。 そこで光は基本モードのまま（ｆ）（ｇ）へ伝搬してい
く。

【００２２】幅テーパが終わると光導波路は幅方向にシ
ングルモードであるから光損傷が発生してもマルチモー
ドは発生しない。そこで深さテーパ４を介して光導波路
７と結合すると、低ロスのテーパ光導波路が形成できる
。

【００２３】以上のように構成された第１の実施例の入
射テーパ光導波路について、以下その製造方法を説明す
る。これは本願の発明者によって開示し、公開になって
いる特開平２−２３６５０５に記載されている方法を利
用して製造した。図３をもちいて説明する。

【００２４】図３（ａ）で＋Ｚ板のＬｉＮｂＯ３基板３
１　　に入射部形成用のＴａ２Ｏ５保護マスク３２を電
子ビーム蒸着により３００Ａ形成した。次に保護マスク
３２上に通常のフォトリソグラフィにより厚み０．５μ
ｍのフォトレジストをパターン化したあと、ＣＦ４によ
りＴａ２Ｏ５保護マスク３２をエッチングした。次にフ
ォトレジストを除去した。次に第２の保護マスクとして
厚さ１ｍｍ、両端面を光学研磨してあるＬｉＮｂＯ３マ
スク基板３３をＴａ２Ｏ５マスク３２上に圧着し治具で
固定した。 （ｂ）ピロ燐酸中で２３０℃、２７０分間プロトン交換
を行い屈折率２．３、深さ１．５μｍの入射部３５を形
成する。このとき入射部３５の導波路の深さはピロリン
酸でのプロトン交換時間によってある決まった値（ここ
では１．５μｍ）になるがピロリン酸はマスク基板３３
で覆われた部分にも侵入していくため、マスク基板直下
に深さ方向にテーパ形状をもつ導波路が形成されている
ことになる。（ｃ）はマスク基板３３を除去した後、基
板３１を燐酸中で２３０℃の温度で５分間プロトン交換
を行い、屈折率２．３、深さ０．４μｍの高屈折率をも
つ導波路３６を形成する。このとき導波路３６の入射部
３５との結合部分は（ｂ）の工程である程度の深さ（１
．５μｍ以下）の導波路が形成されているので、プロト
ン交換で導波路を形成時に自然に深さ方向にテーパをも
ったものとなる。（ｄ）はＴａマスク３２を除去した後
、光導波路に垂直な面を光学研磨する。

【００２５】以上の方法を用いれば、光導波路の幅方向
テーパをもつ入射部をマスクにより作製することにより
設計が容易になり、また幅方向のテーパと深さ方向のテ
ーパを分離して作製するため、従来の部分プロトン交換
による作製方法に比べ作製許容度が増加し作製歩留りが
１０％から５０％に増加した。

【００２６】次に、作製した入射テーパ光導波路２に波
長０．８μｍの半導体レーザの光を励起して、光導波路
の伝搬ロスを測定した。測定方法は開口数０．３のコリ
メータレンズとλ／２板、及び開口数０．６の集光レン
ズからなる集光光学系により半導体レーザの光を集光し
、最小集光スポット径５Ｘ１μｍでテーパ光導波路に集
光した。 この光導波路上に蛍光体を塗布し光導波路表面からの散
乱光をストリークカメラで観測して、光導波路からの散
乱光の強度により光導波路の伝搬モード並びに光導波路
伝搬ロスを測定した。

【００２７】その結果、従来の入射テーパ光導波路では
導波する光の強度が１０ｍＷ以上では光損傷による入射
テーパ部の結合ロスが発生したが、今回作製した入射テ
ーパ光導波路部においては導波光強度３０ｍＷでも光損
傷による結合ロスは確認されなかった。

【００２８】次は入射テーパ光導波路の結合ロスを測定
した結果を図４に示す。図４は横軸が導波路伝搬成分方
向を示し、縦軸がロスを示す。（ａ）はテーパ光導波路
出有り、（ｂ）は直線光導波路である。

【００２９】直線光導波路は光源との結合ロスが２．３
ｄＢ、さらに導波ロスが０．９ｄＢ存在し、ロスの総和
は３．２ｄＢである。これに対してテーパ光導波路は結
合ロスは１．０ｄＢ、テーパ部のロスが０．３ｄＢ、導
波ロスが０．９ｄＢ存在するためロスの総和は２．２ｄ
Ｂとなる。

【００３０】この結果テーパ光導波路によって光導波路
のロスが３．２ｄＢから２．２ｄＢに１ｄＢ低減できる
ことがわかった。

【００３１】以上にように本実施例によれば、入射部の
設計及び作製が容易で、結合効率が高く、かつ光損傷に
強い入射テーパ光導波路を構成することができた。

【００３２】なお、本実施例では、基板として、ＬｉＮ
ｂＯ３を用いたが、他にＭｇＯをドーピングしたＬｉＮ
ｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＮｂＯ３、ＫＴＰなどの強誘
電体、ＳｉＯ２などの誘電体、ＭＮＡなどの有機物、ま
たはＺｎＳなどの化合物半導体など光導波路を形成でき
る基板であれば用いることができる。

【００３３】（実施例２）第２の実施例は第１の実施例
で説明した導波路を非線形光学結晶にもつ光波長変換素
子である。それを図５に示す。

【００３４】図５は、第２の実施例における波長変換素
子の構成を示すものである。第１の実施例で説明したも
のと同じものには同一番号を付してある。図５において
１は屈折率２．１の＋Ｚ板（Ｚ軸と垂直に切り出された
基板の＋側）のＬｉＮｂＯ３からなる基板、２は燐酸中
でのプロトン交換処理により形成された屈折率２．３深
さ１．５μｍの幅方向にテーパ状に広がった幅テーパ部
、７は燐酸中でのプロトン交換処理により形成された深
さ０．４μｍの光導波路、４は燐酸中でのプロトン交換
処理により形成された深さ１．５μｍから０．４μｍに
テーパ状に深さが変化している深さテーパ部、５は光学
研磨により端面に形成した入射部、９は半導体レーザ、
１０は半導体レーザ９の光を５の入射部に入射するため
の集光光学系である。

【００３５】以上のように構成された第２の実施例の波
長変換素子について、以下その動作を説明する。

【００３６】非線形光学結晶ＬｉＮｂＯ３基板１上にプ
ロトン交換で形成した入射部５、幅テーパ部２、深さテ
ーパ部４、光導波路７を有する波長変換素子を第１の実
施例で説明した方法で形成し、この入射部５に波長０．
８μｍ、発光面積５Ｘ１μｍの半導体レーザ９の光を入
射させた。 半導体レーザ９と光導波路７の結合効率を測定したとこ
ろ結合効率は５０％であった。これは従来のテーパ光導
波路と半導体レーザの集光光学系を通した結合効率３０
％に対し、１．６倍の値である。さらに、非線形光学効
果により波長０．４μｍの第２高調波Ｐ２がチェレンコ
フ放射によりプロトン交換導波路の斜め下方に発生し、
半導体レーザの出力４０ｍＷに対し０．２ｍＷの第２高
調波成分出力Ｐ２を得ることができた。これは従来の値
（半導体レーザ出力４０ｍＷに対する第２高調波成分０
．１ｍＷ）の２倍である。また６Ｘ２Ｘ２ｍｍのＬｉＮ
ｂＯ３基板と長さ２００μｍの半導体レーザ及び１０Ｘ
５Ｘ５の集光光学系を一体モジュール化することにより
、２０Ｘ６Ｘ６の小型の波長変換素子を形成することが
できた。以上のように本実施例によれば、小型で高出力
の波長変換素子を形成することができた。

【００３７】なお、本実施例では、非線形光学物質から
なる基板として、ＬｉＮｂＯ３を用いたが他にＭｇＯを
ドーピングしたＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３，ＫＮｂＯ
３，ＫＴＰなどの強誘電体、ＭＮＡなどの有機物、また
はＺｎＳなどの化合物半導体などの非線形光学定数の大
きな基板であれば用いることができる。

【００３８】（実施例３）図６は、第３の実施例におけ
る波長変換素子の構成を示すものである。入射部の深さ
をｄ２、幅をＷ２、入射光のパワ−をＰ１としてこれら
の関係について検討してみた。

【００３９】図６のように構成された第３の実施例の波
長変換素子について、作製した波長変換素子に半導体レ
ーザ９の光を入射して非線形光学効果であるＳＨＧ（　
ＳｅｃｏｍｄＨａｒｍｏｎｉｃ　Ｇｅｍｅｒａｔｉｏｎ
　）出力Ｐ２の時間変化を観測した。図７は入射光パワ
ーＰ１とＳＨＧ出力Ｐ２の時間変化を測定したグラフで
ある。導波光のパワーが１７ｍＷ以下の時は第２高調波
であるＳＨＧ出力Ｐ２の時間変化は見られないが２０ｍ
Ｗ以上になると５〜１０分後にＳＨＧ出力Ｐ２の変化が
現れているのがわかる。

【００４０】これは、ＬｉＮｂＯ３基板上に形成したプ
ロトン交換光導波路内で導波光による光損傷が発生し入
射部と導波部の間のテーパ状の結合部において結合ロス
が発生したためと考えられる。そこで導波光の状態をＣ
ＣＤカメラで観察したのが図８である。（ａ）は０分後
、（ｂ）は１０分後のＣＣＤカメラの受光面を示す。同
図中の斜線は導波光を表わしており、１０分後にテーパ
部でロスが増加し、導波光がテーパから先に導波してい
ないのがわかる。この結果より、光損傷による結合ロス
の発生によりＳＨＧ出力が変動したのが確認できた。

【００４１】つぎにテーパ部の形状と光損傷の関係を求
めた。

【００４２】

【表１】

【００４３】上の（表１）に示すようにテーパ部の光導
波路幅Ｗ２を４μｍにし導波部の幅Ｗ１、深さｄ１をそ
れぞれ２μｍ、０．４μｍとた。入射部の深さｄ２を０
．４、１、１．５μｍとし、それぞれの深さで光損傷の
発生する導波光強度（以下Ｐｔｈとする）を測定した。 光導波路深さとＰｔｈの関係を測定したのが図９である
。図９に同時に光導波路内の導波光強度の最大値を示し
てある。、光導波路内の導波光強度の最大値とＰｔｈが
反比例しており、光導波路サイズ（Ｗ２×ｄ２）の値が
増加するに従いＰｔｈが増加、導波光強度の最大値が減
少するのがわかる。図９よりＰｔｈ／（ｄ２×Ｗ２）の
値を求めると光導波路の深さに関係なく３００ＫＷ／ｃ
ｍ２となった。この結果より、入射部部のサイズ（Ｗ２
×ｄ２）をＰｔｈ／（Ｗ２×ｄ２）≦３００ＫＷ／ｃｍ
２となるよう設計すれば光損傷による出力変動を抑制し
、低ロスで安定かつ半導体レーザとの高効率結合による
高出力の波長変換素子が形成できることが確認できた。 以上のように本実施例によれば、入射部の形状を限定す
ることにより、安定で高出力の波長変換素子が形成でき
る。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように上記構成によって、
伝搬ロスの少なく、かつ高い結合効率をもち、かつ光損
傷にも強い入射テーパ光導波路を構成することができ、
その実用効果は大きい。

【００４５】また、本発明の波長変換素子はシングルモ
ード光導波路に半導体レーザの光を高い効率で結合させ
ることが可能になる。これによって光導波路を伝搬する
光のパワー密度を高めることが可能となり非線系光学効
果による波長変換効率を非常に高めることができた。

【００４６】さらに、入射部の深さｄ２と幅Ｗ２の関係
が導波光強度Ｐに対しＰ／（ｄ２×Ｗ２）≦３００ＫＷ
／ｃｍ２となるように設計した波長変換素子により、入
射部で発生する光損傷による結合ロスの増加を抑制する
ことが可能になり、安定で高出力の波長変換素子が形成
でき、その実用効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の入射テーパ光導波路の
構成斜視図

【図２】（Ａ）従来の入射テーパ光導波路の導波モード
と屈折率変化を示す図 （Ｂ）本発明の入射テーパ光導波路の導波モードと屈折
率変化を示す図

【図３】本発明の第１の実施例の入射テーパ光導波路の
製造工程断面図

【図４】入射テーパ光導波路の結合ロスを測定した結果
を示す図

【図５】本発明の第２の実施例の波長変換素子の構成斜
視図

【図６】本発明の第３の実施例の波長変換素子の構成斜
視図

【図７】本発明の波長変換素子におけるＳＨＧ出力の時
間変化を示す図

【図８】（ａ）本発明の波長変換素子の導波の状態を示
す図 （ｂ）本発明の波長変換素子の導波の状態を示す図

【図
９】本発明の波長変換素子の光導波路深さと耐光損傷の
関係を示す図

【図１０】従来の入射テーパ光導波路の基本構成斜視図

【図１１】従来の入射テーパ光導波路の製造方法の基本
構成図

【符号の説明】

１　　ＬｉＮｂＯ３基板 ２　　幅テーパ部 ３　　光導波路 ４　　深さテーパ部 ５　　入射部 ６　　入射光 ７　　プロトン交換光導波路 ９　　半導体レーザ １０　　集光光学系

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基板上に形成した深さｄ１の光導波路
   と、前記光導波路の端部に形成した基板水平方向にテー
   パ状に広がった深さｄ２（ｄ２＞ｄ１）の入射部と、前
   記光導波路には前記入射部との結合部分に形成した深さ
   がｄ２からｄ１にテーパ状に変化している深さテーパ部
   を備えたことを特徴とする入射テーパ光導波路。
2. 【請求項２】　　基板にＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ
   ３を用いたことを特徴とする請求項１記載の入射テーパ
   光導波路。
3. 【請求項３】　　入射光を基本モードのまま入射部から
   導波路に伝搬することを特徴とする請求項１記載の入射
   テーパ光導波路。
4. 【請求項４】　　非線形光学結晶基板と、前記基板上に
   形成した深さｄ１のプロトン交換光導波路と、前記プロ
   トン交換光導波路の端部に形成した基板水平方向にテー
   パ状に広がった深さｄ２（ｄ２＞ｄ１）の入射部と、前
   記光導波路には前記入射部との結合部分に形成した深さ
   がｄ２からｄ１にテーパ状に変化している深さテーパ部
   を備えたことを特徴とする波長変換素子。
5. 【請求項５】　　深さｄ１のプロトン交換光導波路と、
   前記プロトン交換光導波路の端部に形成した基板水平方
   向にテーパ状に広がった深さｄ２（ｄ２＞ｄ１）、幅Ｗ
   ２の入射部と、前記光導波路には前記入射部との結合部
   分に深さがｄ２からｄ１にテーパ状に変化している深さ
   テーパ部を備え、前記入射部の深さｄ２と幅Ｗ２の関係
   が導波光強度Ｐに対しＰ／（ｄ２×Ｗ２）≦３００ＫＷ
   ／ｃｍ２となることを特徴とする請求項４記載の波長変
   換素子。
6. 【請求項６】　　非線形光学結晶としてＬｉＮｂＯ３基
   板またはＬｉＴａＯ３を用いることを特徴とする請求項
   ４記載の波長変換素子。
7. 【請求項７】　　入射光を基本モードのまま入射部から
   導波路に伝搬させ、チェレンコフ放射によってＳＨＧ光
   を出射することを特徴とする請求項４記載の波長変換素
   子。