JP2020064117A - 波長変換素子およびその作製方法 - Google Patents
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Abstract
Description
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処理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2次非線形材料で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構造を持つ導波路は、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。
1/λ3=1/λ1+1/λ2(式1)
λ3=λ1/2(式2)
1/λ3=1/λ1―1/λ2 (式3)
n3/λ3−n2/λ2−n1/λ1−1/Λ=0 (式4)
従来、薄膜基板を有する波長変換素子を作製するためには、支持基板上に導波路基板を貼り合わせ後に導波路基板を研磨によって薄膜化していた(特許文献1)。しかしこの手法では面内均一性を担保しながら例えば1ミクロン以下という極薄い膜厚を獲得することは難しく、また貼り合わせた基板のほとんどを研磨により削ってしまい、コスト面からも望ましくなかった。
研磨以外の手法で薄膜基板を獲得する方法として、SOITECH(商標)社のイオン打ち込みによる薄膜基板獲得技術(スマートカット(商標)技術)が知られている(非特許文献1)。この手法では、ある一定のイオンドーズ量および一定の加速電圧の下、基板表面から加速されたイオンを注入し、基板表面から一定の深さにダメージ層を生成する。この基板に熱を加えると、ダメージ層を境目に剥離が生じる。この原理を応用したのが「スマートカット技術」であり、シリコンフォトニクス技術を支える基盤技術である。
近年、このイオン打ち込みによる薄膜基板獲得技術を二次非線形光学結晶であるニオブ酸リチウムや、ニオブ酸タンタルに対して施すことで、薄膜化されたLN(Lithium niobate:ニオブ酸リチウム)、LT(Lithium Tantalate:タンタル酸リチウム)基板を作製し、販売するメーカが増えている。図1は市販の薄膜LN複合基板の製造工程を示す図である。図1に示すように、LN基板300の一方からHeイオンを注入してLN基板300の表面近傍にイオン注入層101を形成し(図1(a))、イオン注入層101側からSiO2層201とSi/LN層202とを積層した支持基板200に貼り合わせる(図1(b))。イオン注入層101に沿ってLN基板300の一部400を薄膜100を残して剥離すると(図1(c))、薄膜LN複合基板500を得ることができる(図1(d))。
「スマートカット技術」により薄膜化された薄膜LNに疑似位相整合(QPM:Quasi−Phase Matching)を生成することを考える。疑似位相整合は二次非線形光学結晶に周期的な分極反転構造を形成することにより実現される。しかしながら、上述のように「スマートカット技術」により薄膜化された基板は、支持基板が既に貼り合わされているため、その後に分極反転構造を作製することは非常に難しい。屈折率が異なる唯一の軸(z軸)が基板面に垂直な方向になるようにカットされたzカット基板では基板の貼り合わせ層の下にメタル層をあらかじめ作成し、基板の上面とメタル層の間で電界印加を行う必要があるが、そのパターニング精度は悪い(非特許文献2)。また、金属層を含んだ下基板を準備する必要があるため工程数も多くなってしまう。
近年の薄膜LN技術は、小コア化による二次非線形光学効果やポッケルス効果の増大を目論むだけでなく、他の機能素子との集積容易性に注目が集まっている(非特許文献3)。
10 薄膜基板
11 周期的な分極反転構造
20 第2の基板、支持基板
30 第1の基板
31 基板平面
40 第1の基板の一部
51、52 電極
Claims (11)
- 周期的な分極反転構造を有する極薄い薄膜基板と、
前記薄膜基板に直接的に接合され、前記薄膜基板に直接的に接合された表面における屈折率が前記薄膜基板の屈折率よりも小さい支持基板と、
を備えることを特徴とする波長変換素子。 - 前記極薄い薄膜基板が複数層積層されていることを特徴とする請求項1記載の波長変換素子。
- 二次非線形光学結晶からなる第1の基板に対して、周期的な分極反転構造を形成するとともに、一方の基板面からイオンを打ち込むことによって当該第1の基板内にダメージ層を形成して接合用の第1の基板を得る接合用基板形成工程と、
前記第1の基板よりも屈折率が小さい接合面を有する第2の基板を該接合面において前記第1の基板の前記一方の基板面と直接的に接合する接合工程と、
支持基板である前記第2の基板に直接的に接合された前記第1の基板を前記ダメージ層を境に剥離して、前記第1の基板の一部を除去することにより、極薄い薄膜基板を前記支持基板上に直接的に接合した波長変換素子を得る基板剥離工程と
を含むことを特徴とする波長変換素子の作製方法。 - 前記接合用基板形成工程において、周期的な分極反転構造を形成した後に、前記ダメージ層を形成することを特徴とする請求項3に記載の波長変換素子の作製方法。
- 前記接合用基板形成工程において、前記ダメージ層を形成した後に、周期的な分極反転構造を形成することを特徴とする請求項3に記載の波長変換素子の作製方法。
- 前記基板剥離工程の後に前記極薄い薄膜基板の表面を研磨することにより滑らかにする基板表面処理工程と、前記基板剥離工程の後に前記極薄い薄膜基板に対して、結晶欠陥を補填するための原子を注入する結晶欠陥補填工程との少なくとも1つの工程をさらに含むことを特徴とする請求項3から5のいずれか1項に記載の波長変換素子の作製方法。
- 前記第1の基板は、屈折率が異なる唯一の軸が基板面に垂直な方向になるようにカットされた基板であることを特徴とする請求項3から6のいずれか1項に記載の波長変換素子の作製方法。
- 前記基板剥離工程において前記剥離により除去された前記第1の基板の前記一部の表面研磨を施して、一方の基板面からイオンを打ち込むことによって当該第1の基板の前記一部の基板内にダメージ層を形成して接合用の第3の基板を得る接合用基板再形成工程と、接合用基板再形成工程の後に、前記第1の基板に代えて前記第3の基板を用いて、前記接合工程と基板剥離工程とをさらに実行する薄膜基板積層工程とをさらに含むことを特徴とする、請求項3から7のいずれか1項に記載の波長変換素子の作製方法。
- 前記接合用基板形成工程は、前記第1の基板の一部にのみ周期的な分極反転構造を形成することを特徴とする請求項3から8のいずれか1項に記載の波長変換素子の作製方法。
- 前記第1の基板は、LiNbO3、KNbO3、LiTaO3、LiNb(x)Ta(1−x)O3(0≦x≦1)、もしくはKTiOPO4、またはこれらにMg、Zn、Sc、In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3から9のいずれか1項に記載の波長変換素子の作製方法。
- 前記接合用基板形成工程において前記ダメージ層を形成するために打ち込まれるイオンは、第1の基板を構成する原子より小さい原子のイオンであることを特徴とする請求項3から10のいずれか1項に記載の波長変換素子の作製方法。
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