JPH0320725A - 光波長変換素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は光通信および光応用計測分野で用いられる光波
長変換素子およびその製造方法に関するものであも 従来の技術 従来の光波長変換素子の材料は　有機物質と無機物質が
ある力交　有機材料ｉｔ　　多くの物質が非線形光学定
数の高いものである力文　しかＬ　　熱に弱いことや経
時変化が大きいという欠点があり、実用化には程遠賎　
無機結晶でζ友　非線形光学定数が比較的高いものバ　
ＬＬＮｂＯ＊やＬｉＴａＯｓだけであａ　まな　製造方
法（よ　導波路型のものとして外拡敗　内拡敗　イオン
注入、蒸着等の技術が挙げられる力支　また　光高調波
が出ていな賎　また　エビタキシャル或長技術１よ　光
高調波が出たパ　まだまだ効率は悪１，％　　そして、
バルク型の光波長変換素子（上　製品レベルまで至って
いも　しかし　入射光の出力力（　大きくなくてはいけ
ないＬ　光高調波の変換効率は低いという欠点がある。

現在のコンパクトな光波長変換素子として使われている
ものζ＆　　ＬｉＮｂ０３基板上にプロトン交換法によ
り作製された埋め込み型光導波路に垂直な面を光学研磨
し　半導体レーザより発生した基本波を上記導波路に入
射されることで高調波をとりだすものだけである。プロ
トン交換法とは、ＬｉＮｂ０３結晶を高温にした高級飽
和脂肪酸を主戊分とする溶液に接触させることによりＬ
　ｉＮ　ｂＯ　ｓ結晶のＬｉイオンと高級飽和脂肪酸の
Ｈイオンを交換させる方法である。以下、　１．３μｍ
の波長の基本波にたいする高調波発生（波長０．　６５
μｍ）について図を用いて詳しく述べも　第５図に従来
の光波長変換素子の構戒図を示ｔｏ　　Ｌ　ＩＮ　ｂＯ
　ｓ基板ｌに形成された光導波路１１の端面に半導体レ
ーザｌ２の基本波を入射すると、基本波の導波モードの
実効屈折率Ｎ＋と高調波−の実効屈折率Ｎ２が等しくな
るような条件が満足されるとき、基板内に高調波Ｐ２が
効率良く放射され　光波長交換素子として動作す，Ｌ　
　１３はレン，（６はレンズｌ３から出た基本波パター
ン、　７は出射された高周波パターンを示す。

上記光波長交換素子は半導体レーザｌ２からの波長１．
３μｍの基本波に対して光導波路の長さを１０ｍ凪　Ｐ
＋＝１００ｍＷにしたとき基本波の光導波路１１への結
合効率は３０％であり、Ｐ２＝１ｍＷの高調波が得られ
ていた　この場合の変換効率Ｐ　２／　ｐ　＋は１％で
あも 発明が解決しようとする課題 上記のようなＬｉＮｂＯｓに光導波路１１を形威した素
子は　プロトン交換層の非線形光学定数７ｓｓ力＜５．
６とＬｉＮｂＯｓのバルク　（ｙｅｓ＝３８）の１／６
倍と小さ鶏　つまり、プロトン交換層に光を通してもＳ
ＨＧへの変換はほとんど行われなし１　従来のＬｉＮｂ
Ｏｓを用いた光波長変換素子の原理はプロトン交換層に
光を通すと、導波路外への染み出し部から出てくる入射
光力文　チェレンコフ放射モードによる位相整合を行い
ＳＨＧ光に変換されるというものであも そこ玄　従来のものよりもＳＨＧ光の出力を高めるため
に１よ　次の四つのことを考慮しなければならなり１　
ま哄　光導波路のコア部とグラッド部の屈折率差を高め
ることであん　しかし　現在の技術でζよ　プロトン交
換法を利用した屈折率差は０．１４以上望めなＬ〜　ま
た　プロトン交換法以外の光導波路作製技術で４１　　
深さ方向にステップ型の光導波路が作製できな残　ある
い｛よ　屈折率差は０．１４以上望めなＬ〜　あるい｛
よ　光導波路の界面または表面のダメージが大きし〜　
あるい（よ　光ダメージが大きい等の問題があも　次に
　入力光のパワーを高めることであ４　　ＳＨＧ光のパ
ワー（よ入力光の２乗に比例するので、非常に有効な方
法ではある戟　現在　半導体レーザでコヒーレント性が
良く、高出力なものはなく、５０ｍＷのものしか存在し
なｌ．％　　面発光レーザζ友　近未来のものであるし
　固体レーザや気体レーザ（上　高出力には適している
戟　コンパクト性に欠け価格も高いという欠点があり、
応用に制限が生じも　次に　入力光の強度を高めること
であも　ビーム径が、２μｍ以上でビーム強度が強いレ
ーザの開発は前記と同様であム　最後に　光導波路の非
線形光学定数を高めることであも　あるいは光導波路周
辺をも含めた系の非線形光学定数を高めることであも現
在存在する単結晶ではＬ　ｉＮ　ｂｏ　ｓやＬｉＴａＯ
ｓが高い非線形光学定数をも板　有機材料でＣヨ　　多
くの物質が非線形光学定数の高いものである力交　しか
し　熱に弱いことや経時変化が大きい等の大きな課題が
残っていも 以上のように効率を上！久　最終的に出力を向上させる
にｉ；ｔ．．　　非常に難しい現状であム　しかレ４０
０ｎｍ帯や５００ｎｍ帯のコンパクトな単一波長光源の
二−ズζｉ　　ＣＤの分野、光通信分野、光情報処理分
野等に数多くの用途が存在すも 本発明ζ上　このような従来技術の課題を解決すること
を目的とすム 課題を解決するための手段 本発明！主　従来のＬ　ｉＮ　ｂｏ　ｓ単結晶を利用し
た光波長変換素子の特性を維持Ｌ−　　ＬｉＮｂＯｓ基
板上の三次元光導波路の非線形光学定数を低下させない
ようにするにより、上記問題点で挙げた光導波路の非線
形光学定数を上げることが可能になん　具体的に述べる
と、光が通過する導波路の両側面をプロトン交換層の壁
で囲次　その開に電気エネルギーにより圧電効果を利用
してプロトン交換層で囲まれた領域の屈折率をプロトン
交換層の屈折率まであるいはそれ以上にもっていくとい
う手段を用いも プロトン交換層で囲まれた領域の非線形光学定数は単結
晶のままであり、屈折率差は基板との差が０．１４程度
の光導波路を形成することができもしかし　光導波路の
深さ方向に対する屈折率プロフィルは従来ほどステップ
型にはなってぃな鶏また　光導波路の導波方向に対する
横方向の屈折率差をステップ型からインデックス型にす
るためには、プロトン交換層の上に金属層あるいは半導
体層を選択蒸着するだけでなく、プロトン交換層とプロ
トン交換層の間のＬ　ｉＮ　ｂｏ　ｓ上に電極を設仇電
圧をプロトン交換層とプロトン交換層の間のＬ　ｉＮ　
ｂｏ　ｓの中央に印加することにより可能になん最後に
圧電効果を有効的に使うた△　導波路部のエッジ部とプ
ロトン交換層の上部に金属層あるいは半導体層を選択的
に蒸着する方法もある。

作用 本発明の光波長変換素子は従来の構造よりもプロセスの
工程が増丸　微細加工技術に対する依頼度も高く消費エ
ネルギーも高くなる爪　コンパクトで可視光領域の単一
波長がでる光源としては適していも　また　プロトン交
換層の屈折率を、深さ方向に対して従来のステップ型だ
けでなく、インデエックス型にもできも　インデエック
ス型のもの（戴　プロトン交換されていない層に入射光
の強度がステップ形の構造よりも強くなりＳＨＧ変換効
率が高まも　導波路部のエッジ部とプロトン交換層の上
部に配線を施したもの（よ　プロトン交換層に接触する
面積を広げ圧電効果を有効的に使う。本発明の光波長変
換素子は電気エネルギーを入力しなけれＧ【　光出力が
出ないのだか転　電気信号による光変調も可能であり、
まｆ；ＳＨＧ光はチェレンコフ角に放射さｈ　　ＳＨＧ
光に変換されず導波路を通過する入射光も存在するので
、分波器にも応用することが可能である。そして、本発
明の光波長変換素子と光ＩＣ素子を組み合わせることに
より光コンピュターにも応用できる。

実施例 以下に　本発明の実施例について図面を参照しながら説
明すも 本発明の光波長変換素子の一実施例の構造について、第
１図に基づき説明すも　導波路部３ζ戴プロトン交換さ
れた部分をも含めたプロトン交換層で囲まれた領域であ
も　２ケ所のプロトン交換されていて外気に晒されてい
る部分にそれぞれＴａを選択的に蒸ｔｒｔ，．　　電源
に接続しやすいようにパッドを設けた配線２の一方をア
ースに他方に電圧を印加すも　プロトン交換層間に電位
差を作り、導波路部３に基板１と比べ圧電効果を利用し
て屈折率差を作り、光導波路３を構成すも　導波路の一
方から入射光６を結合させ、ＳＨＧ光７はチェレンコフ
角に放射されも　プロトン交換層の屈折率は　深さ方向
に対してステップ型である力曳　プロトン交換層間に電
圧を印加し　導波路部３に基板１と比べ圧電効果を利用
して屈折率差を作るた△　導波方向に対して横方向の屈
折率１よ　ステップ型に近いものができる力丈　深さ方
向に対してはインデエックス型になる可能性が大きＩ，
％　　また第２図ζ友　導波方向に対して横方向の屈折
率をインデエックス型にするために　２ケ所の配線２の
間にもう一本の電極を設｛ナ、両側の電極をアースに　
中央の電極に電圧を印加し　プロトン交換層間の中央に
電圧がかかる様な構造であも本発明の実施例にかかる光
波長変換素子の製造方法について、図面を参照しながら
説明すも第３図は　本発明の光波長変換素子の第１の実
施例の製造方法の工程断面図を示すものであも但し　入
射光６を０．８，ｕｒｎ帯７！Ｓ　ＳＨＧ光７を０．４
μｍ帯に設定していも　第３図において、同図（ａ）の
工程ほ　＋Ｚ面を導波路面としたＬｉＮ　ｂｏ　ｓ基板
ｌ上に導波路５の幅２．５μｍの側面から０．５μｍず
つ内側部にプロトン交換を行うためにＴａマスクを形成
する工程で、Ｌ　ｉＮ　ｂＯ　ｓ基板ｌの＋Ｚ面上に電
子ビーム蒸着装置でＴａ膜２２を３０ＯＡ蒸着させ（１
０ｋＶ，０．４２Ａ＞、その眞　レジストのパターニン
グを行う。バターニング条件Ｇｉ　　次の通りであも　
使用するレジストはＡＺ５２１４Ｅで、膜厚を１．２μ
ｍにして形成する。基板ベータ（１４０℃，　３０分）
、塗布（４０００ｒｐｍ，　　３０秒）プリベーク（９
０℃，２０分）、パターン露光（１．３ｍＷ／ｃｍ”，
２４秒）、リバーサルベーク（１ｌＯ℃，　２０分）、
フラット露光　（１．３ｍＷ／ｃｍ’，　　１　８秒）
、現像（３分）、リンス（ｌ分）、ボストベーク（１４
０℃，　３０分）である。次に前記サンプルをＣＦ４ガ
スを２０ｓｅｃｍ流しながらドライエッチング装置で７
０Ｗ，５分間エッチングを行い、レジストをマスクとし
てＴａ膜２２を選択的に除去す瓜最後に　レジスト除去
を行う。除去材１上　アセトンを使用した　同図（ｂ）
の工程（上　同図（ａ）の工程で形成したパターン部を
選択的にプロトン交換する工程で、Ｔａ膜２２をマスク
としてＬ　ｉＮ　ｂＯ３基板ｌを２３０℃に一定に保た
れたピロ燐酸溶液に１２分漬けて置き、　３０分空冷し
１０分純水による水冷を行う。Ｔａ膜２２マスクを除去
する。除去材｛上　水酸化ナトリウム系を使用しｔも　
　最後にＮ２雰囲気中で１７０ｔ，　　１時間のアニー
ルを行う。

同図（ｃ）の工程では　プロトン交換された部分の上に
Ｔａ配線を形成する工程で、電子ビーム蒸着装置でＴａ
膜２をＩＯＯＯＡ蒸着させ（１０ｋＶ，０．４２Ａ）、
その眞　レジストのパターニングを行う。バターニング
条件｛よ　同図（ａ）の工程と同様であ＆　　ＣＦ．ガ
スを２０ｓｅｃｍ流しながらドライエッチング装置で７
０Ｗ，１５分間工・ソチングを行い、レジストをマスク
としてＴａ膜２を選択的に除去する。最後に　レジスト
除去を行う。

除去材１′！．．アセトンを使用しｔ４　　前述したご
とく、ＩＥ＋Ｚ面を微細加工可能な面としたＬ　ＬＮ　
ｂ０３基板で、　２は　Ｔａ配線−　３は先導波路であ
もここにおいて、入射光を０．８μｍ帯で、ＳＨＧ光を
０．４μｍ帯に設定しため＜，ＳＨＧ光がＬｉＮｂｘＴ
ａ＋＋−ｘ＋Ｑｓ　（１−ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１〉の吸
収端である３２０ｎｍ以上の光になる入射光であれば　
本発明の特許請求の範囲に適用すも　まｔ，　　０．　
　８μｍ帯の入射光を本実施例で使用したたぬ　プロト
ン交換層の幅が　０．　　５μｍ重　深さが０．　３５
μｍで、まム　光導波路の幅が２．５μｍになってしま
た力交　本発明の特許請求の範囲はプロトン交換層の幅
がカットオフ領域内で、光導波路の幅が単一モードであ
ればすべて適用する。そして、プロトン交換にビロ燐酸
を使用した力（　プロトン交換を行うものであれは　薬
品に問わず、例えば　安息香酸、ステアリン酸等でも良
しち　　また　プロトン交換のマスクとして、Ｔａを使
用した力支　プロトン交換溶液に侵されないものであれ
ば　Ａｕ等でも構わなリも　そして、Ｔａを蒸着するの
に　電子ビーム蒸着装置を使用した力交　プロトン交換
用マスクが形成される装置であるならば　蒸着方法を問
わず、例えば　スバッタ法　抵抗加熱法等でもかまわな
し１　電気配線をＴａ膜２を使用した力文　金属膜ある
いは半導体膜であれば本発明の特許請求の範囲に適用す
も　そして、Ｔａを蒸着するのに　電子ビーム蒸着装置
を使用した力交　配線を形威される装置であるならば　
蒸着方法を問わず　例えばスパッタ浪　抵抗加熱法等で
もかまわなし１次に　本発明の光波長変換素子の他の実
施例２を第２図に示す。この構戊の工程ζ友　上記実施
例１の工程とほぼ同じである力支　プロトン交換された
部分の上にＴａ配線を形成する（ｃ）の工程を、＋Ｚ面
を導波路面としたＬ　ｉＮ　ｂｏ　ｓ基板ｌ上に導波路
５の幅２．５μｍの側面から０．　　５μｍずつ内側部
と中央部に０．　　５μｍの幅にＴａ配線を形成する工
程に置換したものである。この構造にすることにより光
導波路の導波方向に対する横方向の屈折率差をステップ
型からインデックス型にすもプロトン交換されていない
層に入射光の強度が実施例１の構造よりも強くなりＳＨ
Ｇ変換効率が高ま　る。

次に　他の実施例３の工程断面図を第４図に示す。この
工程（友　実施例１の工程と似ている力交同図（ａ）の
工程！ｉ＋Ｚ面を導波路面としたＬｉＮｂＣ）ａ基板ｌ
上に導波路５の幅２．５μｍの側面から０．５μｍずつ
内側に入った部分以外全てにプロトン交換を行うために
Ｔａマスクを形成する工程で、レジストパターンを変え
て実施例ｌの図（ａ）の工程を施す。そして、新たに同
図（Ｃ）の工程として、導波路として使用される部分以
外のプロトン交換された部分をエッチングする工程で、
電子ビーム蒸着装置でＴａ膜２２をＩＯＯＯＡ蒸着させ
（１０ｋＶ，　　０．４２Ａ）、その後、レジストのバ
ターニングを行う。バターニング条件（よ実施例１の図
（Ｃ）の工程と同様であ，Ｌ　　ＣＦ４ガスを２０ｓｃ
ｃｒｎ流しながらドライエッチング装置で７０Ｗ，１５
分間エッチングを行し＼　レジストをマスクとしてＴａ
膜２２を選択的に除去すもそして、望ましくは連続的に
ＣＦ．ガスを５０ｓｅｃｍ流しながらドライエッチング
装置で４００Ｗ１０分間エッチングを行ｔ，％　　導波
路部以外のプロトン交換された部分を選択的にエッチン
グする。

同図（ｄ）の工程は実施例１の図（ｃ）の工程と似てお
り、Ｔａ配線を形成する工程である力支　配線の幅をプ
ロトン交換を行なっていない部分から１μｍずつ取るよ
うにバターニングする工程とだけが違う。但し　プロト
ン交換された部分をエッチングするの？，：，ｃＦ’４
ガスを流しながらドライエッチング装置を使用したが、
　プロトン交換層がエッチングされるのであれば　ガス
の種類を問わ哄例えｌｆ．．ｓＦｓを主或分とした混合
ガス等でもよ（１本発明の光波長変換素子ζよ　コンパ
クトで可視光領域の単一波長がでる光源としては適して
いもまた　インデエックス型のものＧｅｔ，　　プロト
ン交換されていない層に入射光の強度がステップ形の構
造よりも強くなりＳＨＧ変換効率が高まも　導波路部の
エッジ部とプロトン交換層の上部に配線を施したもの（
よ　プロトン交換層に接触する面積を広げ圧電効果を有
効的に使う。本発明の光波長変換素子は電気エネルギー
を入力しなければ　光出力が出ないのだか板　電気信号
による光変調も可能であり、ま？ＱＳＨＧ光はチェレン
コフ角に放射さ１１，ＳＨＧ光に変換されず導波路を通
過する入射光も存在するので、分波器にも応用すること
が可能であも　そして、本発明の光波長変換素子と光Ｉ
Ｃ素子を組み合わせることにより光コンビュターにも応
用できも 発明の効果 以上述べたように　本発明により、先導波路と光導波路
の側面部との屈折率差が高くなるため光と導波路との結
合効率および導波路の内部の基本波のパワー密度が向上
することから高調波の出力は高められ　また　出射光の
パターン（上　従来の三日月状から楕円状のものになり
、広がり角の狭い光になり、光コンピューターのスイッ
チ素子として利用できも

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の波長変換素子の斜視は　第
２図は本発明の他の実施例の波長変換素子の斜視は　第
３図は本発明の一実施例の素子の製造工程の断面は　第
４図（上　本発明の他の実施例の素子の製造工程の断面
諷　第５図ｃ上　　従来の素子の基本構戊を示す斜視図
である。 ｌ・・・Ｌ　ｉＮ　ｂｏ　ｓ基楓　３・・・光導波息　
６・・・基本波のパターン、　７・・・高調波出力（Ｓ
ＨＧ）パターン。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）　ＬｉＮｂ＿ｘＴａ＿（＿１＿−＿ｘ＿）Ｏ＿３
   （０≦ｘ≦１）基板上にプロトン交換法を用いて入射光
   のカットオフ領域に含まれる幅のプロトン交換層の導波
   路を作製する工程と、前記導波路から入射光の単一モー
   ドが導波する幅の距離以内で平行移動した位置に前記導
   波路と同様の導波路を作製する工程と、前記導波路の両
   方の外気露出部に金属あるいは半導体の少なくとも一方
   を蒸着する工程と、前記金属層あるいは半導体層に別々
   に電位を印加できるようにパッド部を設ける工程とを有
   することを特徴とする光波長変換素子の製造方法。
2. （２）プロトン交換層の導波路が、埋め込み型の導波路
   であることを特徴とする請求項１記載の光波長変換素子
   の製造方法
3. （３）ＬｉＮｂ＿ｘＴａ＿（＿１＿−＿ｘ＿）Ｏ＿３（
   ０≦ｘ≦１）基板上にプロトン交換法を用いて入射光の
   カットオフ領域に含まれる幅のプロトン交換層の導波路
   を作製する工程と、前記導波路から入射光の単一モード
   が導波する幅の距離以内で平行移動した位置に前記導波
   路と同様の導波路を作製する工程と、前記平行な２本の
   導波路で囲まれている領域の側面に接しプロトン交換さ
   れていない部分の一部をエッチングする工程と、前記導
   波路の両方の露出部に金属あるいは半導体の少なくとも
   一方を蒸着する工程と、前記金属層あるいは半導体層に
   別々に電位を印加できるようにパッド部を設ける工程と
   を有することを特徴とする光波長変換素子の製造方法
4. （４）ＬｉＮｂ＿ｘＴａ＿（＿１＿−＿ｘ＿）Ｏ＿３（
   ０≦ｘ≦１）基板上にプロトン交換法を用いて入射光の
   カットオフ領域に含まれる幅のプロトン交換層の導波路
   を作製する工程と、前記導波路から入射光の単一モード
   が導波する幅の距離以内で平行移動した位置に前記導波
   路と同様の導波路を作製する工程と、前記導波路の両方
   の外気露出部に金属あるいは半導体の少なくとも一方を
   蒸着する工程と、前記導波路の間に存在し前記導波路と
   平行で前記基板上に金属あるいは半導体の少なくとも一
   方を蒸着する工程と、前記金属層あるいは半導体層に別
   々に電位を印加できるようにパッド部を設ける工程とを
   有することを特徴とする光波長変換素子の製造方法。
5. （５）ＬｉＮｂ＿ｘＴａ＿（＿１＿−＿ｘ＿）Ｏ＿３（
   ０≦ｘ≦１）基板上にプロトン交換法を用いて入射光の
   カットオフ領域に含まれる幅の平行な２本のプロトン交
   換層の導波路が一方の導波路から他方の導波路までの距
   離を入射光の単一モードが導波する幅以内の位置に形成
   された構造を有し、その上に前記導波路の両方の外気露
   出部に金属あるいは半導体の少なくとも一方が蒸着され
   、前記それぞれの金属層あるいは半導体層に電圧が印加
   されるようにパッド部が設けられ一方がアースに落とさ
   れ、他方が電源に接続され、前記２本の導波路に電圧が
   印加され、前記２本の導波路で囲まれた領域に前記導波
   路と同様な屈折率あるいはそれ以上の屈折率を均一に形
   成して三次元光導波路が構成され、前記三次元光導波路
   の一端から入射光が入れられ、チェレンコフ角方向に高
   周波光が放射されるものであることを特徴とする光波長
   変換素子。
6. （６）ＬｉＮｂ＿ｘＴａ＿（＿１＿−＿ｘ＿）Ｏ＿３（
   ０≦ｘ≦１）基板上にプロトン交換法を用いて入射光の
   カットオフ領域に含まれる幅の平行な２本のプロトン交
   換の導波路が一方の導波路から他方の導波路までの距離
   を入射光の単一モードが導波する幅以内の位置に形成さ
   れた構造を有し、その上に前記導波路の両方の外気露出
   部と前記２本の導波路の間に存在する基板上に金属ある
   いは半導体の少なくとも一方が蒸着され、前記金属層あ
   るいは半導体層に別々に電位を印加できるようにパッド
   部が設けられて両側がアースに落され、中央に電源が接
   続され、前記２本の導波路に電圧が印加され前記２本の
   導波路で囲まれた領域に前記導波路から遠のくに従って
   屈折率を随時大きくして三次元光導波路が構成され、前
   記三次元光導波路の一端から入射光が入れられ、チェレ
   ンコフ角方向に高周波光が放射されるものであることを
   特徴とする光波長変換素子。