(57)【要約】【課題】本発明は、温度変化による焦電効果あるいは応力効果により発生する電荷の蓄積を防止する波長変換素子、及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る波長変換素子は、導電性を有するキャリア板１１と、キャリア板１１の上に搭載され、焦電性を有する誘電体材料からなり、通過する光の波長を変換する波長変換体１２と、キャリア板１１及び波長変換体１２に電気的に接続され、導電性材料又は半絶縁性材料からなり、波長変換体１２に蓄積された電荷を移動させる電荷移動膜１３と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有するキャリア板と、
前記キャリア板に搭載され、焦電性を有する誘電体材料からなり、通過する光の波長を変換する波長変換体と、
前記キャリア板及び前記波長変換体に電気的に接続され、導電性材料又は半絶縁性材料からなり、前記波長変換体に蓄積された電荷を前記キャリア板に移動させる電荷移動膜と、
を備えることを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記波長変換体は、分極反転構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記波長変換体は、波長を変換する前記光を導波する導波路光構造を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記導波路構造は、リッジ型又はスラブ型であることを特徴とする請求項３に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記電荷移動膜の表面抵抗は、前記波長変換体での焦電効果により生じる電荷に起因する電界を生じさせない程度に低いことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記波長変換体を構成する誘電体材料は、ＬｉＮｂＯ３又はＬｉＴａＯ３であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記電荷移動膜を構成する導電性材料又は半絶縁性材料は、導電性ポリマー、界面活性剤、金属酸化物分散材料、カーボンナノチューブ又は金属酸化物系材料を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項８】
前記キャリア板は、接地されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の波長変換素子の製造方法であって、
前記波長変換体を、前記キャリア板に搭載する搭載工程と、
導電性材料又は半絶縁性材料を、前記キャリア板及び前記波長変換体にまたがるように塗布し、前記電荷移動膜を形成する塗布工程と、
を順に有することを特徴とする波長変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換素子及びその製造方法に関し、特に波長変換素子の長期信頼性を確保するために必要とされる構造及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
単一もしくは複数の励起レーザ光を、非線形性を有する誘電体材料に照射することにより、和周波光、差周波光、第２次もしくはそれ以上の次数の高調波光を発生させる波長変換素子が用いられている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
図６は、波長変換レーザ光源の一例を示す構成概略図である。波長変換レーザ光源１１１は、波長変換モジュール１１２、ファイバカプラ１１６、２つの半導体レーザ１１４、１１５で構成される。第１の半導体レーザ１１４から出力された波長λ１の光と、第２の半導体レーザ１１５から出力された波長λ２の光は、ファイバカプラ１１６で結合されて、波長変換モジュール１１２に内蔵された波長変換素子１１３に入力光１１７として入射される。波長変換素子１１３では、波長λ１の光と、波長λ２の光の和周波に相当する波長λ３の光が発生し、出力光１１８として出射される。なお、λ１、λ２、λ３の間には、１／λ３＝１／λ１＋１／λ２の関係が成立する。例えばλ１を９７６ｎｍ、λ２を１３０７ｎｍとすると、λ３は５５９ｎｍとなり、２つの赤外レーザ光から黄色のレーザ光を発生することができる。
【０００４】
次に、本発明に特に関わる波長変換素子１１３とその周囲の構造について図７を用いて説明する（例えば、特許文献１参照。）。図７に、従来の波長変換素子のＡ−Ａ’断面図の一例を示す。
亜鉛ドープニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：Ｚｎ）に分極反転構造（擬似位相整合構造、ＱＰＭ構造）を形成したリッジ型導波路構造の波長変換体１２が、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）からなる基板１４の上に直接接合され、金属製のキャリア板１１の上に、接着されている。さらに、キャリア板１１は、波長変換素子１１３全体を所望の温度に設定するための温度調節素子１２０の上に接着されている。
【０００５】
従来の波長変換素子１１３では、図７に示すように波長変換体１２は空気面に露出しており、キャリア板１１とは電気的に絶縁されている状態であった。
【特許文献１】特開２００３−１４０２１４
【非特許文献１】国際会議プローシーディング論文：遊部他、「直接接合擬似位相整合ＬｉＮｂＯ３導波路における和周波発生を用いたレーザダイオード励起５６０−５９０ｎｍ光源」２００５年レーザ及び光エレクトロニクスに関する国際会議（ＣＬＥＯ２００５、アメリカ光学会（ＯＳＡ）主催）、講演番号ＣＭＬ３））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記に述べた構造の波長変換素子１１３では、波長変換体１２を構成する誘電体結晶の一部が損壊し、波長変換効率が著しく低下するという問題点があった。
【０００７】
図８に、従来の波長変換レーザ光源のオンオフ試験の結果の一例を示す。縦軸は波長５５９ｎｍの出力光の強度を示し、横軸は時間を示す。１時間に３回、波長変換レーザ光源全体のパワーをオンオフした際に、出力光の強度が、時間の経過とともにどう変化するかを観測したものである。約４０時間、すなわち１２０回のオンオフを経過した際に、出力光の強度が急激に減少し、波長変換レーザ光源は故障していることがわかる。出力減少後の波長変換素子１１３を、オン状態で観察したところ、波長変換体１２を構成する誘電体材料の結晶の欠損に起因する輝点が見られた。
【０００８】
発明者らは、波長変換体１２に蓄積された電荷が瞬間的に放電する際に、誘電体結晶の一部が損壊し、波長変換効率が著しく低下するという故障が発生していることを発見した。そして、波長変換体１２に蓄積された電荷は、温度調節素子１２０にて常温から設定温度まで温度変化を加える際に、波長変換体１２の誘電体材料そのものや焦電性に起因する電荷、あるいは温度変化によるキャリア板１１のたわみによる応力効果に起因する電荷が、波長変換体１２に発生したものであることを発見した。
【０００９】
そこで、本発明は、波長変換体への電荷の蓄積を防止する波長変換素子、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る波長変換素子は、波長変換体に蓄積しつつある電荷を常時キャリア板に放電させることを特徴とする。
【００１１】
具体的には、本発明に係る波長変換素子は、導電性を有するキャリア板と、前記キャリア板に搭載され、焦電性を有する誘電体材料からなり、通過する光の波長を変換する波長変換体と、前記キャリア板及び前記波長変換体に電気的に接続され、導電性材料又は半絶縁性材料からなり、前記波長変換体に蓄積された電荷を前記キャリア板に移動させる電荷移動膜と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
電荷移動膜を備えるので、波長変換体に蓄積しつつある電荷を常時キャリア板に放電させることができる。したがって、波長変換体への電荷の蓄積を防止することができる。
【００１３】
本発明に係る波長変換素子では、前記波長変換体は、分極反転構造を有していることが好ましい。
光高率な波長変換特性を得ることができる。
【００１４】
本発明に係る波長変換素子では、前記波長変換体は、波長を変換する前記光を導波する導波路光構造を有していることが好ましい。前記導波路構造は、リッジ型又はスラブ型であることが好ましい。
波長変換モジュールに用いることができる。
【００１５】
本発明に係る波長変換素子では、前記電荷移動膜の表面抵抗は、前記波長変換体での焦電効果により生じる電荷に起因する電界を生じさせない程度に低いことが好ましい。
波長変換体内での電界の発生を防ぐことができる。従って急激な放電による波長変換素子の損壊を回避することができる。
【００１６】
本発明に係る波長変換素子では、前記波長変換体を構成する誘電体材料は、ＬｉＮｂＯ３又はＬｉＴａＯ３を含む。
【００１７】
本発明に係る波長変換素子では、導電性材料は、導電性ポリマー、界面活性剤、金属酸化物分散材料、カーボンナノチューブを含む。半絶縁性材料は、絶縁性材料に結晶不完全性を持たせるか、又は、絶縁性材料に導電性酸化物をドーピングすることによって、絶縁性材料を半絶縁性にした金属酸化物系材料を含む。
【００１８】
本発明に係る波長変換素子では、前記キャリア板は、接地されていることが好ましい。
波長変換体に蓄積しつつある電荷を常時放電させることができる。
【００１９】
本発明に係る波長変換素子の製造方法は、本発明に係る波長変換素子の製造方法であって、前記波長変換体を、前記キャリア板に搭載する搭載工程と、導電性材料又は半絶縁性材料を、前記キャリア板及び前記波長変換体にまたがるように塗布し、前記電荷移動膜を形成する塗布工程と、を順に有することを特徴とする。
電荷移動膜の塗布工程を有するので、波長変換体に蓄積しつつある電荷を常時キャリア板に放電させることができる。したがって、波長変換体への電荷の蓄積を防止することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、波長変換体への電荷の蓄積を防止する波長変換素子、及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。
【００２２】
（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る波長変換素子の一例を示すＡ−Ａ’断面図である。本実施形態に係る波長変換素子９１は、キャリア板１１と、波長変換体１２と、電荷移動膜１３と、を備える。
【００２３】
キャリア板１１は、導電性を有する。例えば金属製キャリアである。波長変換体１２は、キャリア板１１の上に搭載され、通過する光の波長を変換する。電荷移動膜１３は、キャリア板１１及び波長変換体１２に電気的に接続され、波長変換体に蓄積された電荷を前記キャリア板に移動させる。このように、電荷移動膜１３は、波長変換体１２と、それが搭載されているキャリア板１１とにまたがるように、電荷移動膜１３を設けることで、波長変換体１２に蓄積しつつある電荷を常時、キャリア板１１に放電させることができる。これにより、波長変換体への電荷の蓄積を防止することができる。そのため、キャリア板１１は、接地されていることが好ましい。
【００２４】
ここで、電荷移動膜１３は、波長変換体１２の表面の少なくとも一部と、キャリア板１１の少なくとも一部の両方に電気的に接続されていることが好ましい。これにより、波長変換体１２に蓄積された電荷を除去することができる。また、電荷移動膜１３は、波長変換体１２の表面全体を覆っていることが好ましい。これにより、波長変換体１２に残存している電荷を少なくすることができる。
【００２５】
電荷移動膜１３の表面抵抗は、波長変換体１２での焦電効果により生じる電荷に起因する電界を生じさせない程度に低いことが好ましい。例えば、波長変換体１２の容量Ｃｃ及びバルク抵抗Ｒｂで決まる時定数τｃに比べて、波長変換体１２の容量Ｃｃ及びバルク抵抗Ｒｂと、電荷移動膜１３の抵抗Ｒｓで決まる時定数τｄが１桁以上短いことが好ましい。これにより、波長変換体１２内での電界の発生を防ぐことができる。従って急激な放電による波長変換素子の損壊を回避することができる。なお、時定数τｃ及びτｄは次式で表される。
τｃ＝Ｃｃ・Ｒｂ      （１）
τｄ＝Ｃｃ／（１／Ｒｂ＋１／Ｒｓ）  （２）
【００２６】
波長変換体１２は、焦電性を有する誘電体材料からなる。そのような誘電体材料は、例えば、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂｘＴａ（１−ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）、ＫＮｂＯ３又はＫＴｉＯＰＯ４である。波長変換体１２は、分極反転構造を有していることが好ましい。例えば、亜鉛ドープニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：Ｚｎ）、ＭｇドープＬｉＮｂＯ３、ＳｃドープＬｉＮｂＯ３又はＩｎドープＬｉＮｂＯ３によって分極反転構造を形成する。波長変換体１２は、リッジ型、スラブ型又はバルク型などの波長を変換する光を導波する導波路光構造を有する。このほか、プロトン注入導波路、埋め込み導波路であってもよい。
【００２７】
例えば、波長変換体１２は、分極反転構造（擬似位相整合構造、ＱＰＭ構造）が形成された亜鉛ドープニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：Ｚｎ）からなる。そして、バルク型導波路構造を有し、キャリア板１１上に、接着されている。
【００２８】
電荷移動膜１３は、導電性材料又は半絶縁性材料からなる。導電性材料は、例えば、導電性ポリマー、界面活性剤、金属酸化物分散材料、又はカーボンナノチューブを含む材料である。導電性ポリマーは、例えば、ポリチオフェン系導電性ポリマー、ポリエチレンジオキシチオフェン系導電性ポリマーである。金属酸化物分散材料は、例えば、ＳｎＯ２又はＩｎ２Ｏ３等の導電性酸化物系分散材料である。半絶縁性材料は、例えば、金属酸化物系材料等の絶縁性材料に結晶不完全性を持たせるか、又は、金属酸化物系材料等の絶縁性材料にＳｎやＩｎ等の導電性酸化物をドーピングすることによって、ＴｉＯ２又はＳｉＯ２等の絶縁性材料を半絶縁性にした金属酸化物系材料である。
【００２９】
電荷移動膜１３の導電率は、波長変換体１２のバルク抵抗Ｒｂ＞＞電荷移動膜１３の抵抗Ｒｓとなるような値以下であり、かつ、電荷の蓄積速度より十分小さい時定数τｄが得られる値以下であることが好ましい。例えば、電荷移動膜１３のシート抵抗は、１Ω／□以上１×１０１３Ω／□以下であることが好ましい。これによって、電荷の蓄積量を低減することができる。
【００３０】
本実施形態に係る波長変換素子の製造方法は、搭載工程と、塗布工程と、を順に有することを特徴とする。
搭載工程では、波長変換体１２を、キャリア板１１の上に搭載する。例えば、キャリア板１１の上に波長変換体１２を直接接合する。また、両者を、接着剤、もしくはＳｉＯ２層で接着してもよい。特に異種基板接合の場合に限らず、波長変換体１２と基板が同じ誘電体材料で形成されている場合にも適用できる。
塗布工程では、導電性材料又は半絶縁性材料を、キャリア板１１及び波長変換体１２にまたがるように塗布し、電荷移動膜１３を形成する。
【００３１】
（実施形態２）
図２は、本実施形態に係る波長変換素子の一例を示すＡ−Ａ’断面図である。波長変換素子９２は、実施形態１で説明した波長変換素子に、さらに、基板１４を備え、キャリア板１１、基板１４及び波長変換体１２順に積層されている。これにより、スラブ型導波路構造が形成されている。
【００３２】
基板１４の屈折率は、波長変換体１２の屈折率より小さく、波長変換体１２における導波路を形成する。基板１４は、例えば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、Ｓｉ又はＳｉＯ２からなる。
【００３３】
例えば、波長変換体１２は、亜鉛ドープニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：Ｚｎ）に分極反転構造（擬似位相整合構造、ＱＰＭ構造）が形成されたスラブ型導波路構造を有している。波長変換体１２が亜鉛ドープニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：Ｚｎ）の場合、基板１４はタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）からなることが好ましい。そして、基板１４がキャリア板１１上に、接着されている。
【００３４】
さらに電荷移動膜１３が、波長変換体１２及び基板１４を覆うように、キャリア板１１にかけて塗布されている。キャリア板１１は接地されている。なお、本実施形態では電荷移動膜１３の導電性材料に導電性ポリマーを用いている。他に、結晶不完全性を持たせるか又は導電性酸化物をドーピングしたＴｉＯ２膜、界面活性剤、金属酸化物分散材料、もしくはカーボンナノチューブ材料も利用できる。
【００３５】
（実施形態３）
図３及び図４は、本実施形態に係る波長変換素子の第１例及び第２例を示すＡ−Ａ’断面図である。本実施形態に係る波長変換素子９３及び９４は、実施形態２のスラブ型導波路構造に代え、リッジ型導波路構造となっている。
【００３６】
波長変換体１２は、亜鉛ドープニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：Ｚｎ）に分極反転構造（擬似位相整合構造、ＱＰＭ構造）が形成されたリッジ型導波路構造を有している。基板１４はタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）である。波長変換体１２は基板１４上に直接接合されている。基板１４はキャリア板１１の上に接着されている。
【００３７】
さらに電荷移動膜１３が、波長変換体１２及び基板１４を覆うように、キャリア板１１にかけて塗布されている。キャリア板１１は接地されている。電荷移動膜１３の電性材料に導電性ポリマーを用いている。他に、結晶不完全性を持たせるか又は導電性酸化物をドーピングしたＴｉＯ２膜、界面活性剤、金属酸化物分散材料、もしくはカーボンナノチューブ材料も利用できる。
【実施例】
【００３８】
図４に示す波長変換素子の実施例について説明する。図４に示す波長変換素子９４を図６に示す波長変換レーザ光源１１１に搭載し、５５９ｎｍ波長変換レーザ光源を構成した。そして、８分間隔で１時間に７．５回、光源全体のパワーをオンオフした際に、出力光の強度が、時間の経過とともにどう変化するかを観測した。
【００３９】
図５に、波長変換レーザ光源のオンオフ試験の結果の一例を示す。縦軸は波長５５９ｎｍの出力光の強度を示し、横軸は時間を示す。
１３００時間、すなわち９７５０回のオンオフを経過しても出力は減少せず、故障は見られなかった。すなわち、電荷移動膜１３を、波長変換体１２及び基板１４を覆うように、キャリア板１１にかけて塗布することにより、波長変換体１２に蓄積した電荷の急激な放電による結晶の損壊に起因する波長変換素子の急激な変換効率の劣化を回避でき、長期的に安定に動作する波長変換レーザ光源を実現できることがわかった。
【００４０】
ここで、電荷移動膜１３の表面抵抗について説明する。
波長変換体１２の分極反転構造の単位セルが、長さ４μｍ、幅８μｍ、高さ７μｍの場合、波長変換体１２の容量Ｃｃは１．２×１０−１２Ｆ、波長変換体１２のバルク抵抗は１．５×１０２２Ωと見積もられる。この状態で、放電時定数は１．８×１０７ｓｅｃとなる。２５℃から１分間かけて５０℃に昇温、２分間保持し、１分間かけて元の２５℃に降温する温度サイクルを仮定した場合、最大電界は４．２ｋＶ／ｍｍに達する。この場合に、急激な放電による波長変換体１２を構成する誘電体材料の結晶の欠損が生じ得る。
【００４１】
一方、塗付された電荷移動膜１３の表面抵抗が１×１０１６Ωｍの場合、放電時定数は１０．３ｓｅｃとなり、最大電界は０．７５ｋＶ／ｍｍにしか達しない。このような場合には、急激な放電による波長変換体１２を構成する誘電体材料の結晶の欠損が回避できる。
【００４２】
上記の単位セル形状、及び温度サイクルを仮定した場合、表面抵抗が１×１０１０〜１×１０１６Ωｍでの最大電界（０．７５ｋＶ／ｍｍ）は、１×１０１８〜１×１０２４Ωｍ（さらに無限大まで）での最大電界（４．２ｋＶ／ｍｍ）の２０％以下となり、焦電効果による帯電が回避できる。いいかえれば電荷移動膜１３の表面抵抗が、焦電効果により生ずる電荷に起因する電界を生じさせない程度に低ければ、波長変換体１２の帯電を防止することができる。
【００４３】
なお、図１及び図２に示す波長変換素子９１及び９２について、電荷移動膜１３に導電性ポリマーを用いて、温度変化履歴を観測した。この場合においても、図５と同様に、１万回程度の温度変化履歴を加えても、波長変換体１２を構成する誘電体材料の結晶の欠損は生じなかった。
【００４４】
また、以上の実施例は、分極反転構造における５５９ｎｍの和周波発生光源に限られるものではなく、５８９ｎｍや５４７ｎｍの和周波発生光源、５３２、４８８ｎｍの第２高調波発生光源、３μｍ帯や４μｍ帯の差周波発生光源にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、波長変換レーザ光源に用いられることから、電気通信業に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施形態１に係る波長変換素子の一例を示すＡ−Ａ’断面図である。
【図２】実施形態２に係る波長変換素子の一例を示すＡ−Ａ’断面図である。
【図３】実施形態３に係る波長変換素子の第１例を示すＡ−Ａ’断面図である。
【図４】実施形態３に係る波長変換素子の第２例を示すＡ−Ａ’断面図である。
【図５】本実施例に係る波長変換レーザ光源のオンオフ試験の結果の一例である。
【図６】波長変換レーザ光源の一例を示す構成概略図である。
【図７】従来の波長変換素子のＡ−Ａ’断面図の一例である。
【図８】従来の波長変換レーザ光源のオンオフ試験の結果の一例である。
【符号の説明】
【００４７】
１１  キャリア板
１２  波長変換体
１３  電荷移動膜
１４  基板
９１、９２、９３、９４  波長変換素子
１１１  波長変換レーザ光源
１１２  波長変換モジュール
１１３  波長変換素子
１１４、１１５  半導体レーザ
１１６  ファイバカプラ
１１７  入力光
１１８  出力光
１２０  温度調節素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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