(57)【要約】【課題】支持基板と上側基板との間に、周期分極反転構造が設けられたチャンネル型光導波路を備える波長変換層が挟まれた形態の小型化された高調波発生素子において、周期分極反転構造の劣化による波長変換効率の低下を防止する。【解決手段】高調波発生素子１は、支持基板２、強誘電性単結晶からなり、周期分極反転構造１１が設けられたチャンネル型光導波路１０を備えている波長変換層３、波長変換層３と支持基板２とを接着する下側接着層８、波長変換層３の上面側に設けられている上側基板５、および波長変換層３と上側基板５とを接着する上側接着層７を備える。光導波路における光の伝搬方向Ａと垂直な方向にみた波長変換層３の幅ｗが１．５ｍｍ以下である。支持基板２と上側基板５との少なくとも一方が、強誘電性単結晶の体積抵抗率よりも低い体積抵抗率を有する材質からなる。【選択図】                    図１
2010204593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板、
強誘電性単結晶からなり、周期分極反転構造が設けられたチャンネル型光導波路を備えている波長変換層、
この波長変換層と前記支持基板とを接着する下側接着層、
前記波長変換層の上面側に設けられている上側基板、および
前記波長変換層と前記上側基板とを接着する上側接着層
を備えており、前記光導波路における光の伝搬方向と垂直な方向にみた前記波長変換層の幅が１．５ｍｍ以下であり、前記支持基板と前記上側基板との少なくとも一方が、前記強誘電性単結晶の体積抵抗率よりも低い体積抵抗率を有する材質からなることを特徴とする、高調波発生素子。
【請求項２】
前記上側基板と前記支持基板との少なくとも一方の体積抵抗率が、前記強誘電性単結晶の体積抵抗率の１／１００以下であることを特徴とする、請求項１記載の素子。
【請求項３】
前記上側基板と前記支持基板との少なくとも一方の体積抵抗率が１×１０１１Ω・ｃｍ以下であり、前記強誘電性単結晶の体積抵抗率が１×１０１３Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする、請求項２記載の素子。
【請求項４】
前記上側基板と前記支持基板との少なくとも一方が、酸素欠損した強誘電性単結晶からなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の素子。
【請求項５】
前記上側基板と前記支持基板との少なくとも一方が、鉄のドープされた強誘電性単結晶からなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の素子。
【請求項６】
前記波長変換層を形成する前記強誘電性単結晶がニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体からなる群より選ばれており、前記支持基板と前記上側基板との少なくとも一方を形成する前記強誘電性単結晶がニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体からなる群より選ばれていることを特徴とする、請求項４または５記載の素子。
【請求項７】
前記波長変換層を形成する前記強誘電性単結晶の熱膨張係数と前記上側基板の熱膨張係数との差、および前記波長変換層を形成する前記強誘電性単結晶の熱膨張係数と前記支持基板の熱膨張係数との差が、いずれも前記波長変換層を形成する前記強誘電性単結晶の熱膨張係数の１０％以下であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、疑似位相整合方式の高調波発生素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶のような非線形光学結晶は二次の非線形光学定数が高く、これら結晶に周期的な分極反転構造を形成することで、疑似位相整合（Quasi-Phase-Matched ：ＱＰＭ）方式の第二高調波発生（Second-Harmonic-Generation:SHG）デバイスを実現できる。また、この周期分極反転構造内に導波路を形成することで、高効率なSHGデバイスが実現でき、光通信用、医学用、光化学用、各種光計測用等の幅広い応用が可能である。
【０００３】
特許文献１に記載の高調波発生素子においては、支持基板上に強誘電性単結晶の薄板を接着し、その上にバッファ層および接着層を介して上側基板を接着しており、薄板中にチャンネル型光導波路を形成している。そして、この光導波路内に周期分極反転構造を形成することによって、光導波路に入射する基本波を高調波に波長変換している。
【０００４】
また、ニオブ酸リチウム単結晶に酸素欠陥を導入したり、Ｆｅをドープすることによって、体積抵抗率を低下させることが特許文献２、３に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】WO 2006/ 41172 A1
【特許文献２】特開2004-254114
【特許文献３】特開2005-314137
【特許文献４】特願２００８−６２５３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＳＨＧ発生素子などの高調波発生素子には、環境温度の変化に対して繰り返してさらされても、安定して動作することが求められる。また、素子を小型化することが求められる。しかし、特許文献１記載のようなタイプの素子において、その幅を１．５ｍｍ以下まで小さくすると、−４０°Ｃと＋８０°Ｃとの間の熱サイクルに対して繰り返して曝露された後に、波長変換効率が劣化する場合のあることが判明した。
【０００７】
本発明者が、このような波長変換効率の低下の起こった素子を回収し、観測してみると、周期分極反転構造が劣化していることが判明した。このような現象は、特許文献１記載のように、支持基板と上側基板との間に、波長変換を行うための強誘電性薄板をサンドイッチしたタイプの素子に特有であることが判明した。
【０００８】
本出願人は、特許文献４において、上側基板の接着面に導電膜を形成することによって、周期分極反転構造の劣化による波長変換効率の低下を防止することを開示した。
【０００９】
しかし、この方法では、典型的には、上側基板の接着面上に、スパッタリング等によって金属膜を形成することが必要である。このため、製造工程数が多くなり、コストが上昇する。
【００１０】
本発明の課題は、支持基板と上側基板との間に、周期分極反転構造が設けられたチャンネル型光導波路を備える波長変換層が挟まれた形態の小型化された高調波発生素子において、周期分極反転構造の劣化による波長変換効率の低下を防止すると共に、スパッタリング等の成膜工程の不要な素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る高調波発生素子は、
支持基板、
強誘電性単結晶からなり、周期分極反転構造が設けられたチャンネル型光導波路を備えている波長変換層、
波長変換層と支持基板とを接着する下側接着層、
波長変換層の上面側に設けられている上側基板、および
波長変換層と上側基板とを接着する上側接着層
を備えており、光導波路における光の伝搬方向と垂直な方向にみた波長変換層の幅が１．５ｍｍ以下であり、支持基板と上側基板との少なくとも一方が、強誘電性単結晶の体積抵抗率よりも低い体積抵抗率を有する材質からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明者は、支持基板と上側基板との間に、周期分極反転構造が設けられたチャンネル型光導波路を備える波長変換層が挟まれた形態の高調波発生素子において、波長変換層の幅が１．５ｍｍ以下まで小型化されたときに、温度サイクルにさらされた後に波長変換効率が低下することを見いだした。
【００１３】
そして、高調波発生素子の薄板をエッチング処理して周期分極反転構造を確認したところ、周期分極反転構造が劣化したり、局所的に消滅したりしていた。これが波長変換効率の低下の原因となっていることが分かった。
【００１４】
このような周期分極反転構造の劣化の原因について更に検討したところ、素子の両方の側面間における焦電が原因となっており、素子の幅が小さくなってきたことで、周期分極反転構造の劣化をもたらすことを見いだした。この発見に基づき、上側基板と支持基板との少なくとも一方を低抵抗の材質とすることで、熱サイクルに曝露した後の波長変換効率の低下を防止できることを見いだした。
【００１５】
なお、本発明者は、支持基板と波長変換用基板とを接着する接着層として導電性接着層を形成し、導電性接着層によって、焦電効果による周期分極反転構造の劣化を防止することも検討した。しかし、実際には、導電性接着層において熱損失が高まり、光軸合わせなどの後工程で接着層が燃焼するため、導電性接着剤によっては課題を解決できなかった。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】高調波発生素子１を模式的に示す斜視図である。
【図２】素子１のチャンネル型光導波路およびその周辺を示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明に係る高調波発生素子１を模式的に示す斜視図であり、図２は、素子１のチャンネル型光導波路１０およびその周辺を示す拡大図である。
【００１８】
図１、図２に示すように、強誘電性単結晶の好ましくはＸ板（Ｙ板、またはオフセットＸ板、オフセットＹ板）からなる波長変換層３に、一対の細長い溝６Ａ、６Ｂを設ける。溝６Ａと６Ｂとは互いに平行であり、これらの溝によってリッジ部４が形成されている。リッジ部４および溝６Ａ、６Ｂによってチャンネル型光導波路１０が形成されている。各溝６Ａ、６Ｂの各外側には延在部９Ａ、９Ｂが形成されており、薄板を形成している。
【００１９】
Ｘ板（Ｙ板）の場合には、図１、図２において横方向がＺ方向であり、強誘電性単結晶はＺ方向に分極する。Ｘ軸（Ｙ軸）は、波長変換層３の上面３ａに対して垂直である。オフセットＸ板、Ｙ板の場合には、Ｘ軸（Ｙ）軸が、波長変換層３の上面３ａに対して垂直な面から傾斜する。この傾斜角度は、本発明の観点からは、１０°以下であることが好ましい。
【００２０】
チャンネル型光導波路１０内では、光の伝搬方向に対して垂直なＺ方向に向かって分極しており、周期分極反転構造１１が形成されている。この結果、素子１の入射面１ａから入射した基本波は、光導波路１０内で波長変換を受け、高調波が出射面１ｂから出射する。
【００２１】
波長変換層３の底面３ｂは、別体の支持基板２の上面２ａに対して下側接着層８によって接着されている。波長変換層３の上面３ａは、別体の上側基板５の底面５ａに対して上側接着層７によって接着されている。１ｃ、１ｄは、入射面１ａと出射面１ｂとの間に延びる一対の側面であり、側面１ｃと１ｄとは対向している。波長変換層の上面、底面には、バッファ層などを形成することができる。
【００２２】
ここで、波長変換層３の幅ｗ（光の伝搬方向Ａに対して垂直な方向の幅）が１．５ｍｍ以下になると、熱サイクル後に、チャンネル型光導波路１０に形成されている周期分極反転構造が劣化することがわかった。これが波長変換効率が低下する原因となっていた。
【００２３】
本発明者は、支持基板と上側基板との少なくとも一方（双方でもよい）について、波長変換層を形成する単結晶の体積抵抗率よりも低い体積抵抗率を有する材質から形成することを想到した。これによって、熱サイクル曝露後の波長変換効率の低下を防止できることを見いだした。
【００２４】
本発明では、波長変換層３の幅ｗ（光の伝搬方向Ａに対して垂直な方向の幅）が１．５ｍｍ以下である。また、素子の高さｈは限定されないが、１．０ｍｍ以下の場合に特に有用である。また、素子の長さＬ（光の伝搬方向の寸法）も限定されないが、１２ｍｍ以下の場合に特に有用である。
【００２５】
上側基板の厚さ、支持基板の厚さも特に限定されないが、上記の観点からは１００μｍ以上が好ましい。また、支持基板の厚さ、上側基板の厚さの上限も特にないが、実用的には２ｍｍ以下が好ましい。
【００２６】
好適な実施形態においては、上側基板と支持基板との少なくとも一方の体積抵抗率が、波長変換層を形成する単結晶の体積抵抗率の１／１００以下であり、特に好ましくは１／５００以下である。
【００２７】
また、好適な実施形態においては、上側基板と支持基板との少なくとも一方の体積抵抗率が１×１０１２Ω・ｃｍ以下（更に好ましくは  １×１０１１Ω・ｃｍ以下）であり、波長変換層を形成する単結晶の体積抵抗率が２×１０１２Ω・ｃｍ以上（更に好ましくは１×１０１３Ω・ｃｍ以上）である。
【００２８】
好適な実施形態においては、上側基板と支持基板との少なくとも一方が、酸素欠損した強誘電性単結晶からなる。強誘電性単結晶を酸素欠損させて体積抵抗率を低下させるためには、単結晶を還元雰囲気下（好ましくは水素雰囲気下）に、好ましくは２００〜１０００℃で熱処理する。
【００２９】
また、好適な実施形態においては、上側基板と支持基板との少なくとも一方が、鉄のドープされた強誘電性単結晶からなる。単結晶に鉄原子をドープするには、単結晶育成時にあらかじめ鉄の化合物を添加する。鉄の化合物としては、Ｆｅ２Ｏ３が例示できる。
【００３０】
また、好適な実施形態においては、波長変換層を形成する単結晶が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体からなる群より選ばれており、支持基板と上側基板との少なくとも一方を形成する低抵抗の単結晶が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体からなる群より選ばれている。この場合、支持基板と上側基板とのうち低抵抗ではない方についても、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体からなる群より選ばれていることが好ましい。
【００３１】
波長変換層の材質は、Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５、Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４も好ましい。
【００３２】
波長変換層を形成する材質の体積抵抗率は、実際的には１×１０１４Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。また、上側基板、下側基板を形成する相対的に低抵抗の材料の体積抵抗率は、実際的には１×１０１０Ω・ｃｍ以上であることが多い。
【００３３】
好適な実施形態においては、波長変換層を形成する単結晶の熱膨張係数と上側基板の熱膨張係数との差、および波長変換層を形成する単結晶の熱膨張係数と支持基板の熱膨張係数との差が、いずれも波長変換層を形成する単結晶の熱膨張係数の１０％以下である。この熱膨張差を小さくすることによって、熱サイクルや温度変化が加わったときに、発光効率の変動や低下を抑制することができる。
【００３４】
上側接着層の厚さ、下側接着層の厚さは、焦電による波長変換効率の低下を防止するという観点からは、５μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以下であることが更に好ましい。また、上側接着層の厚さ、下側接着層の厚さは０．１μｍ以上であることが好ましく、０．３μｍ以上であることが更に好ましい。
【００３５】
波長変換層に形成されるチャンネル型光導波路は限定されず、リッジ形光導波路や、拡散形光導波路であってよい。拡散形光導波路は、金属拡散（例えばチタン拡散）やプロトン交換によって形成できる。リッジ構造を形成するための加工方法は限定されず、機械加工、イオンミリング、ドライエッチング、レーザーアブレーションなどの方法を用いることができる。
【００３６】
波長変換層を支持基板や上側基板と接着するための接着剤は、無機接着剤であってよく、有機接着剤であってよく、無機接着剤と有機接着剤との組み合わせであってよい。
【００３７】
有機接着剤の具体例は特に限定されないが、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料と比較的近い熱膨張係数を有するアロンセラミックスＣ（商品名、東亜合成社製）（熱膨張係数１３×１０−６／Ｋ）を例示できる。
【００３８】
また無機接着剤としては、低誘電率で接着温度（作業温度）が６００℃以下のものが好ましい。また、加工の際に十分な接着強度が得られるものが好ましい。具体的には、酸化珪素、酸化鉛、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ホウ素等の組成を単体もしくは複数組み合わせたガラスが好ましい。また、他の無機接着剤としては、例えば五酸化タンタル、酸化チタン、五酸化ニオブ、酸化亜鉛がある。
【００３９】
無機接着層の形成方法は特に限定されず、スパッタ法、蒸着法、スピンコート法、ゾルゲル法などがある。
【００４０】
また、波長変換層３と支持基体２、上側基板５との間に接着剤のシートを介在させ、接合することができる。好ましくは、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤からなるシートを、波長変換層３と支持基体２、上側基板５との間に介在させ、シートを硬化させる。このようなシートとしては、１０μｍ以下のフィルム樹脂が適当である。
【実施例】
【００４１】
（実施例１）
図１、図２に示す第二高調波発生素子１を作製した。
具体的には、厚さ0.5mmのＭｇＯ５％ドープニオブ酸リチウム５度オフカットY基板上に、周期6.7μｍの周期分極反転構造１１を形成した。厚さ0.5ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板２に接着剤を塗布した後、前記のＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板と貼り合せ、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の表面を、厚さ3.７μｍとなるまで研削、研磨した。ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板に、レーザーアブレーション加工法により、リッジ導波路１０を形成した。導波路の形成後、厚さ0.5μｍのSiO2オーバークラッドをスパッタ法によって成膜した。
【００４２】
ノンドープニオブ酸リチウム基板２の材質の体積抵抗率は
１．５×１０１４Ω・ｃｍであり、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の材質の材質の体積抵抗率は５．０×１０１３Ω・ｃｍである。
【００４３】
厚さ0.5mmの低抵抗ニオブ酸リチウム（体積抵抗率：２ｘ１０１０Ω・cm）からなる上側基板５を、上記波長変換層のオーバークラッドと接着剤７により接合した。ダイサーで長さＬ：9ｍｍ、幅ｗ：1.5ｍｍ、高さｈ：１．０ｍｍで素子を切断した後、端面を研磨し反射防止膜を施した。
【００４４】
この導波路においてNd-YAGレーザーを使用して光学特性を測定した。レーザーからの発振出力を500mWに調整し、その基本光をレンズで導波路端面に入力し、160mWのSHG出力が得られた。その際の基本光の波長は1064.3nmであった。
【００４５】
本素子にて−40℃／80℃の熱サイクル試験を行った。500サイクル後に再度SHG出力を測定した結果、特性の劣化は見られなかった。
【００４６】
（実施例２）
実施例１と同様の素子を作製した。ただし、ダイサーで素子を切り出す段階で、素子の長さＬ：9ｍｍ、幅ｗ：1.0ｍｍ、高さｈ：１ｍｍとなるようにした。
【００４７】
光学特性を測定した結果、500mWの入力で155mWの出力が得られた。本素子にてー４０℃/８０℃の熱サイクル試験を行った。５００サイクル後に再度SHG出力を測定した結果、SHG出力の低下は見られなかった。
【００４８】
（実施例３）
実施例１と同様の素子を作製した。ただし、上側基板５に体積抵抗率が５ｘ１０１１Ω・cmの低抵抗ニオブ酸リチウムを使用した。ダイサーで素子を切り出す段階で、素子の長さＬ：9ｍｍ、幅ｗ：1.５ｍｍ、高さｈ：１ｍｍとなるようにした。
【００４９】
光学特性を測定した結果、500mWの入力で165mWの出力が得られた。本素子にてー４０℃/８０℃の熱サイクル試験を行った。５００サイクル後に再度SHG出力を測定した結果、SHG出力の低下は見られなかった。
【００５０】
（比較例１）
厚さ0.5mmのＭｇＯ５％ドープニオブ酸リチウム５度オフカットY基板上に、周期6.7umｍの周期分極反転構造１１を形成した。厚さ0.5ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板２に接着剤を塗布した後、前記のＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板と貼り合せ、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の表面を厚さ3.７μｍとなるまで研削、研磨した。レーザーアブレーション加工法により、リッジ導波路を形成した。導波路の形成後、0.5umのSiO2オーバークラッドをスパッタ法によって成膜した。
【００５１】
ノンドープニオブ酸リチウム基板２の材質の体積抵抗率は１．５×１０１４Ω・ｃｍであり、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の材質の材質の体積抵抗率は５×１０１３Ω・ｃｍである。
【００５２】
厚さ0.5mmのノンドープニオブ酸リチウム（体積抵抗率：１．５×１０１４Ω・cm）からなる上側基板５を波長変換層のオーバークラッドと接着剤７により接合した。ダイサーで長さＬ：9ｍｍ、幅ｗ：1.5ｍｍ、高さｈ：１．０ｍｍで素子を切断した後、端面を研磨し反射防止膜を施した。
【００５３】
この導波路においてNd-YAGレーザーを使用して光学特性を測定した。レーザーからの発振出力を500mWに調整し、その基本光をレンズで導波路端面に入力し、160mWのSHG出力が得られた。その際の基本光の波長は1064.3nmであった。
【００５４】
本素子にて−40℃／80℃の熱サイクル試験を行った。100サイクル後に再度SHG出力を測定した結果、SHG出力が100mWに低化した。さらに200サイクルの試験を行った後に測定した結果、SHG出力は20mWに低下した。SHG出力が低下した素子を研磨して導波路断面をエッチングし、分極反転の形状を調べた結果、分極反転部の80％が消滅していた。
【００５５】
（比較例２）
比較例１と同様の素子を作製した。ただし、ダイサーで素子を切り出す段階で、素子の長さＬ：9ｍｍ、幅ｗ：1.0ｍｍ、高さｈ：１ｍｍとなるようにした。
【００５６】
光学特性を測定した結果、500mWの入力で160mWの出力が得られた。本素子にてー４０℃/８０℃の熱サイクル試験を行った。１００サイクル後に再度SHG出力を測定した結果、SHG出力が10mWに低下した。SHG出力が低下した素子を研磨して導波路断面をエッチングし、分極反転の形状を調べた結果、分極反転部の90％が消滅していた。
【００５７】
（比較例３）
比較例１と同様の素子を作製した。ただし、ダイサーで素子を切り出す段階で、素子の長さＬ：9ｍｍ、幅ｗ：1.7ｍｍ、高さｈ：１ｍｍとなるようにした。
【００５８】
光学特性を測定した結果、500mWの入力で160mWの出力が得られた。本素子にてー４０℃/８０℃の熱サイクル試験を行った。５００サイクル後に再度SHG出力を測定した結果、SHG出力の低下は見られなかった。
【符号の説明】
【００５９】
１  高調波発生素子            １ａ  入射面            １ｂ  出射面            ２  支持基板            ３  波長変換層            ４  リッジ部            ５  上側基板            ７  上側接着層            ８  下側接着層            １０  光導波路            １１  周期分極反転構造            Ａ  光の伝搬方向            ｗ  素子の幅                                      
【図１】
2010204593.tif 000003
【図２】
2010204593.tif 000004