JPH0527288A - 波長変換素子の製造方法 - Google Patents
波長変換素子の製造方法Info
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- JPH0527288A JPH0527288A JP3301667A JP30166791A JPH0527288A JP H0527288 A JPH0527288 A JP H0527288A JP 3301667 A JP3301667 A JP 3301667A JP 30166791 A JP30166791 A JP 30166791A JP H0527288 A JPH0527288 A JP H0527288A
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- G02F1/35—Non-linear optics
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- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
- G02F1/377—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure
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- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 非線形光学結晶に、非線形分極を周期的に反
転層させることにより、波長変換素子を形成する製造方
法である。 【構成】 LiTaO3基板１にプロトン交換処理を部分的に
施した後、基板を熱処理する。このとき高速昇温の加熱
処理装置を用いることで、基板熱処理の昇温速度を上
げ、短時間で高温の加熱処理を可能にした。その結果、
プロトン交換層の熱拡散を抑制し、プロトン交換層内に
形成される分極反転層の広がりを塞ぐことに成功した。
これにより分極反転層の横広がりを抑えた短周期の分極
反転層の形成が可能になり、高効率で短波長変換が可能
な波長変換素子が形成できた。
転層させることにより、波長変換素子を形成する製造方
法である。 【構成】 LiTaO3基板１にプロトン交換処理を部分的に
施した後、基板を熱処理する。このとき高速昇温の加熱
処理装置を用いることで、基板熱処理の昇温速度を上
げ、短時間で高温の加熱処理を可能にした。その結果、
プロトン交換層の熱拡散を抑制し、プロトン交換層内に
形成される分極反転層の広がりを塞ぐことに成功した。
これにより分極反転層の横広がりを抑えた短周期の分極
反転層の形成が可能になり、高効率で短波長変換が可能
な波長変換素子が形成できた。
Description
【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
波長変換素子の製造方法に関するものである。
用した、光情報処理、光応用計測制御分野に使用される
波長変換素子の製造方法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。
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】図２１に従来の光波長変換素子の構成図を
示す。以下0.82μｍの波長の基本波に対する高調波発生
（波長0.41μｍ）について図を用いて詳しく述べる。
（E.J.Lim, M.M.Fejer, R.L.Byer, and W.J.Kozlovsky,
"Blue light generation by frequency doubling in p
eriodically poled lithum niobate channel waveguid
e",Electron. Lett.,25,731-732,(1989年)、参照）．図
２１に示されるようにLiNbO3基板４１に光導波路４４が
形成され、さらに光導波路４４には周期的に分極の反転
した層４５（分極反転層）が形成されている。基本波と
発生する高調波の伝搬定数の不整合を分極反転層４５の
周期構造で補償することにより高効率に高調波を出すこ
とができる。光導波路４４の入射面に基本波Ｐ１（４
３）を入射すると、光導波路４４から高調波Ｐ２（４
２）が効率良く発生され、光波長変換素子として動作す
る。
示す。以下0.82μｍの波長の基本波に対する高調波発生
（波長0.41μｍ）について図を用いて詳しく述べる。
（E.J.Lim, M.M.Fejer, R.L.Byer, and W.J.Kozlovsky,
"Blue light generation by frequency doubling in p
eriodically poled lithum niobate channel waveguid
e",Electron. Lett.,25,731-732,(1989年)、参照）．図
２１に示されるようにLiNbO3基板４１に光導波路４４が
形成され、さらに光導波路４４には周期的に分極の反転
した層４５（分極反転層）が形成されている。基本波と
発生する高調波の伝搬定数の不整合を分極反転層４５の
周期構造で補償することにより高効率に高調波を出すこ
とができる。光導波路４４の入射面に基本波Ｐ１（４
３）を入射すると、光導波路４４から高調波Ｐ２（４
２）が効率良く発生され、光波長変換素子として動作す
る。
【０００４】このような従来の光波長変換素子は分極反
転構造を基本構成要素としていた。この素子の製造方法
について図２２を用いて説明する。同図（ａ）で非線形
光学結晶であるＬｉＮｂＯ3基板１００に、Ｔｉ１０１
のパターンをリフトオフと蒸着により幅数μｍの周期で
形成していた。次に同図（ｂ）で１１００℃程度の温度
で熱処理を行い、LiNbO3基板１００と分極が反対向きに
反転した分極反転層１０２を形成した。次に同図（ｃ）
で安息香酸（２００℃）中で２０分熱処理を行った後、
３５０℃でアニールを行い光導波路１０３を形成する。
上記安息香酸処理により作製される光波長変換素子は、
波長0.82μｍの基本波Ｐ１に対して、光導波路の長さを
１ｍｍ、基本波Ｐ１のパワーを14.7ｍＷにしたとき高調
波Ｐ２のパワー940ｎＷが得られていた。このときの変
換効率は0.43%/Wであった。基本波が１Ｗ入射したとす
ると、素子長１０ｍｍで３７０ｍＷの高調波出力が可能
である。この場合１０ｍｍの素子での１Ｗ当りの変換効
率は、３７％／Ｗ・ｃｍ2である。
転構造を基本構成要素としていた。この素子の製造方法
について図２２を用いて説明する。同図（ａ）で非線形
光学結晶であるＬｉＮｂＯ3基板１００に、Ｔｉ１０１
のパターンをリフトオフと蒸着により幅数μｍの周期で
形成していた。次に同図（ｂ）で１１００℃程度の温度
で熱処理を行い、LiNbO3基板１００と分極が反対向きに
反転した分極反転層１０２を形成した。次に同図（ｃ）
で安息香酸（２００℃）中で２０分熱処理を行った後、
３５０℃でアニールを行い光導波路１０３を形成する。
上記安息香酸処理により作製される光波長変換素子は、
波長0.82μｍの基本波Ｐ１に対して、光導波路の長さを
１ｍｍ、基本波Ｐ１のパワーを14.7ｍＷにしたとき高調
波Ｐ２のパワー940ｎＷが得られていた。このときの変
換効率は0.43%/Wであった。基本波が１Ｗ入射したとす
ると、素子長１０ｍｍで３７０ｍＷの高調波出力が可能
である。この場合１０ｍｍの素子での１Ｗ当りの変換効
率は、３７％／Ｗ・ｃｍ2である。
【０００５】また（アプライドフィジィックスレター
（Appl.Phys.Lett.）1990年56号P1535の）Kiyoshi Naka
mura氏により、LiTaO3に分極反転層を形成できるという
報告がある。図２３において１０４はLiTaO3基板、１０
５はプロトン交換層、１０６は分極反転層である。製造
方法は、（ｂ）LiTaO3基板１０４を590℃の安息香酸中
で熱処理しプロトン交換層１０５を形成する。（ｃ）Li
TaO3基板をキュリー温度（600℃）近傍の570℃〜590℃
で熱処理するとLiTaO3基板の−Ｃ面表面に分極の反転し
た層１０６が形成されるというもので、これを波長変換
素子に用いるという考えは全くなかった。
（Appl.Phys.Lett.）1990年56号P1535の）Kiyoshi Naka
mura氏により、LiTaO3に分極反転層を形成できるという
報告がある。図２３において１０４はLiTaO3基板、１０
５はプロトン交換層、１０６は分極反転層である。製造
方法は、（ｂ）LiTaO3基板１０４を590℃の安息香酸中
で熱処理しプロトン交換層１０５を形成する。（ｃ）Li
TaO3基板をキュリー温度（600℃）近傍の570℃〜590℃
で熱処理するとLiTaO3基板の−Ｃ面表面に分極の反転し
た層１０６が形成されるというもので、これを波長変換
素子に用いるという考えは全くなかった。
【０００６】
【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、光のパワー密度の上昇によって導波
路の屈折率変化が発生し波長変換の位相整合条件が変動
する。このため安定に動作する変換効率の高い波長変換
素子を製造するのが難しいという問題があった。そこで
LiNbO3結晶に結晶構造が類似しており、かつ高い非線形
性を有し、さらに光損傷にも強いLiTaO3結晶に分極反転
を形成して波長変換素子を製造する研究が行われてい
る。またLiTaO3結晶は光学特性に優れており、かつ結晶
育成時の不純物の混入が少なく、LiNbO3に比べ結晶性に
優れているため耐光損傷性や耐ＤＣドリフトにおいて優
れた特性を有し、光ICデバイス用の光学材料として有用
な材料である。しかしながら、上記のような方法ではス
ラブ状の反転層は形成できても、LiTaO3結晶に周期的な
分極反転層を形成することができないという問題があっ
た。
という問題があり、光のパワー密度の上昇によって導波
路の屈折率変化が発生し波長変換の位相整合条件が変動
する。このため安定に動作する変換効率の高い波長変換
素子を製造するのが難しいという問題があった。そこで
LiNbO3結晶に結晶構造が類似しており、かつ高い非線形
性を有し、さらに光損傷にも強いLiTaO3結晶に分極反転
を形成して波長変換素子を製造する研究が行われてい
る。またLiTaO3結晶は光学特性に優れており、かつ結晶
育成時の不純物の混入が少なく、LiNbO3に比べ結晶性に
優れているため耐光損傷性や耐ＤＣドリフトにおいて優
れた特性を有し、光ICデバイス用の光学材料として有用
な材料である。しかしながら、上記のような方法ではス
ラブ状の反転層は形成できても、LiTaO3結晶に周期的な
分極反転層を形成することができないという問題があっ
た。
【０００７】そこで本発明は上記の点に鑑み、LiTaO3結
晶に短周期の分極反転層を形成し、短波長への変換が可
能でかつ高効率に波長変換できる波長変換素子の製造方
法を提供することを目的とする。
晶に短周期の分極反転層を形成し、短波長への変換が可
能でかつ高効率に波長変換できる波長変換素子の製造方
法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明では、 （１）Ｃ板（結晶のＣ軸に垂直な面で切り出した基板）
のLiTaO3基板の表面にストライプ状のマスクを形成する
工程と、前記LiTaO3基板本体をプロトン交換処理して、
非マスク部分から前記LiTaO3基板内のLiとH+イオンを交
換しプロトン交換層を形成する工程と、前記LiTaO3基板
を加熱手段によって熱処理し分極反転層を形成する工程
とを備えた波長変換素子の製造方法である。 （２）またＣ板のLiTaO3基板の表面に周期Λ、ストライ
プ幅Ｗ（但しＷ＜Λ）のストライプ状のマスクを形成す
る工程と、前記LiTaO3基板本体をプロトン交換処理し
て、非マスク部分から前記LiTaO3基板内のLiとH+イオン
を交換し深さＤのプロトン交換層を形成する工程と、前
記LiTaO3基板をLiTaO3のキュリー温度以下で加熱し分極
反転層を形成する工程と有し、かつ前記プロトン交換層
の厚みＤが０．２μｍ＜Ｄ＜（Λ−Ｗ）／２の関係を満
足する波長変換素子の製造方法である。 （３）またＣ板のLiTaO3基板の表面にストライプ状のマ
スクを形成する工程と、前記LiTaO3基板本体をイオン交
換処理して、非マスク部分から前記LiTaO3基板内のLiと
処理イオンを交換する工程と、前記LiTaO3基板をキュリ
ー温度以下で加熱する分極反転処理工程と、前記LiTaO3
基板を５５０℃以下で加熱するアニール処理工程とを有
する波長変換素子の製造方法である。
本発明では、 （１）Ｃ板（結晶のＣ軸に垂直な面で切り出した基板）
のLiTaO3基板の表面にストライプ状のマスクを形成する
工程と、前記LiTaO3基板本体をプロトン交換処理して、
非マスク部分から前記LiTaO3基板内のLiとH+イオンを交
換しプロトン交換層を形成する工程と、前記LiTaO3基板
を加熱手段によって熱処理し分極反転層を形成する工程
とを備えた波長変換素子の製造方法である。 （２）またＣ板のLiTaO3基板の表面に周期Λ、ストライ
プ幅Ｗ（但しＷ＜Λ）のストライプ状のマスクを形成す
る工程と、前記LiTaO3基板本体をプロトン交換処理し
て、非マスク部分から前記LiTaO3基板内のLiとH+イオン
を交換し深さＤのプロトン交換層を形成する工程と、前
記LiTaO3基板をLiTaO3のキュリー温度以下で加熱し分極
反転層を形成する工程と有し、かつ前記プロトン交換層
の厚みＤが０．２μｍ＜Ｄ＜（Λ−Ｗ）／２の関係を満
足する波長変換素子の製造方法である。 （３）またＣ板のLiTaO3基板の表面にストライプ状のマ
スクを形成する工程と、前記LiTaO3基板本体をイオン交
換処理して、非マスク部分から前記LiTaO3基板内のLiと
処理イオンを交換する工程と、前記LiTaO3基板をキュリ
ー温度以下で加熱する分極反転処理工程と、前記LiTaO3
基板を５５０℃以下で加熱するアニール処理工程とを有
する波長変換素子の製造方法である。
【０００９】
【作用】本発明は前述した方法により、LiTaO3結晶に周
期的なプロトン交換を形成し、これを高速加熱処理する
ことにより短時間で熱処理を行い、従来実現していなか
った短周期の分極反転層の形成を可能にし、短波長変換
が可能でかつ高効率な波長変換素子を製造することがで
きる。以下にその理由を述べる。
期的なプロトン交換を形成し、これを高速加熱処理する
ことにより短時間で熱処理を行い、従来実現していなか
った短周期の分極反転層の形成を可能にし、短波長変換
が可能でかつ高効率な波長変換素子を製造することがで
きる。以下にその理由を述べる。
【００１０】LiTaO3結晶における分極反転層の形成はプ
ロトン交換層を形成し、これを熱処理することにより作
製する。これはプロトン交換を行うと、プロトン交換Li
TaO3が形成され、この部分のキュリー温度が低下する。
これをLiTaO3結晶のキュリー温度以下かつプロトン交換
LiTaO3のキュリー温度以上で熱処理するとプロトン交換
LiTaO3のみがキュリー温度に達し、プロトン交換部分の
分極が反転する。そこで、耐プロトン交換性を有するマ
スクを用いて選択的なプロトン交換を行い周期的なプロ
トン交換層を形成し、これを熱処理することにより周期
的な分極反転層の形成を可能にした。
ロトン交換層を形成し、これを熱処理することにより作
製する。これはプロトン交換を行うと、プロトン交換Li
TaO3が形成され、この部分のキュリー温度が低下する。
これをLiTaO3結晶のキュリー温度以下かつプロトン交換
LiTaO3のキュリー温度以上で熱処理するとプロトン交換
LiTaO3のみがキュリー温度に達し、プロトン交換部分の
分極が反転する。そこで、耐プロトン交換性を有するマ
スクを用いて選択的なプロトン交換を行い周期的なプロ
トン交換層を形成し、これを熱処理することにより周期
的な分極反転層の形成を可能にした。
【００１１】しかし、周期の短い分極反転層を作製しよ
うとすると隣接する分極反転層の距離が接近する。プロ
トン交換層は、熱拡散によって広がっていくため熱処理
の昇温、加熱時にプロトン交換層の拡散が発生しプロト
ン交換層内に形成される分極反転層も同時に拡大して、
隣接する分極反転層どうしが横方向につながってしま
い、図２４（ｂ）に示すように周期構造が形成されない
という問題が生じた。そこで熱処理時の昇温速度を上げ
ることにより短時間で熱処理を完了し、熱処理中のプロ
トン交換層の拡散を防止することにより短周期の分極反
転層の形成が可能になった。その結果、高効率、高出
力、短波長変換が可能な波長変換素子が作製できる。
うとすると隣接する分極反転層の距離が接近する。プロ
トン交換層は、熱拡散によって広がっていくため熱処理
の昇温、加熱時にプロトン交換層の拡散が発生しプロト
ン交換層内に形成される分極反転層も同時に拡大して、
隣接する分極反転層どうしが横方向につながってしま
い、図２４（ｂ）に示すように周期構造が形成されない
という問題が生じた。そこで熱処理時の昇温速度を上げ
ることにより短時間で熱処理を完了し、熱処理中のプロ
トン交換層の拡散を防止することにより短周期の分極反
転層の形成が可能になった。その結果、高効率、高出
力、短波長変換が可能な波長変換素子が作製できる。
【００１２】また本発明は前述した方法により、プロト
ン交換層の幅Ｗと周期Λとの関係を制限することによ
り、熱処理時に拡散するプロトン交換層の幅を制御し、
従来実現していなかった短周期の分極反転層の形成を可
能にし、短波長変換が可能でかつ高効率な波長変換素子
を製造することができる。これは分極反転層を形成する
ためのプロトン交換層はプロトン交換処理を行うとき拡
散によって、深さ方向と同時に横方向にも広がる、その
ためマスクパターンの間隔に対しプロトン交換深さを規
制することにより隣接するプロトン交換層の横方向のつ
ながりを防止できる。さらに反転層を形成するために、
プロトン交換層を熱処理するが、このときプロトン交換
層は熱処理によって拡散する、ところが分極反転層を形
成するには十分なプロトン交換濃度が必要である。その
ためには熱処理時にプロトン交換濃度を確保するための
プロトン交換深さが必要である。そこでプロトン交換層
の深さを分極反転形成可能な深さ以上に規制することに
より、LiTaO3において周期的な分極反転層の形成が可能
になった。その結果高効率、高出力、短波長変換が可能
な波長変換素子が作製できる。
ン交換層の幅Ｗと周期Λとの関係を制限することによ
り、熱処理時に拡散するプロトン交換層の幅を制御し、
従来実現していなかった短周期の分極反転層の形成を可
能にし、短波長変換が可能でかつ高効率な波長変換素子
を製造することができる。これは分極反転層を形成する
ためのプロトン交換層はプロトン交換処理を行うとき拡
散によって、深さ方向と同時に横方向にも広がる、その
ためマスクパターンの間隔に対しプロトン交換深さを規
制することにより隣接するプロトン交換層の横方向のつ
ながりを防止できる。さらに反転層を形成するために、
プロトン交換層を熱処理するが、このときプロトン交換
層は熱処理によって拡散する、ところが分極反転層を形
成するには十分なプロトン交換濃度が必要である。その
ためには熱処理時にプロトン交換濃度を確保するための
プロトン交換深さが必要である。そこでプロトン交換層
の深さを分極反転形成可能な深さ以上に規制することに
より、LiTaO3において周期的な分極反転層の形成が可能
になった。その結果高効率、高出力、短波長変換が可能
な波長変換素子が作製できる。
【００１３】また本発明は前述した方法により、非線形
性が高くかつ強い耐光損傷性を有するLiTaO3結晶にプロ
トン交換処理を部分的に施した後、キュリー温度以下か
つキュリー温度近傍で加熱するすことにより、LiTaO3結
晶に、周期的な分極反転層を形成しすることができる。
さらに550℃以下の温度でアニール理することにより、
分極反転層の形状を維持しながら分極反転層のプロトン
交換濃度を低減する。その結果、分極反転層の屈折率を
基板に近ずけることができ、分極反転層上に低ロスの光
導波路を作製できる。以上の工程により、周期的な分極
反転を形成し、かつ分極反転層と基板の屈折率差を低減
することにより、低ロスで変換効率の高い波長変換素子
を製造することができる。
性が高くかつ強い耐光損傷性を有するLiTaO3結晶にプロ
トン交換処理を部分的に施した後、キュリー温度以下か
つキュリー温度近傍で加熱するすことにより、LiTaO3結
晶に、周期的な分極反転層を形成しすることができる。
さらに550℃以下の温度でアニール理することにより、
分極反転層の形状を維持しながら分極反転層のプロトン
交換濃度を低減する。その結果、分極反転層の屈折率を
基板に近ずけることができ、分極反転層上に低ロスの光
導波路を作製できる。以上の工程により、周期的な分極
反転を形成し、かつ分極反転層と基板の屈折率差を低減
することにより、低ロスで変換効率の高い波長変換素子
を製造することができる。
【００１４】
【実施例】本発明の実施例を説明する前に、分極反転層
を形成した波長変換素子について説明する。
を形成した波長変換素子について説明する。
【００１５】図１は、波長変換素子の構成斜視図であ
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、６は波長８６０ｎｍの基本波、７は
波長４３０ｎｍの第二高調波（以下、ＳＨＧ光と略
す。）、８は分極反転層の周期Λ、９は分極反転層の幅
Ｗである。
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、６は波長８６０ｎｍの基本波、７は
波長４３０ｎｍの第二高調波（以下、ＳＨＧ光と略
す。）、８は分極反転層の周期Λ、９は分極反転層の幅
Ｗである。
【００１６】図１において４の分極反転層は、基板の分
極反転に対し、分極の方向が逆転している部分である。
１のLiTaO3基板の場合、分極の方向は＋Ｃ方向であり、
それに対して分極反転層の分極の方向は−Ｃ方向であ
る。この分極反転層の周期Λは、基本波の波長、導波路
の屈折率で異なる。基本波の波長が８６０ｎｍのとき、
１次の周期が約３．６μｍ、３次は１次の３倍の１０．
８μｍである（分極反転の周期は１次の周期の奇数次倍
になる。分極反転において位相整合条件が成立し、波長
変換が行われるのは、周期がこの奇数次の周期に一致し
たときのみである。但し、次数が増加するに従い、変換
効率はその次数の２乗分の１に低下する）。 図２に分
極反転していない素子と、１次の周期の分極反転素子
と、３次の周期の分極反転素子の素子の長さ（ｌ）とＳ
ＨＧ光の出力の関係を表す。図に示すとおり、１次およ
び３次の分極反転素子におけるＳＨＧ光は、素子の長さ
（ｌ）の２乗に比例して増加していくことがわかる。ま
た周期の次数が小さい程出力は高く、最小次数の１次の
分極反転周期で変換効率は最大になることがわかる。１
次の周期とは、基本波（波長λ）の実効屈折率Ｎω、高
調波（波長λ／２）の実効屈折率をＮ2ωとしたとき、
１次の周期Λ1はΛ1＝λ／（２（Ｎ2ωーＮω））で表
され、３次の周期Λ3は１次の周期Λ1の３倍、つまりΛ
3＝３＊Λ1である。実効屈折率とは光が実際に感じる屈
折率である。
極反転に対し、分極の方向が逆転している部分である。
１のLiTaO3基板の場合、分極の方向は＋Ｃ方向であり、
それに対して分極反転層の分極の方向は−Ｃ方向であ
る。この分極反転層の周期Λは、基本波の波長、導波路
の屈折率で異なる。基本波の波長が８６０ｎｍのとき、
１次の周期が約３．６μｍ、３次は１次の３倍の１０．
８μｍである（分極反転の周期は１次の周期の奇数次倍
になる。分極反転において位相整合条件が成立し、波長
変換が行われるのは、周期がこの奇数次の周期に一致し
たときのみである。但し、次数が増加するに従い、変換
効率はその次数の２乗分の１に低下する）。 図２に分
極反転していない素子と、１次の周期の分極反転素子
と、３次の周期の分極反転素子の素子の長さ（ｌ）とＳ
ＨＧ光の出力の関係を表す。図に示すとおり、１次およ
び３次の分極反転素子におけるＳＨＧ光は、素子の長さ
（ｌ）の２乗に比例して増加していくことがわかる。ま
た周期の次数が小さい程出力は高く、最小次数の１次の
分極反転周期で変換効率は最大になることがわかる。１
次の周期とは、基本波（波長λ）の実効屈折率Ｎω、高
調波（波長λ／２）の実効屈折率をＮ2ωとしたとき、
１次の周期Λ1はΛ1＝λ／（２（Ｎ2ωーＮω））で表
され、３次の周期Λ3は１次の周期Λ1の３倍、つまりΛ
3＝３＊Λ1である。実効屈折率とは光が実際に感じる屈
折率である。
【００１７】一方、短波長光源として、現在コンパクト
ディスクや光メモリなどに要望されているのは波長４８
０ｎｍ以下の青色の光であり、青色光が発生可能な波長
変換素子を形成することは特に意義のあることである。
図３に１次の周期Λ1（Ｍ＝１と表示）と３次の周期Λ3
（Ｍ＝３と表示）の分極反転周期と、位相整合波長の関
係を示す。出力されるＳＨＧ光の波長は位相整合波長の
半分になるから、480nm以下の波長を得ようとすると、
基本波は960nm以下の波長を用いなければならない。
ディスクや光メモリなどに要望されているのは波長４８
０ｎｍ以下の青色の光であり、青色光が発生可能な波長
変換素子を形成することは特に意義のあることである。
図３に１次の周期Λ1（Ｍ＝１と表示）と３次の周期Λ3
（Ｍ＝３と表示）の分極反転周期と、位相整合波長の関
係を示す。出力されるＳＨＧ光の波長は位相整合波長の
半分になるから、480nm以下の波長を得ようとすると、
基本波は960nm以下の波長を用いなければならない。
【００１８】位相整合波長が短くなるにつれて分極反転
層の周期も短くなり、480ｎｍ以下の青色光を得るに
は、図より３次の周期で１５μｍ以下、または１次の周
期では５μｍ以下の周期の分極反転層が必要となる。
層の周期も短くなり、480ｎｍ以下の青色光を得るに
は、図より３次の周期で１５μｍ以下、または１次の周
期では５μｍ以下の周期の分極反転層が必要となる。
【００１９】以下、本発明の実施例について説明する。
まず、本発明の波長変換素子の製造方法の概略を説明す
ると、 （１）LiTaO3基板に、周期的なプロトン交換層を形成す
る。 （２）プロトン交換層を熱処理により、分極反転層にす
る。
まず、本発明の波長変換素子の製造方法の概略を説明す
ると、 （１）LiTaO3基板に、周期的なプロトン交換層を形成す
る。 （２）プロトン交換層を熱処理により、分極反転層にす
る。
【００２０】以上の２点にまとめられる。以下、図面を
参照して本発明の各実施例について説明する。 （実施例１）分極反転層をもつ波長変換素子の製造方法
についてのべる。
参照して本発明の各実施例について説明する。 （実施例１）分極反転層をもつ波長変換素子の製造方法
についてのべる。
【００２１】発明者らは波長変換素子の作製に必要なLi
TaO3における周期的な反転層の形成について検討した。
図２３の従来例に示したように、LiTaO3に安息香酸でプ
ロトン交換を施し、これをLiTaO3のキュリー点近傍で熱
処理することにより、層状（スラブ状）の分極反転層が
形成されることは、すでに確認されていた。そこで、Li
TaO3基板表面に選択的にプロトン交換することにより、
LiTaO3基板に周期的なプロトン交換層を形成し、これを
熱処理することにより周期的分極反転層の形成を試み
た。
TaO3における周期的な反転層の形成について検討した。
図２３の従来例に示したように、LiTaO3に安息香酸でプ
ロトン交換を施し、これをLiTaO3のキュリー点近傍で熱
処理することにより、層状（スラブ状）の分極反転層が
形成されることは、すでに確認されていた。そこで、Li
TaO3基板表面に選択的にプロトン交換することにより、
LiTaO3基板に周期的なプロトン交換層を形成し、これを
熱処理することにより周期的分極反転層の形成を試み
た。
【００２２】プロトン交換層のプロトン交換濃度、均一
性は形成される分極反転層の形状、均一性に影響するの
で、プロトン交換率が高く、均一なプロトン交換層の形
成が可能なピロ燐酸により、プロトン交換を行なった。
性は形成される分極反転層の形状、均一性に影響するの
で、プロトン交換率が高く、均一なプロトン交換層の形
成が可能なピロ燐酸により、プロトン交換を行なった。
【００２３】さらに選択的なプロトン交換を行なうには
プロトン阻止効果の大きなマスクが必要である。そこで
選択率をほぼ無限大にできるＴａによりマスクを形成
し、選択的なプロトン交換層を作製した。
プロトン阻止効果の大きなマスクが必要である。そこで
選択率をほぼ無限大にできるＴａによりマスクを形成
し、選択的なプロトン交換層を作製した。
【００２４】図４は、実施例１における波長変換素子の
製造方法の工程断面図を示すものである。図４におい
て、１はＣ板のLiTaO3基板、２はＴａマスク、３プロト
ン交換層、４は分極反転層、８はマスクの幅Ｗ、９は分
極反転層の周期Λである。 以下、その製造方法を図４
に従って説明する。 （ａ）−Ｃ板のLiTaO3基板１上にスパッタリング法によ
りTa膜を300A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１〜２０μ
ｍ、ＷはΛ／２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℃のピロ燐酸中でプロトン交換層を形成す
る。 （ｅ）LiTaO3基板を熱処理する。通常のヒータ加熱によ
る加熱炉を用いたところ昇温速度は約１℃／秒程度であ
った。
製造方法の工程断面図を示すものである。図４におい
て、１はＣ板のLiTaO3基板、２はＴａマスク、３プロト
ン交換層、４は分極反転層、８はマスクの幅Ｗ、９は分
極反転層の周期Λである。 以下、その製造方法を図４
に従って説明する。 （ａ）−Ｃ板のLiTaO3基板１上にスパッタリング法によ
りTa膜を300A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１〜２０μ
ｍ、ＷはΛ／２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℃のピロ燐酸中でプロトン交換層を形成す
る。 （ｅ）LiTaO3基板を熱処理する。通常のヒータ加熱によ
る加熱炉を用いたところ昇温速度は約１℃／秒程度であ
った。
【００２５】以上の方法で周期８μｍ〜２０μｍの周期
的な分極反転層が形成された。（ａ）〜（ｃ）の工程に
ついては、公知であるので、（ｄ）,（ｅ）の工程につ
いて説明する。
的な分極反転層が形成された。（ａ）〜（ｃ）の工程に
ついては、公知であるので、（ｄ）,（ｅ）の工程につ
いて説明する。
【００２６】工程（ｄ）のプロトン交換層の作製方法に
ついて 図１４は、波長変換素子の製造方法のプロトン交換層の
断面図を示すもので、１はLiTaO3基板、２はＴａマス
ク、３はプロトン交換層である。ピロ燐酸により熱処理
することにより非マスク部分よりプロトン交換層が形成
される。プロトン交換層は図１４（ａ）,（ｂ）,（ｃ）
は、それぞれプロトン交換温度２６０℃、プロトン交換
時間が（ａ）２０分間、（ｂ）１時間、（ｃ）３時間と
増加させたときのプロトン交換層の拡散の様子を示した
ものである。
ついて 図１４は、波長変換素子の製造方法のプロトン交換層の
断面図を示すもので、１はLiTaO3基板、２はＴａマス
ク、３はプロトン交換層である。ピロ燐酸により熱処理
することにより非マスク部分よりプロトン交換層が形成
される。プロトン交換層は図１４（ａ）,（ｂ）,（ｃ）
は、それぞれプロトン交換温度２６０℃、プロトン交換
時間が（ａ）２０分間、（ｂ）１時間、（ｃ）３時間と
増加させたときのプロトン交換層の拡散の様子を示した
ものである。
【００２７】同図に示すようにプロトン交換層３も分極
反転層と同様に深さ方向と幅方向に広がる。プロトン交
換層は深さ方向、横方向ともに同程度の速さで広がる。
従って周期的な分極反転層を形成するための周期的なプ
ロトン交換層を形成するには、プロトン交換層の厚みＤ
を、プロトン交換層とプロトン交換交換層形成のマスク
間隔（分極反転層の周期Λと幅Ｗとの差（Λ−Ｗ）に等
しい）の１／２以下にする必要がある。これ以上のプロ
トン交換層を形成するとプロトン交換層が隣接する層同
士つながってしまい、周期的なプロトン交換層が形成さ
れず、その結果、周期的な分極反転層も形成されなくな
る。
反転層と同様に深さ方向と幅方向に広がる。プロトン交
換層は深さ方向、横方向ともに同程度の速さで広がる。
従って周期的な分極反転層を形成するための周期的なプ
ロトン交換層を形成するには、プロトン交換層の厚みＤ
を、プロトン交換層とプロトン交換交換層形成のマスク
間隔（分極反転層の周期Λと幅Ｗとの差（Λ−Ｗ）に等
しい）の１／２以下にする必要がある。これ以上のプロ
トン交換層を形成するとプロトン交換層が隣接する層同
士つながってしまい、周期的なプロトン交換層が形成さ
れず、その結果、周期的な分極反転層も形成されなくな
る。
【００２８】そこでプロトン交換マスクのストライプ間
の距離（分極反転層の周期Λと幅Ｗとの差（Λ−Ｗ）に
等しい）と分極反転層形成可能な領域の関係を求める
と、図１５となり、プロトン交換深さＤを（Λ−Ｗ）／
２以下にする必要がある。
の距離（分極反転層の周期Λと幅Ｗとの差（Λ−Ｗ）に
等しい）と分極反転層形成可能な領域の関係を求める
と、図１５となり、プロトン交換深さＤを（Λ−Ｗ）／
２以下にする必要がある。
【００２９】次に分極反転層深さと、プロトン交換層深
さの関係を図１６に示す。同図において横軸はプロトン
交換層厚み、縦軸は幅１０μｍの分極反転厚みである。
同図からわかるようにプロトン交換層が０．２μｍ以下
になると分極反転層が形成されないことが分かる。これ
は分極反転層を形成するにはプロトン交換によってその
部分のキュリー温度が低下する必要があるが、このキュ
リー温度の低下はプロトン交換濃度に比例する。このた
め分極反転層を形成するためには、ある値以上のプロト
ン交換濃度が必要であり、プロトン交換層が０．２μｍ
以下だと、熱処理によってプロトン交換層が広がった場
合に、プロトン交換濃度が保たれず分極反転層が形成さ
れなくなると考えられる。
さの関係を図１６に示す。同図において横軸はプロトン
交換層厚み、縦軸は幅１０μｍの分極反転厚みである。
同図からわかるようにプロトン交換層が０．２μｍ以下
になると分極反転層が形成されないことが分かる。これ
は分極反転層を形成するにはプロトン交換によってその
部分のキュリー温度が低下する必要があるが、このキュ
リー温度の低下はプロトン交換濃度に比例する。このた
め分極反転層を形成するためには、ある値以上のプロト
ン交換濃度が必要であり、プロトン交換層が０．２μｍ
以下だと、熱処理によってプロトン交換層が広がった場
合に、プロトン交換濃度が保たれず分極反転層が形成さ
れなくなると考えられる。
【００３０】以上の結果、分極反転層を形成するにはプ
ロトン交換層の厚みＤを、０．２μｍ＜Ｄ＜（Λ−Ｗ）
／２μｍにする必要があることがわかった。
ロトン交換層の厚みＤを、０．２μｍ＜Ｄ＜（Λ−Ｗ）
／２μｍにする必要があることがわかった。
【００３１】ただしΛはプロトン交換マスクの周期、Ｗ
はプロトン交換マスクの幅である。以上の条件によりプ
ロトン交換層を形成することによって、LiTaO3結晶に分
極反転層の作製が可能になるのである。
はプロトン交換マスクの幅である。以上の条件によりプ
ロトン交換層を形成することによって、LiTaO3結晶に分
極反転層の作製が可能になるのである。
【００３２】工程（ｅ）の分極反転層の作製方法につい
て プロトン交換層の熱処理温度と、形成した周期２０μｍ
の分極反転層の深さの関係を求めたものを図５に示す。
て プロトン交換層の熱処理温度と、形成した周期２０μｍ
の分極反転層の深さの関係を求めたものを図５に示す。
【００３３】作製された分極反転層は温度の上昇ととも
に深くなる。しかし、熱処理温度が６００℃を越えると
周期的な分極反転層は消滅する。これは熱処理温度がLi
TaO3基板のキュリー温度（使用した基板はのキュリー温
度は６０４℃）を越えたため、基板全体の分極が反転し
たためである。また分極反転層が形成される最低温度
は、プロトン交換時間の増加とともに低下するが約４５
０℃で飽和する。
に深くなる。しかし、熱処理温度が６００℃を越えると
周期的な分極反転層は消滅する。これは熱処理温度がLi
TaO3基板のキュリー温度（使用した基板はのキュリー温
度は６０４℃）を越えたため、基板全体の分極が反転し
たためである。また分極反転層が形成される最低温度
は、プロトン交換時間の増加とともに低下するが約４５
０℃で飽和する。
【００３４】以上の結果、分極反転層は４５０℃〜６０
０℃の熱処理で形成されることがわかった。
０℃の熱処理で形成されることがわかった。
【００３５】ところが以上のような作製方法では、３次
の分極反転周期に必要な８μｍ〜１５μｍ程度の分極反
転層は形成できても、１次の分極反転周期に必要な５μ
ｍ以下の周期の分極反転層の形成は困難であった。その
理由は、分極反転層は、プロトン交換層を４５０℃〜６
００℃の間で熱処理することによって作製する。しか
し、熱処理温度が４５０℃以上になるまでに、プロトン
交換層が熱拡散して広がるため、短周期の分極反転層を
形成する場合、隣接する分極反転層どうしがつながって
しまうので、短周期の分極反転層は形成できなかった。 （実施例２）そこで本実施例の波長変換素子製造方法
は、分極反転層形成の熱処理に、高速の昇温装置を用い
て、分極反転の熱処理温度に達するまでの時間を短縮
し、これによりプロトン交換層の熱拡散を抑制し、熱処
理時にプロトン交換層内に形成される分極反転層の横方
向の拡散を防止することを特徴とするものである。
の分極反転周期に必要な８μｍ〜１５μｍ程度の分極反
転層は形成できても、１次の分極反転周期に必要な５μ
ｍ以下の周期の分極反転層の形成は困難であった。その
理由は、分極反転層は、プロトン交換層を４５０℃〜６
００℃の間で熱処理することによって作製する。しか
し、熱処理温度が４５０℃以上になるまでに、プロトン
交換層が熱拡散して広がるため、短周期の分極反転層を
形成する場合、隣接する分極反転層どうしがつながって
しまうので、短周期の分極反転層は形成できなかった。 （実施例２）そこで本実施例の波長変換素子製造方法
は、分極反転層形成の熱処理に、高速の昇温装置を用い
て、分極反転の熱処理温度に達するまでの時間を短縮
し、これによりプロトン交換層の熱拡散を抑制し、熱処
理時にプロトン交換層内に形成される分極反転層の横方
向の拡散を防止することを特徴とするものである。
【００３６】それによって、LiTaO3基板に短周期の分極
反転層の形成を可能にし、短波長変換が可能でかつ高効
率な波長変換素子を製造する。
反転層の形成を可能にし、短波長変換が可能でかつ高効
率な波長変換素子を製造する。
【００３７】本実施例における波長変換素子の製造方法
の工程断面図を図４を用いて説明する。同図において、 （ａ）−Ｃ板のLiTaO3基板１上にスパッタリング法によ
りTa膜を300A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１０ｍｍに渡って基板のＹ伝搬方向に形成する（周
期Λは１〜５０μｍ、ＷはΛ／２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
ン交換層を形成する。 （ｅ）LiTaO3基板を高速昇温の加熱炉で加熱する。
の工程断面図を図４を用いて説明する。同図において、 （ａ）−Ｃ板のLiTaO3基板１上にスパッタリング法によ
りTa膜を300A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１０ｍｍに渡って基板のＹ伝搬方向に形成する（周
期Λは１〜５０μｍ、ＷはΛ／２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
ン交換層を形成する。 （ｅ）LiTaO3基板を高速昇温の加熱炉で加熱する。
【００３８】本実施例の工程（ａ）から（ｄ）は、実施
例１で示した方法と同様であるが、異なる点は（ｅ）の
工程の熱処理を、高速昇温で行なう点にある。このよう
に高速昇温で熱処理をすれば、分極反転層の横広がりを
防止することができる。
例１で示した方法と同様であるが、異なる点は（ｅ）の
工程の熱処理を、高速昇温で行なう点にある。このよう
に高速昇温で熱処理をすれば、分極反転層の横広がりを
防止することができる。
【００３９】このように、高速昇温でプロトン交換層を
熱処理して、分極反転層を形成した結果を述べる前に、
分極反転層の形成メカニズムについて報告する。
熱処理して、分極反転層を形成した結果を述べる前に、
分極反転層の形成メカニズムについて報告する。
【００４０】分極反転層の形成メカニズムについて
このメカニズムを解明するため、分極反転層の形成過程
を観察し、これを図６に示す。同図はいずれもプロトン
交換後、熱処理を５２０℃で、熱処理時間は、（ａ）３
０秒後、（ｂ）１分後、（ｃ）２分後、（ｄ）８分後の
分極反転層の断面図である。図６（ａ）からわかるよう
に分極反転層はプロトン交換層の周辺部に発生してい
る。さらに熱処理を続けると分極反転層はこの層を中心
に広がり（図６（ｂ）,（ｃ））、半円状の分極反転層
が形成される。つまりプロトン交換層と基板間の電界の
最も強いプロトン交換層と基板との境界部で分極反転層
が発生し、これが引き金となって分極反転層は熱処理時
間と共に拡大する。さらに熱処理を続けると分極反転層
の拡大は止まる。さらに熱処理を続けると図６（ｄ）に
示すように、分極反転層内にマイクロドメインの発生が
観測された。マイクロドメインとは分極反転した層が、
さらに再反転することにより発生する基板と同じ分極方
向をもつ針状の再反転層であり、分極反転層の分極の不
均一の原因となる。通常のアニールではアニール時間が
長いほど層内の均一性は増加するが、分極反転層は短時
間の熱処理を行うことによって均一な分極反転層が形成
できた。
を観察し、これを図６に示す。同図はいずれもプロトン
交換後、熱処理を５２０℃で、熱処理時間は、（ａ）３
０秒後、（ｂ）１分後、（ｃ）２分後、（ｄ）８分後の
分極反転層の断面図である。図６（ａ）からわかるよう
に分極反転層はプロトン交換層の周辺部に発生してい
る。さらに熱処理を続けると分極反転層はこの層を中心
に広がり（図６（ｂ）,（ｃ））、半円状の分極反転層
が形成される。つまりプロトン交換層と基板間の電界の
最も強いプロトン交換層と基板との境界部で分極反転層
が発生し、これが引き金となって分極反転層は熱処理時
間と共に拡大する。さらに熱処理を続けると分極反転層
の拡大は止まる。さらに熱処理を続けると図６（ｄ）に
示すように、分極反転層内にマイクロドメインの発生が
観測された。マイクロドメインとは分極反転した層が、
さらに再反転することにより発生する基板と同じ分極方
向をもつ針状の再反転層であり、分極反転層の分極の不
均一の原因となる。通常のアニールではアニール時間が
長いほど層内の均一性は増加するが、分極反転層は短時
間の熱処理を行うことによって均一な分極反転層が形成
できた。
【００４１】また分極反転層の形状が表面を円の中心と
する半円状をとる原因としては形成された分極反転層が
結晶的な歪を有しており、周囲の結晶構造との歪を緩和
するために半円形状をとると考えられる。
する半円状をとる原因としては形成された分極反転層が
結晶的な歪を有しており、周囲の結晶構造との歪を緩和
するために半円形状をとると考えられる。
【００４２】分極反転層の短周期化について
次に、このときの熱処理時間と分極反転層の幅及び深さ
の関係を測定し図７に示す。分極反転層の幅は約１μｍ
／分で拡散し、約２分間で飽和した。また分極反転層が
形成される温度は図５で述べたとおりLiTaO3基板のキュ
リー温度近傍で約４５０℃〜６００℃であるが、昇温速
度が遅いとこの温度に達する前にプロトン交換層が熱拡
散で広がってしまい、周期的に形成したプロトン交換層
が横方向につながるため、短周期の分極反転層の形成が
難しいということが分かった。
の関係を測定し図７に示す。分極反転層の幅は約１μｍ
／分で拡散し、約２分間で飽和した。また分極反転層が
形成される温度は図５で述べたとおりLiTaO3基板のキュ
リー温度近傍で約４５０℃〜６００℃であるが、昇温速
度が遅いとこの温度に達する前にプロトン交換層が熱拡
散で広がってしまい、周期的に形成したプロトン交換層
が横方向につながるため、短周期の分極反転層の形成が
難しいということが分かった。
【００４３】そこで本発明者らは、ＲＴＡ(Rapid Therm
al Anealing)を用いて熱処理を行い分極反転層を形成す
る方法を考えついた。ＲＴＡは赤外線により試料を高速
に加熱する方法で、非常に低速から５０℃／秒以上の高
速の加熱まで制御性よく加熱できる。分極反転層の形成
方法においてプロトン交換を熱処理するときＲＴＡを用
いて周期的な反転層の形成を試みた。
al Anealing)を用いて熱処理を行い分極反転層を形成す
る方法を考えついた。ＲＴＡは赤外線により試料を高速
に加熱する方法で、非常に低速から５０℃／秒以上の高
速の加熱まで制御性よく加熱できる。分極反転層の形成
方法においてプロトン交換を熱処理するときＲＴＡを用
いて周期的な反転層の形成を試みた。
【００４４】ＲＴＡを用いて熱処理を行なった結果、高
速昇温と短時間熱処理が可能になったため、熱処理の昇
温速度と、形成可能な分極反転層の最短周期の関係を求
め図８に示す。
速昇温と短時間熱処理が可能になったため、熱処理の昇
温速度と、形成可能な分極反転層の最短周期の関係を求
め図８に示す。
【００４５】図８に示した昇温速度と形成可能な最小分
極反転周期の関係より、必要な加熱処理時の昇温速度を
求めると、３次の分極反転層で０．５℃／秒以上、１次
の分極反転で１５℃／秒以上の速度が必要であることが
わかった。
極反転周期の関係より、必要な加熱処理時の昇温速度を
求めると、３次の分極反転層で０．５℃／秒以上、１次
の分極反転で１５℃／秒以上の速度が必要であることが
わかった。
【００４６】以上の結果、高出力、高効率の波長変換素
子を作製するには最低でも０．５℃／秒以上の昇温速度
で加熱する必要があり、さらに高効率な波長変換が可能
な１次の分極反転を形成するには１５℃／秒以上の昇温
速度による加熱が必要である。通常の炉を用いると昇温
速度はせいぜい１℃／秒であるため、周期１０μｍ程度
の３次の分極反転層しか形成されなかった。ところがＲ
ＴＡを用いると５０℃／秒以上の高速加熱が可能なた
め、周期４μｍ以下の１次の分極反転層の形成に成功し
た。これは高速昇温と短時間の熱処理によって、プロト
ン交換層を熱処理するときに発生していたプロトン層の
拡散の抑制が可能になったため、分極反転層の横方向の
拡大を抑制し、短周期の分極反転層の形成が可能になっ
たため、高効率変換が可能な１次の分極反転周期による
波長変換素子の作製が可能になった。
子を作製するには最低でも０．５℃／秒以上の昇温速度
で加熱する必要があり、さらに高効率な波長変換が可能
な１次の分極反転を形成するには１５℃／秒以上の昇温
速度による加熱が必要である。通常の炉を用いると昇温
速度はせいぜい１℃／秒であるため、周期１０μｍ程度
の３次の分極反転層しか形成されなかった。ところがＲ
ＴＡを用いると５０℃／秒以上の高速加熱が可能なた
め、周期４μｍ以下の１次の分極反転層の形成に成功し
た。これは高速昇温と短時間の熱処理によって、プロト
ン交換層を熱処理するときに発生していたプロトン層の
拡散の抑制が可能になったため、分極反転層の横方向の
拡大を抑制し、短周期の分極反転層の形成が可能になっ
たため、高効率変換が可能な１次の分極反転周期による
波長変換素子の作製が可能になった。
【００４７】分極反転層の深さについて
高効率な波長変換素子を作製するには、反転層の周期の
短周期化とともに、分極反転層の深さが関係する。図
９、図１０を用いてこれを説明する。
短周期化とともに、分極反転層の深さが関係する。図
９、図１０を用いてこれを説明する。
【００４８】図９（ａ）、図１０（ａ）は図１の波長変
換素子を、光導波路の中心に沿って切断した断面図であ
り、図９（ｂ）、図１０（ｂ）は、その拡大図と導波路
を伝搬する光の電界分布を示す。図９は分極反転層の深
さが導波路の深さに対して浅い場合で、図１０は分極反
転層の深さが導波路の深さに対して深い場合である。同
図において、４は分極反転層、５はプロトン交換導波
路、６は基本光、７はＳＨＧ光、１０は基本光の電界分
布、１１はＳＨＧ光の電界分布、１３は基本光の電界分
布１０とＳＨＧ光の電界分布１１と分極反転層のオーバ
ラップである。ＳＨＧの効率は電界のオーバラップ１３
に比例する。図９、図１０からわかるように、分極反転
層４がプロトン交換導波路５に対して、浅い場合、分極
反転層の深さが深い程電界のオーバラップ１２は増大
し、これに比例してＳＨＧ出力は増加する。この関係を
計算した結果を図１１に示す。
換素子を、光導波路の中心に沿って切断した断面図であ
り、図９（ｂ）、図１０（ｂ）は、その拡大図と導波路
を伝搬する光の電界分布を示す。図９は分極反転層の深
さが導波路の深さに対して浅い場合で、図１０は分極反
転層の深さが導波路の深さに対して深い場合である。同
図において、４は分極反転層、５はプロトン交換導波
路、６は基本光、７はＳＨＧ光、１０は基本光の電界分
布、１１はＳＨＧ光の電界分布、１３は基本光の電界分
布１０とＳＨＧ光の電界分布１１と分極反転層のオーバ
ラップである。ＳＨＧの効率は電界のオーバラップ１３
に比例する。図９、図１０からわかるように、分極反転
層４がプロトン交換導波路５に対して、浅い場合、分極
反転層の深さが深い程電界のオーバラップ１２は増大
し、これに比例してＳＨＧ出力は増加する。この関係を
計算した結果を図１１に示す。
【００４９】プロトン交換導波路が2.4μｍのときの分
極反転層深さとＳＨＧ変換効率の関係を求めた。分極反
転層の深さが2.4μｍ以上になるまでＳＨＧ変換効率は
分極反転層深さに大きく依存していることがわかる。こ
のため、深い反転層の作製について検討し、熱処理温度
と分極反転層の形状の関係を測定した。幅１０μｍ深さ
0.6μｍのプロトン交換層をＲＴＡにより３０秒間熱処
理し、熱処理温度と反転層の幅及び深さの関係を求め図
１２に示す。
極反転層深さとＳＨＧ変換効率の関係を求めた。分極反
転層の深さが2.4μｍ以上になるまでＳＨＧ変換効率は
分極反転層深さに大きく依存していることがわかる。こ
のため、深い反転層の作製について検討し、熱処理温度
と分極反転層の形状の関係を測定した。幅１０μｍ深さ
0.6μｍのプロトン交換層をＲＴＡにより３０秒間熱処
理し、熱処理温度と反転層の幅及び深さの関係を求め図
１２に示す。
【００５０】図１２に示されるように、分極反転層は熱
処理温度の上昇とともに拡大するが、分極反転層の幅と
深さの比も変化する。つまり同じ幅において、温度が高
い程深い反転層が形成される。このため高温で熱処理す
ると同一幅で深い反転層が形成できることが分かった。
これは分極反転層の拡大速度が、深さ方向と幅方向では
異なる温度特性を有しており、高温になるほど深さ方向
の拡大速度が上昇するためと考えられる。
処理温度の上昇とともに拡大するが、分極反転層の幅と
深さの比も変化する。つまり同じ幅において、温度が高
い程深い反転層が形成される。このため高温で熱処理す
ると同一幅で深い反転層が形成できることが分かった。
これは分極反転層の拡大速度が、深さ方向と幅方向では
異なる温度特性を有しており、高温になるほど深さ方向
の拡大速度が上昇するためと考えられる。
【００５１】さらに分極反転層の深さは、熱処理時の昇
温速度にも依存することがわかった。図１３にＲＴＡを
用いて５０℃／秒で昇温を行い、５５０℃３０秒間熱処
理して形成した分極反転層と、従来の炉を用いて１℃／
秒で昇温を行い５５０℃３０秒間熱処理して形成した分
極反転層の幅と深さの関係を示す。
温速度にも依存することがわかった。図１３にＲＴＡを
用いて５０℃／秒で昇温を行い、５５０℃３０秒間熱処
理して形成した分極反転層と、従来の炉を用いて１℃／
秒で昇温を行い５５０℃３０秒間熱処理して形成した分
極反転層の幅と深さの関係を示す。
【００５２】ＲＴＡを用いて高速昇温を行った結果、幅
１μｍから２μｍの分極反転層の形成が可能になり、し
かも１μｍ〜５μｍにおいて、同じ幅でもより深い反転
層が形成されているのがわかる。これは高速昇温によっ
て、短時間で熱処理を行うと焦電効果による電界が増大
する。このため高速で昇温すると非常に大きな電界が発
生し、これによって、分極反転層の深さ方向の拡大が促
進されたためと考えられる。例えば４μｍの周期に必要
な幅２μｍの反転層の深さは１℃／秒の昇温で熱処理を
行なった場合、約１μｍなのに対し５０℃／秒の昇温を
行なうと１．５μｍの深さの反転層が形成される。この
値より図１１でもとめたＳＨＧ変換効率を計算すると、
５０℃／秒の昇温で形成した波長変換素子は、１℃／秒
で形成した波長変換素子の約１０倍の高効率変換を得る
ことができる。
１μｍから２μｍの分極反転層の形成が可能になり、し
かも１μｍ〜５μｍにおいて、同じ幅でもより深い反転
層が形成されているのがわかる。これは高速昇温によっ
て、短時間で熱処理を行うと焦電効果による電界が増大
する。このため高速で昇温すると非常に大きな電界が発
生し、これによって、分極反転層の深さ方向の拡大が促
進されたためと考えられる。例えば４μｍの周期に必要
な幅２μｍの反転層の深さは１℃／秒の昇温で熱処理を
行なった場合、約１μｍなのに対し５０℃／秒の昇温を
行なうと１．５μｍの深さの反転層が形成される。この
値より図１１でもとめたＳＨＧ変換効率を計算すると、
５０℃／秒の昇温で形成した波長変換素子は、１℃／秒
で形成した波長変換素子の約１０倍の高効率変換を得る
ことができる。
【００５３】焦電効果とはLiTaO3結晶の温度変化によっ
て結晶の分極の大きさが変化し、これによって基板表面
に電荷が発生する現象で、この電荷によって電界が発生
する。焦電効果で発生する電荷は温度の変化量に比例す
るため、高速な昇温を行うことにより、より大きな電界
を発生することができる。
て結晶の分極の大きさが変化し、これによって基板表面
に電荷が発生する現象で、この電荷によって電界が発生
する。焦電効果で発生する電荷は温度の変化量に比例す
るため、高速な昇温を行うことにより、より大きな電界
を発生することができる。
【００５４】以上の結果より、ＲＴＡを用いた熱処理に
より、LiTaO3表面に短周期の分極反転層が形成できた。
さらに深い反転層が形成されるため、導波モードとのオ
ーバラップが大きくとれ、高い変換効率の波長変換素子
が形成できた。
より、LiTaO3表面に短周期の分極反転層が形成できた。
さらに深い反転層が形成されるため、導波モードとのオ
ーバラップが大きくとれ、高い変換効率の波長変換素子
が形成できた。
【００５５】分極反転処理を行う熱処理時に、基板表面
にＴａ膜を成膜して行った。これはＴａ膜がLiTaO3基板
に比べ赤外線吸収係数が非常に大きいため、試料表面の
昇温速度を数倍に上げることができる。この結果、より
短周期でかつ、分極反転深さの深い分極反転層が形成で
きた。このため高効率でかつ短波長変換が可能な波長変
換素子が形成できた。
にＴａ膜を成膜して行った。これはＴａ膜がLiTaO3基板
に比べ赤外線吸収係数が非常に大きいため、試料表面の
昇温速度を数倍に上げることができる。この結果、より
短周期でかつ、分極反転深さの深い分極反転層が形成で
きた。このため高効率でかつ短波長変換が可能な波長変
換素子が形成できた。
【００５６】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。
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。
【００５７】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。
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。
【００５８】なお、本実施例では加熱装置として赤外線
加熱装置を用いたが、他にフラッシュランプ加熱装置、
ＣＯ2レーザ加熱装置など昇温速度の高い加熱装置でも
同様な素子が作製できる。
加熱装置を用いたが、他にフラッシュランプ加熱装置、
ＣＯ2レーザ加熱装置など昇温速度の高い加熱装置でも
同様な素子が作製できる。
【００５９】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
他の酸も用いることができる。
酸を用いたが、他にオルト燐酸、安息香酸、硫酸、など
他の酸も用いることができる。
【００６０】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Ta2O 5、Pt、Auなど耐酸
性を有する膜なら用いることができる。
して、Ｔａ膜を用いたが、他にTa2O 5、Pt、Auなど耐酸
性を有する膜なら用いることができる。
【００６１】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。
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。
【００６２】なお、本実施例では金属膜として、Ｔａを
用いたが、このよう金属膜として他にＡｕ、Ｐｔ、Ｔ
ｉ、Ａｇなどでも同様な素子が構成できる。 （実施例３）ここで述べるのは、分極反転層形成後の、
低ロスの光導波路の形成方法である。
用いたが、このよう金属膜として他にＡｕ、Ｐｔ、Ｔ
ｉ、Ａｇなどでも同様な素子が構成できる。 （実施例３）ここで述べるのは、分極反転層形成後の、
低ロスの光導波路の形成方法である。
【００６３】高効率な波長変換素子を形成するためには
分極反転層上に、低ロスの光導波路を形成する必要があ
る。実施例１で説明した分極反転層の形成方法は、分極
反転層を形成するためプロトン交換層を熱処理して形成
する。ところがプロトン交換層は基板との間に屈折率差
を有するため、周期的な分極反転層を形成すると、分極
反転層と非反転層の間に屈折率差が存在する。このため
分極反転層上に光導波路を形成すると、この屈折率変化
によって、導波ロスが発生した。そこでこの導波ロスを
小さくするために、分極反転層上に低ロスの光導波路を
形成する方法を検討した。
分極反転層上に、低ロスの光導波路を形成する必要があ
る。実施例１で説明した分極反転層の形成方法は、分極
反転層を形成するためプロトン交換層を熱処理して形成
する。ところがプロトン交換層は基板との間に屈折率差
を有するため、周期的な分極反転層を形成すると、分極
反転層と非反転層の間に屈折率差が存在する。このため
分極反転層上に光導波路を形成すると、この屈折率変化
によって、導波ロスが発生した。そこでこの導波ロスを
小さくするために、分極反転層上に低ロスの光導波路を
形成する方法を検討した。
【００６４】図１７において、１はLiTaO3基板、２は耐
イオン化マスク材料であるTaマスク、３はプロトン交換
層、４は分極反転層、５はTaマスク、６はプロトン交換
光導波路、１３は耐イオン化マスク材料であるTaマスク
である。ただし、アニール処理とは、LiTaO3結晶を分極
が反転しない温度で熱処理し、LiTaO3結晶内の交換処理
イオンを拡散させる工程である。
イオン化マスク材料であるTaマスク、３はプロトン交換
層、４は分極反転層、５はTaマスク、６はプロトン交換
光導波路、１３は耐イオン化マスク材料であるTaマスク
である。ただし、アニール処理とは、LiTaO3結晶を分極
が反転しない温度で熱処理し、LiTaO3結晶内の交換処理
イオンを拡散させる工程である。
【００６５】実施例１で説明した分極反転層を作製（図
１７（ａ）〜（ｄ））した後、作製した分極反転層の屈
折率をプリズムカップラ法で測定すると、基板との屈折
率差が約０．０２存在した。（ｅ）この基板を４５０℃
で４時間アニール処理すると分極反転層と基板の屈折率
差は０．００５以下になった。また分極反転後５５０℃
以上でアニール処理すると、反転した分極が再反転し、
分極反転層は消滅した。（ｆ）LiTaO3基板１上にスパッ
タリング法によりTa膜を形成する。このTa膜上にレジス
トを塗布した後、フォトリソグラフィ法により幅６μｍ
の導波路ストライプを基板のＸ伝搬方向に形成する、つ
ぎにＣＦ4雰囲気中でドライエッチングを行いTaマスク
１３を形成する。（ｇ）この基板を２３０℃のピロ燐酸
で２０分間熱処理し、非マスク部分のLiTaO3をプロトン
交換処理し、プロトン交換導波路６を形成する。（ｈ）
Taマスクを除去した後LiTaO3基板の両端面を光学研磨す
ると波長変換素子を製造できる。
１７（ａ）〜（ｄ））した後、作製した分極反転層の屈
折率をプリズムカップラ法で測定すると、基板との屈折
率差が約０．０２存在した。（ｅ）この基板を４５０℃
で４時間アニール処理すると分極反転層と基板の屈折率
差は０．００５以下になった。また分極反転後５５０℃
以上でアニール処理すると、反転した分極が再反転し、
分極反転層は消滅した。（ｆ）LiTaO3基板１上にスパッ
タリング法によりTa膜を形成する。このTa膜上にレジス
トを塗布した後、フォトリソグラフィ法により幅６μｍ
の導波路ストライプを基板のＸ伝搬方向に形成する、つ
ぎにＣＦ4雰囲気中でドライエッチングを行いTaマスク
１３を形成する。（ｇ）この基板を２３０℃のピロ燐酸
で２０分間熱処理し、非マスク部分のLiTaO3をプロトン
交換処理し、プロトン交換導波路６を形成する。（ｈ）
Taマスクを除去した後LiTaO3基板の両端面を光学研磨す
ると波長変換素子を製造できる。
【００６６】次に、作製した波長変換素子の特性を比較
した。分極反転後に４５０℃で１時間熱処理したもの
（サンプル１）、分極反転後に熱処理を行わなかったも
の（サンプル２）、分極反転後に５５０℃で１時間熱処
理したもの（サンプル３）を作製し、波長８００μｍ、
出力４０ｍＷの半導体レーザの光を集光光学系により集
光した。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。結果を
以下の表に示す。
した。分極反転後に４５０℃で１時間熱処理したもの
（サンプル１）、分極反転後に熱処理を行わなかったも
の（サンプル２）、分極反転後に５５０℃で１時間熱処
理したもの（サンプル３）を作製し、波長８００μｍ、
出力４０ｍＷの半導体レーザの光を集光光学系により集
光した。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。結果を
以下の表に示す。
【００６７】
【表１】
【００６８】この表より、サンプル１とサンプル２の結
果より、サンプル１は分極反転後のアニール処理により
分極反転層の屈折率差が減少し、波長変換素子の導波ロ
スが２ｄＢ／ｃｍ（サンプル２）から０．４ｄＢ／ｃｍ
に減少した。これによってサンプル１の導波ロスが減少
し、その結果、基本波の出力が増加した。
果より、サンプル１は分極反転後のアニール処理により
分極反転層の屈折率差が減少し、波長変換素子の導波ロ
スが２ｄＢ／ｃｍ（サンプル２）から０．４ｄＢ／ｃｍ
に減少した。これによってサンプル１の導波ロスが減少
し、その結果、基本波の出力が増加した。
【００６９】さらに、導波ロスの減少に伴いＳＨＧ光の
出力が増加した。変換効率の非常に高い波長変換素子が
形成されている。サンプル３は基本波は導波している
が。ＳＨＧ光が発生していない。これは５５０℃の熱処
理により分極反転層が再反転して消滅したためと考えら
れる。
出力が増加した。変換効率の非常に高い波長変換素子が
形成されている。サンプル３は基本波は導波している
が。ＳＨＧ光が発生していない。これは５５０℃の熱処
理により分極反転層が再反転して消滅したためと考えら
れる。
【００７０】以上にように本実施例によれば、部分的に
プロトン交換を行うことにより、周期的な分極反転層を
形成し、その後５５０℃以下でアニール処理することに
より導波ロスを減少させ低ロスの光導波路を形成でき
る。その結果、変換効率の高い波長変換素子を形成でき
た。
プロトン交換を行うことにより、周期的な分極反転層を
形成し、その後５５０℃以下でアニール処理することに
より導波ロスを減少させ低ロスの光導波路を形成でき
る。その結果、変換効率の高い波長変換素子を形成でき
た。
【００７１】なお、本実施例では、イオン交換にピロ燐
酸を用いたが、他に燐酸、ステアリン酸、安息香酸、硝
酸、塩酸、硫酸、なども用いることができる。
酸を用いたが、他に燐酸、ステアリン酸、安息香酸、硝
酸、塩酸、硫酸、なども用いることができる。
【００７２】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Ta2O 5、Ptなど耐酸性を
有する膜なら用いることができる。
して、Ｔａ膜を用いたが、他にTa2O 5、Ptなど耐酸性を
有する膜なら用いることができる。
【００７３】なお、本実施例では、基板として、LiTaO3
を用いたが、他にMgOをドーピングした、LiTaO3基板で
も用いることができる。
を用いたが、他にMgOをドーピングした、LiTaO3基板で
も用いることができる。
【００７４】以上の実施例をまとめると下記のとおりで
ある。 （実施例１）LiTaO3基板に、周期的なプロトン交換層を
形成し、プロトン交換層を熱処理により、分極反転層に
することが記載されている。この実施例で形成した波長
変換素子は３次周期の分極反転層であって、１次周期の
ものはできなかった。 （実施例２）LiTaO3基板に、周期的なプロトン交換層を
形成し、プロトン交換層を高速昇温の熱処理により、１
次の分極反転層をもつ波長変換素子を形成できる。 （実施例３）分極反転層を熱処理して、基板との屈折率
差を小さくする。
ある。 （実施例１）LiTaO3基板に、周期的なプロトン交換層を
形成し、プロトン交換層を熱処理により、分極反転層に
することが記載されている。この実施例で形成した波長
変換素子は３次周期の分極反転層であって、１次周期の
ものはできなかった。 （実施例２）LiTaO3基板に、周期的なプロトン交換層を
形成し、プロトン交換層を高速昇温の熱処理により、１
次の分極反転層をもつ波長変換素子を形成できる。 （実施例３）分極反転層を熱処理して、基板との屈折率
差を小さくする。
【００７５】以下、上記実施例により形成した波長変換
素子について、その特性を評価した結果を示す。
素子について、その特性を評価した結果を示す。
【００７６】波長変換素子の特性評価について
波長変換素子の特性について述べる。実施例１で説明し
た分極反転層上に実施例３で説明した光導波路を形成
し、３次の周期の波長変換素子を作製した。作製した波
長変換素子は周期は１０．５μｍ、幅６μｍ深さ２．７
μｍの分極反転層上に幅５μｍ深さ２．４μｍのプロト
ン交換導波路を素子長９ｍｍに渡って形成したものであ
る。作製した波長変換素子のＳＨＧ特性を測定した。波
長可変なＴｉサファイアレーザを用いて、入射光の波長
を８４０〜８８０ｎｍの間で走査して、位相整合する波
長を求めた。
た分極反転層上に実施例３で説明した光導波路を形成
し、３次の周期の波長変換素子を作製した。作製した波
長変換素子は周期は１０．５μｍ、幅６μｍ深さ２．７
μｍの分極反転層上に幅５μｍ深さ２．４μｍのプロト
ン交換導波路を素子長９ｍｍに渡って形成したものであ
る。作製した波長変換素子のＳＨＧ特性を測定した。波
長可変なＴｉサファイアレーザを用いて、入射光の波長
を８４０〜８８０ｎｍの間で走査して、位相整合する波
長を求めた。
【００７７】図１８に従来の波長変換素子であるLiNbO3
により作製した波長変換素子と、LiTaO3を用いて作製し
た３次の分極反転周期の波長変換素子のＳＨＧ特性を示
す。LiNbO3を用いて作製した波長変換素子は、光損傷の
発生によって１０μＷ以下で出力が飽和して、高出力化
が困難であるのに対しLiTaO3で作製した素子は、光損傷
による出力の低下は見られなかった。また変換効率も従
来のLiNbO3による波長変換素子の変換効率０．４３％／
Ｗに対し、作製したLiTaO3による波長変換素子は２７％
／Ｗと非常に高効率の波長変換が行えた。
により作製した波長変換素子と、LiTaO3を用いて作製し
た３次の分極反転周期の波長変換素子のＳＨＧ特性を示
す。LiNbO3を用いて作製した波長変換素子は、光損傷の
発生によって１０μＷ以下で出力が飽和して、高出力化
が困難であるのに対しLiTaO3で作製した素子は、光損傷
による出力の低下は見られなかった。また変換効率も従
来のLiNbO3による波長変換素子の変換効率０．４３％／
Ｗに対し、作製したLiTaO3による波長変換素子は２７％
／Ｗと非常に高効率の波長変換が行えた。
【００７８】さらに高効率の波長変換素子を作製するた
め、実施例２で説明した方法で作製した分極反転層上
に、実施例３で説明した方法で光導波路を作製して、１
次の周期を有する波長変換素子を作製した。作製した１
次の波長変換素子と３次の波長変換素子の高出力特性の
実験を行った。図１９に３次の分極反転周期の波長変換
素子と１次の分極反転周期の波長変換素子の入射光強度
とＳＨＧ出力の関係を示す。３次の分極反転周期による
素子においても、入力１５０ｍＷのとき出力６ｍＷが得
られ変換効率２７％／Ｗという高効率かつ高出力の波長
変換素子が形成できた。
め、実施例２で説明した方法で作製した分極反転層上
に、実施例３で説明した方法で光導波路を作製して、１
次の周期を有する波長変換素子を作製した。作製した１
次の波長変換素子と３次の波長変換素子の高出力特性の
実験を行った。図１９に３次の分極反転周期の波長変換
素子と１次の分極反転周期の波長変換素子の入射光強度
とＳＨＧ出力の関係を示す。３次の分極反転周期による
素子においても、入力１５０ｍＷのとき出力６ｍＷが得
られ変換効率２７％／Ｗという高効率かつ高出力の波長
変換素子が形成できた。
【００７９】さらにＲＴＡにより作製した１次の分極反
転周期による波長変換素子において入力１４５ｍＷのと
き最大出力１５ｍＷ変換効率７１％／Ｗが得られた。こ
れは３次の分極反転周期の波長変換素子の２．５倍の高
効率である。これはＲＴＡにより１次の周期の分極反転
層の形成が可能になり、かつ反転層深さが増し短周期に
おいても深い反転層の形成が可能になったからである。
さらに、低ロスの光導波路により高効率変換が行えた。 （実施例４）最後に、本発明の波長変換素子を用いたモ
ジュールの作製方法を説明する。
転周期による波長変換素子において入力１４５ｍＷのと
き最大出力１５ｍＷ変換効率７１％／Ｗが得られた。こ
れは３次の分極反転周期の波長変換素子の２．５倍の高
効率である。これはＲＴＡにより１次の周期の分極反転
層の形成が可能になり、かつ反転層深さが増し短周期に
おいても深い反転層の形成が可能になったからである。
さらに、低ロスの光導波路により高効率変換が行えた。 （実施例４）最後に、本発明の波長変換素子を用いたモ
ジュールの作製方法を説明する。
【００８０】波長０．８μｍ帯の半導体レーザと実施例
１で作製した波長変換素子を組み合わせた短波長レーザ
光源を図２０に示す。半導体レーザ３１の光を集光光学
系３４，３５により集光し、波長変換素子の導波路端面
５から入射した。これを一体化してモジュールを作製す
ると、非常に小型の波長光源が形成できた。この光源は
出力２ｍＷと非常に高出力で、かつ小型の為光ディスク
などの光源に応用できる。この短波長光源により、光デ
ィスクの記憶容量を大幅に増大でき、かつ非常に小型の
機器が製造できた。
１で作製した波長変換素子を組み合わせた短波長レーザ
光源を図２０に示す。半導体レーザ３１の光を集光光学
系３４，３５により集光し、波長変換素子の導波路端面
５から入射した。これを一体化してモジュールを作製す
ると、非常に小型の波長光源が形成できた。この光源は
出力２ｍＷと非常に高出力で、かつ小型の為光ディスク
などの光源に応用できる。この短波長光源により、光デ
ィスクの記憶容量を大幅に増大でき、かつ非常に小型の
機器が製造できた。
【００８１】
【発明の効果】以上説明したように、LiTaO3結晶に周期
的なプロトン交換層を形成し、これを熱処理して分極反
転層を形成するときに、昇温速度を上げることにより分
極反転処理温度に達するまでのプロトン交換層の拡散を
防ぎ、プロトン交換層内に形成される分極反転の横広が
りを防止することができた。その結果、非常に短周期の
分極反転層の形成が可能になり、高効率で短波長変換が
可能となり、かつ耐光損傷性に優れるLiTaO3結晶により
高出力の波長変換素子を製造することができ、その実用
効果は大きい。
的なプロトン交換層を形成し、これを熱処理して分極反
転層を形成するときに、昇温速度を上げることにより分
極反転処理温度に達するまでのプロトン交換層の拡散を
防ぎ、プロトン交換層内に形成される分極反転の横広が
りを防止することができた。その結果、非常に短周期の
分極反転層の形成が可能になり、高効率で短波長変換が
可能となり、かつ耐光損傷性に優れるLiTaO3結晶により
高出力の波長変換素子を製造することができ、その実用
効果は大きい。
【００８２】またLiTaO3結晶に周期的なプロトン交換層
を形成する時に、隣接するプロトン交換層がつながらな
いようプロトン交換深さを規制するとともに、分極反転
層形成可能な最低のプロトン交換厚みを規定した。分極
反転層の厚みは、プロトン交換の厚みに依存するが、プ
ロトン交換層が０．２μｍ以上ではじめて、分極反転層
が形成さる。以上の結果、プロトン交換層の厚みを規制
することにより分極反転層の形成を可能にし、高い非線
形光学定数を有し、かつ耐光損傷性に優れるLiTaO3結晶
により波長変換素子を形成できるため、高効率、高出力
でかつ安定なの波長変換素子を製造することができ、そ
の実用効果は大きい。
を形成する時に、隣接するプロトン交換層がつながらな
いようプロトン交換深さを規制するとともに、分極反転
層形成可能な最低のプロトン交換厚みを規定した。分極
反転層の厚みは、プロトン交換の厚みに依存するが、プ
ロトン交換層が０．２μｍ以上ではじめて、分極反転層
が形成さる。以上の結果、プロトン交換層の厚みを規制
することにより分極反転層の形成を可能にし、高い非線
形光学定数を有し、かつ耐光損傷性に優れるLiTaO3結晶
により波長変換素子を形成できるため、高効率、高出力
でかつ安定なの波長変換素子を製造することができ、そ
の実用効果は大きい。
【００８３】またLiTaO3結晶にプロトン交換処理を部分
的に施した後、キュリー温度以下かつキュリー温度近傍
で加熱するすことにより、周期的な分極反転層を形成し
することができる。さらに500℃以下の低温で熱処理す
ることにより、分極反転層を維持しながら分極反転層の
プロトン交換濃度を低減することにより、分極反転層の
屈折率を基板に近づける。以上の結果、従来実現してい
なかった、LiTaO3結晶による周期的な分極反転を形成
し、かつ分極反転層と基板の屈折率差を低減することに
より、低ロスで変換効率の高い波長変換素子を製造する
ことができ、その実用効果は大きい。
的に施した後、キュリー温度以下かつキュリー温度近傍
で加熱するすことにより、周期的な分極反転層を形成し
することができる。さらに500℃以下の低温で熱処理す
ることにより、分極反転層を維持しながら分極反転層の
プロトン交換濃度を低減することにより、分極反転層の
屈折率を基板に近づける。以上の結果、従来実現してい
なかった、LiTaO3結晶による周期的な分極反転を形成
し、かつ分極反転層と基板の屈折率差を低減することに
より、低ロスで変換効率の高い波長変換素子を製造する
ことができ、その実用効果は大きい。
【図１】本発明の実施例の波長変換素子構成図である。
【図２】分極反転していない素子と、１次周期の分極反
転素子と、３次周期の分極反転素子の第二高調波の出力
を表す特性図である。
転素子と、３次周期の分極反転素子の第二高調波の出力
を表す特性図である。
【図３】位相整合波長と位相整合周期の関係を示す特性
図である。
図である。
【図４】本発明の波長変換素子の作製工程図である。
【図５】熱処理温度と分極反転層深さの関係を示す特性
図である。
図である。
【図６】熱処理時間による分極反転層断面図の変化を示
す特性図である。
す特性図である。
【図７】熱処理時間と分極反転層の幅及び深さの関係を
しめす特性図である。
しめす特性図である。
【図８】熱処理時の昇温速度と作製可能な分極反転周期
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図９】波長変換素子の断面図である。
【図１０】波長変換素子の断面図である。
【図１１】分極反転層の深さとＳＨＧ出力の関係を示す
特性図である。
特性図である。
【図１２】熱処理温度と分極反転層の深さ及び幅の関係
を示す特性図である。
を示す特性図である。
【図１３】分極反転層の幅と深さの関係を示す特性図で
ある。
ある。
【図１４】プロトン交換層が広がった波長変換素子の断
面図である。
面図である。
【図１５】プロトン交換マスクの間隔と分極反転層形成
可能な領域の関係を示す特性図である。
可能な領域の関係を示す特性図である。
【図１６】分極反転層深さとプロトン交換層深さＤの関
係を示す特性図である。
係を示す特性図である。
【図１７】本発明の光導波路の作製方法の工程斜視図で
ある。
ある。
【図１８】本発明の波長変換素子のＳＨＧ特性を示す特
性図である。
性図である。
【図１９】本発明の波長変換素子のＳＨＧ特性を示す特
性図である。
性図である。
【図２０】本発明の短波長レーザ光源の構成断面図であ
る。
る。
【図２１】従来の波長変換素子の構成図である。
【図２２】従来の波長変換素子製造方法の工程断面図で
ある。
ある。
【図２３】従来のLiTaO3の分極反転層の製造方法の工程
断面図である。
断面図である。
【図２４】分極反転層の横広がりを示す波長変換素子の
断面図である。
断面図である。
１ LiTaO3基板
２ Ｔａマスク
３ プロトン交換層
４ 分極反転層
５ プロトン交換光導波路
６ 基本波
７ 第二高調波
８ 周期Λ
９ マスク幅Ｗ
１０ フォトレジスト
１２ マイクロドメイン
１３ Ｔａマスク
１５ フォトレジスト
１６ 基本波の電界分布
１７ ＳＨＧ光の電界分布
１８ 電界分布のオーバラップ
２７ ディテクタ−
３０ Ａｌ枠
３１ 半導体レーザ
３３ 石英板
３４ コリメータレンズ
３５ フォーカスレンズ
３６ ビームスプリッタ
４１ ＬｉＮｂＯ3基板
４２ 第二高調波
４３ 基本波
４４ プロトン交換導波路
４５ 分極反転層
１００ ＬｉＮｂＯ3
１０１ Ｔｉ
１０２ 分極反転層
１０３ 光導波路
１０４ ＬｉＴａＯ3基板
１０５ プロトン交換層
１０６ 分極反転層
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 佐々井 洋一
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
Claims (7)
- 【請求項１】 Ｃ板（結晶のＣ軸に垂直な面で切り出し
た基板）のLiTaO3基板の表面にストライプ状のマスクを
形成する工程と、前記LiTaO3基板本体をプロトン交換処
理により、非マスク部分から前記LiTaO3基板内のLiとH+
イオンを交換しプロトン交換層を形成する工程と、前記
LiTaO3基板を加熱手段によって熱処理し分極反転層を形
成する工程とを備えたことを特徴とする波長変換素子の
製造方法。 - 【請求項２】 Ｃ板のLiTaO3基板の表面に周期Λ、スト
ライプ幅Ｗ（但しＷ＜Λ）のストライプ状のマスクを形
成する工程と、前記LiTaO3基板本体をプロトン交換処理
により、非マスク部分から前記LiTaO3基板内のLiとH+イ
オンを交換し深さＤのプロトン交換層を形成する工程
と、前記LiTaO3基板をLiTaO3のキュリー温度以下で加熱
し、分極反転層を形成する工程と有し、前記プロトン交
換層の厚みＤが０．２μｍ＜Ｄ＜（Λ−Ｗ）／２の関係
を満足することを特徴とする波長変換素子の製造方法。 - 【請求項３】 Ｃ板のLiTaO3基板の表面にストライプ状
のマスクを形成する工程と、前記LiTaO3基板本体をプロ
トン交換処理により、非マスク部分から前記LiTaO3基板
内のLiとH+とを交換してプロトン交換層を形成する工程
と、前記LiTaO3基板をキュリー温度以下で加熱して分極
反転層を形成する工程と、前記LiTaO3基板を５５０℃以
下で熱処理して、前記分極反転層と前記基板との屈折率
差を小さくする工程とを有することを特徴とする波長変
換素子の製造方法。 - 【請求項４】 加熱手段として赤外線加熱装置を用いる
請求項１記載の波長変換素子の製造方法。 - 【請求項５】 前記プロトン交換層を加熱手段によっ
て、熱処理し分極反転層を形成する工程は、 昇温速度Ｓで温度Ｔまで加熱する行程と、温度Ｔで熱処
理する工程とを有し、前記昇温速度Ｓの値が０．５℃／
秒＜Ｓであり、かつ前記熱処理温度Ｔが前記LiTaO3基板
のキュリー温度以下で、３次の分極反転層を形成する請
求項１記載の波長変換素子の製造方法。 - 【請求項６】 前記プロトン交換層を加熱手段によっ
て、熱処理し分極反転層を形成する工程は、 昇温速度Ｓで温度Ｔまで加熱する行程と、温度Ｔで熱処
理する工程とを有し、前記昇温速度Ｓの値が１５℃／秒
＜Ｓであり、かつ前記熱処理温度Ｔが前記LiTaO3基板の
キュリー温度以下で、１次の分極反転層を形成する請求
項１記載の波長変換素子の製造方法。 - 【請求項７】 加熱手段によって熱処理し分極反転層を
形成する工程において、LiTaO3基板表面を金属膜で被う
請求項１または２記載の波長変換素子の製造方法。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33810790 | 1990-11-30 | ||
| JP2-338107 | 1990-11-30 | ||
| JP3-62800 | 1991-03-27 | ||
| JP6280091 | 1991-03-27 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0527288A true JPH0527288A (ja) | 1993-02-05 |
| JP3052501B2 JP3052501B2 (ja) | 2000-06-12 |
Family
ID=26403856
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03301667A Expired - Fee Related JP3052501B2 (ja) | 1990-11-30 | 1991-11-18 | 波長変換素子の製造方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5221310A (ja) |
| EP (1) | EP0573712B1 (ja) |
| JP (1) | JP3052501B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5506722A (en) * | 1992-10-07 | 1996-04-09 | Mitsubishi Electric Industrial Co., Ltd. | Optical wavelength converting device for converting fundamental waves into harmonic waves and shorter wavelength coherent light generating apparatus with the device |
| EP0718671A1 (en) * | 1994-12-09 | 1996-06-26 | Hewlett-Packard Company | Method for forming domain inversion regions and for fabricating wavelength conversion device |
| JP2021515989A (ja) * | 2018-03-12 | 2021-06-24 | ソイテック | アルカリ金属に基づく強誘電体材料の薄層を作製するためのプロセス |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP3261594B2 (ja) * | 1992-04-24 | 2002-03-04 | 日立金属株式会社 | タンタル酸リチウム単結晶、単結晶基板および光素子 |
| US5502590A (en) * | 1993-06-08 | 1996-03-26 | Nippon Steel Corporation | Harmonic wave generating element for coherent light having short wavelength |
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| US5544271A (en) * | 1994-12-12 | 1996-08-06 | Uniphase Corporation | Nonlinear optical generator with index of refraction perturbed reflector arrangement |
| CN1305184C (zh) * | 1995-06-02 | 2007-03-14 | 松下电器产业株式会社 | 激光装置 |
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| JP3863277B2 (ja) * | 1998-02-17 | 2006-12-27 | 日本碍子株式会社 | 強誘電体結晶基板の加工方法 |
| EP1600531B1 (en) * | 2003-03-06 | 2015-04-22 | Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. | Process for producing lithium tantalate crystal |
| US7374612B2 (en) * | 2003-09-26 | 2008-05-20 | Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. | Method of producing single-polarized lithium tantalate crystal and single-polarized lithium tantalate crystal |
| FR2933328B1 (fr) | 2008-07-01 | 2016-08-26 | Aplix Sa | Dispositif formant moule pour fabriquer un objet moule comportant un champ de crochets |
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| US4400052A (en) * | 1981-03-19 | 1983-08-23 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Method for manufacturing birefringent integrated optics devices |
| DE68914240T2 (de) * | 1988-10-21 | 1994-10-27 | Sony Corp | Optischer Wellenleiter und Generator zur Erzeugung der zweiten Harmonischen. |
| FR2642858B1 (fr) * | 1989-02-09 | 1991-04-12 | Thomson Csf | Dispositif optique de traitement d'une onde optique, son procede de realisation et un doubleur de frequence |
| JPH03287141A (ja) * | 1990-03-26 | 1991-12-17 | Hitachi Ltd | 導波路型波長変換素子 |
| JP3109109B2 (ja) * | 1990-07-12 | 2000-11-13 | ソニー株式会社 | 周期ドメイン反転構造を有する光デバイス装置の製造方法 |
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| JP3052501B2 (ja) * | 1990-11-30 | 2000-06-12 | 松下電器産業株式会社 | 波長変換素子の製造方法 |
-
1991
- 1991-11-18 JP JP03301667A patent/JP3052501B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1991-11-22 US US07/796,648 patent/US5221310A/en not_active Expired - Lifetime
-
1992
- 1992-06-12 EP EP92305414A patent/EP0573712B1/en not_active Expired - Lifetime
-
1993
- 1993-01-29 US US08/011,136 patent/US5323262A/en not_active Expired - Lifetime
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| US5836073A (en) * | 1992-10-07 | 1998-11-17 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Method of making optical wavelength converting device |
| EP0718671A1 (en) * | 1994-12-09 | 1996-06-26 | Hewlett-Packard Company | Method for forming domain inversion regions and for fabricating wavelength conversion device |
| JP2021515989A (ja) * | 2018-03-12 | 2021-06-24 | ソイテック | アルカリ金属に基づく強誘電体材料の薄層を作製するためのプロセス |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5221310A (en) | 1993-06-22 |
| JP3052501B2 (ja) | 2000-06-12 |
| US5323262A (en) | 1994-06-21 |
| EP0573712B1 (en) | 1998-09-23 |
| EP0573712A1 (en) | 1993-12-15 |
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|---|---|---|---|
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