波长转换装置的制作方法

本发明涉及一种波长转换装置。

背景技术：

利用了周期极化反转铌酸锂(periodicallypoledlithiumniobate，以下称为ppln)的光波导是能够实现通过采用波导而实现的光强度的增大化和通过利用准相位匹配技术而实现的高波长转换效率的元件。因此，利用了ppln的光波导作为在下一代光纤通信领域、量子计算(computing)的领域中担任重要作用的器件而受到关注。该利用了ppln的光波导作为构成能进行低噪声光放大的相位敏感放大器(psa：phase-sensativeamplifier)的参量放大元件和激励光产生元件而使用，可实现高增益、低噪声的光放大特性。此外在量子计算的领域中，报告了将利用了ppln的光波导插入光纤环(fiberring)谐振器内作为参量振荡元件而使用，由此与以往的计算机相比极高速地验证了大容量的计算。为了这些技术的进一步的高性能化，实现具有更高的波长转换效率的波长转换装置是重要的。

图1是表示通过准相位匹配(quasi-phase-matched，以下称为qpm)技术产生差频的以往的波长转换装置10的基本构成的图。在专利文献1中公开了图1的波长转换装置10的构成。如图1所示，光强度低的信号光1a和光强度高的控制光1b射入至合波器14进行合波。与控制光1b进行合波的信号光1a朝向包括基板12和配置于基板12上的光波导芯11的波长转换元件13行进。射入至具有周期极化反转构造而表现非线性光学效果的光波导芯11的一端。信号光1a穿过光波导芯11中时被转换为具有与信号光1a不同的波长的差频光1c，与控制光1b一起从光波导芯11的另一端射出。从光波导芯11射出的差频光1c和控制光1b射入至分波器15而相互分离。

此外，还已知几种利用准相位匹配技术制作进行波长转换的光学元件(以下，称为波长转换元件)的方法。例如，在将表现非线性光学效果的结晶(以下，称为非线性光学结晶)基板设为周期极化反转构造后，使用其周期极化反转构造制作质子交换波导的方法。此外，例如，同样在将非线性光学结晶基板设为周期极化反转构造后，利用光刻工艺和干法刻蚀工艺制作脊(ridge)形光波导的方法。

在专利文献1中公开了这些中的制作脊形光波导的例子。在专利文献1中记载有：在脊形光波导中，为了提高光的封闭效果，将具有周期极化反转构造的非线性光学结晶的第一基板和具有比该第一基板的折射率小的折射率的第二基板贴合来制作波长转换元件。此外，在专利文献1中记载有：为了避免因粘接剂的劣化、温度变化引起的裂纹，将与第一基板同种的非线性光学结晶用作第二基板，对第一基板和第二基板加热使其扩散接合。

已知具备波长转换元件的波长转换装置在实用上将波长转换元件与合波器和分波器一起收纳于具备能进行光的输入输出的输入输出端口的金属壳体内而使用，以使其特性不因使用环境的变化而劣化。而且波长转换元件的波长转换效率具有温度依赖性，为使其波长转换效率最大化，需要控制波长转换元件的温度。因此，波长转换装置还将温度控制元件收纳于金属壳体的内部。

图2是表示在图1的波长转换装置10的构成的基础上进一步具备金属壳体29和温度控制元件26的波长转换装置20的构成例的图。图2所示的波长转换装置的构成除了图1所示的构成以外，还具备金属壳体29、温度控制元件26、上部构件27以及金属壳体底面构件28。金属壳体29在侧面具备用于进行光的输入输出和电信号的输入输出的输入端口200和输出端口201，该电信号用于温度控制。上部构件27是用于将包括光波导芯11和基板12的波长转换元件13的整体的温度均匀地控制的金属构件。温度控制元件26夹插于上部构件27与金属壳体底面构件28之间。需要说明的是，光波导芯11、基板12、波长转换元件13、合波器14、分波器15、信号光1a、差频光1c与图1的说明中的内容相同，因此省略其说明。

此外，在将使用了铁电体结晶材料的波长转换元件用于波长转换装置的情况下，因具有短波长的光的照射而发生波长转换元件的折射率变化而特性降低的被称为光损伤的现象。作为抑制因该光损伤造成的影响的方法，提出有在高温下使用波长转换元件的方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3753236号公报

技术实现要素：

发明所要解决的问题

为了使波长转换元件在高温下工作，考虑了使用加热器等热源来加热波长转换元件的方法。例如，在图2所示的波长转换装置20中，需要高精度且高速地进行波长转换元件13的温度控制，因此使用珀耳帖(peltier)元件作为温度控制元件26。在使用珀耳帖元件将波长转换元件13的温度设定为高温的情况下，以下说明的事项将成为问题。

在此，珀耳帖元件是利用当电流流过珀耳帖元件时在一方的面产生吸热同时在另一方的面产生放热的效果的元件。因此，在将波长转换元件13的温度设定为比波长转换元件13的周围的温度高的情况下，假定在大气环境下在吸热侧发生结露。当因该结露而产生的水滞留在珀耳帖元件的内部、导线电极附近时，接合珀耳帖元件和导线电极的焊料被水腐蚀，珀耳帖元件和导线电极电气断线而破损。或者在因结露而产生的水与多个电极接触的情况下，因电极间的电位差，焊料的成分经由水而反复进行阳极溶出和阴极析出，其结果是，多个电极短路，波长转换元件13故障。因此，为了实现可靠性高的波长转换装置20，需要在不含水的干燥气体气氛中对波长转换装置20进行气密密封。

但是，当在干燥气体气氛中对波长转换装置20进行气密封止时，在波长转换装置20中不存在大气离子，因此无法中和在使波长转换元件13的温度变化时因作为铁电体(ferroelectric)的基板12的热电效应而产生的基板12上的表面电荷。此时，产生基板12的折射率分布。而且，基板12的表面处的因热电效应而产生的表面电荷的变化也对光波导芯11的内部造成影响，使光波导芯11的内部的电荷密度产生不均匀的分布。因此，在光波导芯11的内部也产生不均匀的折射率分布。其结果是，存在在光波导芯11中满足相位匹配条件的波长变化，进行了波长转换的差频光1c的输出功率降低这样的问题。

用于解决问题的方案

本发明是为了解决上述问题而完成的。本发明的一实施方式是一种波长转换装置，其在输入信号光时，产生不同于信号光的波长的光，该波长转换装置具备：波长转换元件，转换信号光的波长；以及温度控制元件，用于控制波长转换元件的温度。在此，波长转换元件和温度控制元件被封闭在金属壳体的内部，金属壳体的内部充填有包含选自氮气、氧气、氩气或氦气的一种以上的干燥气体，波长转换元件包括光波导芯和基板，该基板对于信号光具有比光波导芯低的折射率，基板是自发极化的方向呈随机的铁电体。

发明效果

根据本发明，能提供一种波长转换装置，其能抑制因在使包括铁电体基板的波长转换元件的温度变化时产生的热电效应导致的、进行了波长转换的光的输出功率的降低。

附图说明

图1是表示通过准相位匹配技术产生差频的以往的波长转换装置10的基本构成例的图。

图2是表示在图1的波长转换装置10的构成的基础上还具备金属壳体29和温度控制元件26的波长转换装置的构成例的图。

图3是表示作为本发明的一实施方式的波长转换器30的构成的图。

图4是表示将基板32在干燥氮气气氛中不以650℃加热两小时的情况下的波长转换装置30的相位匹配特性的曲线图。

图5是表示将基板32在干燥氮气气氛中以650℃加热两小时的情况下的波长转换装置30的相位匹配特性的曲线图。

具体实施方式

对本发明的一实施方式的波长转换装置的动作原理进行说明。本发明的一实施方式的波长转换装置使用铁电体结晶来作为波长转换元件的脊形光波导的下部即基板。将该基板在居里温度以上加热一次后冷却。通过该加热和冷却处理，在作为电介质结晶的基板中随机产生与加热前的极化方向不同方向的极化，因此铁电体的极化方向不再单一。在极化方向不单一且具有随机的极化方向的铁电体结晶中，因各个不同方向的极化而产生的电场在铁电体结晶的内部相互抵消，因此其结果是，与具有单一极化方向的铁电体结晶相比热电效应小。

即，加热前的基板在宏观和微观上自发极化的方向在一定的方向上一致，加热后的基板在畴(domain)内产生自发极化的方向随机的部分。上述的与单一极化的铁电体结晶相比热电效应小的效果是通过基板的构造变化来实现的。

在该加热和冷却处理的前后，虽然作为基板的特性的压电性、电致伸缩性(electrostrictivecharacteristics)、非线性光学特性受损，但是具有会对进行了波长转换的光的输出功率造成影响的基板的折射率、透射率、线膨胀系数几乎不变这样的技术特征。因具有该技术特征，作为本发明的一实施方式的波长转换装置即使在干燥气体气氛中也能一边抑制基板的热电效应一边使用。

(实施例)

图3是表示作为本发明的一实施方式的波长转换器30的构成的图。波长转换器30是当从输入端口300输入波长1550nm的基本波作为信号光1a时，从输出端口301输出具有作为其二次谐波的波长(775nm)的进行了波长转换的信号光3c的波长转换装置。图3所示的波长转换装置30的构成与图2所示的波长转换装置20相同。不同点在于波长转换元件33的基板32采用了极化方向不单一而是随机的极化方向的铁电体结晶。

首先，对波长转换装置30的构成进行说明。波长转换装置30具备：合波器14，对信号光1a和控制光(未图示)进行合波；波长转换元件33，包括光波导芯31和基板32；以及分波器15，对进行了波长转换的信号光3c和控制光(未图示)进行分波。以对这些要素进行密封的方式具备金属壳体，该金属壳体包括金属壳体的第一部分39a、金属壳体的第二部分39b，在金属壳体的内部还具备温度控制元件26、上部构件27以及金属壳体底面构件28。

包括金属壳体的第一部分39a、金属壳体的第二部分39b的金属壳体在侧面具备用于进行光的输入输出和电信号的输入输出的输入端口300和输出端口301，该电信号用于温度控制。需要说明的是，合波器14、分波器15、信号光1a与图1的说明中的内容相同，因此省略其说明。

光波导芯31是使信号光1a选择性地透过其内部，而不使信号光1a的强度损失的光波导。光波导芯31的构造只要是具有在输入了信号光1a的波长时输出具有与信号光1a不同的波长的进行了波长转换的信号光3c的功能的构造即可，没有特别限定。上述构造是二次非线性常数沿光的行进方向周期性地或以被赋予规定的调制的周期进行变化，针对单一的波长或多个波长实现准相位匹配的构造，例如也可以采用多qpm元件。

基板32作为铁电体，是对信号光1a透明、即不产生光吸收的基板。基板32在构成脊形光波导时，作为对光波导芯31的下包层而发挥功能，对于信号光1a、控制光(未图示)以及进行了波长转换的信号光3c，折射率需要低于光波导芯31。

作为基板32所采用的铁电体材料，优选的是linbo3、knbo3(铌酸钾)、litao3(钽酸锂)、linb(x)ta(1－x)o3(0≤x≤1)(不定比组成的钽酸锂)或ktiopo4(钛磷酸钾)，还在它们中含有选自mg(镁)、zn(锌)、sc(钪)、in(铟)的至少一种作为添加物。

金属壳体是将金属壳体的第一部分39a与金属壳体的第二部分39b接合，以保持内部的气密的方式密闭的金属壳体。

上部构件27是用于将包括光波导芯31和基板32的波长转换元件33的整体的温度均匀地控制的金属构件。

在此，为了抑制因由温度控制元件26的温度变化而产生的热应力引起的上部构件27和金属壳体底面构件28的变形，上部构件27和金属壳体底面构件28的线膨胀系数优选为与温度控制元件26的线膨胀系数大致相等。具体而言，上部构件27的线膨胀系数优选为10×10^-6/k以上20×10^-6/k以下。

此外，上部构件的材料优选为包括选自不锈钢、铜钼钢、碳素钢、铬钼钢、铜、磷脱酸铜、无氧铜、磷青铜或黄铜的一种以上的金属。在本实施例中，使用无氧铜作为上部构件27。

金属壳体底面构件28是机械强度高，且为了将因温度控制元件26产生的发热和吸热效果高效地传递至波长转换元件33而具有高热传导率的构件。

金属壳体底面构件28的线膨胀系数优选为4×10^-6/k以上12×10^-6/k以下。

而且，上部构件27和金属壳体底面构件28的线膨胀系数都设定为与温度控制元件26的线膨胀系数大致相等，由此，能进一步抑制因热应力引起的上部构件27和金属壳体底面构件28的变形。即，金属壳体底面构件28的线膨胀系数的值的范围更优选为与上部构件27的线膨胀系数的值的范围大致相等。

此外，金属壳体底面构件的材料优选包括选自钨、钼、可伐合金(kovar)、铜钨钢、不锈钢或铜钼钢的一种以上的金属。在本实施例中，使用不锈钢作为金属壳体底面构件28。

温度控制元件26夹插于上部构件27与金属壳体底面构件28之间。温度控制元件26是珀耳帖元件。而且，为了能将发热和吸热效果高效地传递至上部构件27和金属壳体底面构件28，作为它们的接合方法，能采用焊料接合、利用导电性粘接剂的接合以及其他公知的接合方法。

干燥气体302是填充在金属壳体的内部不含水的气体。即，如图3所示，干燥气体302是密封在金属壳体中的波长转换元件33、温度控制元件26、上部构件27以及金属壳体底面构件28的周围的气氛。

干燥气体302优选包含选自氮气、氧气、氩气或氦气的一种以上。在本实施例中，使用干燥氮气作为干燥气体302。

接着，对波长转换装置30的作制方法进行说明。预先对基板32进行加热和冷却处理。作为基板32，将厚度0.5mm的litao3的结晶投入电炉，在干燥氮气气氛中以650℃一边维持温度一边加热两小时。在该加热后，进行冷却而使基板32的温度下降到室温。

通过实施该加热和冷却处理，在作为基板32的litao3的结晶中，自发极化的方向成为随机。其结果是，在基板32的内部，因随机的极化产生的电场相互抵消，与单一方向极化的情况相比热电效应小，能使基板32的表面电荷密度减小。

使用该铁电体的基板32作为脊形光波导的下部，通过干法刻蚀在基板32上形成基于5μm见方的ppln的光波导芯31。

将像以上那样制作的波长转换元件33固定在上部构件27上，在上表面开口的金属壳体的第一部分39a的内侧固定收纳上部构件27、金属壳体底面构件28，并且在它们之间夹插温度控制元件26。固定后，在干燥氮气气氛中对金属壳体的第一部分39a和金属壳体的第一部分39b进行缝焊，由此进行金属壳体的气密密封。因缝焊而产生的结合部位为39e。

图4和图5分别是表示预先将基板32在干燥氮气气氛中不以650℃加热两小时的情况下(图4)和加热两小时的情况下(图5)的波长转换装置30的相位匹配特性的曲线图。在图4和图5中，横轴表示从波长转换装置30输出的进行了波长转换的信号光3c的波长，纵轴表示它们的输出功率。

在图4中可知，由于因基板32的热电性导致的基板32的折射率变化，在光波导芯31中相位匹配条件在局部上不被满足，大幅偏离由作为理论上的相位匹配曲线的sinc函数表示的特性，波长转换效率降低。与此相对，如图5所示，可知在将施加了加热处理的基板32作为波长转换元件的基板而应用的情况下，与图4所示的不对基板32施加加热和冷却处理的情况的相位匹配特性相比，更好地抑制了热电效应的影响，其相位匹配曲线的形状接近理想的sinc函数，能得到高的波长转换效率。

附图标记说明：

1a信号光；

1b控制光；

1c差频光；

3c进行了波长转换的信号光；

10、20、30波长转换装置；

11、31光波导芯；

12、32基板；

13、33波长转换元件；

14合波器；

15分波器；

26温度控制元件；

27上部构件；

28金属壳体底面构件；

29金属壳体；

39a金属壳体的第一部分；

39b金属壳体的第二部分；

39e金属壳体的第一部分和金属壳体的第二部分的接合部；

200、300输入端口；

201、301输出端口；

302干燥气体。