JP2007240743A - 波長変換素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】波長変換装置の部品数や組立工数を減らすことにより低コスト化を図り、及び小型化を容易にする。
【解決手段】半導体基板１０の第１主表面１１上に、ドメイン反転層５０、ｎ型の第１クラッド層６０、導波路層７０、ｐ型の第２クラッド層８０及びキャップ層８５を順に積層して備えている。さらに、キャップ層８５上に第２電極９４を備え、半導体基板の第２主表面１３上に第１電極９２を備えている。第１電極と第２電極間に順方向の電圧が印加されると、導波路層内に発振光が発生する。導波路層には、発振光の導波方向に、信号光、発振光及び変換光の間の擬似位相整合条件を満たす周期的ドメイン反転構造が設けられていて、導波路層に入射された信号光と、発振光とによる差周波発生により差周波光が発生し、差周波光が変換光として出射される。
【選択図】図１

Description

この発明は、波長変換素子及びその製造方法に関するものである。

波長変換装置を構成する波長変換素子として、半導体基板に周期的ドメイン反転構造が形成された光導波路によって、擬似位相整合（ＱＰＭ：Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ）を実現して波長変換を行う、擬似位相整合型波長変換素子（以下、ＱＰＭ型波長変換素子と称することもある。）が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。この波長変換素子にポンプ光と信号光を入射すると、ポンプ光と信号光の差周波であって、ＱＰＭ条件を満たす光が変換光として得られる。
Ｓ．Ｊ．Ｙｏｏ ｅｔ ａｌ．、"Ｑｕａｓｉ−ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ＡｌＧａＡｓ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｗｉｔｈ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｄｏｍａｉｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ｗａｆｅｒ−ｂｏｎｄｉｎｇ"、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ．６６， Ｎｏ．２５， Ｊｕｎｅ １９９５， ｐｐ．３４１０−３４１２

しかしながら、上述の従来例の波長変換素子にポンプ光を入射させるためには、光源の光出力を光ファイバに入射させ、その光ファイバからの光を波長変換素子に入射させる必要がある。このため、光源である半導体レーザ素子と波長変換素子を波長変換装置の筺体に固定して、それぞれレンズ系及び光ファイバと光学的に結合（以下、単に光学結合と称する。）させた後、半導体レーザ素子と波長変換素子とを光学結合させることになる。この場合、レンズ系などの部品の数や光学結合などの組立工数を減らすことが困難であるので、低コスト化が図れない。また、半導体レーザ素子と波長変換素子とを光学結合するための空間が必要になるので、波長変換素子の小型化が困難である。

上述の問題を解決するために、この出願に係る発明者が鋭意研究を行ったところ、波長変換を行う導波路で、レーザ発振を起こさせることにより得られたレーザ光を、波長変換素子のポンプ光として利用できることを見出した。波長変換素子の導波路で発生したレーザ光をポンプ光として利用すれば、波長変換素子への外部からのポンプ光の入射が不要になる。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、従って、この発明の目的は、部品数や組立工数を減らすことにより低コスト化が図られ、及び小型化が容易になる波長変換素子及びその製造方法を提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の、入射された信号光に対して、信号光と波長が異なる変換光を出射する波長変換素子は、半導体基板と、ドメイン反転層と、積層体と、キャップ層と、第１電極と、第２電極とを備えている。ドメイン反転層は、半導体基板の第１主表面上に形成されている。積層体は、ドメイン反転層上に、ｎ型の第１クラッド層、導波路層及びｐ型の第２クラッド層が順に積層されて形成されている。キャップ層は、第２クラッド層上に形成されている。第１電極は、半導体基板の第２主表面上に設けられており、及び第２電極は、キャップ層上に設けられている。第１電極と第２電極間の積層体に順方向の電圧が印加されると、導波路層内に誘導放出光が発生する。誘導放出光が導波路層の長手方向の両端面間に構成される共振器により増幅されて発振光が発生する。導波路層には、発振光の導波方向に、信号光、発振光及び変換光の間の擬似位相整合条件を満たす周期的ドメイン反転構造が設けられていて、導波路層に入射された信号光と、発振光とによる差周波発生により差周波光が発生する。この差周波光が変換光として出射される。

上述した波長変換素子の実施にあたり、好ましくは、半導体基板の第１主表面上に、擬似位相整合条件を満たす周期で交互に第１領域及び第２領域が設定されており、ドメイン反転層は、第１領域の半導体基板の第１主表面上に、順次に積層されて形成された半導体層及び第１ドメイン層と、第２領域の半導体基板の第１主表面上に形成された第２ドメイン層とを備えるのが良い。なお、第２ドメイン層の自発分極の方向は、第１ドメイン層の自発分極の方向に対して反転している。

また、この発明の他の好適実施形態によれば、波長変換素子は、半導体基板、ドメイン反転層、積層体、キャップ層、第１電極及び第２電極を備えている。半導体基板の第１主表面には、第１領域の傾斜面と第２領域の水平面の周期構造が設けられている。ドメイン反転層は、周期構造上に、Ｇｅ層とＧａＡｓ層が順に積層されて形成されている。積層体は、ドメイン反転層上に、ｎ型の第１クラッド層、導波路層及びｐ型の第２クラッド層が順に積層されて形成されている。キャップ層は、第２クラッド層上に形成されている。第１電極は、半導体基板の第２主表面上に設けられており、及び第２電極は、キャップ層上に設けられている。第１電極と第２電極間の積層体に順方向の電圧が印加されると、導波路層内に誘導放出光が発生し、該誘導放出光が導波路層の長手方向の両端面間に構成される共振器により増幅されて発振光が発生し、周期構造は、信号光、発振光及び変換光の間の擬似位相整合条件を満たしている。導波路層では、第２領域の部分の自発分極の方向が第１領域の部分の自発分極の方向に対して反転している。導波路層に入射された信号光と、発振光とにより差周波光が発生し、及びこの差周波光が変換光として出射される。

また、この発明の波長変換素子の製造方法は、以下の工程を備えている。

先ず、半導体基板を用意する。次に、半導体基板の第１主表面上に、信号光、当該波長変換素子で発生する発振光及び変換光の間の擬似位相整合条件を満たす周期で自発分極の方向が反転するドメイン反転層を形成する。次に、ドメイン反転層上に、ｎ型の第１クラッド層、導波路層及びｐ型の第２クラッド層を順次に成長させて、当該第１クラッド層、導波路層及び第２クラッド層が積層されて形成された積層体に擬似位相整合条件を満たす周期的ドメイン反転構造を形成する。次に、第２クラッド層上にキャップ層を形成する。次に、半導体基板の第２主表面上に第１電極を形成し、及びキャップ層上に第２電極を形成する。

上述した半導体素子の製造方法の実施にあたり、好ましくは、ドメイン反転層を形成する工程が、以下の工程を備えるのが良い。先ず、半導体基板の第１主表面上に、第１半導体層及び第２半導体層を順次に積層して形成する。次に、第２半導体層上に、擬似位相整合条件を満たす周期で交互に第１領域及び第２領域を設定し、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、第２領域に開口部が設けられている絶縁膜マスクを形成する。次に、絶縁膜マスクを用いたエッチングにより、第１半導体層及び第２半導体層の第２領域の部分を除去して、第２領域の半導体基板の第１主表面を露出させる。次に、第１領域に残存した第２半導体層の部分を第１ドメイン層とし、及び、第２領域の露出した半導体基板上に、自発分極の方向が前記第１領域内の自発分極の方向に対して反転している第２ドメイン層を第１ドメイン層と同じ高さまで成長させる。次に、絶縁膜マスクを除去する。

ドメイン反転層を形成する工程は、以下の工程を備えていても良い。先ず、半導体基板の第１主表面上に、擬似位相整合条件を満たす周期で交互に第１領域及び第２領域を設定し、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、第１領域に開口部が設けられている絶縁膜マスクを形成する。次に、第１領域の半導体基板の第１主表面上に、Ｓｉ層及びＧａＡｓ層を順次に積層して形成し、当該ＧａＡｓ層を第１ドメイン層とする。次に、絶縁膜マスクを除去する。次に、絶縁膜マスクの除去により露出した、第２領域の半導体基板の第１主表面上に、自発分極の方向が第１領域内の自発分極の方向に対して反転しているＧａＡｓ層を形成し、当該ＧａＡｓ層を第２ドメイン層とする。

また、この発明の半導体素子の製造方法の実施にあたり、以下の工程を備える構成としても良い。先ず、半導体基板を用意する。次に、半導体基板の第１主表面上に、信号光、当該波長変換素子で発生する発振光、及び変換光の間の擬似位相整合条件を満たす周期で、交互に第１領域及び第２領域を設定する。次に、半導体基板の第１主表面に、第１領域に水平面及び第２領域に傾斜面を有する周期構造を形成する。次に、周期構造上にＧｅ層を形成し、さらにＧｅ層上にＧａＡｓ層を形成して、第２領域内の自発分極の方向が、第１領域内の自発分極の方向に対して反転しているドメイン反転層を得る。次に、ドメイン反転層上に、第１クラッド層、導波路層、及び第２クラッド層を順次に成長させて、当該第１クラッド層、導波路層及び第２クラッド層が積層された積層体であって、第２領域内の自発分極の方向が、第１領域内の自発分極の方向に対して反転している、周期的ドメイン反転構造を有する当該積層体を形成する。次に、第２クラッド層上にキャップ層を形成する。次に、半導体基板の第２主表面上に第１電極を形成し、及びキャップ層上に第２電極を形成する。

この発明の波長変換素子及びその製造方法によれば、波長変換を行う導波路自体でレーザ発振を起こさせて、ポンプ光を得ることができる。従って、光源が不要になるとともに、光源と波長変換素子のそれぞれに設けられるレンズ系などの部品数を減らすことができる。また、従来のように、光源と波長変換素子の間の光学結合を行う必要がないので、波長変換装置の組立工数を減らすことができる。さらに、光学結合するための空間が不要になるので、波長変換装置の縮小化が可能になる。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係についてはこの発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成の組成（材質）及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されない。

（波長変換素子）
図１（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、この発明の波長変換素子について説明する。図１（Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の波長変換素子の構成例を説明するための概略図である。図１（Ａ）は、波長変換素子の上面に直交し、かつその長手方向に沿った断面の切り口を示している。また、図１（Ｂ）は、波長変換素子の上面に直交し、かつその長手方向に直角な方向に沿った断面の切り口を示している。

波長変換素子１００は、半導体基板としてｎ型のＧａＡｓ基板１０と、ドメイン反転層５０、積層体５５、キャップ層８５、第１電極９２及び第２電極９４とを備えている。

ドメイン反転層５０は、ＧａＡｓ基板の一方の主表面である第１主表面１１上に形成されている。

積層体５５は、ドメイン反転層５０上に、ｎ型の第１クラッド層６０、導波路層７０及びｐ型の第２クラッド層８０が順に積層されて形成されている。第１クラッド層６０、導波路層７０及び第２クラッド層８０は、いずれもＡｌＧａＡｓで形成されている。第１及び第２クラッド層６０及び８０の組成式は、Ａｌ_０．３ＧａＡｓであり、導波路層７０の組成式はＡｌ_０．１３ＧａＡｓである。なお、ここでは、ＡｌＧａＡｓの表記は、Ａｌ_０．３ＧａＡｓ及びＡｌ_０．１３ＧａＡｓなど組成比の異なるものを総称するものとして、用いている。

第１クラッド層６０は、ＡｌＧａＡｓに例えばＳｉが導入されて、ｎ型になっている。また、第２クラッド層８０は、ＡｌＧａＡｓに例えばＭｇ又はＺｎが導入されて、ｐ型になっている。導波路層７０は、真性の半導体層である。

波長変換素子１００の長手方向に伝播する光の、横方向への拡散を防ぐため、すなわち、横方向の閉じ込めを行うため、第２クラッド層８０は、リッジ状に形成されている。この結果、波長変換素子１００は、リッジ導波路構造になっている。

キャップ層８５は、積層体５５の第２クラッド層８０上に形成されている。キャップ層８５は、例えばＧａＡｓで形成される。

第１電極９２は、ＧａＡｓ基板１０の、第１主表面１１に対向する第２主表面１３上に設けられている。また、第２電極９４は、キャップ層８５上に設けられている。

この第１電極９２と第２電極９４間の積層体５５に順方向電圧が印加されると、導波路層７０内にキャリアが注入され、その結果、導波路層７０内で誘導放出光が発生する。導波路層７０の長手方向の両端面７２ａ及び７２ｂの間に共振器が構成され、誘導放出光がこの共振器で増幅される。この結果、導波路層７０の共振器で発振光が発生する。つまり、導波路層７０は、いわゆる半導体レーザの活性層として機能することになり、この波長変換素子１００は、半導体レーザとしての機能を有することになる。

第１クラッド層６０、導波路層７０及び第２クラッド層８０には、発振光の導波方向、すなわち、波長変換素子１００の長手方向に沿って周期的ドメイン反転構造が設けられている。

周期的ドメイン反転構造について、ＧａＡｓ基板１０を、その上側表面である第１主表面１１が（１００）面である直方体状として説明する。

ＧａＡｓ基板１０の第１主表面１１に、周期Λで交互に設定された第１領域及び第２領域を考える。

ドメイン反転層５０は、第１領域のＧａＡｓ基板１０の第１主表面１１上に順次に形成された半導体層であるシリコン（Ｓｉ）層２２及び第１ドメイン層３２と、第２領域のＧａＡｓ基板１０の第１主表面１１上に形成された第２ドメイン層４０とを備えている。第１ドメイン層３２及び第２ドメイン層４０はいずれもＧａＡｓで形成されている。なお、半導体層として、Ｓｉ層２２の代わりにＧｅ層を用いても良い。

ＧａＡｓ基板１０上の第２ドメイン層４０の自発分極の方向は、［１００］軸方向（図中、矢印Ｉで示す方向）であるとする。このとき、Ｓｉ層２２上の第１ドメイン層３２の自発分極の方向は、反転して［−１００］軸方向（図中、矢印ＩＩで示す方向）になっている。ここで、−１は、ミラー指数の１の上にバーをつけたものを表している。

第１クラッド層６０、導波路層７０及び第２クラッド層８０は、ドメイン反転層５０上に、例えば、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法で形成されている。第１クラッド層６０、導波路層７０及び第２クラッド層８０では、ドメイン反転層５０の第１ドメイン層３２及び第２ドメイン層４０の繰り返し周期Λに等しい周期で、ドメインが反転している。すなわち、第２ドメイン層４０の直上に位置する第１クラッド層６０、導波路層７０及び第２クラッド層８０の自発分極の方向は、第２ドメイン層４０の自発分極の方向と同じく［１００］軸方向である。一方、第１ドメイン層３２の直上に位置する第１クラッド層６０、導波路層７０及び第２クラッド層８０の自発分極の方向は、第１ドメイン層３２の自発分極の方向と同じく［−１００］軸方向である。このように、第１クラッド層６０、導波路層７０及び第２クラッド層８０も、ドメイン反転層５０と同じ周期Λの周期的ドメイン反転構造を有している。

導波路層７０に外部から入射された信号光と、導波路層７０内で発生した発振光とにより、差周波発生が発現する。差周波発生により発生した差周波光が変換光として、波長変換素子から出射される。

ここで、発振光（ポンプ光と称することもある。）、信号光、及び変換光のそれぞれの波数ｋ_ｐ、ｋ_ｓ、及びｋ_ｃ間の波数差をΔｋ（＝ｋ_ｐ−ｋ_ｓ−ｋ_ｃ）とすると、波長変換素子を伝播した各光の位相差は、ΔｋＬとなる。ここで、Ｌは波長変換素子の素子長である。従って、伝播中に位相差が生じないためにはΔｋ＝０とする必要がある。

ｎを周波数ωでの屈折率、及びｃを光速度としたときに、波数ｋは、ｋ＝ｎω／ｃで表される。この関係を用いると、Δｋ＝（ｎ_ｐω_ｐ−ｎ_ｓω_ｓ−ｎ_ｃω_ｃ）／ｃが得られる。屈折率が光の周波数に依存して変化しないならば、ω_ｃ＋ω_ｓ＝ω_ｐであるので、常に、Δｋ＝０となる。しかし、実際には、屈折率は周波数依存性を有しているので、Δｋは０とはならない。このため、周期的ドメイン反転構造が形成された波長変換素子であるＱＰＭ型波長変換素子が使用される。このとき、波数間の関係は、Δｋ＝ｋ_ｐ−ｋ_ｓ−ｋ_ｃ−２π／Λとなる。ここで、ポンプ光の特定の波長λ_ｐ０に対して、ＱＰＭ条件を満たすように、すなわち、ｋ_ｐ０−ｋ_ｓ０−ｋ_ｃ０＝２π／Λとなるように周期的ドメイン反転構造の周期Λを設定すると、この特定のポンプ光の波長λ_ｐ０では、Δｋ＝０となり、大きな変換効率が得られることになる。

なお、ここでは、半導体基板としてＧａＡｓ基板を用いて、導波路層、第１及び第２クラッド層をＡｌＧａＡｓとして例について説明したが、これらに限定されるものではない。半導体基板としてＩｎＰ基板を用いても、同様に実施可能である。また、導波路層、第１及び第２クラッド層は、ポンプ光の波長に応じて組成及び組成比が選択され、例えば、ＩｎＰを用いることもできる。

また、波長変換素子をリッジ導波路型構造として説明したが、これに限定されるものでは、例えば、半導体基板としてＩｎＰ基板を用いる場合などは、埋め込み型半導体レーザと同様に、埋め込み型の導波路構造としても良い。

（波長変換素子の製造方法）
図２〜５を参照して、波長変換素子の製造方法について説明する。ここでは、波長変換素子が、１つのウェハに複数形成される場合について説明する。図２（Ａ）〜（Ｃ）、図３（Ａ）〜（Ｃ）、図４（Ａ）〜（Ｄ）及び図５（Ａ）〜（Ｂ）は、波長変換素子の製造方法を説明するための工程図である。

最初に、図２（Ａ）〜（Ｃ）及び図３（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、半導体基板上に周期的ドメイン反転構造を形成する工程について説明する。

図２（Ａ）〜（Ｃ）及び図３（Ａ）〜（Ｃ）は、主要製造段階で得られた構造体を、図１（Ａ）と同様に、波長変換素子の上面に直交し、かつその長手方向に沿った断面の切り口で示している。

先ず、半導体基板としてＧａＡｓ基板１０を用意する。なお、半導体基板として、ＩｎＰ基板を用いても良い。ここでは、ＧａＡｓ基板１０を、その上側表面が（１００）面１１であるとし、また、断面を（０１１）面１２として説明する。ＧａＡｓ基板１０は、（１００）面を［０１１］軸に対して１０度程度まで傾斜させた傾斜基板としても良い（図２（Ａ））。

次に、ＧａＡｓ基板１０の第１主表面である（１００）面１１上に、第１半導体層としてＳｉ層２０を成長させた後、第２半導体層としてＧａＡｓ層３０を成長させる。後述する過程で自発分極の反転を生じさせるために、Ｓｉ層２０を、２ｎｍ以上の厚さに形成するのが好ましい。また、ＧａＡｓ層３０を、１０ｎｍ以上の厚さに形成するのが好ましい。Ｓｉ層２０及びＧａＡｓ層３０の形成には、例えば、ＭＢＥ装置を用いることができる。成長条件の詳細は、装置依存性があるため装置固有の最適条件とするが、例えば、Ｓｉ層２０の成長温度を、４５０〜５５０℃程度とし、ＧａＡｓ層３０の成長温度を、４００〜６５０℃程度とする。なお、Ｓｉ層２０に変えて、Ｇｅ層を形成しても良い（図２（Ｂ））。

次に、ＧａＡｓ層３０の上側表面に、第１領域５ａ及び第２領域５ｂの連続する２つの領域を一組として、周期的な区画領域を設定する。この周期Λは、信号光、波長変換素子で発生する発振光及び変換光の間のＱＰＭ条件を満たしている。ＧａＡｓ層３０上の全面に、例えば化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの任意好適な周知の方法でＳｉＯ_２膜を形成する。その後、従来周知のフォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、ＳｉＯ_２膜を加工して第１領域５ａ内のＳｉＯ_２膜の部分を残存させると共に、第２領域５ｂ内のＳｉＯ_２膜の部分を除去することによって、絶縁膜マスク４２を形成する。よって、残存するＳｉＯ_２膜の部分で形成された絶縁膜マスク４２には、第２領域５ｂに開口４２ｂが形成されている（図２（Ｃ））。

次に、絶縁膜マスク４２を用いたエッチングとして、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を行う。このエッチングにより、絶縁膜マスク４２で覆われていない第２領域５ｂのＧａＡｓ層３０及びＳｉ層２０の部分が除去され、第２領域５ｂ内に、ＧａＡｓ基板１０の第１主表面１１が露出する。第１領域５ａには、ＧａＡｓ層３２及びＳｉ層２２が残存する。なお、第１領域５ａに残存しているＧａＡｓ層３２を第１ドメイン層３２と称することもある（図３（Ａ））。

次に、第２領域の露出したＧａＡｓ基板１０の第１主表面１１上に、例えばＭＢＥ法により半導体層としてＧａＡｓ層を成長させた後、絶縁膜マスク４２を除去する。ここで成長したＧａＡｓ層を第２ドメイン層４０と称する。第２ドメイン層４０の成長は、第１ドメイン層３２と同じ高さまで行われる。Ｓｉ層２２、第１ドメイン層３２及び第２ドメイン層４０は、ドメイン反転層５０を構成する（図３（Ｂ））。

ここで、第２ドメイン層４０が第１ドメイン層３２よりも高く形成された場合は、化学的機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法などにより、第２ドメイン層４０の高さを第１ドメイン層３２と同じ高さにすればよい。また、第１ドメイン層３２を形成した後、絶縁膜マスク４２を除去して、ＧａＡｓ基板１０の第１主表面１１上及び第１ドメイン層３２上にＧａＡｓ層を成長させた後、第１ドメイン層３２の上面が露出するまでＧａＡｓ層をＣＭＰ法などにより研磨して第２ドメイン層４０を得ても良い。なお、図３（Ｂ）を参照して説明したように、第２ドメイン層４０の成長を、第１ドメイン層３２と同じ高さまで行えば、ＣＭＰ法などの研磨工程が不要になるので好適である。

その後、例えば、ＭＢＥ装置を用いたエピタキシャル成長により、第１クラッド層６０、導波路層７０及び第２クラッド層８０を順に形成し、さらに、第２クラッド層８０上に、キャップ層８５を形成する（図３（Ｃ））。

ＧａＡｓ基板１０の（１００）面１１上のＳｉ層２２の有無によって、ドメイン反転層５０の第１ドメイン層３２と第２ドメイン層４０の自発分極の方向が反転している。ドメイン反転層５０の上に成長した第１クラッド層６０、導波路層７０及び第２クラッド層８０の自発分極の方向は、第１ドメイン層３２上の領域、すなわち第１領域５ａと、第２ドメイン層４０上の領域、すなわち第２領域５ｂとで、互いに反転している。ここでは、第２領域５ｂ内の第１クラッド層６０、導波路層７０及び第２クラッド層８０の自発分極の方向が［１００］軸方向であるとする。このとき、第１領域５ａ内の第１クラッド層６０、導波路層７０及び第２クラッド層８０の自発分極の方向は、反転して［−１００］軸方向になる。

ここでは、第１領域５ａ、すなわち、自発分極の方向が［−１００］軸方向であるドメインを第１ドメインと称する。また、第２領域５ｂ、すなわち、自発分極の方向が［１００］軸方向であるドメインを第２ドメインと称する。

図４（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、第１ドメインと第２ドメインの周期的ドメイン反転構造を得た後の工程について説明する。図４（Ａ）は、平面図であり、図４（Ｂ）〜（Ｄ）は、図４（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った面で切った断面の切り口を部分的に示す図である。

第１ドメインと第２ドメインの周期的ドメイン反転構造を得た後、任意好適な周知の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、リッジ導波路構造を形成する。波長変換素子が、１つのウェハに複数形成される場合は、リッジの凸部８２は、互いに平行に複数形成される（図４（Ａ）及び（Ｂ））。

その後、ＲＩＥにより露出する部分の酸化を防ぐために、第２クラッド層８０の上面に、表面を保護する絶縁膜４４を形成する。この絶縁膜４４として、例えば、任意好適な周知のＣＶＤ法などで形成されたＳｉＮ膜が用いられる。（図４（Ｃ））。

次に、絶縁膜４４のリッジの凸部８２上の部分を除去した後、リッジの凸部８２に残存するキャップ層８５上に第２電極９４を蒸着により形成する。その後、ＧａＡｓ基板１０を、劈開し易い厚みに研磨した後、ＧａＡｓ基板１０の第２主表面１３上に、第１電極９２を蒸着により形成する（図４（Ｄ））。

第１電極９２及び第２電極９４を形成した後、ウェハをチップ状に個片化して、波長変換素子を得る。図５（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、ウェハを個片化する工程について説明する。図５（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれウェハ及びウェハを劈開して得られたバーの平面図である。

基板の両面に電極が形成された構造体（図５（Ａ））を、第２電極９４の長手方向に直交する面（図５（Ａ）中、符号Ｉで示す。）で劈開して、バー１０２を得る。この劈開は、ＧａＡｓ基板の（０−１１）面に沿って行われる。一つのバー１０２には、複数の第２電極９４、すなわちリッジ導波路が平行に配列されて設けられている（図５（Ｂ））。

次に、この劈開によって得られたバー１０２の（０−１１）面に、低反射率の反射膜として、誘電体多層膜を形成する。

その後、バー１０２をリッジ導波路の第２電極９４の長手方向に沿った面（図５（Ｂ）中、符号ＩＩで示す。）で劈開し、それぞれ個片化された波長変換素子１００を得る。

（周期的ドメイン反転構造の形成方法の第１の例）
周期的ドメイン反転構造の形成方法は、上述の方法に限定されず、他の方法を用いても良い。

図６（Ａ）〜（Ｅ）を参照して、周期的ドメイン反転構造を得る第１の例について説明する。図６（Ａ）〜（Ｅ）は周期的ドメイン反転構造の形成方法を説明するための概略図である。図６（Ａ）〜（Ｅ）は、主要製造段階で得られた構造体を、図１（Ａ）と同様に、波長変換素子の上面に直交し、かつその長手方向に沿った断面の切り口で示している。

先ず、半導体基板としてＧａＡｓ基板１０を用意する。ここでは、ＧａＡｓ基板１０を、その上側表面が（１００）面１１である直方体状として説明する。図６（Ａ）〜（Ｅ）では、断面を（０１１）面１２とする。なお、ＧａＡｓ基板１０は、（１００）面１１を［０１１］軸に対して１０度程度まで傾斜させた傾斜基板としても良い（図６（Ａ））。

次に、ＧａＡｓ基板１０の上側表面を、第１領域５ａ及び第２領域５ｂの連続する２つの領域を一組として、周期的な区画領域を設定する。この周期Λは、信号光、波長変換素子で発生する発振光及び変換光の間のＱＰＭ条件を満たしている。その後、ＧａＡｓ基板１０の（１００）面１１上の全面に、例えばＣＶＤ法などの任意好適な周知の方法でＳｉＯ_２膜を形成する。その後、従来周知のフォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、ＳｉＯ_２膜を加工して第２領域５ｂ内のＳｉＯ_２膜の部分を残存させると共に、第１領域５ａ内のＳｉＯ_２膜の部分をＧａＡｓ基板１０の第１主表面１１を露出させるまで除去することによって、絶縁膜マスク１９を形成する。よって、残存するＳｉＯ_２膜の部分で形成された絶縁膜マスク１９は、第１領域５ａに開口部１９ａを有している（図６（Ｂ））。

次に、ＧａＡｓ基板１０の（１００）面１１上に、絶縁膜マスク１９を用いて、ドメイン反転層５０として、Ｓｉ層２２及び第１ドメイン層３２を順次に成長させる。Ｓｉ層２２を、１ｎｍ以下の厚さに形成するのが好ましい。また、第１ドメイン層３２を、ＧａＡｓで、１０ｎｍ以上の厚さに形成するのが好ましい。Ｓｉ層２２及び第１ドメイン層３２の積層の形成には、例えば、ＭＢＥ装置を用いることができる。成長条件の詳細は、装置依存性があるため装置固有の最適条件とするが、例えば、Ｓｉ層２２の成長温度を、４５０〜５５０℃程度とし、第１ドメイン層３２の成長温度は、図２（Ｂ）を参照して説明した、ＧａＡｓ層（図２（Ｂ）では、符号３０で示す。）と同様に、４００〜６５０℃程度とする（図６（Ｃ））。

次に、絶縁膜マスク１９を除去する（図６（Ｄ））。

その後、例えば、ＭＢＥ装置を用いたエピタキシャル成長により、第２領域５ｂのＧａＡｓ基板１０の（１００）面１１上に、ＧａＡｓを成長させて、第２ドメイン層４０を得る。ＧａＡｓ基板１０の（１００）面１１上のＳｉ層２２の有無によって、ドメイン反転層５０の第１ドメインＧａＡｓ層３２と第２ドメインＧａＡｓ層４０の自発分極の方向が反転している。Ｓｉ層２２、第１ドメイン層３２及び第２ドメイン層４０は、ドメイン反転層５０を構成する（図６（Ｅ））。

ドメイン反転層５０を形成した後の工程は、図３（Ｃ）、図４（Ａ）〜（Ｄ）及び図５（Ａ）〜（Ｂ）を参照して説明したのと同様に行われるので、説明を省略する。

（周期的ドメイン反転構造の形成方法の第２の例）
図７（Ａ）〜（Ｄ）及び図８（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、周期的ドメイン反転構造を得る第２の例について説明する。図７（Ａ）〜（Ｄ）と図８（Ａ）〜（Ｃ）は周期的ドメイン反転構造の形成方法を説明するための概略図である。図７（Ａ）〜（Ｄ）と図８（Ａ）〜（Ｃ）は、主要製造段階で得られた構造体を、図１（Ａ）と同様に、波長変換素子の上面に直交し、かつその長手方向に沿った断面の切り口で示している。

先ず、半導体基板としてＧａＡｓ基板１０を用意する。なお、半導体基板として、Ｓｉ基板、Ｇｅ基板、あるいは、ＩｎＰ基板を用いても良い。ここでは、ＧａＡｓ基板１０を、その上側表面が（１００）面１１である直方体状として説明する。図７（Ａ）〜（Ｄ）及び図８（Ａ）〜（Ｃ）では、断面を（０１１）面１２とする。なお、ＧａＡｓ基板１０は、（１００）面を［０１１］軸に対して１０度程度まで傾斜させた傾斜基板としても良い（図７（Ａ））。

次に、ＧａＡｓ基板１０の（１００）面１１上に、例えばＣＶＤ法などの任意好適な周知の方法でシリコン酸化（ＳｉＯ_２）膜１５を形成する。その後、ＳｉＯ_２膜１５上に、フォトレジスト１７を塗布する（図７（Ｂ））。

次に、グラデーションマスクを用いたフォトリソグラフィにより、フォトレジスト１７をパターニングして、第１領域５ａに傾斜面１８ａと第２領域５ｂに水平面１８ｂを周期的に有する傾斜型レジスト１８に加工する。第１領域５ａ及び第２領域５ｂは、一組の連続した領域であって、この一組を基準として周期的に形成する。この周期Λは、信号光、発振光及び変換光の間のＱＰＭ条件を満たしている（図７（Ｃ））。

次に、傾斜型レジスト１８をマスクとして、ＳｉＯ_２膜１５に対してドライエッチングを行う。このドライエッチングにより、ＳｉＯ_２膜１５の一部分が除去されて、傾斜型絶縁膜マスク１６になる。このドライエッチングにおいて、傾斜型レジスト１８は、ＳｉＯ_２膜１５の一部分とともに除去される。傾斜型レジスト１８は、厚みの均一部分と厚みが連続的に低減する部分とを有しているので、ＳｉＯ_２膜１５も傾斜型レジスト１８の形状に合せてエッチングされる。従って、傾斜型絶縁膜マスク１６のマスク形状は、エッチングされたＳｉＯ_２膜１５に転写される。よって、ＳｉＯ_２膜１５は、このエッチングによって、傾斜型レジスト１８の形状と同一形状の傾斜型絶縁膜マスク１６となる。従って、傾斜型絶縁膜マスク１６は、第１領域５ａに傾斜面１６ａと第２領域５ｂに水平面１６ｂを周期的に有している（図７（Ｄ））。

次に、下地であるＧａＡｓ基板１０に対して、傾斜型絶縁膜マスク１６を用いたドライエッチングを行い、ＧａＡｓ基板１０の上側部分のエッチングを行う。このとき、傾斜型絶縁膜マスク１６も、ＧａＡｓ基板１０の上側部分とともに除去される。ＧａＡｓ基板１０の上側部分の形状は、傾斜型絶縁膜マスク１６の形状と同様に、当該マスク１６の形状を転写した形状になる。従って、ＧａＡｓ基板１０の上側表面は、第１領域５ａに傾斜面１１ａと第２領域５ｂに水平面１１ｂを周期的に有している。つまり、ＧａＡｓ基板１０の上側表面は、傾斜面１１ａと水平面１１ｂの周期構造になる。ここで、傾斜面１１ａの傾斜方向は、［０−１１］軸を基準として形成される。また、傾斜面１１ａの水平面１１ｂに対する、すなわち、傾斜面１１ａの［０−１１］軸に対する傾斜角度θは１〜１０度程度とする（図８（Ａ））。

エッチング後のＧａＡｓ基板１０の（１００）面１１に形成された周期構造上に、バッファ層としてＧｅ層２４及びＧａＡｓ層３４を順に成長させる。後述する過程で自発分極の反転を生じさせるために、Ｇｅ層２４を、２ｎｍ以上の厚さに形成されるのが好ましい。また、ＧａＡｓ層３４は、１０ｎｍ以上の厚さに形成されるのが好ましい。Ｇｅ層２４及びＧａＡｓ層３４を備えるドメイン反転層５２の形成には、例えば、ＭＢＥ装置を用いることができる。成長条件の詳細は、装置依存性があるため装置固有の最適条件とするが、例えば、Ｇｅ層２４の成長温度を、４００〜５００℃程度とし、ＧａＡｓ層３４の成長温度を、４００〜６５０℃程度とする（図８（Ｂ））。

ＧａＡｓ基板１０の上側表面の傾斜方向によって、その上に成長したＧａＡｓ層３４の自発分極の方向が反転する。ここでは、第２領域５ｂ内の自発分極、すなわち水平面１１ｂ上のＧａＡｓ層の部分の自発分極の方向が［１００］軸方向であり、第１領域５ａ内の自発分極、すなわちエッチングにより形成された傾斜面１１ａ上の自発分極の方向が［−１００］軸方向であるとする。以下の説明では、第１領域５ａ、すなわち、自発分極の方向が［−１００］軸方向であるドメインを第１ドメインと称することもある。また、第２領域５ｂ、すなわち、自発分極の方向が［１００］軸方向であるドメインを第２ドメインと称することもある。

図８（Ａ）を参照して説明した、傾斜面１１ａの水平面１１ｂに対する傾斜角度θは、第２ドメインの自発分極の方向が、第１ドメインの自発分極に対して反転するように設定されているものとしている。

次に、例えば、ＭＢＥ装置を用いたエピタキシャル成長により、第１クラッド層６０、導波路層７０、第２クラッド層８０及びキャップ層８５を順に形成する。

第１クラッド層６０、導波路層７０及び第２クラッド層８０の自発分極の方向は、第１領域５ａ及び第２領域５ｂの領域毎に、各領域におけるＧａＡｓ層３４の自発分極の方向に等しくなる（図８（Ｃ））。

周期的ドメイン反転構造が形成された後の工程は、図４（Ａ）〜（Ｄ）及び図５（Ａ）〜（Ｂ）を参照して説明したのと同様に行われるので、説明を省略する。

（波長変換素子の動作）
上述の工程で形成した波長変換素子の、第１電極９２と第２電極９４の間の積層体５５に順方向の電圧を印加すると、誘導放出光が発生する。この誘導放出光が、両劈開面の間で構成される共振器により増幅され、いわゆるレーザ光が得られる。このレーザ光がポンプ光として用いられる。

波長変換素子に順方向の電圧を印加した状態、すなわち、ポンプ光として用いられるレーザ光が発生している状態で、信号光を入力すると、周波数ω_ｓの信号光と、周波数ω_ｐのポンプ光との非線形光学効果により、周波数ω_ｃの変換光が発生する。例えば、周波数ω_ｓに対応する、信号光の波長λ_ｓを１．５５μｍとし、周波数ω_ｐに対応する、ポンプ光の波長λ_ｐを０．７７μｍとすると、変換光は、ω_ｃ＋ω_ｓ＝ω_ｐを満たす、周波数ω_ｃの差周波光となり、１／λ_ｃ＋１／λ_ｓ＝１／λ_ｐの式から、変換光の波長λ_ｃは、１．５３μｍとなる。

この発明の波長変換素子によれば、波長変換を行う導波路自体でレーザ発振を起こさせて、発振光としてポンプ光を得ることができる。従って、従来のように、半導体レーザ素子と波長変換素子をそれぞれモジュールにマウントし、光学結合を行う必要がない。この結果、波長変換装置の組立工数やサイズの改善が可能になる。

また、半導体レーザ素子と波長変換素子の間の光学結合が不要となるので、ポンプ光の光出力を効率よく変換させることが可能となる。その結果、ポンプ光を発生させるために必要な電力を削減することも可能になる。

波長変換素子を説明するための図である。 波長変換素子の製造方法を説明するための図（その１）である。 波長変換素子の製造方法を説明するための図（その２）である。 波長変換素子の製造方法を説明するための図（その３）である。 波長変換素子の製造方法を説明するための図（その４）である。 周期的ドメイン反転構造の形成方法の第１の例を説明するための図である。 周期的ドメイン反転構造の形成方法の第２の例を説明するための図（その１）である。 周期的ドメイン反転構造の形成方法の第２の例を説明するための図（その２）である。

符号の説明

５ａ 第１領域
５ｂ 第２領域
１０ ＧａＡｓ基板
１１ （１００）面（第１主表面）
１１ａ、１６ａ、１８ａ 傾斜面
１１ｂ、１６ｂ、１８ｂ 水平面
１２ （０１１）面
１３ 第２主表面
１５ ＳｉＯ_２膜
１６ 傾斜型絶縁膜マスク
１７ フォトレジスト
１８ 傾斜型レジスト
１９、４２ 絶縁膜マスク
１９ａ 開口部
２０、２２ Ｓｉ層
２４ Ｇｅ層
３０、３４ ＧａＡｓ層
３２ 第１ドメイン層
４０ 第２ドメイン層
４４ 絶縁膜
５０、５２ ドメイン反転層
５５ 積層体
６０ 第１クラッド層
７０ 導波路層
８０ 第２クラッド層
８２ 凸部
８５ キャップ層
９２ 第１電極
９４ 第２電極
１００ 波長変換素子
１０２ バー

Claims (7)

1. 入射された信号光に対して、該信号光と波長が異なる変換光を出射する波長変換素子であって、
   半導体基板と、
   該半導体基板の第１主表面上に形成されたドメイン反転層と、
   該ドメイン反転層上に、ｎ型の第１クラッド層、導波路層及びｐ型の第２クラッド層が順に積層されて形成された積層体と、
   前記第２クラッド層上に形成されたキャップ層と、
   前記半導体基板の第２主表面上に設けられた第１電極と、
   前記キャップ層上に設けられた第２電極と
   を備え、
   前記第１電極と前記第２電極間の前記積層体に順方向の電圧が印加されると、前記導波路層内に誘導放出光が発生し、
   該誘導放出光が前記導波路層の長手方向の両端面間に構成される共振器により増幅されて発振光が発生し、
   前記導波路層には、前記発振光の導波方向に、前記信号光、発振光及び変換光の間の擬似位相整合条件を満たす周期的ドメイン反転構造が設けられていて、前記導波路層に入射された前記信号光と、前記発振光とにより差周波光が発生し、及び
   該差周波光が前記変換光として出射される
   ことを特徴とする波長変換素子。
2. 前記半導体基板の第１主表面上に、前記擬似位相整合条件を満たす周期で交互に第１領域及び第２領域が設定されており、
   前記ドメイン反転層は、
   前記第１領域の半導体基板の第１主表面上に、順次に積層されて形成された半導体層及び第１ドメイン層と、
   前記第２領域の半導体基板の第１主表面上に形成された第２ドメイン層と
   を備え、
   前記第２ドメイン層の自発分極の方向が、前記第１ドメイン層の自発分極の方向に対して反転している
   ことを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
3. 入射された信号光に対して、該信号光と波長が異なる変換光を出射する波長変換素子であって、
   第１主表面に、第１領域の傾斜面と第２領域の水平面の周期構造が設けられた半導体基板と、
   前記周期構造上に、Ｇｅ層とＧａＡｓ層が順に積層されて形成されたドメイン反転層と、
   該ドメイン反転層上に、ｎ型の第１クラッド層、導波路層及びｐ型の第２クラッド層が順に積層されて形成された積層体と、
   前記第２クラッド層上に形成されたキャップ層と、
   前記半導体基板の第２主表面上に設けられた第１電極と、
   前記キャップ層上に設けられた第２電極と
   を備え、
   前記第１電極と前記第２電極間の前記積層体に順方向の電圧が印加されると、前記導波路層内に誘導放出光が発生し、
   該誘導放出光が前記導波路層の長手方向の両端面間に構成される共振器により増幅されて発振光が発生し、
   前記周期構造は、前記信号光、発振光及び変換光の間の擬似位相整合条件を満たしており、
   前記導波路層では、前記第２領域の部分の自発分極の方向が前記第１領域の部分の自発分極の方向に対して反転していて、前記導波路層に入射された前記信号光と、前記発振光とにより差周波光が発生し、及び
   該差周波光が前記変換光として出射される
   ことを特徴とする波長変換素子。
4. 入射された信号光に対して、該信号光の波長と異なる波長の変換光を出射する波長変換素子を製造するにあたり、
   半導体基板を用意する工程と、
   前記半導体基板の第１主表面上に、前記信号光、当該波長変換素子で発生する発振光及び変換光の間の擬似位相整合条件を満たす周期で自発分極の方向が反転するドメイン反転層を形成する工程と、
   前記ドメイン反転層上に、ｎ型の第１クラッド層、導波路層及びｐ型の第２クラッド層を順に成長させて、当該第１クラッド層、導波路層及び第２クラッド層が積層されて形成された積層体に前記擬似位相整合条件を満たす周期的ドメイン反転構造を形成する工程と、
   前記第２クラッド層上にキャップ層を形成する工程と、
   前記半導体基板の第２主表面上に第１電極を形成し、及び前記キャップ層上に第２電極を形成する工程と
   を備えることを特徴とする波長変換素子の製造方法。
5. 前記ドメイン反転層を形成する工程は、
   前記半導体基板の第１主表面上に、第１半導体層及び第２半導体層を順次に積層して形成する工程と、
   前記第２半導体層上に、前記擬似位相整合条件を満たす周期で交互に第１領域及び第２領域を設定し、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、前記第２領域に開口部が設けられている絶縁膜マスクを形成する工程と、
   該絶縁膜マスクを用いたエッチングにより、前記第１半導体層及び第２半導体層の前記第２領域の部分を除去して、前記第２領域の半導体基板の第１主表面を露出させる工程と、
   前記第１領域に残存した第２半導体層の部分を第１ドメイン層とし、及び、前記第２領域の露出した前記半導体基板上に、自発分極の方向が前記第１領域内の自発分極の方向に対して反転している第２ドメイン層を前記第１ドメイン層と同じ高さまで成長させる工程と、
   前記絶縁膜マスクを除去する工程と
   を備えることを特徴とする請求項４に記載の波長変換素子の製造方法。
6. 前記ドメイン反転層を形成する工程は、
   前記半導体基板の第１主表面上に、前記擬似位相整合条件を満たす周期で交互に第１領域及び第２領域を設定し、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、前記第１領域に開口部が設けられている絶縁膜マスクを形成する工程と、
   前記第１領域の半導体基板の第１主表面上に、Ｓｉ層及びＧａＡｓ層を順次に積層して形成し、当該ＧａＡｓ層を第１ドメイン層とする工程と、
   前記絶縁膜マスクを除去する工程と、
   前記絶縁膜マスクの除去により露出した、前記第２領域の半導体基板の第１主表面上に、自発分極の方向が前記第１領域内の自発分極の方向に対して反転しているＧａＡｓ層を形成し、当該ＧａＡｓ層を第２ドメイン層とする工程と
   を備えることを特徴とする請求項４に記載の波長変換素子の製造方法。
7. 入射された信号光に対して、該信号光の波長と異なる波長の変換光を出射する波長変換素子を製造するにあたり、
   半導体基板を用意する工程と、
   該半導体基板の第１主表面上に、前記信号光、当該波長変換素子で発生する発振光、及び変換光の間の擬似位相整合条件を満たす周期で、交互に第１領域及び第２領域を設定する工程と、
   前記半導体基板の第１主表面に、第１領域に水平面及び第２領域に傾斜面を有する周期構造を形成する工程と、
   前記周期構造上にＧｅ層を形成し、さらに該Ｇｅ層上にＧａＡｓ層を形成して、前記第２領域内の自発分極の方向が、前記第１領域内の自発分極の方向に対して反転しているドメイン反転層を得る工程と、
   前記ドメイン反転層上に、第１クラッド層、導波路層、及び第２クラッド層を順次に成長させて、当該第１クラッド層、導波路層及び第２クラッド層が積層された積層体であって、前記第２領域内の自発分極の方向が、前記第１領域内の自発分極の方向に対して反転している、周期的ドメイン反転構造を有する当該積層体を形成する工程と、
   前記第２クラッド層上にキャップ層を形成する工程と、
   前記半導体基板の第２主表面上に第１電極を形成し、及び前記キャップ層上に第２電極を形成する工程と
   を備えることを特徴とする波長変換素子の製造方法。

Images