JPH10161167A - Optical device - Google Patents
Optical deviceInfo
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- JPH10161167A JPH10161167A JP8320498A JP32049896A JPH10161167A JP H10161167 A JPH10161167 A JP H10161167A JP 8320498 A JP8320498 A JP 8320498A JP 32049896 A JP32049896 A JP 32049896A JP H10161167 A JPH10161167 A JP H10161167A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば光情報シス
テム等に使用される光第２高調波発生素子や光変調器等
の各種の非線形光学効果を利用した光デバイスに関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical device utilizing various non-linear optical effects, such as an optical second harmonic generation element and an optical modulator used in an optical information system or the like.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、光記録媒体と半導体レーザー発生
装置等から成る光情報システムなどに要求される、小型
短波長コヒーレント光源として、光第２高調波発生（以
下ＳＨＧと略記する) 素子が注目されている。2. Description of the Related Art In recent years, an optical second harmonic generation (hereinafter abbreviated as SHG) element has been attracting attention as a small-sized short-wavelength coherent light source required for an optical information system including an optical recording medium and a semiconductor laser generator. Have been.
【０００３】一般にＳＨＧ素子は、バルク型ＳＨＧ素子
と導波路型ＳＨＧ素子に大別される。例えば、ニオブ酸
リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ) 、タンタル酸リチウム（Ｌｉ
ＴａＯ3 ) 、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4 ）、 ニオブ酸カリ
ウム（ＫＮｂＯ3 ) 等の無機酸化物単結晶材料、及び各
種の有機非線形材料は、大きな非線形光学定数を有する
ことから、ＳＨＧ素子の材料として好適に使用される。
特に、ＬｉＮｂＯ3 やＬｉＴａＯ3 では光導波路作製技
術が確立されており、しかも比較的大きな非線形光学定
数を有するので、導波路型ＳＨＧ素子の材料としてたい
へん有望視されている。[0003] Generally, SHG elements are roughly classified into bulk SHG elements and waveguide SHG elements. For example, lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (Li
Inorganic oxide single crystal materials such as TaO 3 ), KTP (KTiOPO 4 ), potassium niobate (KNbO 3 ), and various organic nonlinear materials have large nonlinear optical constants, and thus are suitable as materials for SHG devices. used.
In particular, LiNbO 3 and LiTaO 3 have been established as an optical waveguide fabrication technique and have a relatively large nonlinear optical constant. Therefore, they are very promising as a material for a waveguide type SHG element.
【０００４】これらの非線形材料を用いた導波路型ＳＨ
Ｇ素子の特徴は、以下に述べる疑似位相整合法により非
線形光学係数ｄ33を用いることができる点にある。ｄ33
は他の非線形光学係数より数倍程度大きい（例えば、Ｌ
ｉＮｂＯ3 におけるｄ33はｄ31に対して約６倍大きい）
ため、高い変換効率の達成が可能である。また、光導波
路による光の閉じ込めにより長い伝搬距離に渡って高い
光強度密度を実現できる。A waveguide type SH using these nonlinear materials
Features of the G element is that it is possible to use a nonlinear optical coefficient d 33 by the pseudo-phase matching method described below. d 33
Is several times larger than other nonlinear optical coefficients (for example, L
d 33 in LiNbO 3 is about six times larger than the d 31)
Therefore, high conversion efficiency can be achieved. Further, a high light intensity density can be realized over a long propagation distance by confining light by the optical waveguide.
【０００５】従来の導波路型ＳＨＧ素子では、素子本体
の表層にＴｉ等の金属を熱拡散するなどの方法により光
導波路が作製されている。この光導波路の一端に角周波
数ωの基本波（伝搬定数β（ω））を入射させると、他
端から基本波を含む角周波数２ω（伝搬定数β（２
ω））の高調波が出射される。In a conventional waveguide type SHG element, an optical waveguide is manufactured by a method such as thermally diffusing a metal such as Ti into the surface layer of the element body. When a fundamental wave (propagation constant β (ω)) having an angular frequency ω is incident on one end of the optical waveguide, an angular frequency 2ω (propagation constant β (2
ω)) are emitted.
【０００６】しかし、一般に２β（ω）≠β（２ω）の
関係があるために位相整合条件が満足されないので、導
波路内の任意位置から生じたβ（２ω）の素波は互いに
干渉し打ち消され、その結果、有効にＳＨＧ変換されな
い。However, since the phase matching condition is not satisfied because of the relationship of 2β (ω) ≠ β (2ω), the rays of β (2ω) generated from an arbitrary position in the waveguide interfere with each other and cancel each other. As a result, the SHG conversion is not effectively performed.
【０００７】そこで、基本波と高調波との伝搬定数の差
を光学的な周期構造で補償して位相整合をとることが有
効なＳＨＧ変換のために必要となる。この方法は、一般
に疑似位相整合と呼ばれ、ＬｉＮｂＯ3 やＬｉＴａＯ3
等の強誘電体結晶の非線形光学係数の正負が誘電分極の
極性に対応することを利用し、周期的に分極方向を反転
させる光学的周期構造（周期状の分極反転構造）が注目
されている。Therefore, it is necessary for effective SHG conversion to compensate for the difference between the propagation constants of the fundamental wave and the higher harmonic wave by using an optical periodic structure to achieve phase matching. This method is generally called quasi-phase matching, and includes LiNbO 3 and LiTaO 3
An optical periodic structure (periodic domain-inverted structure) that periodically reverses the direction of polarization using the fact that the sign of the nonlinear optical coefficient of a ferroelectric crystal such as that described above corresponds to the polarity of dielectric polarization has attracted attention. .
【０００８】この周期状の分極反転構造の作製方法とし
て、図６に示すような電界印加法が提案されている。図
６において、１１は導波路１２がその表層に形成され
た、ＺカットのＬｉＮｂＯ3 もしくはＬｉＴａＯ3 から
成る基板、１３は基板１１上にパターニング形成された
周期電極、１４は基板１１の裏面全体に装着された共通
電極、１５は高圧電源である。As a method for manufacturing this periodic domain-inverted structure, an electric field application method as shown in FIG. 6 has been proposed. 6, reference numeral 11 denotes a substrate made of Z-cut LiNbO 3 or LiTaO 3 having a waveguide 12 formed on its surface, 13 denotes a periodic electrode patterned on the substrate 11, and 14 denotes the entire back surface of the substrate 11. The mounted common electrode 15 is a high voltage power supply.
【０００９】この方法は、単分極化された基板１１の導
波路を形成させた面１１ａ（ＬｉＮｂＯ3 では＋Ｚ面、
ＬｉＴａＯ3 では−Ｚ面）上に周期電極１３を、他主面
１１ｂ上に共通電極１４を設けて、周期電極１３と共通
電極１４との間に所定の電界を印加した場合に、周期電
極１３と同一パターンの反転分極が得られる現象を利用
し、疑似位相整合に必要な周期状の分極反転構造を得る
方法である（例えば、Ｍ．Ｙａｍａｄａ、Ｎ．Ｎｏｄ
ａ、ａｎｄ Ｋ．Ｗａｔａｎａｂｅ：Ｉｎｔｅｇｒａｔ
ｅｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＴｕＣ
２−１（１９９２）を参照）。In this method, the surface 11a of the monopolarized substrate 11 on which the waveguide is formed (+ Z plane in LiNbO 3 ,
When the periodic electrode 13 is provided on the -Z plane in LiTaO 3 ) and the common electrode 14 is provided on the other main surface 11b, and when a predetermined electric field is applied between the periodic electrode 13 and the common electrode 14, the periodic electrode 13 This is a method of obtaining a periodic domain-inverted structure required for quasi-phase matching by using a phenomenon in which inverted polarization of the same pattern is obtained (for example, M. Yamada, N. Nod).
a, and K. Watanabe: Integrat
ed Photonics Research TuC
2-1 (1992)).
【００１０】また、１５０℃以下の比較的低温下におい
て高電圧を与えることにより、非線形強誘電体から成る
基板へ周期状の分極反転構造を形成する方法も提案され
ている（特開平４−３３５６２０号公報等を参照）。こ
の方法によれば、屈折率や結晶性に熱による変化や表面
の汚染がなく且つ反転形状の制御性にも優れるので、容
易に低コストで周期状の分極反転構造が得られるものと
して注目されている。A method of forming a periodically poled structure on a substrate made of a non-linear ferroelectric material by applying a high voltage at a relatively low temperature of 150 ° C. or lower has also been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 4-335620). Reference). According to this method, there is no change in the refractive index or crystallinity due to heat or contamination of the surface, and the controllability of the inverted shape is excellent. Therefore, attention is paid to a method capable of easily obtaining a periodically poled structure at low cost. ing.
【００１１】一般に、周期状の分極反転構造を適用した
ＳＨＧ素子を作製する場合、約１．５μｍごとに分極方
向が周期的に変化する構造を必要とするため、上記方法
では微細電極を梯子状または櫛状に配設しなければなら
ない。In general, when fabricating an SHG element to which a periodic domain-inverted structure is applied, a structure in which the polarization direction is periodically changed about every 1.5 μm is required. Or they must be arranged in a comb.
【００１２】ところが、一本当たり約１．５μｍ幅程度
の細い電極では、線抵抗により印加される電界が不均一
になるため、導波路方向に５ｍｍ以上の長さを有する均
一な連続分極反転構造を作製することが困難となる。However, in the case of a thin electrode having a width of about 1.5 μm per electrode, the electric field applied by the line resistance becomes non-uniform, so that a uniform continuous domain inversion structure having a length of 5 mm or more in the waveguide direction. Is difficult to manufacture.
【００１３】また、電極の幅約１．５μｍ、周期約３μ
ｍという細かいパターンに高電圧を印加するため、反転
させない領域へ電界が洩れて、その領域で反転が起きる
などにより、印加電界の制御が困難となるので、やはり
均一な連続分極反転構造を作製することが困難となる。The width of the electrode is about 1.5 μm and the period is about 3 μm.
Since a high voltage is applied to a fine pattern of m, an electric field leaks to a region that is not inverted, and inversion occurs in that region, making it difficult to control the applied electric field. It becomes difficult.
【００１４】そこで、特に強誘電性を有するＬｉＴａＯ
3 から成る基板上に、タンタル（Ｔａ）の周期電極を形
成し、この周期電極をマスクとして、ピロ燐酸を用いた
プロトン交換を行い、交換された部分の強誘電性を劣化
させる方法が提案されている（１９９５年春、応用物理
学会予稿集、２８ｐ−Ｚｆ−３等を参照）。Therefore, LiTaO having ferroelectricity is particularly preferred.
A method has been proposed in which a tantalum (Ta) periodic electrode is formed on a substrate made of 3 and proton exchange using pyrophosphoric acid is performed using the periodic electrode as a mask to deteriorate the ferroelectricity of the replaced portion. (Refer to the Proceedings of the Japan Society of Applied Physics, Spring 1995, 28p-Zf-3, etc.).
【００１５】この方法について、基板断面方向からみた
図７に基づいて説明する。まず、ＺカットのＬｉＮｂＯ
3 もしくはＬｉＴａＯ3 から成る基板２１の一主面２１
ａ上に、所望の周期構造を持つ金属マスク２２を形成
し、基板２１の他主面２１ｂ上の全面には、一様に広が
った金属マスク２３を作製する。その後、この基板２１
を一定温度に保たれたピロ燐酸もしくは安息香酸の溶液
に浸漬し、金属マスク２２が覆われていない領域にプロ
トン交換された領域２４を形成する。その後、両金属マ
スク２２、２３を電極としてその間に高電圧を印加する
ことで、電極２２直下の部分を選択的に分極反転させる
ことが出来る。This method will be described with reference to FIG. First, Z-cut LiNbO
One main surface 21 of substrate 21 made of 3 or LiTaO 3
A metal mask 22 having a desired periodic structure is formed on a, and a metal mask 23 spread uniformly over the entire other main surface 21b of the substrate 21. Thereafter, the substrate 21
Is immersed in a solution of pyrophosphoric acid or benzoic acid kept at a constant temperature to form a proton-exchanged region 24 in a region where the metal mask 22 is not covered. Thereafter, by applying a high voltage between the two metal masks 22 and 23 as electrodes, a portion immediately below the electrode 22 can be selectively polarized.
【００１６】この方法は、強誘電性の劣化した領域（以
後、反転阻止領域と記す）の分極反転が抑制され、広範
囲にわたり均一な周期状の分極反転構造を有するＳＨＧ
素子を提供できるものとして有効な手段と見られてい
る。This method suppresses the polarization inversion in a region where ferroelectricity is deteriorated (hereinafter referred to as an inversion inhibition region), and has an SHG having a uniform periodic domain inversion structure over a wide range.
This is considered to be an effective means for providing an element.
【００１７】上述した手段は薬品としてピロ燐酸の代わ
りに安息香酸等の比較的弱い酸を用いることも可能であ
り、安息香酸を用いることでアルミニウム（Ａｌ）をマ
スクに用いる方法も示されている（特願平８−１３６５
４８号）。In the above means, a relatively weak acid such as benzoic acid can be used instead of pyrophosphoric acid as a chemical, and a method using aluminum (Al) as a mask by using benzoic acid is also disclosed. (Japanese Patent Application Hei 8-1365
No. 48).
【００１８】このようにして、周期状の分極反転構造を
作製した後に電極マスクをエッチングにより除去し、再
度光導波路の形状にチタン（Ｔｉ）をパターニングし拡
散により光導波路を形成する。After the periodic domain-inverted structure is thus manufactured, the electrode mask is removed by etching, titanium (Ti) is patterned again into the shape of the optical waveguide, and the optical waveguide is formed by diffusion.
【００１９】または、光導波路の形状にタンタル（Ｔ
ａ）または、Ａｌのマスクを形成し、ピロ燐酸または安
息香酸によるプロトン交換を施すことによって、光導波
路を形成する。Alternatively, tantalum (T)
a) Alternatively, an optical waveguide is formed by forming an Al mask and performing proton exchange with pyrophosphoric acid or benzoic acid.
【００２０】その後、導波路伝搬中の光の吸収、散乱を
防ぐため導波路作製用として用いたＴａ、Ａｌをエッチ
ングにより除去し第２高調波発生素子としている。Thereafter, in order to prevent absorption and scattering of light during propagation of the waveguide, Ta and Al used for producing the waveguide are removed by etching to obtain a second harmonic generation element.
【００２１】[0021]
【発明が解決しようとする課題】上述の方法は反転阻止
領域の形成にプロトン交換を用いている。さらに、作製
する素子の導波路にもプロトン交換を用いているため、
そのままでは光導波路中を伝搬する光は、反転阻止層部
分にて異なる屈折率を感じることになる。そのため、光
導波路の屈折率変化により伝搬光のモードが乱れ、その
結果伝搬損失が生じることが予想される。The above-described method uses proton exchange for forming the reversal blocking region. Furthermore, since proton exchange is also used for the waveguide of the element to be manufactured,
As it is, light propagating through the optical waveguide will feel a different refractive index at the inversion blocking layer. Therefore, it is expected that the mode of the propagating light is disturbed by the change in the refractive index of the optical waveguide, and as a result, a propagation loss occurs.
【００２２】また、反転阻止領域の作製に用いた金属マ
スクを除去する際に、酸を用いた金属のエッチングを行
うが、これにより素子表面に荒れが生じ、その後のプロ
セスに悪影響を与えるという問題がある。Further, when the metal mask used for forming the inversion blocking region is removed, the metal is etched using an acid. This causes a rough surface of the element, which adversely affects the subsequent process. There is.
【００２３】さらに、光導波路の作製にＴｉ拡散または
プロトン交換法を用いているため、光導波路表面に荒れ
が生じ、このため、光導波路表面での散乱等により伝搬
損失が大きくなるという問題がある。Further, since the Ti diffusion or the proton exchange method is used for manufacturing the optical waveguide, the surface of the optical waveguide is roughened, which causes a problem that the propagation loss increases due to scattering on the surface of the optical waveguide. .
【００２４】本発明は上記問題点を改善し、光導波路内
部及び表面での伝搬損失が最小限に押さえられた高出力
な光デバイスを提供することを目的とする。An object of the present invention is to provide a high-output optical device in which the above problems are solved and the propagation loss inside and on the surface of the optical waveguide is minimized.
【００２５】[0025]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する光デ
バイスは、周期状の分極反転構造を形成させた非線形強
誘電体の基板に、前記分極反転構造を横切る方向に、表
面の中心線平均粗さが０．１μｍ以下である光導波路を
形成させたことを特徴とする。特に、分極反転構造がプ
ロトン交換法により形成されていることを特徴とする。An optical device for solving the above-mentioned problems is provided on a non-linear ferroelectric substrate having a periodic domain-inverted structure formed thereon by averaging the center line of the surface in a direction crossing the domain-inverted structure. An optical waveguide having a roughness of 0.1 μm or less is formed. Particularly, the invention is characterized in that the domain-inverted structure is formed by a proton exchange method.
【００２６】また、この光デバイスは、具体的には次の
ようにして作製する。まず、非線形強誘電体であるＬｉ
Ｎｂx Ｔｉ1-x Ｏ3 （0 ≦x ≦1 ）基板の一主面にＡｌ
周期電極を形成し、基板の他の主面にＡｌ共通電極を配
置する。その後、Ａｌ周期電極をマスクとして、安息香
酸を用いたプロトン交換を行い、プロトン交換部の強誘
電性を劣化させ反転阻止領域を形成する。なお、プロト
ン交換には安息香酸を用いるとよいが、フタル酸、もし
くはインフタル酸などの解離定数ｐＫが３〜５程度の弱
酸を用いることも可能である。This optical device is specifically manufactured as follows. First, a non-linear ferroelectric Li
Nb x Ti 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1)
A periodic electrode is formed, and an Al common electrode is arranged on the other main surface of the substrate. Thereafter, proton exchange using benzoic acid is performed using the Al periodic electrode as a mask, thereby deteriorating the ferroelectricity of the proton exchange portion and forming an inversion inhibiting region. Note that benzoic acid is preferably used for proton exchange, but a weak acid having a dissociation constant pK of about 3 to 5 such as phthalic acid or inphthalic acid can also be used.
【００２７】次いで、基板の２つの主面に配設された電
極間に高電圧をパルスまたは直流で印加し周期状の分極
反転を得た後、作製された反転阻止層の厚さ分を光学研
磨により取り去る。これにより、素子表面は鏡面で且つ
周期状の分極反転構造を有する基板が得られる。Next, a high voltage is applied between the electrodes disposed on the two main surfaces of the substrate by pulse or direct current to obtain a periodic polarization inversion, and the thickness of the produced inversion inhibition layer is optically measured. Remove by polishing. As a result, a substrate having a mirror-finished element surface and a periodically poled structure can be obtained.
【００２８】また、この光学研磨した後にＴｉ拡散また
はプロトン交換を用いた光導波路を形成する。光導波路
を作製した後、作製した素子表面に光学研磨を施すこと
で、光導波路上が鏡面である、低損失のＳＨＧ素子を作
製することが出来る。After the optical polishing, an optical waveguide using Ti diffusion or proton exchange is formed. After the optical waveguide is manufactured, the surface of the manufactured element is subjected to optical polishing, whereby a low-loss SHG element having a mirror surface on the optical waveguide can be manufactured.
【００２９】これによれば、プロトン交換によって形成
された反転阻止層を光学レベルの研磨によって取り去っ
た後に光導波路を形成するため、周期反転構造用にパタ
ーニングされた反転阻止層による高屈折率部分がない。
そして、形成された光導波路が一様な屈折率になり、光
学損失の少ない光導波路を得ることが可能となる。According to this, since the optical waveguide is formed after the inversion blocking layer formed by proton exchange is removed by polishing at an optical level, a high refractive index portion by the inversion blocking layer patterned for the periodic inversion structure is formed. Absent.
Then, the formed optical waveguide has a uniform refractive index, and it is possible to obtain an optical waveguide with small optical loss.
【００３０】また、周期状の分極反転形成のために形成
された周期電極をエッチングによって剥離するため、従
来は表面に荒れが生じ、その後の光導波路作製プロセス
を精度良く行うに妨げとなっていたが、鏡面に研磨する
ことによってプロセスの精度を上げることが可能となっ
た。In addition, since the periodic electrode formed for the periodic polarization inversion is peeled off by etching, the surface is conventionally roughened, which hinders the subsequent optical waveguide fabrication process from being performed accurately. However, it became possible to improve the accuracy of the process by polishing to a mirror surface.
【００３１】また、光導波路作製のためのプロトン交
換、もしくは、その後の金属マスク剥離のために光導波
路上に生じていた荒れが除去され鏡面となることによ
り、光導波路表面における散乱等による導波損失が小さ
くなり、高効率、高出力の第２高調波発生素子となる。In addition, since the roughness generated on the optical waveguide due to proton exchange for producing the optical waveguide or subsequent peeling of the metal mask is removed and becomes a mirror surface, waveguide due to scattering on the optical waveguide surface or the like is obtained. The loss is small, and a high-efficiency, high-output second harmonic generation element is obtained.
【００３２】[0032]
【発明の実施形態】本発明の実施形態について光デバイ
スとしてＳＨＧ素子を例にとり図面に基づき説明する。
図１に光デバイスＳの模式図を示す。非線形強誘電体で
あるＬｉＮｂx Ｔｉ1-x Ｏ3 （0 ≦x ≦1 ）から成る基
板１には、プロトン交換法により作製した周期状の分極
反転構造２が形成されており、さらに、この周期状の分
極反転構造２を横切るように光導波路３が基板１の主面
１ａの表層に形成されている。ここで、周期状の分極反
転構造の屈折率のばらつきはほとんどなく（最大の屈折
率差は0.01未満）、基板１の主面１ａの表面は中心線平
均粗さ（Ｒａ）が０．１μm 以下の鏡面に研磨されてい
る。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, taking an SHG element as an example of an optical device.
FIG. 1 shows a schematic diagram of the optical device S. On a substrate 1 made of a non-linear ferroelectric LiNb x Ti 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1), a periodic domain-inverted structure 2 formed by a proton exchange method is formed. An optical waveguide 3 is formed on the main surface 1 a of the substrate 1 so as to cross the periodically poled structure 2. Here, there is almost no variation in the refractive index of the periodically poled structure (the maximum refractive index difference is less than 0.01), and the surface of the main surface 1a of the substrate 1 has a center line average roughness (Ra) of 0.1 μm or less. The mirror surface is polished.
【００３３】このような光デバイスＳにおいて、光導波
路３の一端３ａから赤外のチタン・サファイア等の半導
体レーザ光（波長：０．８６μm ）が入射されると、光
導波路３の他端３ｂからＳＨＧ変換された可視のコヒー
レント光（波長：０．４３μm ）が得られるのである。
そして、基板１の主面１ａのＲａを０．１μm 以下の鏡
面とすることにより、光が屈折率のばらつきのほとんど
ない光導波路を伝搬できるので、導波損失が非常に小さ
な（２ｄＢ／cm以下）特性の優れた光デバイスとするこ
とができる。ここで、中心線平均粗さが０．１μm より
大きくなると、導波損失が増大し（２ｄＢより大きくな
る）好ましくない。In such an optical device S, when infrared semiconductor laser light (wavelength: 0.86 μm) such as titanium / sapphire enters from one end 3a of the optical waveguide 3, the other end 3b of the optical waveguide 3 enters. SHG-converted visible coherent light (wavelength: 0.43 μm) is obtained.
By setting the Ra of the main surface 1a of the substrate 1 to a mirror surface of 0.1 μm or less, light can propagate through an optical waveguide with almost no variation in the refractive index, so that the waveguide loss is very small (2 dB / cm or less). ) An optical device having excellent characteristics can be obtained. Here, when the center line average roughness is larger than 0.1 μm, the waveguide loss increases (greater than 2 dB), which is not preferable.
【００３４】次に、この光デバイスＳの製造方法につい
て説明する。図２に示すように、まず基板１の一主面１
ａに、Ａｌから成る微細な周期電極４をリフトオフ法に
よりパターニング１成し、基板１の他の主面１ｂにはＡ
ｌから成る共通電極５を配置させる。その後、Ａｌの周
期電極４をマスクとして、安息香酸を用いたプロトン交
換を行い、周期電極４で覆われていないプロトン交換部
の強誘電性を劣化させ反転阻止層６を形成する。なお、
このプロトン交換にはフタル酸、インフタル酸などの解
離定数ｐＫが３〜５程度の弱酸を用いることも可能であ
る。Next, a method for manufacturing the optical device S will be described. As shown in FIG. 2, first, one main surface 1 of the substrate 1
a, a fine periodic electrode 4 made of Al is patterned 1 by a lift-off method, and the other main surface 1b of the substrate 1 is provided with A
1 is disposed. Thereafter, proton exchange using benzoic acid is performed using the Al periodic electrode 4 as a mask, and the ferroelectricity of the proton exchange portion not covered with the periodic electrode 4 is degraded to form the inversion blocking layer 6. In addition,
For this proton exchange, a weak acid having a dissociation constant pK of about 3 to 5 such as phthalic acid and inphthalic acid can be used.
【００３５】その後、基板１の２つの主面１ａ，１ｂに
配設された電極間に、電源７により高電圧をパルスまた
は直流で印加し、周期状の分極反転構造２を得た後、図
３に示すように、作製された反転阻止層６の厚さ分を光
学研磨により取り去る。これにより、表面が鏡面（Ｒａ
が０．１μm 以下）で且つ屈折率のばらつきがほとんど
ない周期状の分極反転構造を有する基板１が得られる。Thereafter, a high voltage is applied by a pulse or a direct current from a power source 7 between the electrodes disposed on the two main surfaces 1a and 1b of the substrate 1 to obtain a periodic domain-inverted structure 2. As shown in FIG. 3, the thickness of the produced reversal prevention layer 6 is removed by optical polishing. Thereby, the surface becomes a mirror surface (Ra
Is 0.1 μm or less), and the substrate 1 having a periodic domain-inverted structure with almost no variation in the refractive index is obtained.
【００３６】次いで、図５に示すように、残留プロトン
交換層（図３における反転阻止層６）を除去して得られ
た鏡面にＡｌ等を用いるなどして光導波路部分を開口さ
せたマスク８を形成し、パターン８を上に向けて一定温
度の安息香酸中に所定時間浸漬する。この結果、マスク
されていない部分９においてプロトン交換されることに
なり、マスク８を除去した後、図１に示すような光デバ
イスＳが完成する。すなわち、プロトン交換された領域
の屈折率が高まり、光を閉じこめるに十分な光導波路３
が作製される。Next, as shown in FIG. 5, a mask 8 having an optical waveguide portion opened by using Al or the like on the mirror surface obtained by removing the residual proton exchange layer (reversal blocking layer 6 in FIG. 3). And immersed in benzoic acid at a constant temperature for a predetermined time with the pattern 8 facing upward. As a result, protons are exchanged in the unmasked portion 9, and after removing the mask 8, the optical device S as shown in FIG. 1 is completed. That is, the refractive index of the proton-exchanged region is increased, and the optical waveguide 3 is sufficient to confine light.
Is produced.
【００３７】なお、光導波路３を作製する際、安息香酸
以外の薬品、たとえばピロ燐酸などを用いることも可能
である。この場合、ピロ燐酸は安息香酸に比べて強い酸
であるので酸に強い金属、たとえばＴａなどを電極また
は光導波路作製用のマスクの作製に用いると好適であ
る。When manufacturing the optical waveguide 3, it is also possible to use a chemical other than benzoic acid, for example, pyrophosphoric acid. In this case, since pyrophosphoric acid is an acid that is stronger than benzoic acid, it is preferable to use a metal that is strong against acid, for example, Ta or the like for manufacturing a mask for manufacturing an electrode or an optical waveguide.
【００３８】なおまた、Ａｌのマスク８は相応のエッチ
ング液（例えば、Ｈ2 ＰＯ4 ：ＨＮＯ3 ：ＣＨ3 ＣＯＯ
Ｈ：Ｈ2 Ｏを１６：１：２：１の割合で混合したもの）
にて除去する。ピロ燐酸を用いる場合は、Ｔａ等のマス
クは水酸化ナトリウム水溶液などで除去するとよい。Further, the Al mask 8 is made of a suitable etching solution (eg, H 2 PO 4 : HNO 3 : CH 3 COO).
H: H 2 O mixed at a ratio of 16: 1: 2: 1)
Remove with. When using pyrophosphoric acid, the mask of Ta or the like may be removed with an aqueous sodium hydroxide solution or the like.
【００３９】このようにして得られた光デバイスＳによ
れば、プロトン交換によって形成された反転阻止層を光
学レベルの研磨によって取り去った後に光導波路を形成
するため、周期反転構造用にパターニングされた反転阻
止層による高屈折率部分がない。これにより、形成され
た光導波路が一様な屈折率になり、光学損失の少ない光
導波路を得ることが可能となる。According to the optical device S thus obtained, the optical waveguide is formed after the inversion blocking layer formed by proton exchange is removed by polishing at an optical level, so that it is patterned for a periodic inversion structure. There is no high refractive index portion due to the inversion blocking layer. As a result, the formed optical waveguide has a uniform refractive index, and an optical waveguide with small optical loss can be obtained.
【００４０】また、周期状の分極反転形成のために形成
された周期電極をエッチングによって剥離するため、従
来は表面に荒れが生じ、その後の光導波路作製プロセス
を精度良く行うに妨げとなっていたが、鏡面に研磨する
ことによってプロセスの精度を上げることが可能とな
る。Further, since the periodic electrode formed for the periodic polarization inversion is peeled off by etching, the surface is conventionally roughened, which hinders the subsequent optical waveguide fabrication process from being performed accurately. However, the accuracy of the process can be improved by polishing to a mirror surface.
【００４１】また、光導波路作製のためのプロトン交
換、もしくは、その後の金属マスク剥離のために光導波
路上に生じていた荒れが除去され、鏡面となることによ
り、光導波路表面における散乱等による導波損失が小さ
くなり、高効率、高出力のＳＨＧ素子となる。In addition, the roughness generated on the optical waveguide due to the proton exchange for producing the optical waveguide or the subsequent removal of the metal mask is removed and becomes a mirror surface. Wave loss is reduced, resulting in a high-efficiency, high-output SHG element.
【００４２】[0042]
【実施例】次に、本発明の具体的な実施例について説明
する。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）から成る、約
１０mm角、厚み５００〜１０００μm 程度の基板を用意
し、その一主面を＋Ｚ面、他主面を−Ｚ面となるように
切り出したものを使用し、両主面間で容易に分極方向が
反転するようにした。次に、蒸着法やリフトオフの手法
を用い、一主面上にＡｌの周期電極を所望のパターンに
形成した（電極幅：１．５μｍ、周期：３μｍ、電極領
域：１０ｍｍ×８ｍｍ）。Next, specific examples of the present invention will be described. A substrate made of lithium niobate (LiNbO 3 ) having a size of about 10 mm square and a thickness of about 500 to 1000 μm is prepared, and one of which is cut out so that one main surface is a + Z surface and the other main surface is a −Z surface is used. The polarization direction was easily reversed between the two main surfaces. Next, a periodic electrode of Al was formed in a desired pattern on one main surface by using a vapor deposition method or a lift-off technique (electrode width: 1.5 μm, period: 3 μm, electrode area: 10 mm × 8 mm).
【００４３】次に、周期電極の対向電極としてＡｌの共
通電極を基板の他主面の全面に形成した。ここで、周期
電極及び共通電極は共に３０００〜４０００Åの厚みに
形成した。これにより、抵抗を小さくすることができ好
適な電極として用いることができた。すなわち、周期電
極及び共通電極の厚さが３０００Åより小さい場合に
は、抵抗が大きくなり必要な電圧を均一に印加させるこ
とができなくなるので、少なくとも３０００Å以上が必
要である。また、４０００Åより厚くなると、周期パタ
ーンを形成する際に剥離が生じやすくなるため、均一な
周期反転構造を実現し難くなる。したがって、周期電極
及び共通電極の厚さは３０００Å以上４０００Å以下と
した。Next, an Al common electrode was formed on the entire other main surface of the substrate as a counter electrode of the periodic electrode. Here, both the periodic electrode and the common electrode were formed to have a thickness of 3000 to 4000 °. As a result, the resistance could be reduced and the electrode could be used as a suitable electrode. That is, when the thickness of the periodic electrode and the common electrode is smaller than 3000 °, the resistance becomes large and it becomes impossible to apply a required voltage uniformly. On the other hand, if the thickness is more than 4000 °, peeling is likely to occur when a periodic pattern is formed, so that it is difficult to realize a uniform periodic inversion structure. Therefore, the thicknesses of the periodic electrode and the common electrode are set to be 3000 to 4000 mm.
【００４４】次に、周期電極を形成した基板を、一定温
度に保った安息香酸の溶液中に周期電極を形成した側を
上に向けて浸漬した（溶液温度：約２００℃、浸漬時
間：約２０分間）。Next, the substrate on which the periodic electrode was formed was immersed in a benzoic acid solution maintained at a constant temperature with the side on which the periodic electrode was formed facing up (solution temperature: about 200 ° C., immersion time: about 20 minutes).
【００４５】このようにして形成された基板を、周期電
極を正、共通電極を負として高電圧電源により、約３０
ｋＶ／ｍｍの電界を直流またはパルスで印加した。ここ
で、電界の印加は高電圧による放電を避けるため、シリ
コーンオイル等の絶縁油中（真空中でも良い）で行っ
た。これにより、周期電極の直下部分の分極方向だけが
下向きに反転し、反転阻止層の下の分極方向は上向きの
ままとなった。The substrate thus formed is subjected to a high voltage power supply with the periodic electrode being positive and the common electrode being negative, for about 30 minutes.
An electric field of kV / mm was applied by direct current or pulse. Here, the application of the electric field was performed in an insulating oil such as silicone oil (even in a vacuum) in order to avoid discharge due to high voltage. As a result, only the polarization direction of the portion immediately below the periodic electrode was inverted downward, and the polarization direction below the inversion inhibition layer remained upward.
【００４６】次に、周期電極及び共通電極を相応のエッ
チング液（Ｈ2 ＰＯ4 ：ＨＮＯ3 ：ＣＨ3 ＣＯＯＨ：Ｈ
2 Ｏを１６：１：２：１の割合で混合したもの）で除去
した。これにより、図３に示すような構造の基板が得ら
れた。このようにして、微細でかつ均一な周期状の分極
反転構造を基板に広範囲にわたって形成させることがで
きた。Next, the periodic electrode and the common electrode are set in a corresponding etching solution (H 2 PO 4 : HNO 3 : CH 3 COOH: H
The 2 O 16: 1: 2: was removed by 1 in a mixing ratio of). Thus, a substrate having a structure as shown in FIG. 3 was obtained. In this way, a fine and uniform periodic domain-inverted structure could be formed over a wide range on the substrate.
【００４７】次いで、周期電極を除去した基板にはプロ
トン交換層が残った状態になっているので、この残留プ
ロトン交換層の部分を全て取り去るべく、表面から数μ
ｍの深さを研磨により除去した。これにより、残留して
いたプロトン交換層が除去され、基板には分極反転構造
のみが存在する、図４に示すような基板を得ることがで
きた。Next, since the proton exchange layer remains on the substrate from which the periodic electrode has been removed, several μm from the surface are removed in order to remove all the remaining proton exchange layer.
m was removed by polishing. As a result, the remaining proton exchange layer was removed, and a substrate having only the domain-inverted structure as shown in FIG. 4 was obtained.
【００４８】次に、導波路を作製した。すなわち、残留
プロトン交換層を除去して得られた鏡面面にＡｌを用い
るなどして光導波路を形成するための所定のパターンマ
スクを形成し、一定温度に保った安息香酸中に浸漬する
（溶液温度：２００℃，浸漬時間：２０分間）この結
果、図１に示す光デバイスを得ることができた。Next, a waveguide was manufactured. That is, a predetermined pattern mask for forming an optical waveguide is formed by using Al or the like on the mirror surface obtained by removing the residual proton exchange layer, and immersed in benzoic acid maintained at a constant temperature (solution (Temperature: 200 ° C., immersion time: 20 minutes) As a result, the optical device shown in FIG. 1 was obtained.
【００４９】作製された光デバイスの導波損失を測定し
たところ、２ｄＢ以下の非常に高効率に優れていた。When the waveguide loss of the manufactured optical device was measured, it was excellent in a very high efficiency of 2 dB or less.
【００５０】[0050]
【発明の効果】本発明の光デバイスによれば、分極反転
のし過ぎ（過反転）を抑制するために、作製された反転
阻止層を除去することによって、後に作製されるプロト
ン交換導波路の伝搬方向への屈折率のばらつきを抑える
ことによって、光導波路での基本波（赤色光）及び発生
した高調波（青色光）の損失を抑えることができ、高効
率の光第２高調波反転素子の作製が可能となる。According to the optical device of the present invention, in order to suppress excessive polarization reversal (overreversal), by removing the produced reversal prevention layer, the proton exchange waveguide produced later is produced. By suppressing the variation of the refractive index in the propagation direction, the loss of the fundamental wave (red light) and the generated harmonic (blue light) in the optical waveguide can be suppressed, and the high-efficiency optical second harmonic inversion element can be obtained. Can be manufactured.
【００５１】また、光導１路作成後の表面研磨により、
導波路表面での散乱が最小限に抑えられるため効率の良
い光第２高調波発生が可能な素子を作製することが可能
となる。Further, the surface is polished after the formation of one light guide, so that
Since the scattering on the waveguide surface is minimized, it is possible to manufacture an element capable of efficiently generating the optical second harmonic.
【００５２】特に、ＬｉＴａＯ3 単結晶では効率の良い
プロトン交換を行うために、ピロ燐酸を用いることが効
果的であるが、ピロ燐酸ではプロトン交換時の表面の荒
れが大きいため、長い時間処理を行うことが出来ないと
いう制約があった。しかし、本発明の構造をとることに
よってプロトン交換の処理時間に制限は無くなり導波路
の形成が容易になると言う大きな効果が現れる。In particular, in the case of LiTaO 3 single crystal, it is effective to use pyrophosphoric acid in order to perform efficient proton exchange. However, pyrophosphoric acid has a large surface roughness at the time of proton exchange. There was a restriction that it could not be done. However, by adopting the structure of the present invention, there is a large effect that the processing time of the proton exchange is not limited and the formation of the waveguide is facilitated.
【００５３】本発明は、どの様な材料の素子に関しても
適用可能な構造であり、プロセスの制限を大幅に広げる
ことが出来る効果がある。The present invention has a structure which can be applied to elements made of any material, and has an effect that the process limit can be greatly widened.
【図１】本発明に係る光デバイスの実施形態を説明する
斜視図。FIG. 1 is a perspective view illustrating an embodiment of an optical device according to the present invention.
【図２】本発明に係る光デバイスの作製方法を説明する
斜視図。FIG. 2 is a perspective view illustrating a method for manufacturing an optical device according to the present invention.
【図３】本発明に係る光デバイスの作製方法を説明する
斜視図。FIG. 3 is a perspective view illustrating a method for manufacturing an optical device according to the present invention.
【図４】本発明に係る光デバイスの作製方法を説明する
斜視図。FIG. 4 is a perspective view illustrating a method for manufacturing an optical device according to the present invention.
【図５】本発明に係る光デバイスの作製方法を説明する
斜視図。FIG. 5 is a perspective view illustrating a method for manufacturing an optical device according to the present invention.
【図６】従来の光デバイスの作製方法を説明する斜視
図。FIG. 6 is a perspective view illustrating a method for manufacturing a conventional optical device.
【図７】従来の光デバイスの作製方法を説明する断面
図。FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a conventional optical device.
１ ・・・ 基板 ２ ・・・ 分極反転構造 ３ ・・・ 光導波路 ４ ・・・ 周期電極 ５ ・・・ 共通電極 ７ ・・・ 高圧電源 Ｓ ・・・ 光デバイス DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate 2 ... Domain-inverted structure 3 ... Optical waveguide 4 ... Periodic electrode 5 ... Common electrode 7 ... High-voltage power supply S ... Optical device
Claims (2)
形強誘電体の基板に、前記分極反転構造を横切る方向
に、表面の中心線平均粗さが０．１μｍ以下である光導
波路を形成させたことを特徴とする光デバイス。An optical waveguide having a center line average roughness of 0.1 μm or less is formed in a direction crossing the domain-inverted structure on a non-linear ferroelectric substrate on which a periodically domain-inverted structure is formed. An optical device, characterized in that the optical device is made to be an optical device.
換法により形成されていることを特徴とする請求項１に
記載の光デバイス。2. The optical device according to claim 1, wherein the periodic domain-inverted structure is formed by a proton exchange method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8320498A JPH10161167A (en) | 1996-11-29 | 1996-11-29 | Optical device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8320498A JPH10161167A (en) | 1996-11-29 | 1996-11-29 | Optical device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10161167A true JPH10161167A (en) | 1998-06-19 |
Family
ID=18122131
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8320498A Pending JPH10161167A (en) | 1996-11-29 | 1996-11-29 | Optical device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10161167A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011203601A (en) * | 2010-03-26 | 2011-10-13 | Oki Electric Industry Co Ltd | Method of producing wavelength conversion element |
| JP2013088479A (en) * | 2011-10-13 | 2013-05-13 | Panasonic Corp | Wavelength conversion element, laser light source device, image display device, and method of manufacturing wavelength conversion element |
-
1996
- 1996-11-29 JP JP8320498A patent/JPH10161167A/en active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011203601A (en) * | 2010-03-26 | 2011-10-13 | Oki Electric Industry Co Ltd | Method of producing wavelength conversion element |
| JP2013088479A (en) * | 2011-10-13 | 2013-05-13 | Panasonic Corp | Wavelength conversion element, laser light source device, image display device, and method of manufacturing wavelength conversion element |
| US8820968B2 (en) | 2011-10-13 | 2014-09-02 | Panasonic Corporation | Wavelength conversion element, laser light source device, image display device, and method of manufacturing wavelength conversion element |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040921 |