JP2005215060A

JP2005215060A - Wavelength conversion element and its manufacturing method

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Publication number: JP2005215060A
Application number: JP2004018645A
Authority: JP
Inventors: Hideshi Kubota; 英志久保田; Yoshiki Nishida; 好毅西田; Masao Yube; 雅生遊部; Hiroshi Miyazawa; 弘宮澤; Osamu Tadanaga; 修忠永; Hiroyuki Suzuki; 博之鈴木; Kaoru Yoshino; 薫吉野; Junji Yumoto; 潤司湯本; Tsutomu Yanagawa; 勉柳川; Katsuaki Magari; 克明曲
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2005-08-11

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form an overclad layer which is compatible with a substrate in terms of material and has proper optical characteristics. <P>SOLUTION: A wavelength conversion element includes a ridge type optical waveguide in which a core 22 which is made of a material with nonlinear optical effect and has a cyclic polarization inversion structure is formed on the substrate 21, the overclad layer 23, which has a coefficient of thermal expansion 0.75 to 1.5 time as large as that of the substrate 21 and also has a smaller refractive index than the core 22, is formed on the surface being not in contact with the substrate of the core 22. The overclad layer is formed of an oxide, concretely, made into an MgO film. Further, the difference from the refractive index difference from the core is large, the majority of a light electric field is confined in the core layer, and mode overlap integration of signal light and control light becomes large, so the conversion efficiency of the wavelength conversion element can be increased. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、波長変換素子およびその製造方法に関し、より詳細には、非線形光学媒質中で生じる第二高調波発生、差周波発生または和周波発生効果を用いて信号光の波長を異なる波長に変換する波長変換素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a wavelength conversion element and a method for manufacturing the same, and more specifically, converts the wavelength of signal light to a different wavelength using a second harmonic generation, difference frequency generation, or sum frequency generation effect generated in a nonlinear optical medium. The present invention relates to a wavelength conversion element and a manufacturing method thereof.

従来、レーザ光源は、波長分割多重方式または時分割多重方式を利用した光通信システム、光磁気ディスクなどの高密度記録媒体、医療、計測分野における測定器などに用いられている。これらレーザ光源に必要とされる波長は、赤外から可視光領域まで広範囲にわたっている。そこで、半導体レーザ、固体レーザ、ガスレーザでは得られない波長のレーザ光源を実現するために、結晶の非線形光学効果を利用した波長変換素子が開発されてきた（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, laser light sources are used in optical communication systems using wavelength division multiplexing or time division multiplexing, high-density recording media such as magneto-optical disks, and measuring instruments in the medical and measurement fields. The wavelengths required for these laser light sources are in a wide range from infrared to visible light. Therefore, in order to realize a laser light source having a wavelength that cannot be obtained by a semiconductor laser, a solid-state laser, or a gas laser, a wavelength conversion element using a nonlinear optical effect of a crystal has been developed (for example, see Patent Document 1).

波長変換素子においては、効率良く波長変換を行うために、信号光と制御光との位相整合が重要である。そこで、設計の自由度があり、かつ、高い変換効率を期待できる周期的な分極反転構造を用いた擬似位相整合技術が広く利用されている。一方、この波長変換素子の構造として、バルク型と導波路型とが知られている。導波路型は、小型化が容易であり、光の効率的な閉じ込めによる効率改善が進められたことにより、広く用いられている。導波路型の代表的な構造として、リッジ型導波路構造が用いられている。 In a wavelength conversion element, phase matching between signal light and control light is important for efficient wavelength conversion. Therefore, a quasi-phase matching technique using a periodic domain-inverted structure that has a degree of design freedom and can be expected to have high conversion efficiency is widely used. On the other hand, a bulk type and a waveguide type are known as the structure of the wavelength conversion element. The waveguide type is easy to miniaturize and is widely used due to the progress of efficiency improvement by efficient confinement of light. A ridge-type waveguide structure is used as a typical waveguide-type structure.

リッジ型導波路は、図１に示したように、基板１１上に導波路パターンに応じて形成されたコア１２を有しており、ステップ型の屈折率分布を有する。コア１２は、基板１１に接していない３つの側面が空気層に接している。リッジ型導波路の利点は、コア１２の上部および側部に同屈折率の空気層を含むオーバークラッド層を形成することができるので、導波光の光電界分布形状が真円になる。オーバークラッド層の屈折率を制御することにより、信号光と制御光のモードの重なり積分を大きくして、波長変換効率を上げることができる。 As shown in FIG. 1, the ridge-type waveguide has a core 12 formed on the substrate 11 in accordance with the waveguide pattern, and has a step-type refractive index distribution. The core 12 has three side surfaces not in contact with the substrate 11 in contact with the air layer. The advantage of the ridge-type waveguide is that an over clad layer including an air layer having the same refractive index can be formed on the upper part and the side part of the core 12, so that the optical electric field distribution shape of the guided light becomes a perfect circle. By controlling the refractive index of the over cladding layer, the overlap integral between the modes of the signal light and the control light can be increased, and the wavelength conversion efficiency can be increased.

従来、このリッジ型導波路は、基板１１としてＬｉＮｂＯ_３（以後、ＬＮと略す）またはＬｉＴａＯ_３（以後、ＬＴと略す）を用いて、以下のように作製されている。最初に、次の４通りのいずれかの方法により、コア層を形成する。（１）ＬＮ、ＬＴ単結晶基板上に液相エピタキシャル（ＬＰＥ）法によりコア層を成膜する。（２）ＬＮ、ＬＴ単結晶基板へのＴｉ拡散技術により、基板よりも屈折率の高いコア層を形成する。（３）ＬＮ、ＬＴ単結晶基板にプロトン交換を行うことにより、基板よりも屈折率の高いコア層を形成する。（４）異種材料基板（ＬＮ、ＬＴよりも屈折率が小さい材料）に薄いＬＮ、ＬＴ結晶基板を張り合わせて接合し、コア層にする。次に、コア層にフォトリソグラフィーにより導波路パターンを形成し、ドライエッチング法によりコア層側面を加工して、リッジ型導波路を作製する。 Conventionally, this ridge-type waveguide is manufactured as follows using LiNbO ₃ (hereinafter abbreviated as LN) or LiTaO ₃ (hereinafter abbreviated as LT) as the substrate 11. First, the core layer is formed by any of the following four methods. (1) A core layer is formed on a LN or LT single crystal substrate by a liquid phase epitaxial (LPE) method. (2) A core layer having a refractive index higher than that of the substrate is formed by a Ti diffusion technique to the LN and LT single crystal substrates. (3) A core layer having a higher refractive index than that of the substrate is formed by performing proton exchange on the LN and LT single crystal substrates. (4) A thin LN / LT crystal substrate is bonded to and bonded to a dissimilar material substrate (material having a refractive index smaller than that of LN / LT) to form a core layer. Next, a waveguide pattern is formed on the core layer by photolithography, and the side surface of the core layer is processed by a dry etching method to produce a ridge-type waveguide.

しかしながら、（１）のＬＰＥ法では、コア層の液相結晶成長に用いるフラックス中に含まれるＶ族元素が、光損傷を起こして素子特性を劣化させるという問題があった。（２）のＴｉ拡散法においても、Ｔｉ元素が光損傷を起こして素子特性を劣化させる。そこで、ＬＮ、ＬＴ結晶を用いた波長変換素子用のリッジ型導波路作製には、（３）のプロトン交換法および（４）の基板接合技術が用いられてきた。 However, the LPE method (1) has a problem that the group V element contained in the flux used for the liquid phase crystal growth of the core layer causes optical damage and deteriorates device characteristics. Also in the Ti diffusion method (2), the Ti element causes optical damage and deteriorates the device characteristics. Accordingly, the proton exchange method (3) and the substrate bonding technique (4) have been used to fabricate a ridge-type waveguide for wavelength conversion elements using LN and LT crystals.

特開２００２−３２８４０５号公報JP 2002-328405 A

リッジ型光導波路は、コア１２の上部および側部が空気層（屈折率が１）であっても、動作することができる。しかし、実用上の問題点として、コア層を剥き出しにしていると、コア材質の経時変化が生じる。また、光導波路の端面にＡＲコートなどの膜を形成するために必要な耐機械的強度を考慮すると、保護膜を兼ねたオーバークラッド層を形成する必要がある。 The ridge-type optical waveguide can operate even when the upper and side portions of the core 12 are air layers (refractive index is 1). However, as a practical problem, when the core layer is exposed, the core material changes with time. In consideration of the mechanical strength required for forming a film such as an AR coat on the end face of the optical waveguide, it is necessary to form an over clad layer that also serves as a protective film.

オーバークラッド層の材料としては、例えば、ＬＮ，ＬＴ結晶を基板（アンダークラッド層）に用いた場合、同一組成から成るＬｉＮｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１−ｘ）}Ｏ_３（０＜ｘ＜１）が最適材料であり、ＬＰＥ法によりエピタキシャル成長させることが望ましい。しかし、上述したＬＰＥ法における問題が解決されていないので、ＬＰＥ法によるオーバークラッド層の形成は実用化に至っていない。 As the material of the over clad layer, for example, when an LN or LT crystal is used for a substrate (under clad layer), LiNb _(x) Ta _(1-x) O ₃ (0 <x <1) having the same composition is used. It is an optimal material and is desirably epitaxially grown by the LPE method. However, since the problem in the LPE method described above has not been solved, the formation of the over clad layer by the LPE method has not been put into practical use.

一方、図２に示したように、基板１１に異種材料をオーバークラッド層１３として形成する場合には、オーバークラッド層１３の材料と基板１１との材料的相性および光学的特性の適性が問題となる。すなわち、材料的相性に関しては、基板１１と化学的に反応して不純物混入、機械的脆弱化を起こさないことが必要である。また、厚膜のオーバークラッド層１３を形成した場合に、基板１１との熱膨張係数の違いにより、図２に示したように、オーバークラッド層１３に圧縮応力が生じたり（図２（ａ））、オーバークラッド層１３に引張応力が生じる（図２（ｂ））。オーバークラッド層１３としてＳｉＯ_２を用いると、図２（ａ）に示した圧縮応力が生じる。この応力によって、導波路の反り、破壊、屈折率のズレを起こさないようにすることが必要である。 On the other hand, as shown in FIG. 2, when a different material is formed on the substrate 11 as the overcladding layer 13, the material compatibility between the material of the overcladding layer 13 and the substrate 11 and the suitability of the optical characteristics are problematic. Become. In other words, regarding the material compatibility, it is necessary to react chemically with the substrate 11 so as not to cause impurity contamination and mechanical weakening. Further, when the thick overcladding layer 13 is formed, a compressive stress is generated in the overcladding layer 13 as shown in FIG. 2 due to the difference in thermal expansion coefficient from the substrate 11 (FIG. 2A). ), Tensile stress is generated in the over clad layer 13 (FIG. 2B). When SiO ₂ is used as the overcladding layer 13, the compressive stress shown in FIG. It is necessary to prevent the waveguide from warping, breaking, and refractive index deviation due to this stress.

また、光学的特性に関しては、オーバークラッド層に漏れて導波する光の吸収、散乱が生じないこと、適当な屈折率を有することによりコア層中の導波光モードが制御できることなどが挙げられる。しかしながら、このような材料的相性がよく、光学的特性が適性なオーバークラッド層を実現することが難しいという問題があった。 As for optical characteristics, there are no absorption and scattering of light that leaks into the overcladding layer, and that the guided light mode in the core layer can be controlled by having an appropriate refractive index. However, there is a problem that it is difficult to realize an over clad layer having such a good material compatibility and suitable optical characteristics.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、材料的相性がよく、光学的特性が適性なオーバークラッド層を含む高効率の波長変換素子およびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a highly efficient wavelength conversion element including an over clad layer having good material compatibility and suitable optical characteristics, and a method for manufacturing the same. Is to provide.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有するコアが、基板上に形成されたリッジ型の光導波路を含む波長変換素子において、前記コアの前記基板に接していない面に、前記基板の熱膨張係数の０．７５倍から１．５倍の熱膨張係数を有し前記コアより屈折率が小さいオーバークラッド層を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the present invention, the invention according to claim 1 is a ridge formed of a material having a nonlinear optical effect, wherein a core having a periodically poled structure is formed on a substrate. In a wavelength conversion element including a type optical waveguide, a surface of the core that is not in contact with the substrate has a thermal expansion coefficient of 0.75 to 1.5 times that of the substrate, and is refracted from the core. It has an over clad layer with a low rate.

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記オーバークラッド層は、酸化物であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, the over clad layer according to the first aspect is an oxide.

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の前記酸化物は、ＭｇＯであることを特徴とする。 A third aspect of the invention is characterized in that the oxide of the second aspect is MgO.

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の前記オーバークラッド層は、フッ化物であることを特徴とする。 The invention according to claim 4 is characterized in that the over clad layer according to claim 1 is a fluoride.

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の前記フッ化物は、ＭｇＦ_２またはＣａＦ_２であることを特徴とする。 The invention according to claim 5 is characterized in that the fluoride according to claim 4 is MgF ₂ or CaF ₂ .

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の前記非線形光学効果を有する材料は、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴａＯ_３、ＬｉＮｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１−ｘ）}Ｏ_３（０＜ｘ＜１）、ＫＮｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１−ｘ）}Ｏ_３（０＜ｘ＜１）、Ｂａ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５、ＢａＴｉＯ_３のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, the material having the nonlinear optical effect according to any one of the first to fifth aspects is LiNbO ₃ , KNbO ₃ , LiTaO ₃ , KTaO ₃ , LiNb _(x) Ta _{(1-x )} O ₃ (0 <x <1), KNb _(x) Ta _(1-x) O ₃ (0 <x <1), Ba ₂ NaNb ₅ O ₁₅ , BaTiO ₃ , or Mg And at least one selected from the group consisting of Zn and Sc as an additive.

請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の前記コアの矩形断面は、１０μｍ×１０μｍ以下であることを特徴とする。 The invention according to claim 7 is characterized in that the rectangular cross section of the core according to any one of claims 1 to 6 is 10 μm × 10 μm or less.

請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の前記オーバークラッド層の厚さは、１μｍ以上３０μｍ以下の厚膜であることを特徴とする。 The invention according to claim 8 is characterized in that the over clad layer according to any one of claims 1 to 7 is a thick film having a thickness of 1 μm to 30 μm.

請求項９に記載の発明は、請求項１ないし８のいずれかに記載の前記オーバークラッド層の外側に、酸化物、フッ化物または有機物のいずれかから成る保護膜が形成されていることを特徴とする。 The invention described in claim 9 is characterized in that a protective film made of any one of oxide, fluoride, or organic substance is formed outside the over clad layer according to any one of claims 1 to 8. And

請求項１０に記載の発明は、非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有するコアが形成されたリッジ型の光導波路を含む波長変換素子の製造方法において、前記非線形光学効果を有する材料からなり、前記周期的な分極反転構造を有する第１の基板と第２の基板とを、熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第１の工程と、前記第１の基板を、前記コアを形成するための所定の厚さに研磨する第２の工程と、前記第１の基板を切削して前記コアを形成し、リッジ型の光導波路を作製する第３の工程と、前記コアの前記第１の基板に接していない面に、ＭｇＯからなる組成のオーバークラッド層を形成する第４の工程とを備えたことを特徴とする。 The invention according to claim 10 is a method of manufacturing a wavelength conversion element including a ridge-type optical waveguide made of a material having a nonlinear optical effect and formed with a core having a periodic polarization inversion structure. A first step of bonding the first substrate having the periodic domain-inverted structure and the second substrate by diffusion bonding by heat treatment; and A second step of polishing to a predetermined thickness for forming; a third step of cutting the first substrate to form the core to produce a ridge-type optical waveguide; And a fourth step of forming an overcladding layer made of MgO on the surface not in contact with the first substrate.

請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の前記第４の工程は、スパッタリング法、イオンプレーティング法、電子ビーム蒸着法、熱分解ＣＶＤ法、ゾル・ゲル法の少なくともいずれかにより、前記オーバークラッド層を形成することを特徴とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, the fourth step according to the tenth aspect is performed by at least one of a sputtering method, an ion plating method, an electron beam evaporation method, a thermal decomposition CVD method, and a sol-gel method. The over clad layer is formed.

請求項１２に記載の発明は、請求項１０または１１に記載の前記第４の工程は、前記リッジ型の光導波路を４００〜７００℃の大気中で後処理し、光学的特性を改善することを特徴とする。 According to a twelfth aspect of the present invention, in the fourth step according to the tenth or eleventh aspect, the ridge-type optical waveguide is post-treated in the atmosphere of 400 to 700 ° C. to improve optical characteristics. It is characterized by.

以上説明したように、本発明によれば、コアの基板に接していない面に、基板の熱膨張係数の０．７５倍から１．５倍の熱膨張係数を有しコアより屈折率が小さいオーバークラッド層を有するので、基板との材料的相性がよく、十分な強度を有し、光学的特性が適性な高効率の波長変換素子を提供することが可能となる。 As described above, according to the present invention, the surface of the core that is not in contact with the substrate has a thermal expansion coefficient that is 0.75 to 1.5 times the thermal expansion coefficient of the substrate, and has a lower refractive index than the core. Since the overcladding layer is provided, it is possible to provide a highly efficient wavelength conversion element having good material compatibility with the substrate, sufficient strength, and suitable optical characteristics.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明では、波長変換素子に用いるリッジ型光導波路のコア周辺部に、基板の熱膨張係数の０．７５倍から１．５倍の熱膨張係数を有しコアより屈折率が小さいオーバークラッド層を形成する。このような組成のオーバークラッド層として、例えばＭｇＯ膜がある。ＭｇＯ膜は、安定な酸化物であるので、コア材料との化学反応、成分原子の相互拡散を起こさないという利点を有する。コア材料と反応し、Ｍｇがコア側に拡散したとしても、ＬＮ，ＬＴの場合、光損傷を抑えるために予めドープしてあるＭｇ元素と一致するので、コアの光学特性を劣化させることはない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the present invention, an over clad layer having a thermal expansion coefficient of 0.75 to 1.5 times the thermal expansion coefficient of the substrate and having a smaller refractive index than that of the core is formed around the core of the ridge type optical waveguide used for the wavelength conversion element. Form. An example of an overcladding layer having such a composition is an MgO film. Since the MgO film is a stable oxide, it has an advantage that it does not cause chemical reaction with the core material and mutual diffusion of component atoms. Even if it reacts with the core material and Mg diffuses to the core side, in the case of LN and LT, it matches the Mg element that has been doped in advance to suppress optical damage, so the optical characteristics of the core are not deteriorated. .

また、上述したオーバークラッド層として、フッ化物を用いることもできる。具体的には、ＭｇＦ_２またはＣａＦ_２である。これらフッ化物も、コア材料との化学反応、成分原子の相互拡散を起こさないという点で有利である。 Moreover, a fluoride can also be used as the above-described over clad layer. Specifically, it is MgF ₂ or CaF ₂ . These fluorides are also advantageous in that they do not cause chemical reaction with the core material and mutual diffusion of component atoms.

ＭｇＯ膜のオーバークラッド層の熱膨張係数は、１３．８〜１４．７×１０^−６／℃である。ＬＮ，ＬＴ基板の表面に平行な方向の熱膨張係数が１４．４〜１５．９×１０^−６／℃であるから、両者をほぼ一致させることができる。オーバークラッド層の熱膨張係数が、基板の熱膨張係数の０．７５倍から１．５倍であれば、導波路の反り、破壊などは起こらない。従って、オーバークラッド層として少なくとも１μｍ以上の厚膜を形成しても、圧縮／引張応力は発生せず、反りや破壊は起こらない。なお、オーバークラッド層の厚さは、光の閉じ込め効果と反りの観点から、１μｍ以上３０μｍ以下であることが望ましく、より好ましくは、５μｍ以上２０μｍ以下であり、１０μｍ前後が最適である。 The thermal expansion coefficient of the over clad layer of the MgO film is 13.8 to 14.7 × 10 ⁻⁶ / ° C. Since the thermal expansion coefficient in the direction parallel to the surfaces of the LN and LT substrates is 14.4 to 15.9 × 10 ⁻⁶ / ° C., the two can be substantially matched. If the thermal expansion coefficient of the over clad layer is 0.75 to 1.5 times the thermal expansion coefficient of the substrate, the waveguide is not warped or broken. Therefore, even if a thick film of at least 1 μm or more is formed as the over clad layer, no compressive / tensile stress is generated, and no warping or breakage occurs. The thickness of the over clad layer is desirably 1 μm or more and 30 μm or less, more preferably 5 μm or more and 20 μm or less, and optimally around 10 μm from the viewpoint of light confinement effect and warpage.

非線形光学効果を有する材料は、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴａＯ_３、ＬｉＮｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１−ｘ）}Ｏ_３（０＜ｘ＜１）、ＫＮｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１−ｘ）}Ｏ_３（０＜ｘ＜１）、Ｂａ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５、ＢａＴｉＯ_３のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有している。このような非線形光学結晶を用いたコアは、屈折率２．０〜２．５である。オーバークラッド層の屈折率は、およそ１．７５を有しているので、屈折率差が大きい。この結果、光電界の大部分はコア層に閉じ込められて、信号光と制御光のモードの重なり積分が大きくなるので、波長変換素子の変換効率を上げることができる。 Materials having nonlinear optical effects are LiNbO ₃ , KNbO ₃ , LiTaO ₃ , KTaO ₃ , LiNb _(x) Ta _(1-x) O ₃ (0 <x <1), KNb _(x) Ta _(1-x) O ₃ (0 <x <1), Ba ₂ NaNb ₅ O ₁₅ , or BaTiO ₃ , or contains at least one selected from the group consisting of Mg, Zn, and Sc as an additive . The core using such a nonlinear optical crystal has a refractive index of 2.0 to 2.5. Since the refractive index of the over clad layer is about 1.75, the refractive index difference is large. As a result, most of the optical electric field is confined in the core layer, and the overlap integral between the modes of the signal light and the control light is increased, so that the conversion efficiency of the wavelength conversion element can be increased.

ＭｇＯの結晶構造は立方晶であるため、膜の結晶方位に依らずオーバークラッド層の屈折率の異方性が無くなるので、導波光の曲がり、散乱を無くすことができる。また、成膜時の条件によりオーバークラッド層に光の吸収、散乱が生じる場合がある。そこで、オーバークラッド層を４００〜７００℃の高温大気中で後処理することにより、吸収、散乱を無くし、光学的特性を改善することができる。 Since the crystal structure of MgO is cubic, the anisotropy of the refractive index of the over clad layer is eliminated regardless of the crystal orientation of the film, so that bending and scattering of guided light can be eliminated. Moreover, light absorption and scattering may occur in the over clad layer depending on the conditions during film formation. Therefore, post-treatment of the overcladding layer in a high-temperature atmosphere at 400 to 700 ° C. can eliminate absorption and scattering and improve optical characteristics.

ＭｇＯの欠点は、長期的に見ると水分を吸収して劣化することである。そこで、オーバークラッド層の外側に別種材料、酸化物、フッ化物または有機物の保護膜を形成することにより、この問題を解決することができる。 The disadvantage of MgO is that it degrades by absorbing moisture over the long term. Therefore, this problem can be solved by forming a protective film of another kind of material, oxide, fluoride or organic matter outside the over clad layer.

図３に、本発明の一実施形態にかかるリッジ型導波路の製造方法を示す。厚さ５００μｍのＬＴ単結晶板２１に、厚さ３００μｍ、Ｚ軸方位のＬＮ単結晶板２２を重ね、真空中４００℃において１時間熱処理し、拡散接合によって貼り合わせる（図３（ａ））。ＬＮ単結晶板２２はコア層、ＬＴ単結晶板２１アンダークラッド層として機能する。なお、ＬＮ結晶板２２には、可視光波長帯において波長変換が可能となるように、周期的な分極反転構造が形成されている。次に、ＬＮ結晶板２２を厚さ５μｍまで研磨する（図３（ｂ））。さらに、ドライエッチングプロセスにより、導波路パターンを形成し、導波路幅が５μｍのリッジ型導波路に加工する（図３（ｃ））。このリッジ型導波路は、コアの矩形断面を５μｍ×５μｍ以下と小さくすることにより、オーバークラッド層を形成しなくてもシングルモード伝播が可能となる。 FIG. 3 shows a method for manufacturing a ridge-type waveguide according to an embodiment of the present invention. The LT single crystal plate 21 having a thickness of 500 μm and the LN single crystal plate 22 having a Z axis orientation of 300 μm are stacked, heat-treated in a vacuum at 400 ° C. for 1 hour, and bonded together by diffusion bonding (FIG. 3A). The LN single crystal plate 22 functions as a core layer and the LT single crystal plate 21 undercladding layer. The LN crystal plate 22 has a periodic domain-inverted structure so that wavelength conversion is possible in the visible light wavelength band. Next, the LN crystal plate 22 is polished to a thickness of 5 μm (FIG. 3B). Further, a waveguide pattern is formed by a dry etching process and processed into a ridge-type waveguide having a waveguide width of 5 μm (FIG. 3C). This ridge-type waveguide enables single mode propagation without forming an overcladding layer by reducing the rectangular cross section of the core to 5 μm × 5 μm or less.

このリッジ型導波路の上面および側面に保護膜を兼ねたオーバークラッド層として、ＭｇＯ膜をマグネトロンスパッタ法により成膜する。図４に、本発明の一実施形態にかかるスパッタ装置の構成を示す。加熱ヒータ付の基板ホルダー３１にリッジ型導波路が形成された基板３２を載置する。スパッタターゲット３３には、直径１２０ｍｍ、厚さ５ｍｍの高純度Ｍｇ金属円板を用い、リッジ導波路基板３２に対向するように配置する。 An MgO film is formed by magnetron sputtering as an overcladding layer that also serves as a protective film on the upper and side surfaces of the ridge-type waveguide. FIG. 4 shows a configuration of a sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention. A substrate 32 on which a ridge-type waveguide is formed is placed on a substrate holder 31 with a heater. The sputter target 33 is a high-purity Mg metal disk having a diameter of 120 mm and a thickness of 5 mm, and is disposed so as to face the ridge waveguide substrate 32.

なお、スパッタターゲット３３の裏側にはマグネット３４を固定して、スパッタターゲット３３を貫通する磁界により、電子のサイクロイド運動を生じさせる。スパッタターゲット３３前面のプラズマ密度を高めることにより、高速のスパッタ成膜を行う。リッジ導波路基板３２は、３００℃に加熱し、アルゴンスパッタガスに酸素ガスを加えることにより、ターゲットが酸化するスパッタモードにおいて、０．１μｍ／分の速度でＭｇＯ膜を成膜する。このようにして、透明で屈折率が１．７４、厚さ１０μｍ以上の配向性ＭｇＯ膜を形成する。 A magnet 34 is fixed on the back side of the sputter target 33, and a cycloid motion of electrons is generated by a magnetic field penetrating the sputter target 33. By increasing the plasma density on the front surface of the sputtering target 33, high-speed sputtering film formation is performed. The ridge waveguide substrate 32 is heated to 300 ° C. and oxygen gas is added to the argon sputtering gas to form an MgO film at a rate of 0.1 μm / min in the sputtering mode in which the target is oxidized. In this way, an oriented MgO film having a transparent refractive index of 1.74 and a thickness of 10 μm or more is formed.

なお、ＭｇＯ膜の成膜は、スパッタリング法のみならず、イオンプレーティング法、電子ビーム蒸着法などの物理的蒸着法、熱分解ＣＶＤ法、ゾル・ゲル法の化学的蒸着法のいずれかを用いても行うことができる。図５に、ＭｇＯ膜の成膜方法の比較結果を示す。成膜速度は、スパッタリング法を１とした相対速度で示した。また、成膜時のプロセスの簡便性と制御性、および成膜後の損傷の度合いについて相対的比較を行った結果である。 The MgO film is formed not only by a sputtering method but also by a physical vapor deposition method such as an ion plating method or an electron beam vapor deposition method, a thermal decomposition CVD method, or a chemical vapor deposition method such as a sol-gel method. Can be done. FIG. 5 shows a comparison result of the MgO film forming method. The film formation speed is shown as a relative speed with the sputtering method set to 1. Further, it is a result of a relative comparison of the simplicity and controllability of the process during film formation and the degree of damage after film formation.

図６に、本発明の一実施形態にかかる波長変換素子を示す。対向するスパッタターゲット３３の直径を１２ｃｍ程度とし、導波路断面を１０μｍ×１０μｍ以下に、より好ましくは、５μｍ×５μｍ以下にすることにより、リッジ導波路の側面にも厚いＭｇＯ膜２３が付着し、導波路を包み込むカバーリッジも良好となる。ＭｇＯ膜２３の結晶構造は立方晶であるため、屈折率の異方性の無い良好なクラッド層を形成することができる。また、ＭｇＯ膜２３は、成膜後に大気中で熱処理（４００〜７００℃）を行うことにより、オーバークラッド側に漏れて導波する光の吸収、散乱が生じないようにすることができる。なお、結晶性改善のために４００℃以上とする必要があるが、７００℃を超えると基板のワレが生じる場合がある。 FIG. 6 shows a wavelength conversion element according to an embodiment of the present invention. By setting the diameter of the facing sputtering target 33 to about 12 cm and the waveguide cross section to 10 μm × 10 μm or less, more preferably 5 μm × 5 μm or less, the thick MgO film 23 is attached to the side surface of the ridge waveguide, The cover ridge surrounding the waveguide is also good. Since the crystal structure of the MgO film 23 is a cubic crystal, it is possible to form a good cladding layer having no refractive index anisotropy. Further, the MgO film 23 can be prevented from absorbing and scattering light guided by leaking to the over clad side by performing heat treatment (400 to 700 ° C.) in the air after the film formation. In addition, although it is necessary to set it as 400 degreeC or more for crystallinity improvement, when it exceeds 700 degreeC, the crack of a board | substrate may arise.

図７に、保護膜を形成した波長変換素子を示す。オーバークラッド層とは別種材料である酸化物、フッ化物または有機物の保護膜２４を形成することにより、経年劣化の少ない良好な埋め込み型光導波路を作製することができる。 FIG. 7 shows a wavelength conversion element on which a protective film is formed. By forming the oxide, fluoride or organic protective film 24 which is a different kind of material from the over clad layer, it is possible to produce a good buried optical waveguide with little deterioration over time.

従来のリッジ型導波路の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the conventional ridge type waveguide. オーバークラッド層を形成したリッジ型導波路の反りを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the curvature of the ridge type waveguide in which the over clad layer was formed. 本発明の一実施形態にかかるリッジ型導波路の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the ridge type waveguide concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかるスパッタ装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the sputtering device concerning one Embodiment of this invention. ＭｇＯ膜の成膜方法の比較結果を示す図である。It is a figure which shows the comparison result of the film-forming method of a MgO film | membrane. 本発明の一実施形態にかかる波長変換素子を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the wavelength conversion element concerning one Embodiment of this invention. 保護膜を形成した波長変換素子を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the wavelength conversion element in which the protective film was formed.

符号の説明Explanation of symbols

１１基板
１２コア
１３オーバークラッド層
２１ＬＴ単結晶板
２２ＬＮ単結晶板
２３ＭｇＯ膜
２４保護膜
３１基板ホルダー
３２リッジ型導波路基板
３３スパッタターゲット
３４マグネット
３５スパッタ用電源 11 Substrate 12 Core 13 Overclad layer 21 LT single crystal plate 22 LN single crystal plate 23 MgO film 24 Protective film 31 Substrate holder 32 Ridge type waveguide substrate 33 Sputter target 34 Magnet 35 Power supply for sputtering

Claims

非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有するコアが、基板上に形成されたリッジ型の光導波路を含む波長変換素子において、
前記コアの前記基板に接していない面に、前記基板の熱膨張係数の０．７５倍から１．５倍の熱膨張係数を有し前記コアより屈折率が小さいオーバークラッド層を有することを特徴とする波長変換素子。 In a wavelength conversion element including a ridge-type optical waveguide in which a core having a periodically poled structure made of a material having a nonlinear optical effect is formed on a substrate,
An over clad layer having a thermal expansion coefficient of 0.75 to 1.5 times the thermal expansion coefficient of the substrate and having a smaller refractive index than the core is provided on a surface of the core that is not in contact with the substrate. And a wavelength conversion element.

前記オーバークラッド層は、酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。 The wavelength conversion element according to claim 1, wherein the over clad layer is an oxide.

前記酸化物は、ＭｇＯであることを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。 The wavelength conversion element according to claim 2, wherein the oxide is MgO.

前記オーバークラッド層は、フッ化物であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。 The wavelength conversion element according to claim 1, wherein the over clad layer is a fluoride.

前記フッ化物は、ＭｇＦ_２またはＣａＦ_２であることを特徴とする請求項４に記載の波長変換素子。 The wavelength conversion element according to claim 4, wherein the fluoride is MgF ₂ or CaF ₂ .

前記非線形光学効果を有する材料は、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴａＯ_３、ＬｉＮｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１−ｘ）}Ｏ_３（０＜ｘ＜１）、ＫＮｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１−ｘ）}Ｏ_３（０＜ｘ＜１）、Ｂａ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５、ＢａＴｉＯ_３のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の波長変換素子。 The material having the nonlinear optical effect is LiNbO ₃ , KNbO ₃ , LiTaO ₃ , KTaO ₃ , LiNb _(x) Ta _(1-x) O ₃ (0 <x <1), KNb _(x) Ta _{(1-x )} O ₃ (0 <x <1), Ba ₂ NaNb ₅ O ₁₅ , BaTiO ₃ , or at least one selected from the group consisting of Mg, Zn, and Sc as an additive The wavelength conversion element according to claim 1, wherein the wavelength conversion element is provided.

前記コアの矩形断面は、１０μｍ×１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の波長変換素子。 The wavelength conversion element according to claim 1, wherein the core has a rectangular cross section of 10 μm × 10 μm or less.

前記オーバークラッド層の厚さは、１μｍ以上３０μｍ以下の厚膜であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の波長変換素子。 8. The wavelength conversion element according to claim 1, wherein the over clad layer has a thickness of 1 μm to 30 μm.

前記オーバークラッド層の外側に、酸化物、フッ化物または有機物のいずれかから成る保護膜が形成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の波長変換素子。 9. The wavelength conversion element according to claim 1, wherein a protective film made of any one of an oxide, a fluoride, and an organic substance is formed outside the over clad layer.

非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有するコアが形成されたリッジ型の光導波路を含む波長変換素子の製造方法において、
前記非線形光学効果を有する材料からなり、前記周期的な分極反転構造を有する第１の基板と第２の基板とを、熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第１の工程と、
前記第１の基板を、前記コアを形成するための所定の厚さに研磨する第２の工程と、
前記第１の基板を切削して前記コアを形成し、リッジ型の光導波路を作製する第３の工程と、
前記コアの前記第１の基板に接していない面に、ＭｇＯからなる組成のオーバークラッド層を形成する第４の工程と
を備えたことを特徴とする波長変換素子の製造方法。 In a method of manufacturing a wavelength conversion element including a ridge-type optical waveguide made of a material having a nonlinear optical effect and having a core having a periodically poled structure,
A first step of bonding the first substrate and the second substrate made of a material having the nonlinear optical effect and having the periodic domain-inverted structure by diffusion bonding by heat treatment;
A second step of polishing the first substrate to a predetermined thickness for forming the core;
A third step of cutting the first substrate to form the core and producing a ridge-type optical waveguide;
And a fourth step of forming an overcladding layer made of MgO on the surface of the core that is not in contact with the first substrate.

前記第４の工程は、スパッタリング法、イオンプレーティング法、電子ビーム蒸着法、熱分解ＣＶＤ法、ゾル・ゲル法の少なくともいずれかにより、前記オーバークラッド層を形成することを特徴とする請求項１０に記載の波長変換素子の製造方法。 11. The overcladding layer is formed in the fourth step by at least one of a sputtering method, an ion plating method, an electron beam evaporation method, a thermal decomposition CVD method, and a sol-gel method. The manufacturing method of the wavelength conversion element of description.

前記第４の工程は、前記リッジ型の光導波路を４００〜７００℃の大気中で後処理し、光学的特性を改善することを特徴とする請求項１０または１１に記載の波長変換素子の製造方法。
12. The wavelength conversion element according to claim 10, wherein in the fourth step, the ridge-type optical waveguide is post-processed in the atmosphere at 400 to 700 ° C. to improve optical characteristics. Method.