周期分極反転光導波路
【課題】導波路内の光の伝播の方向に対して傾斜している分極反転光学領域を有する、非線形光学結晶材料を備える周期分極反転光導波路が提供される。
【解決手段】傾斜している分極反転光学領域から反射された光は、光導波路の中へ戻って効率的に結合することがなく、このことにより、導波路に結合された半導体レーザ光源への背面反射の低減が助長される。背面反射が低減すると、半導体レーザ光源の安定稼働が助長される。傾斜している分極反転領域を有する周期分極反転光導波路を製造する方法も提供される。
【解決手段】傾斜している分極反転光学領域から反射された光は、光導波路の中へ戻って効率的に結合することがなく、このことにより、導波路に結合された半導体レーザ光源への背面反射の低減が助長される。背面反射が低減すると、半導体レーザ光源の安定稼働が助長される。傾斜している分極反転領域を有する周期分極反転光導波路を製造する方法も提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路に関し、具体的には非線形の光周波数変換用の周期分極反転（periodically poled）光導波路に関する。
【背景技術】
【０００２】
光周波数変換の非線形の光学的現象は、近赤外線波長範囲で動作する、廉価で、効率的、かつ高信頼のレーザ・ダイオードに基づく、準単色で可視光源およびＵＶ光源をもたらすのに用いることができる。これらの可視／ＵＶ光源では、レーザ・ダイオードによって発せられた光が、レーザ・ダイオードの赤外線放射を可視光またはＵＶ光に変換する非線形光学素子を通って導かれる。
【０００３】
非線形光学結晶の中に形成される周期分極反転導波路は、非線形光学素子として周波数変換に漸増的に使用されている。図１を参照すると、非線形光学結晶１１の中に、コア１５を有する導波路１０が形成される。非線形光学結晶１１の周期的に配置されたエリアすなわち領域１２は、「分極反転されている」、すなわち、これらのエリアの結晶構造の方向が反転されている。結晶構造の方向は、例えば領域１２に局所的な強い電界を与えることにより反転され得る。分極反転周期は、基本周波数と称されるレーザ周波数の光と信号周波数または出力周波数と称される変換された周波数の光の、位相整合を助長するように選択される。
【０００４】
基本周波数の光および変換された周波数の光は、高度な集中を保ったまま導波路の長い距離を移動することができる。その結果、周期分極反転導波路は、適度な、例えば約２００ｍＷの光パワーの持続波（ｃｗ）の赤外光に対してさえ、適切な（５０％以上の）変換をもたらすのに十分高い変換効率を有することができる。さらに、以前に使用された非線形バルク光学結晶の重大な不利益であった光学的不整合に対する感度が、周期分極反転結晶導波路ではかなり低下する。
【０００５】
しかし、元来、周期分極反転導波路の優れた光誘導特性に関連して、重大な難点がある。周期的反転分極が、いくつかの波長でレーザ光源の方へ戻る光を反射する光学的導波路の回折格子を形成して、誘導反射波を形成し、これがレーザ光源を不安定にする。例えば、図２を参照すると、図１の分極反転導波路１０の代表的反射スペクトルは、約９７７ｎｍ、９８５ｎｍ、および９８９ｎｍにおけるピークを含んでいる。
【０００６】
理論上、導波路１０の屈折率は、反転分極によって変化しないはずである。しかし、分極反転領域１２の境界１４における不可避の結晶不良および結晶転移により、何らかの屈折率変化がもたらされる。さらに、図１の導波路１０のラインＡ−Ａに沿って得られた側断面図である図３に示されるように、周期的反転分極によって導波路１０の上部表面にしわが寄ることがある。反転分極でもたらされるしわの高さは、３〜４マイクロメートルの導波路深さで１０ナノメートルに達することがある。導波路１０の長さにわたって、屈折率変化、しわ、および他の周期的動揺が、数十パーセントに達する背面反射をもたらすことがあり、これは、反射感応性のレーザ・ダイオードを不安定化するのに十二分なものである。
【０００７】
周期分極反転導波路からレーザへの背面反射の問題は既知である。Ｇｏｌｌｉｅｒの米国特許第７，４９２，５０７号に、背面反射が低減された波長変換デバイスが開示されている。図４を参照すると、周波数２倍化光源４０は、レーザ・ダイオード４１、光カプラ４２、および分極反転導波路４３を含んでいる。結晶軸の方向は導波路４３内の矢印で示されている。作動中、レーザ・ダイオード４１が光４４を発し、この光は、光カプラ４２によって導波路４３上に合焦される。導波路４３は、２次高調波発生（ＳＨＧ）として知られている非線形光学効果によってレーザ光４４の光周波数を２倍にし、周波数が２倍になった放射が、４５で示されるように、周期分極反転導波路４３を出る。導波路４３は、幅がランダムに変化する領域を備える分極反転した導波路である。この領域の幅は、理想的な分極反転周期λIプラスまたはマイナス混乱値（disruption value）によって定義される。導波路４３は、「通常の」領域４６、「広い」領域４７、および「狭い」領域４８を含む。「広い」領域４７および「狭い」領域４８により、反射光のコヒーレンスが低下し、したがって背面反射光の光パワーが低下する。
【０００８】
Ｇｏｌｌｉｅｒらの米国特許第７，４１４，７７８号に、領域の周期が、反射光の波長をレーザ波長から引き離すように変わり、したがって背面反射光の光パワーが低下する類似の波長変換デバイスが開示されている。
【０００９】
Ｌａｎｇらの米国特許第７，１７７，３４０号には、周期分極反転結晶からレーザへ戻る光の反射を抑制するように、周期分極反転導波路の前に光アイソレータが挿入されている、可調整レーザ源が説明されている。
【００１０】
分極反転導波路において背面反射された光の量を低減するための従来技術の手法は、かなりの挿入損失を有する分離した光アイソレータ、または光学的変換効率がかなり低下する分極反転周期の変更のどちらかが必要とされる。さらなる光学的損失の導入または光学的変換効率の低下は、出力される光パワーの低下および／または従来技術の光源のウォール・プラグ（wall plug）効率の低下をもたらすので、望ましくない。
【００１１】
本発明の目標は、実質的に光学的変換効率を損なうことなく、基本周波数での光の反射を抑制した、周期分極反転導波路を提供することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第７，４９２，５０７号
【特許文献２】米国特許第７，４１４，７７８号
【特許文献３】米国特許第７，１７７，３４０号
【発明の概要】
【００１３】
本発明によれば、非線形光学結晶材料を備える周期分極反転光導波路が提供され、光導波路の分極反転領域は、そこに伝播する光の背面反射を低減するために、光導波路の光学軸に対して傾斜している。好ましい実施形態では、傾斜角は５度と２０度の間にある。換言すれば、分極反転領域と導波路の光学軸または光の伝播方向との間の角度は、垂直から５度から２０度だけ離れている。プレーナ導波路の製造を容易にするために、傾斜方向が導波路の面内にあるのが好ましい。傾斜している分極反転領域によって反射される光は、事実上、導波路へ戻って結合することがなく、その結果、分極反転領域による背面反射の総量がかなり低減する。
【００１４】
本発明の別の態様によれば、半導体レーザと、半導体レーザに結合された傾斜している領域を有する光導波路とを備えることにより、作動中、レーザ・ダイオードの放射周波数が、光導波路によって、放射周波数と異なる出力周波数に変換される光源がさらに提供される。
【００１５】
本発明の別の態様によれば、光学結晶の上または中に形成された光導波路を分極反転させる方法がさらに提供され、この方法は、
（ａ）第１の軸に沿って離隔された傾斜している平行なフィンガ（fingers）の配列を有する分極反転電極を設けるステップと、
（ｂ）この分極反転電極を光導波路の外面に与えるステップと、
（ｃ）分極反転電極にエネルギーを与えて、光導波路の中に、傾斜している分極反転領域の配列を形成するステップとを含む。
【００１６】
次に、例示的実施形態を図面とともに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来技術の周期分極反転導波路の上面図である。
【図２】図１の導波路の代表的な反射スペクトルの図である。
【図３】分極反転プロセスで生成された導波路の上部表面のしわを示す図１の導波路の側断面図である。
【図４】低減された背面反射を有する従来技術の波長変換デバイスの図である。
【図５】図５Ａは本発明の周期分極反転導波路の上面図である。図５Ｂは図５Ａの導波路のラインＢ−Ｂに沿って得られた断面の端面図である。
【図６】図６Ａは本発明の分極反転装置の上面図である。図６Ｂは本発明の分極反転方法の流れ図である。
【図７】図５Ａおよび図５Ｂの周期分極反転導波路を使用する光源の図である。
【図８】分極反転した導波路プロトタイプの前面のマイクロ写真である。
【図９Ａ】傾斜のない屈折率のステップを有する導波路内の光伝播のシミュレーションの結果である。
【図９Ｂ】傾斜のない屈折率のステップを有する導波路内の光伝播のシミュレーションの結果である。
【図９Ｃ】傾斜のない屈折率のステップを有する導波路内の光伝播のシミュレーションの結果である。
【図１０Ａ】傾斜した屈折率のステップを有する導波路内の光伝播のシミュレーションの結果である。
【図１０Ｂ】傾斜した屈折率のステップを有する導波路内の光伝播のシミュレーションの結果である。
【図１０Ｃ】傾斜した屈折率のステップを有する導波路内の光伝播のシミュレーションの結果である。
【図１１】傾斜のない屈折率のステップを有する導波路内を伝播する光の、反射スペクトルおよび伝達スペクトルのグラフである
【図１２】傾斜した屈折率のステップを有する分極反転導波路内を伝播する光の、反射スペクトルおよび伝達スペクトルのグラフである
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本教示が様々な実施形態および実例とともに説明されるが、本教示は、そのような実施形態に限定されるようには意図されていない。それどころか、当業者には理解されるように、本教示は、様々な代替形態、変更形態および等価物を包含する。
【００１９】
図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、周期分極反転プレーナ導波路５０は、ＬｉＮｂＯ３の基板５１上に形成された結晶ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３の導波路を理想的に備える。導波路５０は、導波路５０の光学軸５９に対して、非ゼロ角度αだけ傾斜している分極反転領域５２の配列を含む。換言すれば、分極反転領域５２は、光学軸５９に対して垂直から角度αだけ離れている。傾斜の方向は導波路５０の面内にあり、すなわち、分極反転領域５２は、図５Ａに対して垂直な軸および導波路５０の面に関して角度αだけ傾斜される。具体的には図５Ｂを参照すると、導波路５０は、トレンチ５４によって囲まれたコア５３を含むリッジ導波路である。２つの酸化物クラッド層５５が、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３導波路５０の上部および底部に配置されている。導波路５０は、薄い接着層５６によってＬｉＮｂ基板５１に固定されている。
【００２０】
作動中、図５Ａに示されるように、基本周波数の光５７が導波路のコア５３に入る。周波数変換された光５８、例えば周波数が２倍になった光が、導波路５０のもう一方の側で光導波路のコア５３を出る。領域５２が光学軸５９に対して角度αだけ傾斜しているので、境界領域での反射は光学軸５９に対して角度２αで生じ、このため、反射光が導波路のコア５３へ戻って結合することはない。
【００２１】
本発明は、図５Ａおよび図５Ｂに示されるように基板上に形成されたリッジ導波路、基板の中に形成された埋設導波路、非プレーナ導波路、非リッジ導波路などを含む様々なタイプの導波路とともに働くことができる。一般に、非線形の光周波数変換に使用されるあらゆる分極反転結晶導波路が、本発明による傾斜した領域から利益を得ることができる。導波路の非線形光学結晶材料には、ＬｉＮｂ、ＬｉＴａ、ＫＴＰまたは他の任意の適切な非線形光学材料が含まれ得る。
【００２２】
分極反転領域５２の傾斜角がより大きければ、背面反射の抑制がより優れたものになるが、周波数変換効率は低下する可能性がある。５度から２０度の範囲が、穏当な変換効率の低下で有益な背面反射抑制をもたらすことが判明している。周波数変換の効率低下を無視し得る程度である一方で、背面反射が都合よく抑制される好ましい範囲は、６度から１２度である。分極反転領域５２の長さは、一般に２マイクロメートルと７マイクロメートルの間にある。この領域の長さは、導波路５０の光学軸５９の方向に測定される。
【００２３】
図５Ａで、領域５２の傾斜の方向は、導波路５０の面内に、すなわち図５Ａの面内にあるが、本発明は、傾斜の方向が導波路５０の面に対して垂直である場合または導波路５０の面に対して他の角度を形成する場合にも機能することになる。さらに、本発明は、他の導波路タイプ、例えば結晶基板５１上に、または同基板の中に形成された導波路とともに機能する。結晶基板５１の光学軸（図示せず）は、一般に導波路５０の光学軸５３に対して所定の関係に配向され、例えば、結晶基板５１の光学軸は、導波路５０の光学軸５３に対して平行であり得る。
【００２４】
いま図６Ａおよび図６Ｂを参照すると、本発明の分極反転装置６０の実施形態は、上部分極反転電極６１および底部分極反転電極６２を含む。上部分極反転電極６１は、軸６４に沿って離隔された傾斜している平行なフィンガの配列６３を含む。分極反転導波路５０を作製するために、ステップ６７で、上部分極反転電極６１と底部分極反転電極６２の間に、非分極反転（unpoled）導波路６５を配置する。ステップ６８で、上部分極反転電極６１を、フィンガ６３と光導波路の光学軸の間の角度が垂直から８度から２０度だけ離れるように、光導波路の上部表面６３に付ける。次いで、ステップ６９で、分極反転電極６１と６２の間に高電圧６６をかけることによりエネルギーを与える。導波路６５の損傷を防止するために、上部分極反転電極６１と底部分極反転電極６２の間に電気的スパークが形成しないように注意する。
【００２５】
図７に移って、光源７０は、半導体レーザ７１と、光ファイバ７２によって半導体レーザ７１に結合されている周期分極反転光導波路５０とを含む。周期分極反転導波路５０からの背面反射が少ないので、半導体レーザ７１と周期分極反転光導波路５０の間に光アイソレータを配置する必要性はない。半導体レーザ７１は、好ましくは、エルビウム添加光ファイバを励起するのに適切な近赤外線波長範囲で動作する通信用レーザ・ダイオードである。このようなダイオード・レーザは良好に開発されており、かなりの高信頼性を有する。
【００２６】
図７の実施形態では、周期分極反転光導波路５０は、２次高調波の発生用に最適化される。周波数が２倍になった出力７３は、可視波長の範囲内、例えば緑青色の範囲内にある。一例として、レーザ・ダイオード７１が９７６ｎｍで動作するとき、周波数が２倍になった出力７３の波長は４８８ｎｍである。もちろん、他のレーザ発振する波長を使用することができる。周期分極反転導波路５０の材料、導波路の寸法、および分極反転周期は、すべてレーザ・ダイオードおよび出力ビームの仕様に従って選択される。このような選択は、十分に当業者の知識の範囲内にある。
【００２７】
非線形周波数変換には、２次高調波発生（ＳＨＧ）と、３次高調波発生（ＴＨＧ）と、一般に任意の光学パラメータ式発振器（ＯＰＯ）に使用される和／差の周波数発生とが含まれ得る。別の実例として、９７６ｎｍの赤外線半導体レーザを前述の傾斜した領域を有するＴＨＧの分極反転導波路に結合することにより、３２５ｎｍのＵＶ単色光の光源を構築することができる。レーザ７１の放射を周期分極反転導波路５０に結合するのにレンズベースの自由空間結合器を利用することができるが、ファイバ結合にすると、位置合わせの敏感さが低減され、光源７０の安定性および信頼性が改善されるので好ましい。
【００２８】
図８を参照すると、９７６ｎｍから４８８ｎｍまでの２次高調波を発生するための周期分極反転導波路５０のプロトタイプのフロント・エンドが、顕微鏡によって撮影されている。導波路のコア５３の幅は４．５マイクロメートルである。トレンチ８１の深さは２．１マイクロメートルである。周期分極反転導波路５０の厚さは約３．６マイクロメートルであり、幅は４．５マイクロメートルである。導波路５０は、両側が酸化物層５５で不動態化される。図８では、図８の解像度が限られているために、エポキシ層５６が、底部酸化物層５５と合着している。エポキシ層５６が、導波路５０を基板５１に固定する。
【００２９】
周期分極反転導波路５０の光学性能を、２次元時間領域差分法（ＦＤＴＤ）の光学シミュレーションを用いて確認した。比較のために、傾斜のない分極反転領域を有する従来技術の周期分極反転導波路と、傾斜のある分極反転領域を有する類似の周期分極反転導波路の両方に対して光学シミュレーションを実行した。シミュレートされた導波路は、導波路の分極反転領域を表す、大きさが０．５の単一屈折率のステップを含むものであった。傾斜のない領域の導波路に関して、屈折率のステップは導波路に対して垂直であった。傾斜した領域の導波路に関して、屈折率のステップは８度ずつ傾斜させた。シミュレートされた導波路は、どちらも幅４．５マイクロメートルであって、波長９７６ｎｍにおいて屈折率２．１４を有するものであった。クラッドの屈折率は１．０とした。
【００３０】
最初に、傾斜のない屈折率のステップのシミュレーションを説明する。図９Ａを参照すると、導波路９０は、コア９０Ａおよびクラッド９０Ｂを有する。導波路のコア９０Ａは、約−１１．３マイクロメートルのＸ座標において（前述のように大きさ０．５の）屈折率のステップ９１を有する。大きさ０．５の屈折率の反対方向のステップも、図９Ａの導波路９０内でＸ＝−８．７マイクロメートルにおいて導波路のコア９０Ａに付加された（図９Ａには示されていない）。シミュレーションは、１つの光源９２ならびにＸ＝−９．５マイクロメートルに配置された「伝達」モニタ９３およびＸ＝−１４．５マイクロメートルに配置された「反射」モニタ９４を含むものであった。シミュレーションを簡単にするために、シミュレートされた光源９２が、導波路のコア９０Ａ内に配置される。光源９２は、屈折率のステップ９１に向けて、左から右に伝播する平面波を発する。平面波のリッジおよび谷は９５で示されている。グレイ・スケールのバー８０は、平面波のリッジおよび谷９５の電界（Ｅｙ）のｙ成分の大きさを表す。
【００３１】
図９Ｂに移って、伝達モニタ９４によって検出された光パワーの時間依存性が示されている。図９Ｂで、光パワーは線形の単位でプロットされている。これは光源９２のパワーに対して正規化されている。横目盛は「ｃＴ」の単位であり、すなわち光源９２をオンにしたときからの時間に真空中の光速を掛けたものである。例えば、「１０マイクロメートル」は、光が真空中で１０マイクロメートル進むのにかかる時間に相当する。伝送波は、ｃＴ＝−９．５マイクロメートルに配置された伝達モニタ９３に、８．５マイクロメートルで到達し始める。実線９６は全体の伝達光パワーのレベルを示し、灰色のライン９７は誘導伝達光パワーのレベルを示す。誘導伝達パワー９７は、伝達された電界Ｅｙと導波路９０の誘導伝播モードの重なり積分を計算することにより得られる。
【００３２】
次に図９Ｃを参照すると、伝達モニタ９３によって検出された光パワーの時間依存性および反射モニタ９４によって検出された光パワーの時間依存性が、ｄＢ単位で共通の対数グラフに示されている。図９Ｂと同様に、実線９６は全体の伝達光パワーのレベルを示し、灰色のライン９７は誘導伝達光パワーのレベルを示す。実線９８は全体の反射パワーを示し、灰色のライン９９は誘導反射パワーを示す。誘導反射パワー９９は、反射された電界Ｅｙと導波路９０の反対方向の誘導伝播モードの重なり積分を計算することにより得られる。８マイクロメートル未満のｃＴにおける伝達パワーのレベル９６から反射パワーのレベル９９へのよれは、シミュレーションのアーチファクトである。４マイクロメートルと８マイクロメートル間のｃＴで、全体の伝達パワーのレベル９６は約−１８ｄＢであり、誘導伝達パワーのレベル９７は約−４０ｄＢである。４マイクロメートルと９マイクロメートル間のｃＴで、全体の反射パワーのレベル９８は約−２２ｄＢであり、誘導反射パワーのレベル９９は約−４１ｄＢである。これらのパワーのレベルは、数値シミュレーションのフロア・ノイズのレベルを表す。約８．５マイクロメートルのｃＴでは、全体の伝達パワーのレベル９６および誘導伝達パワーのレベル９７は、図９Ｂの直線状のパワーレベル１．０および０．８に対応して、それぞれ０ｄＢおよび約−１ｄＢのレベルになる。約１１．５マイクロメートルのｃＴでは、全体の反射パワーのレベル９８および誘導反射パワーのレベル９９は、それぞれ−１８ｄＢおよび−２２ｄＢのレベルになる。これらの値は、屈折の境界９１からのフレネル反射の大きさとうまく相関する。
【００３３】
図１０Ａから図１０Ｃに、傾斜した屈折率のステップのシミュレーション結果が示されている。特に図１０Ａを参照すると、屈折率のステップ１０１が光の伝播方向に対して８度傾斜しているコア９０Ａを有する導波路１００が示されている。反対方向に傾斜した大きさ０．５の屈折率のステップ（図１０Ａには示されていない）も、図１０Ａの導波路１００内でＸ＝−８．７マイクロメートルにおいて導波路のコア９０Ａに付加された。シミュレーションの設定の残りは、図９Ａのものと同一である。
【００３４】
図１０Ｂに移って、傾斜した屈折率のステップ１０１を有する導波路１００において、実線１０６は全体の伝達光パワーを示し、灰色のライン１０７は誘導伝達光パワーを示す。誘導伝達パワー１０７は、伝達された電界Ｅｙと導波路１００の誘導伝播モードの重なり積分を計算することにより得られる。傾斜した屈折率のステップ１０１が、伝播させる電磁波と導波路１００のわずかな角度の不整合を引き起こすので、誘導伝達パワー１０７は、図９Ｂの誘導伝達パワー９７より小さい。
【００３５】
次に図１０Ｃを参照すると、伝達モニタ９４によって検出された光パワーの時間依存性および反射モニタ９５によって検出された光パワーの時間依存性が、ｄＢ単位で共通の対数グラフに示されている。傾斜した屈折率のステップ１０１を有する導波路１００において、実線１０６は全体の伝達光パワーを示し、灰色のライン１０７は誘導伝達光パワーを示す。実線１０８および灰色のライン１０９は、それぞれ、導波路１００の傾斜した屈折率のステップ１０１から反射された光波の、全体の反射パワーおよび誘導反射パワーを示す。再び、誘導反射パワー１０９は、反射された電界Ｅｙと導波路１００の反対方向の誘導伝播モードの重なり積分を計算することにより得られる。４マイクロメートルと９マイクロメートルの間のｃＴで、光パワーのレベル１０６から１０９は、図９Ｃの対応する光パワーのレベル９６から９９とほとんど同一である。約８．５マイクロメートルのｃＴでは、図１０Ｃの全体の伝達パワーのレベル１０６および誘導伝達パワーのレベル１０７は、図９Ｂの直線状のパワーレベル１．０および０．７に対応して、それぞれ０ｄＢおよび約−１．５ｄＢのレベルになる。約１１．５マイクロメートルのｃＴでは、全体の反射パワーのレベル１０８および誘導反射パワーのレベル１０９は、それぞれ−１７．７ｄＢおよび−３７ｄＢのレベルになる。直線状の屈折率のステップ９１を有する導波路９０に対して、対応する誘導反射光パワーのレベルが−２２ｄＢになることに留意されたい。
【００３６】
図９Ｃで、誘導反射光パワー１０９は、誘導反射光パワー９９より約１５ｄＢ小さい。したがって、屈折率のステップ１０１を８度だけ傾斜させると、誘導反射光パワーが１５ｄＢ低下する。したがって、図９Ａ〜図９Ｃのシミュレーションおよび図１０Ａ〜図１０Ｃのシミュレーションは、導波路５０の傾斜している分極反転領域が、１５ｄＢ程度の背面反射の抑制をもたらすことを示している。
【００３７】
屈折率のステップ１０１の４度と２５度の間の傾斜角αで、類似の計算が実行された。誘導背面反射は、少なくとも５度の傾斜角αで効果的に抑制されると判定された。非線形変換効率の低下は、領域５２の傾斜角α次第ということになる。一般に、傾斜角αがより大きいと変換効率が低下することになり、このため、兼ね合いの傾斜角αを見いだす必要がある。傾斜角αが２０度を超えるとＳＨＧのための光学的変換効率の低下が２５％超となり、一方、傾斜角αが８度であると、光学的変換効率の低下はわずか１０％以下であると推定された。本発明では、光導波路５０の分極反転の周期性が保たれているので、変換効率の低下は穏当なものである。一般に、傾斜角αが５度と２０度の間であれば実用になると判明しており、６度と１２度の間の範囲が好ましい。したがって、図６Ａの電極６１の平行なフィンガ６３の傾斜角は、好ましくは５度と２０度の間に、最も好ましくは６度と１２度の間に選択されている。
【００３８】
図９Ａの導波路９０および図１０Ａの導波路１００の、定常状態の光パワー分布のシミュレーションが実行された。このシミュレーションに用いられた構造は、図９Ａおよび図１０Ａのものと同一である。パワー・モニタ９３および９４で観測された光場の時間領域データに対して、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が実行された。光源の波長は、０．８マイクロメートルから１．２マイクロメートルまで変化された。
【００３９】
図１１に移って、直線状の導波路領域の場合についてシミュレートされた反射光パワーおよび伝達光パワーのスペクトルのグラフが対数目盛で示されている。全体の伝達光パワーの波長依存性を表すライン１１６、誘導伝達光パワーを表すライン１１７、全体の反射光パワーを表すライン１１８、および誘導反射光パワーを表すライン１１９は、それぞれ入力パワー値に対して正規化されている。４つのスペクトル１１６、１１７、１１８、および１１９のすべてに見られるピーク構造は、２つの直線状の屈折率のステップの間で観察されたエタロンのような効果からもたらされるものである。誘導反射光パワーのスペクトル１１９のピークは、入力光パワー値を−３ｄＢから−６ｄＢ下回っている。
【００４０】
次に図１２を参照すると、傾斜した導波路領域の場合についてシミュレートされた反射光パワーおよび伝達光パワーのスペクトルのグラフが対数目盛で示されている。全体の伝達光パワーの波長依存性を表すライン１２６、誘導伝達光パワーを表すライン１２７、全体の反射光パワーを表すライン１２８、および誘導反射光パワーを表すライン１２９は、それぞれ入力パワー値に対して正規化されている。誘導反射光パワーのスペクトル１２９のピークは、入力光パワー値を−１９ｄＢから−２２ｄＢ下回っている。したがって、８度傾斜した領域で反射されて導波路１００へ戻る誘導光が、約１６ｄＢ少ない。
【００４１】
戻って図７を参照すると、レーザ・ダイオード７１へ戻る反射光が１５〜１６ｄＢ低減することにより、レーザ・ダイオード７１の安定性がかなり改善し、したがって、光源７０の出力光信号７３のパワーの安定性が改善する。
【００４２】
前述の、本発明の１つまたは複数の実施形態の説明は、具体例および説明のために提示されている。この説明は、網羅的であったり、本発明を開示された明確な形態に限定したりするようには意図されていない。上記の教示の観点から、多数の変更形態および変形形態が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、本明細書に添付されている特許請求の範囲によって限定されるように意図されている。
【符号の説明】
【００４３】
５０ 導波路
５２ 分極反転領域
５３ コア
５４ トレンチ
５７ 基本周波数の光
５８ 周波数変換された光
５９ 光学軸
６０ 分極反転装置
６１ 分極反転電極
６２ 分極反転電極
６３ フィンガの配列
６４ 軸
６５ 導波路
６６ 高電圧
７０ 光源
７１ 半導体レーザ
７２ 光ファイバ
７３ 出力
８０ グレイ・スケールのバー
８１ トレンチ
９０ 導波路
９０Ａ コア
９０Ｂ クラッド
９１ 屈折率のステップ
９２ 光源
９３ 伝達モニタ
９４ 反射モニタ
９５ 平面波のリッジおよび谷
９６ 全体の伝達光パワー
９７ 誘導伝達光パワー
９８ 全体の反射パワー
９９ 誘導反射パワー
１００ 導波路
１０１ 傾斜した屈折率のステップ
１０６ 全体の伝達光パワー
１０７ 誘導伝達光パワー
１０８ 全体の反射パワー
１０９ 誘導反射パワー
１１６ 全体の伝達光パワーの波長依存性
１１７ 誘導伝達光パワー
１１８ 全体の反射光パワー
１１９ 誘導反射光パワー
１２６ 全体の伝達光パワーの波長依存性
１２７ 誘導伝達光パワー
１２８ 全体の反射光パワー
１２９ 誘導反射光パワー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路に関し、具体的には非線形の光周波数変換用の周期分極反転（periodically poled）光導波路に関する。
【背景技術】
【０００２】
光周波数変換の非線形の光学的現象は、近赤外線波長範囲で動作する、廉価で、効率的、かつ高信頼のレーザ・ダイオードに基づく、準単色で可視光源およびＵＶ光源をもたらすのに用いることができる。これらの可視／ＵＶ光源では、レーザ・ダイオードによって発せられた光が、レーザ・ダイオードの赤外線放射を可視光またはＵＶ光に変換する非線形光学素子を通って導かれる。
【０００３】
非線形光学結晶の中に形成される周期分極反転導波路は、非線形光学素子として周波数変換に漸増的に使用されている。図１を参照すると、非線形光学結晶１１の中に、コア１５を有する導波路１０が形成される。非線形光学結晶１１の周期的に配置されたエリアすなわち領域１２は、「分極反転されている」、すなわち、これらのエリアの結晶構造の方向が反転されている。結晶構造の方向は、例えば領域１２に局所的な強い電界を与えることにより反転され得る。分極反転周期は、基本周波数と称されるレーザ周波数の光と信号周波数または出力周波数と称される変換された周波数の光の、位相整合を助長するように選択される。
【０００４】
基本周波数の光および変換された周波数の光は、高度な集中を保ったまま導波路の長い距離を移動することができる。その結果、周期分極反転導波路は、適度な、例えば約２００ｍＷの光パワーの持続波（ｃｗ）の赤外光に対してさえ、適切な（５０％以上の）変換をもたらすのに十分高い変換効率を有することができる。さらに、以前に使用された非線形バルク光学結晶の重大な不利益であった光学的不整合に対する感度が、周期分極反転結晶導波路ではかなり低下する。
【０００５】
しかし、元来、周期分極反転導波路の優れた光誘導特性に関連して、重大な難点がある。周期的反転分極が、いくつかの波長でレーザ光源の方へ戻る光を反射する光学的導波路の回折格子を形成して、誘導反射波を形成し、これがレーザ光源を不安定にする。例えば、図２を参照すると、図１の分極反転導波路１０の代表的反射スペクトルは、約９７７ｎｍ、９８５ｎｍ、および９８９ｎｍにおけるピークを含んでいる。
【０００６】
理論上、導波路１０の屈折率は、反転分極によって変化しないはずである。しかし、分極反転領域１２の境界１４における不可避の結晶不良および結晶転移により、何らかの屈折率変化がもたらされる。さらに、図１の導波路１０のラインＡ−Ａに沿って得られた側断面図である図３に示されるように、周期的反転分極によって導波路１０の上部表面にしわが寄ることがある。反転分極でもたらされるしわの高さは、３〜４マイクロメートルの導波路深さで１０ナノメートルに達することがある。導波路１０の長さにわたって、屈折率変化、しわ、および他の周期的動揺が、数十パーセントに達する背面反射をもたらすことがあり、これは、反射感応性のレーザ・ダイオードを不安定化するのに十二分なものである。
【０００７】
周期分極反転導波路からレーザへの背面反射の問題は既知である。Ｇｏｌｌｉｅｒの米国特許第７，４９２，５０７号に、背面反射が低減された波長変換デバイスが開示されている。図４を参照すると、周波数２倍化光源４０は、レーザ・ダイオード４１、光カプラ４２、および分極反転導波路４３を含んでいる。結晶軸の方向は導波路４３内の矢印で示されている。作動中、レーザ・ダイオード４１が光４４を発し、この光は、光カプラ４２によって導波路４３上に合焦される。導波路４３は、２次高調波発生（ＳＨＧ）として知られている非線形光学効果によってレーザ光４４の光周波数を２倍にし、周波数が２倍になった放射が、４５で示されるように、周期分極反転導波路４３を出る。導波路４３は、幅がランダムに変化する領域を備える分極反転した導波路である。この領域の幅は、理想的な分極反転周期λIプラスまたはマイナス混乱値（disruption value）によって定義される。導波路４３は、「通常の」領域４６、「広い」領域４７、および「狭い」領域４８を含む。「広い」領域４７および「狭い」領域４８により、反射光のコヒーレンスが低下し、したがって背面反射光の光パワーが低下する。
【０００８】
Ｇｏｌｌｉｅｒらの米国特許第７，４１４，７７８号に、領域の周期が、反射光の波長をレーザ波長から引き離すように変わり、したがって背面反射光の光パワーが低下する類似の波長変換デバイスが開示されている。
【０００９】
Ｌａｎｇらの米国特許第７，１７７，３４０号には、周期分極反転結晶からレーザへ戻る光の反射を抑制するように、周期分極反転導波路の前に光アイソレータが挿入されている、可調整レーザ源が説明されている。
【００１０】
分極反転導波路において背面反射された光の量を低減するための従来技術の手法は、かなりの挿入損失を有する分離した光アイソレータ、または光学的変換効率がかなり低下する分極反転周期の変更のどちらかが必要とされる。さらなる光学的損失の導入または光学的変換効率の低下は、出力される光パワーの低下および／または従来技術の光源のウォール・プラグ（wall plug）効率の低下をもたらすので、望ましくない。
【００１１】
本発明の目標は、実質的に光学的変換効率を損なうことなく、基本周波数での光の反射を抑制した、周期分極反転導波路を提供することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第７，４９２，５０７号
【特許文献２】米国特許第７，４１４，７７８号
【特許文献３】米国特許第７，１７７，３４０号
【発明の概要】
【００１３】
本発明によれば、非線形光学結晶材料を備える周期分極反転光導波路が提供され、光導波路の分極反転領域は、そこに伝播する光の背面反射を低減するために、光導波路の光学軸に対して傾斜している。好ましい実施形態では、傾斜角は５度と２０度の間にある。換言すれば、分極反転領域と導波路の光学軸または光の伝播方向との間の角度は、垂直から５度から２０度だけ離れている。プレーナ導波路の製造を容易にするために、傾斜方向が導波路の面内にあるのが好ましい。傾斜している分極反転領域によって反射される光は、事実上、導波路へ戻って結合することがなく、その結果、分極反転領域による背面反射の総量がかなり低減する。
【００１４】
本発明の別の態様によれば、半導体レーザと、半導体レーザに結合された傾斜している領域を有する光導波路とを備えることにより、作動中、レーザ・ダイオードの放射周波数が、光導波路によって、放射周波数と異なる出力周波数に変換される光源がさらに提供される。
【００１５】
本発明の別の態様によれば、光学結晶の上または中に形成された光導波路を分極反転させる方法がさらに提供され、この方法は、
（ａ）第１の軸に沿って離隔された傾斜している平行なフィンガ（fingers）の配列を有する分極反転電極を設けるステップと、
（ｂ）この分極反転電極を光導波路の外面に与えるステップと、
（ｃ）分極反転電極にエネルギーを与えて、光導波路の中に、傾斜している分極反転領域の配列を形成するステップとを含む。
【００１６】
次に、例示的実施形態を図面とともに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来技術の周期分極反転導波路の上面図である。
【図２】図１の導波路の代表的な反射スペクトルの図である。
【図３】分極反転プロセスで生成された導波路の上部表面のしわを示す図１の導波路の側断面図である。
【図４】低減された背面反射を有する従来技術の波長変換デバイスの図である。
【図５】図５Ａは本発明の周期分極反転導波路の上面図である。図５Ｂは図５Ａの導波路のラインＢ−Ｂに沿って得られた断面の端面図である。
【図６】図６Ａは本発明の分極反転装置の上面図である。図６Ｂは本発明の分極反転方法の流れ図である。
【図７】図５Ａおよび図５Ｂの周期分極反転導波路を使用する光源の図である。
【図８】分極反転した導波路プロトタイプの前面のマイクロ写真である。
【図９Ａ】傾斜のない屈折率のステップを有する導波路内の光伝播のシミュレーションの結果である。
【図９Ｂ】傾斜のない屈折率のステップを有する導波路内の光伝播のシミュレーションの結果である。
【図９Ｃ】傾斜のない屈折率のステップを有する導波路内の光伝播のシミュレーションの結果である。
【図１０Ａ】傾斜した屈折率のステップを有する導波路内の光伝播のシミュレーションの結果である。
【図１０Ｂ】傾斜した屈折率のステップを有する導波路内の光伝播のシミュレーションの結果である。
【図１０Ｃ】傾斜した屈折率のステップを有する導波路内の光伝播のシミュレーションの結果である。
【図１１】傾斜のない屈折率のステップを有する導波路内を伝播する光の、反射スペクトルおよび伝達スペクトルのグラフである
【図１２】傾斜した屈折率のステップを有する分極反転導波路内を伝播する光の、反射スペクトルおよび伝達スペクトルのグラフである
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本教示が様々な実施形態および実例とともに説明されるが、本教示は、そのような実施形態に限定されるようには意図されていない。それどころか、当業者には理解されるように、本教示は、様々な代替形態、変更形態および等価物を包含する。
【００１９】
図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、周期分極反転プレーナ導波路５０は、ＬｉＮｂＯ３の基板５１上に形成された結晶ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３の導波路を理想的に備える。導波路５０は、導波路５０の光学軸５９に対して、非ゼロ角度αだけ傾斜している分極反転領域５２の配列を含む。換言すれば、分極反転領域５２は、光学軸５９に対して垂直から角度αだけ離れている。傾斜の方向は導波路５０の面内にあり、すなわち、分極反転領域５２は、図５Ａに対して垂直な軸および導波路５０の面に関して角度αだけ傾斜される。具体的には図５Ｂを参照すると、導波路５０は、トレンチ５４によって囲まれたコア５３を含むリッジ導波路である。２つの酸化物クラッド層５５が、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３導波路５０の上部および底部に配置されている。導波路５０は、薄い接着層５６によってＬｉＮｂ基板５１に固定されている。
【００２０】
作動中、図５Ａに示されるように、基本周波数の光５７が導波路のコア５３に入る。周波数変換された光５８、例えば周波数が２倍になった光が、導波路５０のもう一方の側で光導波路のコア５３を出る。領域５２が光学軸５９に対して角度αだけ傾斜しているので、境界領域での反射は光学軸５９に対して角度２αで生じ、このため、反射光が導波路のコア５３へ戻って結合することはない。
【００２１】
本発明は、図５Ａおよび図５Ｂに示されるように基板上に形成されたリッジ導波路、基板の中に形成された埋設導波路、非プレーナ導波路、非リッジ導波路などを含む様々なタイプの導波路とともに働くことができる。一般に、非線形の光周波数変換に使用されるあらゆる分極反転結晶導波路が、本発明による傾斜した領域から利益を得ることができる。導波路の非線形光学結晶材料には、ＬｉＮｂ、ＬｉＴａ、ＫＴＰまたは他の任意の適切な非線形光学材料が含まれ得る。
【００２２】
分極反転領域５２の傾斜角がより大きければ、背面反射の抑制がより優れたものになるが、周波数変換効率は低下する可能性がある。５度から２０度の範囲が、穏当な変換効率の低下で有益な背面反射抑制をもたらすことが判明している。周波数変換の効率低下を無視し得る程度である一方で、背面反射が都合よく抑制される好ましい範囲は、６度から１２度である。分極反転領域５２の長さは、一般に２マイクロメートルと７マイクロメートルの間にある。この領域の長さは、導波路５０の光学軸５９の方向に測定される。
【００２３】
図５Ａで、領域５２の傾斜の方向は、導波路５０の面内に、すなわち図５Ａの面内にあるが、本発明は、傾斜の方向が導波路５０の面に対して垂直である場合または導波路５０の面に対して他の角度を形成する場合にも機能することになる。さらに、本発明は、他の導波路タイプ、例えば結晶基板５１上に、または同基板の中に形成された導波路とともに機能する。結晶基板５１の光学軸（図示せず）は、一般に導波路５０の光学軸５３に対して所定の関係に配向され、例えば、結晶基板５１の光学軸は、導波路５０の光学軸５３に対して平行であり得る。
【００２４】
いま図６Ａおよび図６Ｂを参照すると、本発明の分極反転装置６０の実施形態は、上部分極反転電極６１および底部分極反転電極６２を含む。上部分極反転電極６１は、軸６４に沿って離隔された傾斜している平行なフィンガの配列６３を含む。分極反転導波路５０を作製するために、ステップ６７で、上部分極反転電極６１と底部分極反転電極６２の間に、非分極反転（unpoled）導波路６５を配置する。ステップ６８で、上部分極反転電極６１を、フィンガ６３と光導波路の光学軸の間の角度が垂直から８度から２０度だけ離れるように、光導波路の上部表面６３に付ける。次いで、ステップ６９で、分極反転電極６１と６２の間に高電圧６６をかけることによりエネルギーを与える。導波路６５の損傷を防止するために、上部分極反転電極６１と底部分極反転電極６２の間に電気的スパークが形成しないように注意する。
【００２５】
図７に移って、光源７０は、半導体レーザ７１と、光ファイバ７２によって半導体レーザ７１に結合されている周期分極反転光導波路５０とを含む。周期分極反転導波路５０からの背面反射が少ないので、半導体レーザ７１と周期分極反転光導波路５０の間に光アイソレータを配置する必要性はない。半導体レーザ７１は、好ましくは、エルビウム添加光ファイバを励起するのに適切な近赤外線波長範囲で動作する通信用レーザ・ダイオードである。このようなダイオード・レーザは良好に開発されており、かなりの高信頼性を有する。
【００２６】
図７の実施形態では、周期分極反転光導波路５０は、２次高調波の発生用に最適化される。周波数が２倍になった出力７３は、可視波長の範囲内、例えば緑青色の範囲内にある。一例として、レーザ・ダイオード７１が９７６ｎｍで動作するとき、周波数が２倍になった出力７３の波長は４８８ｎｍである。もちろん、他のレーザ発振する波長を使用することができる。周期分極反転導波路５０の材料、導波路の寸法、および分極反転周期は、すべてレーザ・ダイオードおよび出力ビームの仕様に従って選択される。このような選択は、十分に当業者の知識の範囲内にある。
【００２７】
非線形周波数変換には、２次高調波発生（ＳＨＧ）と、３次高調波発生（ＴＨＧ）と、一般に任意の光学パラメータ式発振器（ＯＰＯ）に使用される和／差の周波数発生とが含まれ得る。別の実例として、９７６ｎｍの赤外線半導体レーザを前述の傾斜した領域を有するＴＨＧの分極反転導波路に結合することにより、３２５ｎｍのＵＶ単色光の光源を構築することができる。レーザ７１の放射を周期分極反転導波路５０に結合するのにレンズベースの自由空間結合器を利用することができるが、ファイバ結合にすると、位置合わせの敏感さが低減され、光源７０の安定性および信頼性が改善されるので好ましい。
【００２８】
図８を参照すると、９７６ｎｍから４８８ｎｍまでの２次高調波を発生するための周期分極反転導波路５０のプロトタイプのフロント・エンドが、顕微鏡によって撮影されている。導波路のコア５３の幅は４．５マイクロメートルである。トレンチ８１の深さは２．１マイクロメートルである。周期分極反転導波路５０の厚さは約３．６マイクロメートルであり、幅は４．５マイクロメートルである。導波路５０は、両側が酸化物層５５で不動態化される。図８では、図８の解像度が限られているために、エポキシ層５６が、底部酸化物層５５と合着している。エポキシ層５６が、導波路５０を基板５１に固定する。
【００２９】
周期分極反転導波路５０の光学性能を、２次元時間領域差分法（ＦＤＴＤ）の光学シミュレーションを用いて確認した。比較のために、傾斜のない分極反転領域を有する従来技術の周期分極反転導波路と、傾斜のある分極反転領域を有する類似の周期分極反転導波路の両方に対して光学シミュレーションを実行した。シミュレートされた導波路は、導波路の分極反転領域を表す、大きさが０．５の単一屈折率のステップを含むものであった。傾斜のない領域の導波路に関して、屈折率のステップは導波路に対して垂直であった。傾斜した領域の導波路に関して、屈折率のステップは８度ずつ傾斜させた。シミュレートされた導波路は、どちらも幅４．５マイクロメートルであって、波長９７６ｎｍにおいて屈折率２．１４を有するものであった。クラッドの屈折率は１．０とした。
【００３０】
最初に、傾斜のない屈折率のステップのシミュレーションを説明する。図９Ａを参照すると、導波路９０は、コア９０Ａおよびクラッド９０Ｂを有する。導波路のコア９０Ａは、約−１１．３マイクロメートルのＸ座標において（前述のように大きさ０．５の）屈折率のステップ９１を有する。大きさ０．５の屈折率の反対方向のステップも、図９Ａの導波路９０内でＸ＝−８．７マイクロメートルにおいて導波路のコア９０Ａに付加された（図９Ａには示されていない）。シミュレーションは、１つの光源９２ならびにＸ＝−９．５マイクロメートルに配置された「伝達」モニタ９３およびＸ＝−１４．５マイクロメートルに配置された「反射」モニタ９４を含むものであった。シミュレーションを簡単にするために、シミュレートされた光源９２が、導波路のコア９０Ａ内に配置される。光源９２は、屈折率のステップ９１に向けて、左から右に伝播する平面波を発する。平面波のリッジおよび谷は９５で示されている。グレイ・スケールのバー８０は、平面波のリッジおよび谷９５の電界（Ｅｙ）のｙ成分の大きさを表す。
【００３１】
図９Ｂに移って、伝達モニタ９４によって検出された光パワーの時間依存性が示されている。図９Ｂで、光パワーは線形の単位でプロットされている。これは光源９２のパワーに対して正規化されている。横目盛は「ｃＴ」の単位であり、すなわち光源９２をオンにしたときからの時間に真空中の光速を掛けたものである。例えば、「１０マイクロメートル」は、光が真空中で１０マイクロメートル進むのにかかる時間に相当する。伝送波は、ｃＴ＝−９．５マイクロメートルに配置された伝達モニタ９３に、８．５マイクロメートルで到達し始める。実線９６は全体の伝達光パワーのレベルを示し、灰色のライン９７は誘導伝達光パワーのレベルを示す。誘導伝達パワー９７は、伝達された電界Ｅｙと導波路９０の誘導伝播モードの重なり積分を計算することにより得られる。
【００３２】
次に図９Ｃを参照すると、伝達モニタ９３によって検出された光パワーの時間依存性および反射モニタ９４によって検出された光パワーの時間依存性が、ｄＢ単位で共通の対数グラフに示されている。図９Ｂと同様に、実線９６は全体の伝達光パワーのレベルを示し、灰色のライン９７は誘導伝達光パワーのレベルを示す。実線９８は全体の反射パワーを示し、灰色のライン９９は誘導反射パワーを示す。誘導反射パワー９９は、反射された電界Ｅｙと導波路９０の反対方向の誘導伝播モードの重なり積分を計算することにより得られる。８マイクロメートル未満のｃＴにおける伝達パワーのレベル９６から反射パワーのレベル９９へのよれは、シミュレーションのアーチファクトである。４マイクロメートルと８マイクロメートル間のｃＴで、全体の伝達パワーのレベル９６は約−１８ｄＢであり、誘導伝達パワーのレベル９７は約−４０ｄＢである。４マイクロメートルと９マイクロメートル間のｃＴで、全体の反射パワーのレベル９８は約−２２ｄＢであり、誘導反射パワーのレベル９９は約−４１ｄＢである。これらのパワーのレベルは、数値シミュレーションのフロア・ノイズのレベルを表す。約８．５マイクロメートルのｃＴでは、全体の伝達パワーのレベル９６および誘導伝達パワーのレベル９７は、図９Ｂの直線状のパワーレベル１．０および０．８に対応して、それぞれ０ｄＢおよび約−１ｄＢのレベルになる。約１１．５マイクロメートルのｃＴでは、全体の反射パワーのレベル９８および誘導反射パワーのレベル９９は、それぞれ−１８ｄＢおよび−２２ｄＢのレベルになる。これらの値は、屈折の境界９１からのフレネル反射の大きさとうまく相関する。
【００３３】
図１０Ａから図１０Ｃに、傾斜した屈折率のステップのシミュレーション結果が示されている。特に図１０Ａを参照すると、屈折率のステップ１０１が光の伝播方向に対して８度傾斜しているコア９０Ａを有する導波路１００が示されている。反対方向に傾斜した大きさ０．５の屈折率のステップ（図１０Ａには示されていない）も、図１０Ａの導波路１００内でＸ＝−８．７マイクロメートルにおいて導波路のコア９０Ａに付加された。シミュレーションの設定の残りは、図９Ａのものと同一である。
【００３４】
図１０Ｂに移って、傾斜した屈折率のステップ１０１を有する導波路１００において、実線１０６は全体の伝達光パワーを示し、灰色のライン１０７は誘導伝達光パワーを示す。誘導伝達パワー１０７は、伝達された電界Ｅｙと導波路１００の誘導伝播モードの重なり積分を計算することにより得られる。傾斜した屈折率のステップ１０１が、伝播させる電磁波と導波路１００のわずかな角度の不整合を引き起こすので、誘導伝達パワー１０７は、図９Ｂの誘導伝達パワー９７より小さい。
【００３５】
次に図１０Ｃを参照すると、伝達モニタ９４によって検出された光パワーの時間依存性および反射モニタ９５によって検出された光パワーの時間依存性が、ｄＢ単位で共通の対数グラフに示されている。傾斜した屈折率のステップ１０１を有する導波路１００において、実線１０６は全体の伝達光パワーを示し、灰色のライン１０７は誘導伝達光パワーを示す。実線１０８および灰色のライン１０９は、それぞれ、導波路１００の傾斜した屈折率のステップ１０１から反射された光波の、全体の反射パワーおよび誘導反射パワーを示す。再び、誘導反射パワー１０９は、反射された電界Ｅｙと導波路１００の反対方向の誘導伝播モードの重なり積分を計算することにより得られる。４マイクロメートルと９マイクロメートルの間のｃＴで、光パワーのレベル１０６から１０９は、図９Ｃの対応する光パワーのレベル９６から９９とほとんど同一である。約８．５マイクロメートルのｃＴでは、図１０Ｃの全体の伝達パワーのレベル１０６および誘導伝達パワーのレベル１０７は、図９Ｂの直線状のパワーレベル１．０および０．７に対応して、それぞれ０ｄＢおよび約−１．５ｄＢのレベルになる。約１１．５マイクロメートルのｃＴでは、全体の反射パワーのレベル１０８および誘導反射パワーのレベル１０９は、それぞれ−１７．７ｄＢおよび−３７ｄＢのレベルになる。直線状の屈折率のステップ９１を有する導波路９０に対して、対応する誘導反射光パワーのレベルが−２２ｄＢになることに留意されたい。
【００３６】
図９Ｃで、誘導反射光パワー１０９は、誘導反射光パワー９９より約１５ｄＢ小さい。したがって、屈折率のステップ１０１を８度だけ傾斜させると、誘導反射光パワーが１５ｄＢ低下する。したがって、図９Ａ〜図９Ｃのシミュレーションおよび図１０Ａ〜図１０Ｃのシミュレーションは、導波路５０の傾斜している分極反転領域が、１５ｄＢ程度の背面反射の抑制をもたらすことを示している。
【００３７】
屈折率のステップ１０１の４度と２５度の間の傾斜角αで、類似の計算が実行された。誘導背面反射は、少なくとも５度の傾斜角αで効果的に抑制されると判定された。非線形変換効率の低下は、領域５２の傾斜角α次第ということになる。一般に、傾斜角αがより大きいと変換効率が低下することになり、このため、兼ね合いの傾斜角αを見いだす必要がある。傾斜角αが２０度を超えるとＳＨＧのための光学的変換効率の低下が２５％超となり、一方、傾斜角αが８度であると、光学的変換効率の低下はわずか１０％以下であると推定された。本発明では、光導波路５０の分極反転の周期性が保たれているので、変換効率の低下は穏当なものである。一般に、傾斜角αが５度と２０度の間であれば実用になると判明しており、６度と１２度の間の範囲が好ましい。したがって、図６Ａの電極６１の平行なフィンガ６３の傾斜角は、好ましくは５度と２０度の間に、最も好ましくは６度と１２度の間に選択されている。
【００３８】
図９Ａの導波路９０および図１０Ａの導波路１００の、定常状態の光パワー分布のシミュレーションが実行された。このシミュレーションに用いられた構造は、図９Ａおよび図１０Ａのものと同一である。パワー・モニタ９３および９４で観測された光場の時間領域データに対して、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が実行された。光源の波長は、０．８マイクロメートルから１．２マイクロメートルまで変化された。
【００３９】
図１１に移って、直線状の導波路領域の場合についてシミュレートされた反射光パワーおよび伝達光パワーのスペクトルのグラフが対数目盛で示されている。全体の伝達光パワーの波長依存性を表すライン１１６、誘導伝達光パワーを表すライン１１７、全体の反射光パワーを表すライン１１８、および誘導反射光パワーを表すライン１１９は、それぞれ入力パワー値に対して正規化されている。４つのスペクトル１１６、１１７、１１８、および１１９のすべてに見られるピーク構造は、２つの直線状の屈折率のステップの間で観察されたエタロンのような効果からもたらされるものである。誘導反射光パワーのスペクトル１１９のピークは、入力光パワー値を−３ｄＢから−６ｄＢ下回っている。
【００４０】
次に図１２を参照すると、傾斜した導波路領域の場合についてシミュレートされた反射光パワーおよび伝達光パワーのスペクトルのグラフが対数目盛で示されている。全体の伝達光パワーの波長依存性を表すライン１２６、誘導伝達光パワーを表すライン１２７、全体の反射光パワーを表すライン１２８、および誘導反射光パワーを表すライン１２９は、それぞれ入力パワー値に対して正規化されている。誘導反射光パワーのスペクトル１２９のピークは、入力光パワー値を−１９ｄＢから−２２ｄＢ下回っている。したがって、８度傾斜した領域で反射されて導波路１００へ戻る誘導光が、約１６ｄＢ少ない。
【００４１】
戻って図７を参照すると、レーザ・ダイオード７１へ戻る反射光が１５〜１６ｄＢ低減することにより、レーザ・ダイオード７１の安定性がかなり改善し、したがって、光源７０の出力光信号７３のパワーの安定性が改善する。
【００４２】
前述の、本発明の１つまたは複数の実施形態の説明は、具体例および説明のために提示されている。この説明は、網羅的であったり、本発明を開示された明確な形態に限定したりするようには意図されていない。上記の教示の観点から、多数の変更形態および変形形態が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、本明細書に添付されている特許請求の範囲によって限定されるように意図されている。
【符号の説明】
【００４３】
５０ 導波路
５２ 分極反転領域
５３ コア
５４ トレンチ
５７ 基本周波数の光
５８ 周波数変換された光
５９ 光学軸
６０ 分極反転装置
６１ 分極反転電極
６２ 分極反転電極
６３ フィンガの配列
６４ 軸
６５ 導波路
６６ 高電圧
７０ 光源
７１ 半導体レーザ
７２ 光ファイバ
７３ 出力
８０ グレイ・スケールのバー
８１ トレンチ
９０ 導波路
９０Ａ コア
９０Ｂ クラッド
９１ 屈折率のステップ
９２ 光源
９３ 伝達モニタ
９４ 反射モニタ
９５ 平面波のリッジおよび谷
９６ 全体の伝達光パワー
９７ 誘導伝達光パワー
９８ 全体の反射パワー
９９ 誘導反射パワー
１００ 導波路
１０１ 傾斜した屈折率のステップ
１０６ 全体の伝達光パワー
１０７ 誘導伝達光パワー
１０８ 全体の反射パワー
１０９ 誘導反射パワー
１１６ 全体の伝達光パワーの波長依存性
１１７ 誘導伝達光パワー
１１８ 全体の反射光パワー
１１９ 誘導反射光パワー
１２６ 全体の伝達光パワーの波長依存性
１２７ 誘導伝達光パワー
１２８ 全体の反射光パワー
１２９ 誘導反射光パワー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学結晶材料を備える周期分極反転光導波路であって、前記光導波路の分極反転領域が、そこに伝播する光の背面反射を低減するために、前記光導波路の光学軸に対して傾斜している光導波路。
【請求項２】
前記分極反転領域と前記光学軸の間の角度が、５度から２０度だけ垂直から離れている請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
前記分極反転領域と前記光学軸の間の前記角度が、６度から１２度だけ垂直から離れている請求項２に記載の光導波路。
【請求項４】
前記光導波路がプレーナ導波路であり、前記傾斜の方向が前記光導波路の面内にある請求項１に記載の光導波路。
【請求項５】
前記分極反転領域の長さが、２マイクロメートルと７マイクロメートルの間にある請求項１に記載の光導波路。
【請求項６】
前記非線形光学結晶材料が、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、およびＫＴＰから成る群から選択される請求項１に記載の光導波路。
【請求項７】
前記光導波路が、前記光導波路の前記光学軸に対して平行な光学軸を有する結晶基板の上または中に配置される請求項１に記載の光導波路。
【請求項８】
リッジ導波路タイプの請求項１に記載の光導波路。
【請求項９】
半導体レーザおよびこれに結合された請求項１に記載の光導波路を備えることにより、作動中、前記半導体レーザの放射周波数が、前記光導波路によって前記放射周波数と異なる出力周波数に変換される光源。
【請求項１０】
前記出力周波数が、前記レーザの放射周波数の２倍である請求項９に記載の光源。
【請求項１１】
前記半導体レーザを前記光導波路に結合するための長さの光ファイバをさらに備える請求項９に記載の光源。
【請求項１２】
光学結晶の上または中に形成された光導波路を分極反転する方法であって、
（ａ）第１の軸に沿って離隔された傾斜している平行なフィンガの配列を有する分極反転電極を設けるステップと、
（ｂ）前記分極反転電極を前記光導波路の外面に付けるステップと、
（ｃ）前記分極反転電極にエネルギーを与えて、前記光導波路の中に、傾斜している分極反転領域の配列を形成するステップとを含む方法。
【請求項１３】
ステップ（ｂ）で、前記フィンガと前記光導波路の光学軸の間の角度が、５度から２０度だけ垂直から離れている請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
ステップ（ｂ）で、前記角度が６度から１２度の間である請求項１３に記載の方法。
【請求項１】
非線形光学結晶材料を備える周期分極反転光導波路であって、前記光導波路の分極反転領域が、そこに伝播する光の背面反射を低減するために、前記光導波路の光学軸に対して傾斜している光導波路。
【請求項２】
前記分極反転領域と前記光学軸の間の角度が、５度から２０度だけ垂直から離れている請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
前記分極反転領域と前記光学軸の間の前記角度が、６度から１２度だけ垂直から離れている請求項２に記載の光導波路。
【請求項４】
前記光導波路がプレーナ導波路であり、前記傾斜の方向が前記光導波路の面内にある請求項１に記載の光導波路。
【請求項５】
前記分極反転領域の長さが、２マイクロメートルと７マイクロメートルの間にある請求項１に記載の光導波路。
【請求項６】
前記非線形光学結晶材料が、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、およびＫＴＰから成る群から選択される請求項１に記載の光導波路。
【請求項７】
前記光導波路が、前記光導波路の前記光学軸に対して平行な光学軸を有する結晶基板の上または中に配置される請求項１に記載の光導波路。
【請求項８】
リッジ導波路タイプの請求項１に記載の光導波路。
【請求項９】
半導体レーザおよびこれに結合された請求項１に記載の光導波路を備えることにより、作動中、前記半導体レーザの放射周波数が、前記光導波路によって前記放射周波数と異なる出力周波数に変換される光源。
【請求項１０】
前記出力周波数が、前記レーザの放射周波数の２倍である請求項９に記載の光源。
【請求項１１】
前記半導体レーザを前記光導波路に結合するための長さの光ファイバをさらに備える請求項９に記載の光源。
【請求項１２】
光学結晶の上または中に形成された光導波路を分極反転する方法であって、
（ａ）第１の軸に沿って離隔された傾斜している平行なフィンガの配列を有する分極反転電極を設けるステップと、
（ｂ）前記分極反転電極を前記光導波路の外面に付けるステップと、
（ｃ）前記分極反転電極にエネルギーを与えて、前記光導波路の中に、傾斜している分極反転領域の配列を形成するステップとを含む方法。
【請求項１３】
ステップ（ｂ）で、前記フィンガと前記光導波路の光学軸の間の角度が、５度から２０度だけ垂直から離れている請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
ステップ（ｂ）で、前記角度が６度から１２度の間である請求項１３に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１１８５２８（Ｐ２０１２−１１８５２８Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−２５８５２４（Ｐ２０１１−２５８５２４）
【出願日】平成２３年１１月２８日（２０１１．１１．２８）
【出願人】（５０２１５１８２０）ジェイディーエス ユニフェイズ コーポレーション (90)
【氏名又は名称原語表記】ＪＤＳ Ｕｎｉｐｈａｓｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【住所又は居所原語表記】４３０ Ｎ． ＭｃＣａｒｔｈｙ Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ， Ｍｉｌｐｉｔａｓ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ， ９５０３５， ＵＳＡ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５８５２４（Ｐ２０１１−２５８５２４）
【出願日】平成２３年１１月２８日（２０１１．１１．２８）
【出願人】（５０２１５１８２０）ジェイディーエス ユニフェイズ コーポレーション (90)
【氏名又は名称原語表記】ＪＤＳ Ｕｎｉｐｈａｓｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【住所又は居所原語表記】４３０ Ｎ． ＭｃＣａｒｔｈｙ Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ， Ｍｉｌｐｉｔａｓ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ， ９５０３５， ＵＳＡ
【Ｆターム（参考）】
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