JPH04340525A - 波長変換素子 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コヒーレント光源を応
用した光情報処理、光応用計測制御分野に使用される波
長変換素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】誘電体の分極を強制的に反転させる分極
反転は誘電体に周期的な分極反転層を形成することによ
り表面弾性波を利用した光周波数変調器や非線形分極の
分極反転を利用した波長変換素子などに利用される。特
に非線形光学物質の非線形分極を周期的に反転すること
が可能になれば非常に変換効率の高い第二高調波発生素
子を作製することができる。これによって半導体レーザ
などの光を変換すると小型の短波長光源が実現でき、印
刷、光情報処理、光応用計測制御分野などに応用できる
ため盛んに研究が行われている。

【０００３】このような分極反転を利用した従来の波長
変換素子としては、例えば、（エレクトロニクスレター
（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．）１９８９年２５号Ｐ
７３１の）Ｅ．Ｊ．Ｌｉｍ氏による分極反転型の波長変
換素子がある。これはＬｉＮｂＯ３基板表面に周期的に
Ｔｉを拡散することにより、ＬｉＮｂＯ３基板に周期的
な分極反転層を形成し、この周期的な分極反転層を横切
るように光導波路を形成して波長変換素子を構成するも
のである。図１０はこの従来の波長変換素子の構成図で
ある。図１０（ａ）において２１はＬｉＮｂＯ３基板、
２２はプロトン交換導波路、２３分極反転層、２４は基
本光、２５は第二高調波（以下ＳＨＧ光とする）、２６
は分極反転層の１次の周期Λ１、２７は分極反転層の幅
である。図１０（ｂ）はこの波長変換素子を導波路２２
に沿って切断した断面である。図１０（ｂ）において、
２２はプロトン導波路、２３は分極反転層で、光導波路
２２は深さＤを有し、また分極反転層２３は周期Λ１、
幅Ｗで三角形状をしており、深さはｄである。この分極
反転層の１次の周期Λ１は基本光（波長をλとする）に
対する実効屈折率Ｎωと前記光導波路を導波するＳＨＧ
光（波長をλ／２とする）に対する実効屈折率Ｎ２ωに
対して、Λ１＝λ／２／（Ｎ２ω−Ｎω）の関係を満た
している。周期的に形成された分極反転層によって導波
路内を伝搬する基本光はＳＨＧ光に変換される。素子長
１ｍｍのとき、ＳＨＧ変換効率は３７％／Ｗ／ｃｍ２で
ある。また基本光の波長依存性は半値全幅０．５ｎｍで
ある。この半値全幅は素子長に反比例する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＬｉＮｂＯ３結晶には
光損傷という問題があり、光のパワー密度を上げると導
波路内の屈折率変化が発生し、高出力時の出力安定化が
難しいという問題がある。また、図１０（ｂ）に示すよ
うに、分極反転層の深さｄは導波路の深さＤに対し約１
／２以下になる、これは分極反転層の深さｄと幅Ｗの比
が一定の相似形となるからである。しかし、青色光の発
生を行うためには、約３μｍの分極反転周期Λ１が必要
になり、このため分極反転層深さｄは分極反転幅Ｗに規
制され、光導波路に対し充分深い反転層が形成できなく
なる。非線形光学効果による波長変換は基本光、ＳＨＧ
光、分極反転層深さの３つの重なり積分に依存するため
、このような浅い分極反転層しか形成できないと変換効
率が非常に低くなってしまい、高効率の波長変換が実現
しないという問題がある。

【０００５】そこで、本発明は分極反転の周期をΛ２（
＝２Λ１）とし、これによって、導波路に対し十分深い
分極反転層を得ることによって高効率の波長変換素子を
製造することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】誘電体の基板と、前記基
板表面近傍に形成した２次の周期Λ２で非線形分極が反
転している幅Ｗの分極反転層と、前記基板表面近傍に形
成した前記分極反転層に直行する光導波路と、前記光導
波路の両端面に形成した入射部および出射部とを備え、
かつ前記分極反転層の周期Λが前記光導波路を導波する
基本光（波長をλとする）に対する実行屈折率Ｎωと前
記光導波路を導波するＳＨＧ光（波長をλ／２とする）
に対する実行屈折率Ｎ２ωに対して、Λ２＝λ／（Ｎ２
ω−Ｎω）の関係を満足し、かつ前記分極反転層の幅Ｗ
がΛ２／２＜Ｗ＜Λ２の関係を満足している波長変換素
子である。

【０００７】

【作用】本発明は前述した構成により、２次の分極反転
周期を用いた波長変換素子を構成する。ここで１次と２
次の分極反転について説明する。

【０００８】図８（ａ）に波長変換素子の素子長と素子
内で変換されたＳＨＧ出力の関係を示す。図８（ｂ）は
１次の分極反転の分極の様子、図８（ｃ）（ｄ）は２次
の分極反転の分極の様子である。図８（ｂ）（ｃ）（ｄ
）において矢印は分極の向きである。

【０００９】今、図８（ｂ）のように周期Λ１で分極の
向きが交互に反転するとＳＨＧ出力は図８（ａ）中の（
ｂ）の曲線で示すように距離の２乗に比例して増加する
。

【００１０】この周期が２倍のΛ２（＝Λ１）になった
ら２次の分極反転である。しかし図８（ｃ）に示すよう
に周期Λ２で分極の向きが交互に反転すると図８（ａ）
中の（ｃ）に示すようにＳＨＧ出力は距離によって増加
せず高効率のＳＨＧ出力は得られない。ところが同じ周
期Λ２でも１周期Λ２内の分極の反転している割合を１
：３に変えるとＳＨＧ出力は図８（ａ）中の（ｄ）に示
すように距離の２乗に比例して増加し高効率の変換が行
える。

【００１１】これによって、分極反転層の周期を１次の
周期Λ１の２倍に拡大して分極反転層形成の許容度を増
し、作製を容易にする。また、分極反転層深さは分極反
転層幅に依存するため、分極反転層の幅を分極反転周期
の１／２より大きくすることにより、より深い分極反転
層の形成を可能にして、光導波路とのオーバーラップを
増大させ、変換効率を向上させる。さらに分極反転層と
非反転層間の比率を調整することにより変換効率をより
増大させ高出力の波長変換素子を構成することができる
。

【００１２】

【実施例】図１に第１の実施例における波長変換素子の
構成図を示す。１は−Ｃ板のＬｉＴａＯ３基板、４は分
極反転層、５はプロトン交換導波路、６は波長８００ｎ
ｍの基本光、７は波長４００ｎｍのＳＨＧ光である。図
１において分極反転層４とは基板に対し、分極の方向が
逆転している部分である。本実施例の波長変換素子の分
極反転層の周期Λ２は２次であり、１次の周期Λ１の２
倍の周期をもつ（Λ２＝Λ１＊２）。この分極反転層の
２次の周期Λ２は基本光（波長をλとする）に対する実
効屈折率Ｎωと前記光導波路を導波するＳＨＧ光（波長
をλ／２とする）に対する実効屈折率Ｎ２ωに対して、
Λ２＝λ／（Ｎ２ω−Ｎω）の関係を満たしている。実
効屈折率とは光が実際に感じる屈折率のことである。Ｌ
ｉＴａＯ３の場合、基本光の波長が８００ｎｍのとき１
次の周期Λ１が約４μｍ、２次で約８μｍである（基本
光とＳＨＧ光の位相整合がとれＳＨＧ光が発生するのは
、分極反転層の周期が１次の分極反転周期Λ１の整数倍
に一致したときのみである。）。図２は、第１の実施例
における波長変換素子の製造方法の工程図を示すもので
分極反転層の形成方法である。図２において、１は−Ｃ
板のＬｉＴａＯ３基板、２はＴａマスク、３はプロトン
交換層、４は分極反転層、８はマスクの幅Ｗ、９は２次
の周期Λ２である。 以下、その製造方法を説明する。（ａ）−Ｃ板のＬｉＴ
ａＯ３基板１上にスパッタリング法によりＴａ膜を３０
０Ａ形成する。（ｂ）Ｔａ膜上にフォトレジストを塗布
した後、通常のフォトリソグラフィ法により周期Λごと
に幅Ｗのストライプを基板のＹ伝搬方向に形成する（周
期Λは７μｍとした）。（ｃ）ＣＦ４雰囲気中でドライ
エッチングでＴａマスクにレジストのパターンを転写す
る。（ｄ）２６０℃のピロ燐酸中で２０分間熱処理しプ
ロトン交換層３を形成する。（ｅ）加熱装置でＬｉＴａ
Ｏ３基板を加熱した。

【００１３】ここで、分極反転処理とは、ＬｉＴａＯ３
結晶をキュリー温度近くまで温度を上げて、一定方向に
そろっている結晶の分極を部分的に反転させる処理であ
る。この分極反転のメカニズムとして考えられるのは、
まず第１にプロトン交換によってプロトン交換層のＬｉ
濃度が低減し、これによって、プロトン交換層のキュリ
ー点が低下する。そこで基板をＬｉＴａＯ３結晶のキュ
リー点とプロトン交換ＬｉＴａＯ３のキュリー点の間で
熱処理するとプロトン交換部分のみキュリー状態にする
ことができる。さらにプロトン交換層内のイオンと基板
内のイオンの間発生する電界によってキュリー状態にあ
るプロトン交換層の分極反転が逆転し、分極反転層が形
成される。

【００１４】図３には、作製した分極反転上に形成する
光導波路の作製方法を示す。図３において（ａ）図２（
ｅ）にある分極反転形成のためのＴａマスク２を除去す
る。 （ｂ）ＬｉＴａＯ３基板１表面にＴａ膜をスパッタリン
グ法により３４０Ａ成膜する。 （ｃ）フォトリソおよびドライエッチングによりマスク
パターンを形成する。（ｄ）２６０℃のピロ燐酸中で１
０分間熱処理するとプロトン交換光導波路５が形成され
る。Ｔａマスクを酸により除去し、導波路の両端面を光
学研磨し波長変換素子を形成した。

【００１５】次に波長変換素子の動作について説明する
。光導波路導波路に入射された基本波は分極反転層にお
いてＳＨＧ光に変換され、波長８００ｎｍの基本光を入
射すると波長４００ｎｍの青色のＳＨＧ光を発生するこ
とができる。理論的に光導波路に対し充分深い分極反転
層が形成できるとき反転周期は変換効率に影響し、２次
の分極反転層の効率は１次の分極反転層の効率の約１／
４になる。しかし、１次の分極反転においては、分極反
転周期が短いため光導波路に対し充分深い分極反転層は
形成できない。これは分極反転層が大きさに依存せず、
相似形状をとるため、分極反転層幅が小さな短周期の分
極反転層においては深い分極反転層が形成できない。そ
れに対し２次の分極反転層周期は１次の周期の２倍の周
期をとるため、分極反転層幅が拡大し深い分極反転層が
形成できる。これを図４、５で説明する。

【００１６】図４（ａ）は１次の分極反転周期を有する
波長変換素子を導波路５に沿って切断した断面である。 １は−Ｃ板のＬｉＴａＯ３基板、４は分極反転層、５は
プロトン交換導波路、１０は波長８００ｎｍの基本光の
電界分布、１１は波長４００ｎｍのＳＨＧ光の電界分布
、１２は基本光とＳＨＧ光の分極反転層内における電界
のオーバラップである。図５（ａ）は２次の分極反転周
期を有する波長変換素子を導波路５に沿って切断した断
面である。１は−Ｃ板のＬｉＴａＯ３基板、４は分極反
転層、５はプロトン交換導波路、１０は波長８００ｎｍ
の基本光の電界分布、１１は波長４００ｎｍのＳＨＧ光
の電界分布、１３は基本光とＳＨＧ光の分極反転層内に
おける電界のオーバラップである。ＳＨＧ出力は分極反
転層内での基本光６とＳＨＧ光７の電界のオーバーラッ
プ１２，１３に比例する。このため図５（ｂ）に示すよ
うに２次の分極反転周期の波長変換素子における場合の
基本光６とＳＨＧ光７の分極反転層内における電界のオ
ーバーラップ１３は図４（ｂ）に示すとおり１次の分極
反転周期の波長変換素子の電界のオーバラップ１２に比
べ非常に大きいため、高効率の波長変換が行える。

【００１７】例えば波長８００ｎｍ、出力４０ｍＷの半
導体レーザの基本光６を集光光学系により集光し作製し
た波長変換素子に入射した。導波路より、出射される基
本波及びＳＨＧ光をレンズでコリメートしパワーメータ
で測定した。その結果を図６に示す。図６は基本光の出
力とＳＨＧ光の出力を示したもので横軸は基本光出力、
縦軸はＳＨＧ出力である。２次の分極反転周期の波長変
換素子におけるＳＨＧ光の出力は２ｍＷであり、このと
きの変換効率は６０％／Ｗ・ｃｍ２という非常に高効率
の波長変換が行われた。またこの値は１次の分極反転周
期のＳＨＧ出力の約２倍であった。さらに基本光のパワ
ーを増大させて２００ｍＷまで導波させたが光損傷によ
る変動は観測されなかった。以上の結果安定で高効率な
波長変換素子が作製できた。

【００１８】分極反転層の幅とＳＨＧの関係を説明する
。図７は２次の分極反転周期の波長変換素子において分
極反転層の幅ＷとＳＨＧ出力の関係を示したものである
。図７において、横軸は分極反転層の幅Ｗ、縦軸はＳＨ
Ｇ出力である。２次の分極反転周期をΛ２とするとＳＨ
Ｇ出力は図７のようになる。ＳＨＧ出力は分極反転層の
幅ＷがΛ２／４近傍と３Λ２／４近傍で極大となるが、
ＳＨＧ出力が最大となるのは０＜Ｗ＜Λ２／２の間では
なくΛ２／２＜Ｗ＜Λ２の間である。

【００１９】この理由を図９を用いて説明する。図９（
ａ）は波長変換素子の素子長と、ＳＨＧ出力の関係を示
している。図９（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｄ）は導波
路と分極反転層を示しており導波路内の分極の方向は上
向，反転層内の分極の方向は下向である。

【００２０】図９（ｂ），（ｃ），（ｄ）において、分
極反転の周期はΛ２、分極反転層の巾及び深さは、それ
ぞれＷ，ｄ，導波路深さはＤである。ＳＨＧ出力は分極
反転の深さｄと導波路深さＤとのオーバラップで決まる
。

【００２１】図９（ｂ）は分極反転層の巾Ｗが０＜Ｗ＜
Λ２／２のときでありこのときＳＨＧ出力は距離によっ
て増加するが導波路の深さＤに対し、分極反転の深さｄ
が小さいためＳＨＧ出力は図９（ａ）中の（ｂ）に示す
ように低いＳＨＧ変換効率しか得られない。

【００２２】図９（ｃ）は分極反転層の巾ＷがＷ＝Λ２
／２のときである。このときＳＨＧ出力は図９（ａ）中
の（ｃ）となりＳＨＧの出力はほとんど０になる。

【００２３】ところが図９（ｄ）に示すようにΛ２／２
＜Ｗ＜Λ２のとき分極反転層の巾Ｗが大きくなるため分
極反転層の深さｄは導波路深さＤに対し十分深くなる。

【００２４】これによってＳＨＧ出力は図９（ａ）中の
（ｄ）に示すように高い変換効率が得られる。

【００２５】それに対しΛ２／２＜Ｗ＜Λ２の間では分
極反転層の幅が広いため深さが導波路に対し充分深くな
りかつ、ＳＨＧ出力が最大となる点を有するため、非常
に高い変換効率を実現できる。

【００２６】なお、本実施例では分極反転層の作製方向
をＹ伝搬方向としたがＸ伝搬方向でも同様な素子が作製
できる。

【００２７】なお、本実施例では基板にＬｉＴａＯ３基
板を用いたが他にＭｇＯ、Ｎｂ、Ｎｄなどをドープした
ＬｉＴａＯ３基板でも同様な素子が作製できる。

【００２８】なお、本実施例では、イオン交換にピロ燐
酸を用いたが、他にオルト燐酸、安息香酸、硫酸、など
も用いることができる。

【００２９】なお、本実施例では耐イオン化のマスクと
して、Ｔａ膜を用いたが、他にＴａ２Ｏ５、Ｐｔ、Ａｕ
など耐酸性を有する膜なら用いることができる。

【００３０】なお、本実施例では光導波路としてプロト
ン交換導波路を用いたが、他にＴｉ拡散導波路、Ｎｂ拡
散導波路、イオン注入導波路など他の光導波路も用いる
ことができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、２次の分極反転周
期を用いて分極反転形の波長変換素子を構成しすること
により、分極反転周期が１次の周期の２倍になって作製
が容易になる。また分極反転層の幅が広がるため、光導
波路に対して充分深い分極反転層を形成できるため、分
極反転層内における基本光とＳＨＧ光の電界分布のオー
バーラップが増大し、ＳＨＧ光への変換効率が増大する
。さらに分極反転層の幅を分極反転周期Λの１／２より
大きくすることにより、より深い分極反転層が形成でき
、ＳＨＧ変換効率の増大が図れると共に、ＳＨＧ出力の
分極反転層幅依存性により２次の分極反転周期のＳＨＧ
出力の最大値をとれるため、高効率でかつ短波長変換が
可能かつ作製が容易な分極反転型の波長変換素子を構成
することができ、その実用効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の波長変換素子の構成斜視図

【
図２】本発明の波長変換素子の分極反転層の製造工程断
面図

【図３】本発明の波長変換素子のプロトン交換導波路の
製造工程斜視図

【図４】（ａ）１次の分極反転周期の波長変換素子の構
造断面図 （ｂ）１次の分極反転周期の波長変換素子における基本
光とＳＨＧ光の電界分布のオーバーラップを示す図

【図
５】（ａ）２次の分極反転周期の波長変換素子の構造断
面図 （ｂ）２次の分極反転周期の波長変換素子における基本
光とＳＨＧ光の電界分布のオーバーラップを示す図

【図
６】基本光に対するＳＨＧ出力を示す図

【図７】分極反
転層の幅Ｗに対するＳＨＧ出力を示す図

【図８】（ａ）
１次の分極反転周期と２次の分極反転周期の素子長に対
するＳＨＧ出力を示す図（ｂ）波長変換素子の１次の分
極反転周期Λ１を示す図（ｃ）波長変換素子の２次の分
極反転周期Λ２（非分極反転層と分極反転層の幅Ｗの比
が１：１）を示す図（ｄ）波長変換素子の２次の分極反
転周期Λ２（非分極反転層と分極反転層の幅Ｗの比が１
：３）を示す図

【図９】（ａ）２次の分極反転層幅の素
子長に対するＳＨＧ出力係を示す図 （ｂ）分極反転層幅Ｗが０＜Ｗ＜Λ２であるときの分極
反転層幅Ｗに対する分極反転層の深さｄを示す波長変換
素子の断面図 （ｃ）分極反転層幅ＷがＷ＝Λ２／２であるときの分極
反転層幅Ｗに対する分極反転層の深さｄを示す波長変換
素子の断面図 （ｄ）分極反転層幅ＷがΛ２／２＜Ｗ＜Λ２であるとき
の分極反転層幅Ｗに対する分極反転層の深さｄを示す波
長変換素子の断面図

【図１０】（ａ）従来の波長変換素子の構成図（ｂ）従
来の波長変換素子の断面図

【符号の説明】

１　　−Ｃ板のＬｉＴａＯ３基板 ２　　Ｔａマスク ３　　プロトン交換層 ４　　分極反転層 ５　　プロトン交換導波路 ６　　波長８００ｎｍの基本光 ７　　波長４００ｎｍの第二高調波（ＳＨＧ光）８　　
マスクの幅Ｗ ９　　周期Λ １０　　波長８００ｎｍの基本光の電界分布１１　　波
長４００ｎｍのＳＨＧ光の電界分布１２　　基本光とＳ
ＨＧ光の分極反転層内における電界のオーバラップ １３　　基本光とＳＨＧ光の分極反転層内における電界
のオーバラップ ２１　　ＬｉＮｂＯ３基板 ２２　　プロトン交換導波路 ２３　　分極反転層 ２４　　基本光 ２５　　第二高調波（ＳＨＧ光） ２６　　分極反転層の周期 ２７　　分極反転層の幅 ２８　　基本光の電界分布 ２９　　ＳＨＧ光の電界分布

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】誘電体の基板と、前記基板表面近傍に形成
   した２次の周期Λ２で非線形分極が反転している幅Ｗの
   分極反転層と、前記基板表面近傍に形成した前記分極反
   転層に直行する光導波路と、前記光導波路の両端面に形
   成した入射部および出射部とを備え、前記分極反転層の
   ２次の周期Λ２が前記光導波路を導波する基本光（波長
   をλとする）に対する実行屈折率Ｎωと前記光導波路を
   導波する高調波（波長をλ／２とする）に対する実行屈
   折率Ｎ２ωに対して、Λ２＝λ／（Ｎ２ω−Ｎω）の関
   係を満足し、かつ前記分極反転層の幅ＷがΛ２／２＜Ｗ
   ＜Λ２の関係を満足していることを特徴とする波長変換
   素子。