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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- G02F1/00—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
- G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
- G02F1/3558—Poled materials, e.g. with periodic poling; Fabrication of domain inverted structures, e.g. for quasi-phase-matching [QPM]
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- G—PHYSICS
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- 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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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- 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。
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JP33810790 | 1990-11-30 | ||
JP2-338107 | 1990-11-30 | ||
JP3-62800 | 1991-03-27 | ||
JP6280091 | 1991-03-27 |
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Publication Number | Publication Date |
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---|---|
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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 |
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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 |
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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 |
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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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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
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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 |
---|---|
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JP3052501B2 (ja) | 2000-06-12 |
US5323262A (en) | 1994-06-21 |
EP0573712B1 (en) | 1998-09-23 |
EP0573712A1 (en) | 1993-12-15 |
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