JP6774372B2 - Optical element - Google Patents
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Description
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光学素子に関する。 The present invention relates to an optical element using a nonlinear optical effect, and specifically to an optical element used in an optical communication system or an optical measurement system.
(非線形光学への期待と非線形光学の基本的効果)
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において期待されている。非線形光学効果の中でも基本的な効果として波長変換が知られている。波長変換では非線形光学媒質へ入射する光を別の周波数を有する光に変換することができる。この特性を利用し、レーザー単体では発振が困難な波長帯の光を生み出す技術として広く知られている。特に二次の非線形光学効果を示す材料であって大きな非線形定数を持つニオブ酸リチウム(LiNbO3)を用いた周期分極反転導波路は、その非線形光学効果の効率の高さから既に市販されている光源内に組み込まれている。
(Expectations for nonlinear optics and basic effects of nonlinear optics)
Optical application technology using nonlinear optical effects is expected in the new field of optical communication and the field of quantum information communication using light. Wavelength conversion is known as a basic effect among nonlinear optical effects. In wavelength conversion, light incident on a nonlinear optical medium can be converted into light having a different frequency. Utilizing this characteristic, it is widely known as a technology for producing light in a wavelength band that is difficult to oscillate with a single laser. In particular, a periodic polarization inversion waveguide using lithium niobate (LiNbO3), which is a material exhibiting a second-order nonlinear optical effect and has a large nonlinear constant, is a light source already on the market due to its high efficiency of the nonlinear optical effect. It is built in.
二次の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を発生させる。
1/λ3=1/λ1+1/λ2(式1)
(式1)を満たす波長変換を和周波発生(SFG)とよび、λ1=λ2の場合、すなわち(式1)を変形すると(式2)が得られる。
λ3=λ1/2(式2)
(式2)を満たす波長変換を第二高調波発生(SHG)と呼ぶ。さらに、
1/λ3=1/λ1―1/λ2 (式3)
(式3)を満たす波長変換を差周波発生(DFG)と呼ぶ。さらにはλ1のみ入力し(式3)を満たすλ2、λ3を発生する光パラメトリック効果も存在する。特にSHG、SFGは入力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発生し、可視光域の発生などに良く利用される。
In the second-order nonlinear optical effect, light having wavelengths λ1 and λ2 is input to generate a new wavelength λ3.
1 / λ3 = 1 / λ1 + 1 / λ2 (Equation 1)
Wavelength conversion that satisfies (Equation 1) is called sum frequency generation (SFG), and when λ1 = λ2, that is, by transforming (Equation 1), (Equation 2) is obtained.
λ3 = λ1 / 2 (Equation 2)
Wavelength conversion that satisfies (Equation 2) is called second harmonic generation (SHG). further,
1 / λ3 = 1 / λ1-1 / λ2 (Equation 3)
Wavelength conversion that satisfies (Equation 3) is called differential frequency generation (DFG). Furthermore, there is also an optical parametric effect that inputs only λ1 and generates λ2 and λ3 that satisfy (Equation 3). In particular, SHG and SFG newly generate short-wavelength light, that is, high-energy light with respect to input light, and are often used for generation of visible light region and the like.
これらの二次の非線形光学効果を効率良く起こすためには、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。そこで二次の非線形光学効果を示す材料の分極を光の導波方向において周期的に反転させることにより疑似的に位相不整合量を0にすることができる。その時の反転周期をΛとすると、式1で示される和周波発生において波長λ1、λ2、λ3に対して以下の(式4)を満たすΛを設定すれば良い。
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。
In order to efficiently cause these second-order nonlinear optical effects, it is required that the amount of phase mismatch of the interacting three wavelengths is zero. Therefore, the amount of phase mismatch can be made zero by periodically inverting the polarization of the material exhibiting the second-order nonlinear optical effect in the waveguide direction of light. Assuming that the inversion period at that time is Λ, Λ that satisfies the following (Equation 4) may be set for the wavelengths λ1, λ2, and λ3 in the sum frequency generation represented by the
n3 / λ3-n2 / λ2-n1 / λ1-1 / Λ = 0 (Equation 4)
Here, n1 is the refractive index at the wavelength λ1, n2 is the refractive index at the wavelength λ2, and n3 is the refractive index at the wavelength λ3.
このような周期分極反転構造に加え、導波路化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。従って、光を小さい断面積に閉じ込め、かつ長い距離にわたって光を導波させることが可能な導波路構造の採用により高効率な波長変換が可能になる。 In addition to such a periodic polarization inversion structure, high-efficiency wavelength conversion is possible by forming a waveguide. The effect of the non-linear optical effect increases as the overlapping density of light that causes the non-linear interaction increases. Therefore, highly efficient wavelength conversion becomes possible by adopting a waveguide structure capable of confining light in a small cross-sectional area and guiding light over a long distance.
(直接接合型リッジ導波路)
非線形光学結晶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、近年では波長変換素子として非特許文献1に記載されている様に、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持つリッジ型の光学が研究開発されている。このリッジ型光学は、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り形成される。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、非特許文献2に記載されている様に導波路化技術の進展と共に小コア化に成功しており、その非線形光学効果の効率は向上の一途をたどっている。
(Direct junction type ridge waveguide)
In order to realize a waveguide structure using a nonlinear optical crystal, a method using Ti diffusion or proton exchange was common. However, in recent years, as described in
(応用技術と要求)
強い光を入射することができるこの周期分極反転構造を持つ直接接合型の非線形光学結晶による導波路は、単なる波長変換素子としてだけでなく、低雑音な光増幅器や量子もつれ光子対の発生器として近年期待されている。これらの応用技術では複数の非線形光学導波路の特性を揃え、かつ入射する光の位相を厳密に制御することが重要となる。例えば、非特許文献3に記載されているように、片偏波でのみ動作する位相感応増幅器を現在の長距離通信に応用する場合、偏波多重された光を一旦分離し別々の非線形光学導波路で光を増幅した後、再度二つの光の位相を揃えて合波することが必要となる。この時、非線形光学導波路はまったく等しい光学特性を有することが理想となる。これは合波時の位相ずれや偏波間利得差に起因した伝送路におけるクロストークが最終的に信号劣化を引き起こしてしまうからである。
(Applied technology and requirements)
The waveguide by the direct junction type nonlinear optical crystal with this periodic polarization inversion structure that can inject strong light is not only as a wavelength conversion element but also as a low noise optical amplifier and a generator of quantum entangled photon pairs. It is expected in recent years. In these applied techniques, it is important to align the characteristics of a plurality of nonlinear optical waveguides and to strictly control the phase of incident light. For example, as described in
(集積化およびアレイ導波路への期待)
このような応用技術において、非線形光学導波路の特性を揃え、かつ入射する光の位相を厳密に制御することが可能な石英系平面光回路と非線形光学素子の集積化が期待される。
(Expectations for integration and array waveguides)
In such an applied technique, it is expected to integrate a quartz-based planar optical circuit and a nonlinear optical element capable of aligning the characteristics of a nonlinear optical waveguide and strictly controlling the phase of incident light.
近年半導体微細加工を利用した石英を用いた平面光回路はその加工精度の高さから厳密な光路長制御が可能であり、現在の光通信システムへ実用化されている。また、二次の非線形光学効果を利用した光信号処理に関しても、非特許文献4、非特許文献5に記載されているように二次の非線形光学効果を有する光学を平面展開した技術が報告されている。これらは、PPLN(Periodically Poled Lithium Niobate:周期分極リチウムナイオベート)導波路をアレイ展開(PPLNアレイ導波路)し、一つのデバイスの中で複数の並列した非線形光学操作を行うことで、光位相レベルの厳密な光信号処理を可能としている。
In recent years, a planar optical circuit using quartz using semiconductor microfabrication is capable of strict optical path length control due to its high processing accuracy, and has been put into practical use in current optical communication systems. Further, regarding optical signal processing using a second-order nonlinear optical effect, a technique of plane-developing optics having a second-order nonlinear optical effect has been reported as described in
したがって、加工精度の高い石英系平面光回路とPPLNアレイ導波路の集積化は、前述の位相感応増幅器の様な非線形光学応用技術に対して有効な手法となる。 Therefore, the integration of a quartz-based planar optical circuit with high processing accuracy and a PPLN array waveguide is an effective method for a nonlinear optical application technique such as the above-mentioned phase-sensitive amplifier.
(アレイ化導波路への要求)
ここでPPLNアレイ導波路を構成する各導波路の揃えるべき特性として位相整合波長が挙げられる。位相整合波長は非線形光学媒質が最も効率よくSHG光を放出する波長のことであり、非線形光学効果を決定する重要なパラメータである。位相整合波長は導波路の実効屈折率や分極反転周期により決定される。位相感応増幅器への応用を考えた場合、位相整合波長は素子全体で±0.5nm以内に抑える必要がある。
しかし、アレイ導波路で位相整合波長をこの値以内に揃えることは以下二つの理由により難しい。一つ目が導波路加工誤差に起因した位相整合波長のずれ、二つ目が導波路の発熱による位相整合波長のずれである。
(Requirements for arrayed waveguides)
Here, a phase matching wavelength can be mentioned as a characteristic to be aligned of each waveguide constituting the PPLN array waveguide. The phase matching wavelength is the wavelength at which the nonlinear optical medium emits SHG light most efficiently, and is an important parameter for determining the nonlinear optical effect. The phase matching wavelength is determined by the effective refractive index of the waveguide and the polarization inversion period. When considering the application to a phase-sensitive amplifier, it is necessary to keep the phase matching wavelength within ± 0.5 nm for the entire device.
However, it is difficult to align the phase matching wavelength within this value in the array waveguide for the following two reasons. The first is the shift of the phase matching wavelength due to the waveguide processing error, and the second is the shift of the phase matching wavelength due to the heat generation of the waveguide.
(1.導波路加工誤差に起因したずれ)
位相整合波長は導波路の実効屈折率に敏感なパラメータである。図1に、直接接合型PPLN導波路における導波路(コアともいう)幅と位相整合波長の関係を示す。ここではコアの厚みを5μm、反転周期を18.4μmとしている。図からおよそ0.1μmの幅の差が波長3nmのずれを引き起こしている。つまりこの場合、位相整合波長を±0.5nm以内に抑えるには導波路幅を20nmのずれ以内に抑える必要がある。PPLN導波路はフォトリソグラフィ技術によって作製され、その導波路幅の誤差は加工プロセスの均一性により決定される。加工プロセスの均一性を考慮した場合、アレイ導波路の導波路間隔を狭めることで、位相整合波長の誤差を小さくすることができる。しかし、単に導波路間隔を狭めるだけでは後述の導波路発熱による位相整合波長ずれの影響が大きくなってしまう。
(1. Deviation due to waveguide machining error)
The phase matching wavelength is a parameter sensitive to the effective refractive index of the waveguide. FIG. 1 shows the relationship between the width of the waveguide (also referred to as the core) and the phase matching wavelength in the direct junction type PPLN waveguide. Here, the thickness of the core is 5 μm and the inversion period is 18.4 μm. A width difference of about 0.1 μm from the figure causes a wavelength shift of 3 nm. That is, in this case, in order to suppress the phase matching wavelength within ± 0.5 nm, it is necessary to suppress the waveguide width within a deviation of 20 nm. The PPLN waveguide is made by photolithography technology, and the error of the waveguide width is determined by the uniformity of the processing process. When considering the uniformity of the processing process, the error of the phase matching wavelength can be reduced by narrowing the waveguide spacing of the array waveguide. However, simply narrowing the waveguide interval will increase the effect of the phase matching wavelength shift due to the heat generation of the waveguide, which will be described later.
(2.導波路発熱によるずれ)
位相感応増幅といった高い強度の光を導波路中に入射する必要がある場合、導波路の位相整合波長制御が一段と難しくなる。これは、強い光を利用する場合、導波路母材の光吸収により導波路が加熱され、屈折率変化が生じ、位相整合条件が満たされなくなってしまうからである。位相整合条件がずれることにより光入力パワーを大きくすると非線形光学効率が低下してしまう。また、その発熱は以下に示す要因から複雑なものとなり、素子内に温度分布を生じてしまう。
(2. Deviation due to heat generation of waveguide)
When it is necessary to inject high-intensity light such as phase-sensitive amplification into the waveguide, the phase-matched wavelength control of the waveguide becomes more difficult. This is because when strong light is used, the waveguide is heated by the light absorption of the waveguide base material, the refractive index changes, and the phase matching condition is not satisfied. If the optical input power is increased due to the deviation of the phase matching condition, the nonlinear optical efficiency is lowered. In addition, the heat generation becomes complicated due to the following factors, and a temperature distribution is generated in the device.
光の吸収には、入力した光の吸収と、変換された光の吸収との2パターンが存在する。入力光である基本波の光強度は、入力側が最大となり、導波路内を伝搬するにつれ波長変換が生じ、基本波の光強度は小さくなる。従って、基本波の吸収に起因した発熱は導波路の入射側で大きく、出射側で小さくなる。一方、波長変換光の強度は導波路を伝播するにつれて大きくなる。非特許文献1に記載されている通り、変換光が短波長の場合、変換光の吸収係数が基本波光よりも大きくなることが一般的に知られており、変換光に起因した導波路の加熱は出力側がより高い熱分布となってしまう。さらに、基本波光による熱分布の影響も加わるため、導波路内の熱分布は非常に複雑になる。
There are two patterns of light absorption: absorption of input light and absorption of converted light. The light intensity of the fundamental wave, which is the input light, is maximum on the input side, wavelength conversion occurs as it propagates in the waveguide, and the light intensity of the fundamental wave becomes smaller. Therefore, the heat generated by the absorption of the fundamental wave is large on the incident side of the waveguide and small on the outgoing side. On the other hand, the intensity of the wavelength conversion light increases as it propagates through the waveguide. As described in
アレイ導波路の場合は、利用する導波路間の距離が短いことから、導波路で発生した熱が隣の導波路へ熱干渉してしまうことが問題となる。熱干渉による温度上昇に起因した屈折率変化自体が、前述のように光吸収に起因した発熱にも影響を及ぼすし、場合によっては温度が振動し一定にならず、光学特性が安定しなくなることもある。 In the case of an arrayed waveguide, since the distance between the used waveguides is short, there is a problem that the heat generated in the waveguide thermally interferes with the adjacent waveguide. The change in the refractive index itself due to the temperature rise due to thermal interference also affects the heat generation due to light absorption as described above, and in some cases the temperature vibrates and becomes unstable, and the optical characteristics become unstable. There is also.
素子全体の温度上昇を抑制するために、従来のPPLN素子では図2に示す構成がよく用いられる。図2に示す従来のPPLN素子では、基板1の上に導波路2が直接接合され、基板1の導波路2とは反対の面に金属板3と熱制御素子4とが形成された構成を有している。これは、素子を支える金属キャリアの下に熱制御素子としてのペルチェ素子を配置することで素子全体の温度上昇を抑制可能であるが、前述の導波路方向の熱分布を抑制する効果は小さい。
In order to suppress the temperature rise of the entire element, the configuration shown in FIG. 2 is often used in the conventional PPLN element. In the conventional PPLN element shown in FIG. 2, the
また、この導波路方向に生じる熱分布を抑制する簡易的な方法として図3に示すような構造が提案されてきた(特許文献1)。特許文献1の素子は、基板1上に設けられた導波路2の周囲を導電性樹脂5で覆って、さらに金属板3と熱制御素子4とを設けた構成である。この方法は導波路2で生じた熱を効率よく金属板3に放熱することで素子全体の温度勾配を低減し、かつ素子全体の温度を一定にすることが可能であり、単一導波路の熱分布抑制の観点からは大きな効果を発揮する。しかし、アレイ導波路にはこの方法は適用できない。
Further, a structure as shown in FIG. 3 has been proposed as a simple method for suppressing the heat distribution generated in the waveguide direction (Patent Document 1). The element of
位相感応増幅器といった高パワーの光を利用する非線形光学応用技術に非線形光学結晶アレイ導波路を適用するには、位相整合波長の揃ったアレイ導波路を実現する必要がある。これには加工精度の観点からアレイ導波路間隔を狭めること、および各導波路における複雑な熱分布を抑制し、かつ隣接導波路への熱干渉を抑制することの実現が課題となる。ここで、アレイ導波路の各導波路の位相整合波長を制御するには特許文献2に記載されているような、個別導波路の上にヒータを設置する手法が提案されている。この場合個別導波路の各々の導波路に対して個別に熱を加えることが可能であるが、熱を逃がすことはできず熱制御性は不十分である。また、当手法では熱干渉は抑制できない。他にも、図2に示す従来の素子構造の導波路それぞれ上にヒータを形成する手法があるが、ヒータと熱制御素子との間の距離に比べて隣接する導波路上に設けられたヒータ間の距離の方が短いため、隣接導波路からの熱干渉の影響を抑制することはできない。
In order to apply a nonlinear optical crystal array waveguide to a nonlinear optical application technology that utilizes high-power light such as a phase-sensitive amplifier, it is necessary to realize an array waveguide having a uniform phase matching wavelength. From the viewpoint of machining accuracy, it is necessary to narrow the array waveguide spacing, suppress the complicated heat distribution in each waveguide, and suppress the thermal interference with the adjacent waveguide. Here, in order to control the phase matching wavelength of each waveguide of the array waveguide, a method of installing a heater on the individual waveguide as described in
本発明は上記従来の問題に鑑みなされたものであり、本発明の課題は、非線形光学材料を用いた光学の熱制御性の向上によって、位相整合条件をより正確に制御可能なアレイ導波路構造を有する光学素子を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is an array waveguide structure capable of more accurately controlling the phase matching condition by improving the thermal controllability of optics using a nonlinear optical material. Is to provide an optical element having.
上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、低熱伝導性材料を用いて構成された基板と、光の導波方向において周期的な分極反転構造を有する二次非線形光学媒質で構成され、前記基板上に配置された複数の導波路と、高熱伝導性材料を用いて構成され、前記複数の導波路の長手方向に沿って前記複数の導波路の各導波路をそれぞれ別々に取り囲むように形成された導波路包囲構造とを備え、前記導波路包囲構造は、前記導波路と同じ材料で構成される放熱リッド保持部と前記高熱伝導性材料により構成される放熱リッド部とを有し、前記導波路から前記放熱リッド保持部までの距離を前記基板厚よりも短い距離にするように構成され、前記導波路と前記導波路包囲構造とは互いに接触しないように形成されていることを特徴とする光学素子である。 In order to solve the above problems, the invention described in one embodiment is a second-order nonlinear optics having a substrate constructed of a low thermal conductive material and a periodic polarization inversion structure in the waveguide direction of light. A plurality of waveguides composed of a medium and arranged on the substrate, and each waveguide of the plurality of waveguides along the longitudinal direction of the plurality of waveguides, each of which is composed of a plurality of waveguides and a high thermal conductive material. A waveguide surrounding structure formed so as to surround the waveguide is provided, and the waveguide surrounding structure includes a heat radiating lid holding portion made of the same material as the waveguide and a heat radiating lid portion made of the high thermal conductive material. The waveguide is formed so that the distance from the waveguide to the heat radiation lid holding portion is shorter than the thickness of the substrate, and the waveguide and the waveguide surrounding structure are formed so as not to come into contact with each other. It is an optical element characterized by being
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
図4は本実施形態の光学素子の構成例を示す図である。本実施形態の光学素子は、図4に示すように、基板1と、この基板1上に配置された複数の導波路2と、複数の導波路2の長手方向に沿って複数の導波路2をそれぞれ別々に取り囲むように形成された導波路包囲構造6とを備えた波長変換素子として構成される。導波路2は光の導波方向において周期的な分極反転構造を有する二次非線形光学媒質で形成されており、基板1は低熱伝導性材料を用いて構成され、導波路包囲構造6は高熱伝導性材料を用いて構成されている。導波路2と導波路包囲構造6とは互いに接触しないように形成されている。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the optical element of the present embodiment. As shown in FIG. 4, the optical element of the present embodiment includes a
また光学素子は、図4に示すように、導波路2の一部にヒータ72が設けられていてもよく、導波路包囲構造6の一部には熱制御素子4を設けてもよい。また、本実施形態の光学素子における導波路2は、リッジ型またはリブ型の導波路に形成される。リッジ型の導波路は基板の上に細長く設けられた導波路であり、リブ型の導波路はリッジ型の上部構造とこの上部構造よりも幅広の下部構造とが長手方向に亘って延びた構成を有する導波路である。従って、導波路2における光の導波方向は導波路2の長手方向となる。
Further, as shown in FIG. 4, the optical element may be provided with a
複数の導波路2をそれぞれ別々に取り囲む導波路包囲構造6は、導波路2とは接触しないように形成されているので、個々の導波路2の周囲には断熱層となる空気の層が形成される。したがって、導波路2で発生した熱は基板1に伝導する。基板1は低熱伝導性材料を用いて構成されている一方で、導波路包囲構造6は高熱伝導性材料を用いて構成されているので、基板1に伝導した熱は隣接する導波路2よりも手前に存在する導波路包囲構造6に優先的に熱伝導することとなり、隣接する導波路2に対する熱干渉が抑制される。さらに導波路包囲構造6に伝導した熱は導波路2に対して基板1とは反対側に位置する導波路包囲構造6から放熱されるため、導波路2に熱がこもらず、導波路2の熱分布が抑制されることにより、導波路2の温度制御性がよくなる。
Since the
また、導波路2と導波路包囲構造6との間に断熱層として存在する空気の層により、基板1を介して導波路2から導波路包囲構造6に伝導した熱が、隣接する導波路2に対して断熱される。
Further, heat conducted from the
導波路2を構成する二次非線形光学媒質は、二次の非線形光学効果に使用する波長に対して吸収損失の少ない誘電体であり、例えばLiNbO3を用いることができ、このLiNbO3にはMg、Zn、Sc、およびInのうちの少なくとも一種が添加物として含有することができる。
The second-order nonlinear optical medium constituting the
導波路包囲構造6は、導波路2の両脇において基板1から基板1の反対方向へと延びる放熱リッド保持部61と、少なくとも2つの放熱リッド保持部61に支持され、導波路2に対して基板1とは反対側で導波路2を覆う放熱リッド部62とから構成されている。放熱リッド保持部61と放熱リッド部62とは同じ材料で構成されていてもよいし、異なる材料でもよい。放熱リッド部62および放熱リッド保持部61は、いずれも金属や熱伝導性樹脂などの熱伝導性の高い材料で構成することができる。金属としては、導波路2を構成する二次非線形光学媒質と近い熱膨張係数を有する金属を用いることができ、例えばCuを用いることができる。このCuにTeを添加物として含有させてもよい。熱伝導性樹脂は、接着剤などを用いることができる。
The
また、放熱リッド保持部61の作製方法によっては、放熱リッド保持部61は上記の材料に限らず、導波路2と同じ材料を用いて構成することができる。例えば、導波路2を構成する層と基板1とを直接接合し、導波路2を構成する層をエッチングすることにより基板1上に導波路部分と放熱リッド保持部61を形成する場合は、放熱リッド保持部61は二次非線形光学媒質で構成される導波路2と同じ材料で構成されることとなり、放熱リッド保持部61は放熱リッド部62とは異なる材料となる。
Further, depending on the method of manufacturing the heat radiating
リッド保持構造61を上記のようにエッチングにより形成した場合は、表面をダイシングなどでその上面を平坦面とした後に、平坦面に放熱リッドを貼り合せることができるので作製が容易である。
When the
導波路2にヒータ72を作製する場合は、導波路上面に、導波路2を構成する二次非線形光学媒質よりも屈折率の低い誘電体膜71を積層し、その上にヒータ72となる金属電極を積層した構造が望ましい。導波路2に伝搬する光を閉じ込めて金属による光の吸収を回避することができるからである。積層される誘電体膜71としては、例えばSiO2を用いることができる。
When the
ヒータ72は導波路2の長手方向に分割されていてもよく、分割数を多くすることでより詳細な熱分布制御が可能となる。
The
導波路2から放熱リッド部62までの距離は、ヒータ72を含む導波路2の上面と放熱リッド部62との間に空気層が形成されれば、基板厚みよりも短い距離でよい。
The distance from the
放熱リッド部62の基板1とは反対側の面には、ペルチェ素子やヒータから構成される熱制御素子4が設置された構成が望ましい。これは放熱リッド部62自体の温度が変化してしまうのを防ぐことで各導波路2の熱制御性が向上するからである。熱制御素子4としてヒータを用いることにより、導波路包囲構造6の外部の温度が低すぎる場合などに、環境温度の影響を抑える。
It is desirable that the
また、導波路2の周囲に形成される空気の層によって、ヒータ72で発生する熱が効率よく導波路に伝わることとなるので、同じ温度に導波路2を制御する際にヒータ72を駆動するための電力が小電力ですむため、位相整合条件の制御が可能となる。ヒータ72から生じた熱や、非線形光学媒質の光吸収によって生じた熱は、放熱リッド保持構造を介して、導波路構造上面側に覆いかぶした放熱リッドから放熱される。これにより、図4のようなアレイ構造であっても隣接導波路への熱流入を抑制することが可能である。また、空気層は導波路構造に伝搬する光を閉じ込めて包囲部を構成する金属による光の吸収を回避する効果も担う。
Further, since the heat generated by the
以上の実施形態では、光学素子として波長変換素子を例に挙げて説明したが、導波路2の上にヒータ72を設ける構成に代えて、導波路2毎に光制御を行うための電極を形成してもよい。その一例としては、非特許文献5のように導波路2に電界を印可し、ポッケルス効果に起因した屈折率変化を利用する位相変調器を構成することができる。
In the above embodiment, the wavelength conversion element has been described as an example of the optical element, but instead of the configuration in which the
図5は実施例1に係る波長変換素子の断面構造を示す図である。この実施例の波長変換素子は、図5に示すように、タンタル酸リチウムからなる基板1の上に、リッジ型の構造を有する導波路2としての周期分極反転構造が施されたニオブ酸リチウムが直接接合され、導波路2の上部には誘電体膜71であるSiO2と、ヒータ72となるAu72が形成されている。この実施例では、ヒータとしてAuに加えてTi73を用いている。この導波2路を有する基板1上には導波路包囲構造6として、導波路2の両脇に導波路2と同じ高さのニオブ酸リチウムが放熱リッド保持部61となるように基板1に接合され、導電性材料としての金属で構成された放熱リッドが放熱リッド保持部61に支持された構成を有している。放熱リッドは溝を有する金属板を用いている。放熱リッドの溝でない部分が放熱リッド保持部61と接合されている。さらに、放熱リッド部62の基板1側とは反対面(上面)には熱制御素子4としてペルチェ素子が設けられている。
FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional structure of the wavelength conversion element according to the first embodiment. As shown in FIG. 5, the wavelength conversion element of this embodiment is composed of lithium niobate having a periodic polarization inversion structure as a
図5に示す波長変換素子の作製方法について説明する。まず、厚さ500μmのタンタル酸リチウムからなる基板1を用意する。この基板1に平板状のニオブ酸リチウムを接合した後、研削と研磨により5μmまで平板状のニオブ酸リチウムを薄膜化し、ニオブ酸リチウムの導波路2となる部分にオーバークラッド層となるSiO2をスパッタリングにより1μm以上堆積させた後、ドライエッチングによりパターニングして導波路2を形成する。
A method of manufacturing the wavelength conversion element shown in FIG. 5 will be described. First, a
オーバークラッド層の材質はSiO2以外にも五酸化タンタルなど、780nm帯及び1550nm帯の双方に対して透明な物質であればよい。オーバークラッド層は金属による光電界の吸収を抑制する為に形成される。導波路2は互いに平行に設けられており、導波路間隔は100μmとされる。導波路中心から放熱リッド保持部61までの間隔は30μmである。隣接する導波路2との間隔よりも放熱リッド保持部61までの距離が短いことから、熱干渉の抑制に効果がある。ここで、従来構造以上の熱分布抑制効果を実現する為には、導波路2から放熱リッド保持部61までの距離を基板厚よりも短い距離にすることが望ましい。
The material of the overclad layer may be a substance that is transparent to both the 780 nm band and the 1550 nm band, such as tantalum pentoxide, in addition to SiO 2 . The overclad layer is formed to suppress the absorption of the photoelectric field by the metal. The
導波路2上のヒータ72は、ドライエッチングによる導波路形成後に作製される。導波路形成後にTi73・Au72の順番で金属が蒸着され、その後レジストの塗布・現像により電極のパターニングが行われ、最終的に不要な金属部分をウェットエッチングにより溶かすことでヒータ72が形成される。Ti73をAu72の前に蒸着するのは、密着性を良くするためであるが、金属膜が一層以上形成されていればこの構成に限らない。金属の蒸着には電子ビーム蒸着器を用いた。
The
放熱リッド部62を構成する金属はニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムと近い熱膨張係数を有するCuまたはTe添加されたCuが用いることができるが、本実施例ではウェットエッチングにより微細加工を施して溝を形成したCuを導波路2の上から覆い被せて、溝でない部分を放熱リッド保持部61と接着させた。放熱リッド部62は構造上デバイスの表面に導波路2が形成される導波路2を保護する役割を有し、外気やゴミの付着等の外乱要因の影響を抑制する効果もある。
As the metal constituting the heat radiating
放熱リッド部62として用いられる金属の溝の深さはオーバークラッドとヒータ72の厚さ+1.0μm以上となるようにしている。これはヒータ72と金属からなる放熱リッドの絶縁をとるためである。放熱リッド部62と放熱リッド保持部61との接着には熱伝導性の高い導電性樹脂を用いた。なお、CuまたはTe添加されたCuの板の微細加工はダイシングやドライエッチングによるものでも良い。二次非線形光学媒質により形成された放熱リッド保持部61と基板1とが可視域に対して透明であるので、光学顕微鏡を用いて基板背面からの観測により金属キャリアとの接続の位置合わせが可能である。放熱リッド部62の基板1とは反対側の面にはペルチェ素子を熱制御素子4として張り合わせている。
The depth of the metal groove used as the heat radiating
波長変換素子の分極反転周期は1560nmの光を高効率に780nmの光へと変換するピッチ周期に設定されている。また素子長は4cmとした。波長変換といった非線形光学効果は光波相互作用長の二乗に比例するので、素子長は長い方が高効率となる。 The polarization reversal period of the wavelength conversion element is set to a pitch period that converts light of 1560 nm into light of 780 nm with high efficiency. The element length was 4 cm. Since the nonlinear optical effect such as wavelength conversion is proportional to the square of the light wave interaction length, the longer the element length, the higher the efficiency.
導波路2の温度がヒータ72により+1.0℃温度上昇したときの、100μm離れた隣接する導波路の熱干渉による温度上昇を調べた。
When the temperature of the
図2に示す従来構造の波長変換素子では高排熱性を有するCuがタンタル酸リチウムからなる基板1の下面に接着されており、500μmの基板1を介して導波路の熱が放熱される。導波路が+1.0℃温度上昇した際に隣接する導波路2の温度上昇を調べたところ、従来構造の波長変換素子では+0.45℃以上に上昇するのに対し、本実施例の波長変換素子では+0.1℃以下の温度上昇となった。従って、本施策の効果により隣接導波路への熱干渉の低減に成功しているといえる。
In the wavelength conversion element having the conventional structure shown in FIG. 2, Cu having high heat dissipation is adhered to the lower surface of the
図6は、実施例2に係る波長変換素子の断面構造を示す図である。本実施例の波長変換素子は実施例1と同様の媒質からなる4本の導波路2を有するアレイ導波路である。導波路間隔は100μmであり、放熱リッド保持構造の幅は70μmとした。この実施例では、実施例1と異なり、導波路包囲構造6の放熱リッド部62と放熱リッド保持部61とが一体に形成したものを用いることができる。導波路包囲構造6は熱伝導性材料である金属を用いて構成されている。
FIG. 6 is a diagram showing a cross-sectional structure of the wavelength conversion element according to the second embodiment. The wavelength conversion element of this embodiment is an array waveguide having four
図6に示す波長変換素子において、タンタル酸リチウムからなる基板1は厚さ500μmである。導波路2としてのニオブ酸リチウムはタンタル酸リチウム基板に接合された後、研削と研磨により5μmまで薄膜化され、ドライエッチングによりパターニングされた導波路構造になっている。
In the wavelength conversion element shown in FIG. 6, the
導波路包囲構造6を構成する熱伝導性材料としての金属は、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムと近い熱膨張係数を有するCuまたはTe添加されたCuが用いられる。これはニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムといった強誘電体結晶が一般的な導波路媒体として知られるSiO2に比べて歪に対する耐性が小さく割れやすい特性を有することから、熱伝導材料の熱膨張係数がアレイ導波路と大きく異なると温度制御の際の膨張率の差から導波路2が破壊されてしまうからである。放熱リッドの基板1側とは反対面(上面)にはペルチェ素子を熱制御素子4として貼り合わせている。
As the metal as the heat conductive material constituting the
本実施例では導波路包囲構造6としてウェットエッチングにより微細な溝加工を施したCuを導波路の上から覆い被せた。溝の深さは基板1からの導波路2の高さ(リッジ高さ)+1.0μm以上となるようにしている。これは導波路2内を通る光のエバネッセント成分が金属からなる導波路包囲構造6に捕捉されるのを防ぐ為である。導波路包囲構造6と基板1との接着は熱伝導性の高い導電性樹脂により実施した。なお、CuまたはTe添加されたCuの板の微細加工はダイシングやドライエッチングによるものでも良い。波長変換素子の分極反転周期は1560nmの光を高効率に780nmの光へと変換するピッチ周期に設定されている。また素子長は4cmとした。
In this embodiment, as the
図7は実施例3に係る光学素子の断面構造を示す図である。本実施例の位相変調器は、実施例1の波長変換素子において、ニオブ酸リチウムを用いて構成されていた導波路2と放熱リッド保持部61とをMgOがドープされたニオブ酸リチウムにより構成している。本実施例の光学素子は、2本の導波路2を有するアレイ導波路である。導波路間隔は100μmであり、放熱リッド保持部61の幅は30μmとした。
FIG. 7 is a diagram showing a cross-sectional structure of the optical element according to the third embodiment. In the phase modulator of this embodiment, in the wavelength conversion element of Example 1, the
また、導波路2の上には実施例1と同様にSiO2とTi73とAu72とが積層された電極が形成されており、導波路2と導波路2の両脇の放熱リッド保持部61との間に、Ti73とAu72を積層した電極が形成されている。本実施例の光学素子は、これらの電極により、導波路2に電気光学効果を発現させて高い光パワーにおいても動作する位相変調器として動作することができる。
Further, an electrode in which SiO 2 ,
ニオブ酸リチウムからなる基板1は厚さ500μmである。導波路としてのMgOをドーピングされたニオブ酸リチウムが基板1に接合された後、研削と研磨により5μmまで薄膜化され、ドライエッチングによりパターニングされることにより導波路2が形成された構造になっている。
The
導波路2に電界をかけるための電極を、ドライエッチングによる導波路形成後に導波路2上と導波路2脇に電極が作製される。導波路形成後にTi73・Au72の順番で金属が蒸着され、その後レジスト塗布・現像により電極のパターニングが行われ、最終的に不要な金属部分をウェットエッチングにより溶かすことでヒータ72が形成される。Ti73をAu72の前に蒸着するのは、Au72と基板1またはSiO2との密着性を良くするために導入しているが、金属膜(Au)が一層以上形成されていればこの構成に限らない。金属の蒸着には電子ビーム蒸着器を用いた。
Electrodes for applying an electric field to the
さらに、放熱リッドの基板1側とは反対面(上面)にはペルチェ素子を熱制御素子4として貼り合わせている。
Further, a Peltier element is attached as a
放熱リッド部62を構成する熱伝導性材料としての金属はニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムと近い熱膨張係数を有するCuまたはTe添加されたCuが用いられる。本実施例では実施例1と同様に、ウェットエッチングにより微細加工を施したCuを導波路2の上から覆い被せて、溝でない部分を放熱リッド保持部61と接着させた。
As the metal as the heat conductive material constituting the heat radiating
本実施例の光学素子は、導波路に電気光学効果を発現させて高い光パワーにおいても動作する位相変調器として動作することができる。 The optical element of this embodiment can operate as a phase modulator that exhibits an electro-optical effect on the waveguide and operates even at a high optical power.
1 基板
2 導波路
3 金属板
4 熱制御素子
5 導電性樹脂
6 導波路包囲構造
61 放熱リッド保持部
62 放熱リッド部
71 誘電体膜
72 ヒータ(Au)
73 Ti
1
73 Ti
Claims (5)
光の導波方向において周期的な分極反転構造を有する二次非線形光学媒質で構成され、
前記基板上に配置された複数の導波路と、
高熱伝導性材料を用いて構成され、前記複数の導波路の長手方向に沿って前記複数の導波路の各導波路をそれぞれ別々に取り囲むように形成された導波路包囲構造とを備え、
前記導波路包囲構造は、前記導波路と同じ材料で構成される放熱リッド保持部と前記高熱伝導性材料により構成される放熱リッド部とを有し、前記導波路から前記放熱リッド保持部までの距離を前記基板厚よりも短い距離にするように構成され、前記導波路と前記導波路包囲構造とは互いに接触しないように形成されていることを特徴とする光学素子。 A substrate constructed using a low thermal conductivity material,
It is composed of a second-order nonlinear optical medium having a periodic polarization inversion structure in the waveguide direction of light.
A plurality of waveguides arranged on the substrate and
It is provided with a waveguide surrounding structure which is constructed by using a high thermal conductive material and is formed so as to separately surround each of the waveguides of the plurality of waveguides along the longitudinal direction of the plurality of waveguides.
The waveguide surrounding structure has a heat radiating lid holding portion made of the same material as the waveguide and a heat radiating lid portion made of the high thermal conductive material, from the waveguide to the heat radiating lid holding portion. An optical element characterized in that the distance is set to be shorter than the substrate thickness, and the waveguide and the waveguide surrounding structure are formed so as not to come into contact with each other.
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