JP2921207B2 - 光波長変換素子およびその製造方法 - Google Patents

光波長変換素子およびその製造方法

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JP2921207B2 JP3255162A JP25516291A JP2921207B2 JP 2921207 B2 JP2921207 B2 JP 2921207B2 JP 3255162 A JP3255162 A JP 3255162A JP 25516291 A JP25516291 A JP 25516291A JP 2921207 B2 JP2921207 B2 JP 2921207B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、コヒ−レント光を利用
する光情報処理分野、あるいは光応用計測制御分野に使
用する光波長変換素子およびその製造方法に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】図4に従来の光導波路を基本とした光波
長変換素子の構成図を示す。以下0.84μmの波長の基本
波に対する高調波発生(波長0.42μm)について図を用
いて詳しく述べる。(K.Mizuuchi, K.Yamamoto and T.T
aniuchi, Applied Physics Letters, Vol 58, 2732ペー
ジ, 1991年6月号、参照).図4に示されるようにLiTa
O3基板1に光導波路2が形成され、さらに光導波路2に
は周期的に分極の反転した層3(分極反転層)が形成さ
れている。基本波P1と発生する高調波P2の伝搬定数
の不整合を分極反転層3と非分極反転層4との周期構造
で補償することにより高効率に高調波P2を出すことが
できる。光導波路2の入射面10に基本波P1を入射す
ると、光導波路2から高調波P2が効率良く発生され、
光波長変換素子として動作する。
【0003】このような従来の光波長変換素子はプロト
ン交換法により作製された光導波路を基本構成要素とし
ていた。この素子の製造方法について説明する。まずLi
TaO3基板1に通常のフォトプロセスとドライエッチング
を用いてTaを周期状にパターニングする。次にTaパ
ターンが形成されたLiTaO3基板1にピロ燐酸中で260
℃、30分間プロトン交換を行いTaで覆われていない
スリット直下に厚み0.8μmのプロトン交換層を形成
する。次に590℃の温度で10分間熱処理する。これ
により分極反転層が形成される。プロトン交換層直下は
Liが減少しておりキュリー温度が低下するため部分的
に分極反転を行うことができる。次にHF:HNF3
1:1混合液にて2分間エッチングしTaを除去する。
さらに上記分極反転層中にプロトン交換を用いて光導波
路2を形成する。光導波路2用マスクとしてTaをスト
ライプ状にパターニングを行うことでTaマスクに幅5
μm、長さ12mmのスリットを形成する。このTaマ
スクで覆われた基板に260℃、16分間プロトン交換
を行い0.5μmの高屈折率層を形成する。Taマスク
を除去した後、380℃で10分間熱処理を行う。プロ
トン交換された保護マスクのスリット直下の領域は屈折
率が0.03程度上昇した光導波路2となる。この従来
の方法により作製される光波長変換素子は波長0.84μm
の基本波P1に対して、光導波路2の長さを9mm、基
本波P1のパワーを27mWにしたとき高調波P2のパ
ワーは0.13mW、変換効率0.5%が得られてい
た。1W当りの変換効率は18%/Wである。
【0004】また、発生したSHGによるビームをNA
0.3のコリメーターレンズで平行にした後、NA0.
6のフォーカスレンズで集光し回折限界までの集光ビー
ムが得られていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記のような光導波路
を基本とした光波長変換素子では光導波路より出射され
る高調波のビームが縦横対称ではなく角度にして縦(光
導波路の厚み方向)が30度、横(光導波路の幅方向)
が7度の広がり角を有しておりアスペクト比4の非対称
なビームであった。そのため縦横ともに回折限界までの
集光を得るためにはコリメーターレンズにてビームを蹴
ることとなり集光に利用される高調波出力は40%程度
損失するといった問題があった。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決するため、光波長変換素子の構成に新たな工夫を加え
ることにより、アスペクト比が1に近いビームの発生が
可能な光波長変換素子を提供するものである。つまり本
発明は、非線形光学結晶中に分極反転層と、厚みd1を
もつ光導波路とを有し、前記光導波路の出射部の厚みd
2がd2>d1の関係となっており、高調波のビームの
アスペクト比が1に近くなる光波長変換素子とする。ま
た、非線形光学結晶に形成した分極反転層、光導波路、
高調波の出射部とを有し、前記出射部に形成した前記光
導波路の形状を、前記分極反転層に形成された前記光導
波路の形状とは変化させることにより、高調波のビーム
のアスペクト比が1に近くした光波長変換素子とする。
非線形光学結晶に形成した分極反転層、光導波路、高調
波の出射部とを有し、前記出射部に形成した前記光導波
路の形状を、前記分極反転層に形成された前記光導波路
の形状とは変化させた光波長変換素子と、前記光波長変
換素子に基本波を導波させる半導体レーザとを備え、前
記光波長変換素子から出射する高調波のビームのアスペ
クト比が1に近くしたレーザ装置とする。また、非線形
光学結晶に形成した分極反転層、厚みd1をもつ光導波
路、高調波の出射部とを有し、前記光導波路の前記出射
部の厚みd2が、d2>d1の関係となった光波長変換
素子と、前記光波長変換素子に基本波を導波させる半導
体レーザとを備え、前記出射部から出射する高調波のビ
ームのアスペクト比が1に近くしたレーザ装置とする。
【0007】
【作用】本発明の光波長変換素子は光波長変換素子の光
導波路の出射部の厚みを広げることで出射ビームの縦横
比つまりアスペクト比を1に近付けることができる。こ
のようにな構成の光波長変換素子はビームの利用効率が
大幅に向上する。
【0008】
【実施例】第1の実施例として本発明の光波長変換素子
の製造方法について図を使って説明する。図1は本発明
の光波長変換素子の構成図である。LiTaO3基板1に周期
状に分極反転層3が形成されている。この分極反転層3
を横切って光導波路2が形成されている。基本波P1は
光波長変換素子の入射面10より入射し光導波路2で高
調波P2に変換され光波長変換素子の出射面12より出
射される。出射面12近傍には出射部5として光導波路
2より厚みが厚い層が形成されている。光導波路2の厚
みをd1、出射部5の厚みをd2とするとd2>d1の
関係となっている。d2の厚みを最適化することにより
縦横対称(アスペクト比1)な高調波P2のビームが出
射されることとなる。
【0009】次に本発明の光波長変換素子の製造方法に
ついて説明を行う。図2はその製造工程図である。同図
(a)でまずLiTaO3基板1に通常のフォトプロセスとド
ライエッチングを用いてTa6aを周期状にパターニン
グする。次にTa6aによるパターンが形成されたLiTa
O3基板1に260℃、30分間プロトン交換を行いスリ
ット直下に厚み0.8μmのプロトン交換層を形成した
後、590℃の温度で10分間熱処理する。これにより
分極反転層3が形成される。プロトン交換層はLiが減
少しておりキュリー温度が低下するため部分的に分極反
転ができる。次にHF:HNF3の1:1混合液にて2
分間エッチングしTa6aを除去する。次に上記分極反
転層3中にプロトン交換を用いて光導波路2を形成す
る。同図(b)で光導波路用マスクとしてTaをストラ
イプ状にパターニングを行った後、Taマスクに幅4μ
m、長さ12mmのスリットが形成されたものに260
℃、16分間ピロ燐酸中でプロトン交換を行った。これ
により厚み0.5μmの高屈折率層7が形成される。次
に同図(c)でTaマスクを除去した後、出射部上のみ
に厚み1000AのTa8をパターン化したものを赤外
線加熱装置で30秒間熱処理を行った。Ta8は赤外線
を直接吸収し光導波路2に対してより高温となる。光導
波路は420℃となり、また出射部は500℃となって
いた。熱処理により均一化されロスが減少した上に高屈
折率層7に非線形性が戻る。熱処理により高屈折率層7
は広がり屈折率が0.03程度上昇した厚み1.8μm
の光導波路2および厚み4μmの出射部5となる。この
ように出射部の厚みd2が光導波路の厚みd1より大き
くなるのはそれぞれの熱処理温度T2とT1の関係がT
2>T1であり、これが拡散速度の違いとなり厚みの差
が生じたためである。最後に蒸着によりSiO2を3000
A付加した。
【0010】上記のような工程により光導波路2および
出射部5が製造された。この光導波路2の厚みdは1.
8μmであり分極反転層3の厚み2.0μmに比べ小さ
く有効に波長変換される。分極反転層3の周期は10.
8μmであり波長0.84nmに対して動作する。ま
た、この光導波路2の非分極反転層4と分極反転層3の
屈折率変化はなく、光が導波する場合の伝搬損失は小さ
い。光導波路2に垂直な面を光学研磨し入射面10およ
び出射面12を形成した。このようにして光波長変換素
子が製造できる。また、この素子の長さは10mmであ
る。基本波P1として半導体レーザ光(波長0.84μ
m)を入射部より導波させたところシングルモード伝搬
し、波長0.42μmの高調波P2が出射部より基板外
部に取り出された。光導波路2の伝搬損失は1dB/cmと小
さく高調波P2が有効に取り出された。基本波40mW
の入力で1mWの高調波(波長0.42μm)を得た。
出射された高調波のビームの広がり角は厚み方向10
度、幅方向7度のアスペクト比1.4のほぼ対称なビー
ムであった。このビームをNA0.5のコリメーターレ
ンズで平行光にしNA0.6のフォーカスレンズで集光
しスポットサイズ0.6μmの回折限界までのビームが
得られた。また、利用効率は95%であった。図3に光
導波路の厚みとアスペクト比の関係を示す。このように
出射部の光導波路厚みを大きくすることでアスペクト比
を1に近付けることが可能となる。
【0011】なお、このような処理を行うには急速加熱
が可能で金属の赤外線吸収を利用できる赤外線加熱装置
が適している。
【0012】次に本発明の光波長変換素子の製造方法を
用いた第2の実施例について説明する。光波長変換素子
の構成は実施例1と同様である。光導波路2は燐酸中で
のプロトン交換により作製した後、温度分布を持ったヒ
ーターを用いて10分間熱処理を行った。光導波路上の
温度は380℃、出射部上の温度は450℃である。作
製された光導波路の厚みは2.2μm、幅4μm、長さ
は9mm,出射部の厚みは3.5μm、幅5μm、長さ
は1mmである。分極反転の周期は3.6μm、分極反
転層の厚みは1.5μmである。波長840nmに対し
てこの実施例での変換効率は1次の分極反転周期を用い
ているため高く40mW入力で10%である。出射され
たビームのアスペクト比は1.7、集光時の利用効率は
90%であった。また、光損傷はなく高調波出力は非常
に安定していた。
【0013】なお実施例では非線形光学結晶としてLiTa
O3を用いたがLiNbO3、KNbO3、KTP等の強誘電体にも
適用可能である。
【0014】
【発明の効果】以上説明したように本発明の光波長変換
素子によれば、光波長変換素子の光導波路の出射部の厚
みを大きくすることにより出射されるビームのアスペク
ト比を1に近付けることができる。これにより光波長変
換素子から出射されるビームの利用効率を大幅に向上さ
せることができその実用的価値は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の光波長変換素子の構成
【図2】本発明の第1の実施例の光波長変換素子の製造
方法の工程図
【図3】光導波路厚みとアスペクト比の関係を示す図
【図4】従来の光波長変換素子の構成図
【符号の説明】
1 LiTaO3基板 2 光導波路 3 分極反転層 5 出射部 P1 基本波 P2 高調波
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02F 1/37 G02B 6/12 G02B 6/13

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 非線形光学結晶中に分極反転層と、厚み
    d1をもつ光導波路とを有し、前記光導波路の出射部の
    厚みd2がd2>d1の関係となっており、高調波のビ
    ームのアスペクト比が1に近くなる光波長変換素子。
  2. 【請求項2】 非線形光学結晶に形成した分極反転層、
    光導波路、高調波の出射部とを有し、前記出射部に形成
    した前記光導波路の形状を、前記分極反転層に形成され
    た前記光導波路の形状とは変化させることにより、高調
    波のビームのアスペクト比が1に近くした光波長変換素
    子。
  3. 【請求項3】 非線形光学結晶がLiNbxTa1-xO3
    (0≦x≦1)である、請求項1または2に記載の光波
    長変換素子。
  4. 【請求項4】 非線形光学結晶に形成した分極反転層、
    光導波路、高調波の出射部とを有し、前記出射部に形成
    した前記光導波路の形状を、前記分極反転層に形成され
    た前記光導波路の形状とは変化させた光波長変換素子
    と、前記光波長変換素子に基本波を導波させる半導体レ
    ーザとを備え、前記光波長変換素子から出射する高調波
    のビームのアスペクト比が1に近くしたレーザ装置。
  5. 【請求項5】 非線形光学結晶に形成した分極反転層、
    厚みd1をもつ光導波路、高調波の出射部とを有し、前
    記光導波路の前記出射部の厚みd2が、d2>d1の関
    係となった光波長変換素子と、前記光波長変換素子に基
    本波を導波させる半導体レーザとを備え、前記出射部か
    ら出射する高調波のビームのアスペクト比が1に近くし
    たレーザ装置。
  6. 【請求項6】 非線形光学結晶がLiNbxTa1-xO3
    (0≦x≦1)である、請求項4または5に記載のレー
    ザ装置。
  7. 【請求項7】 非線形光学結晶中に分極反転層を形成す
    る工程と、前記結晶にプロトン交換法により高屈折率層
    を形成する工程と、前記結晶を熱処理温度T1で光導波
    路を、熱処理温度T2で出射部を、T2>T1なる関係
    で熱処理して形成する工程とを有する光波長変換素子の
    製造方法。
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