(57)【要約】【課題】波長変換素子の歩留まりを高める。【解決手段】波長変換素子１０は、強誘電体結晶１００を用いて形成されている。強誘電体結晶１００には、複数の分極反転領域１１０が、第１の方向（Ｘ方向）に沿って周期的に設けられている。分極反転領域１１０の周期Ｌは、６．０μｍ以上９．９μｍ以下である。そして、第１の方向に直交する第２の方向（Ｙ方向）における分極反転領域１１０の幅Ｈは、０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。【選択図】図１
2014062960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体結晶と、
前記強誘電体結晶に、第１の方向に沿って周期的に設けられた複数の分極反転領域と、
を備え、
前記分極反転領域の周期が６．０μｍ以上９．９μｍ以下であり、
前記第１の方向に直交する第２の方向における前記分極反転領域の幅は、０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下である波長変換素子。
【請求項２】
請求項１に記載の波長変換素子において、
前記分極反転領域の幅は、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である波長変換素子。
【請求項３】
請求項１に記載の波長変換素子において、
前記強誘電体結晶に設けられ、前記第１の方向に沿って延伸する導波路を備え、
前記複数の分極反転領域は、前記導波路に設けられている波長変換素子。
【請求項４】
波長が１０２０ｎｍ以上１２００ｎｍ以下のレーザ光を発生する光源と、
前記光源から出射した光を波長変換する波長変換素子と、
を備え、
前記波長変換素子は、
強誘電体結晶と、
前記強誘電体結晶に、第１の方向に沿って周期的に設けられた複数の分極反転領域と、
を備え、
前記分極反転領域の周期が６．０μｍ以上９．９μｍ以下であり、
前記第１の方向に直交する第２の方向における前記分極反転領域の幅は、０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下である光源装置。
【請求項５】
請求項４に記載の光源装置において、
前記強誘電体結晶の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部の検出結果に基づいて前記強誘電体結晶の温度を制御する制御部と、
を備える光源装置。
【請求項６】
請求項４に記載の光源装置において、
前記波長変換素子から出射した光の強度を検出する強度検出部と、
前記強度検出部の検出結果に基づいて前記強誘電体結晶の温度を制御する制御部と、
を備える光源装置。
【請求項７】
強誘電体結晶の第１面上に、第１電極を、当該第１電極と前記第１面の接触部分が周期的になるように配置するとともに、前記強誘電体結晶の前記第１面の反対面である第２面上に第２電極を配置する工程と、
前記第１電極と前記第２電極の間に電圧を印加することにより、分極反転領域を形成する工程と、
を備え、
前記接触部分の周期は、６．０μｍ以上９．９μｍ以下であり、
前記第１の方向に直交する第２の方向における前記第１電極の幅は、０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下である波長変換素子の製造方法。
【請求項８】
強誘電体結晶の第１面上に、第１電極を、当該第１電極と前記第１面の接触部分が周期的になるように配置するとともに、前記強誘電体結晶の前記第１面の反対面である第２面上に第２電極を配置する第１工程と、
前記第１電極と前記第２電極の間に電圧を印加することにより、分極反転領域を形成する第２工程と、
を備え、
前記第１工程及び前記第２工程を繰り返すことにより、複数の波長変換素子を製造し、
前記第１工程及び前記第２工程を繰り返す前に、
前記第１の方向に直交する第２の方向における前記第１電極の幅を変えつつ、前記波長変換素子の試料を複数作製し、
前記複数の試料における前記分極反転領域の歩留まりを調べることにより、前記第１工程で用いる前記第１電極の幅を決定する、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、強誘電体結晶に分極反転構造を設けた波長変換素子、光源装置、及び波長変換素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の波長を変換する波長変換素子の一つに、擬似位相整合を用いるものがある。この波長変換素子は、強誘電体結晶に分極反転領域を周期的に設けたものである。分極反転領域は、強誘電体結晶の一面のうち分極反転させたい領域に第１電極を接触させ、かつ強誘電体結晶の反対面の全面に第２電極を接触させ、第１電極及び第２電極の間に電圧を印加することにより形成される。特許文献１には、この第１電極の、分極反転周期に垂直な方向における長さを、強誘電体結晶の厚さの２倍以下にすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３８８４１９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
波長変換素子の品質を向上させるためには、分極反転領域を設計通りに形成する必要がある。しかし、本発明者が検討した結果、第１電極が接していても分極反転されない部分が発生する場合があった。このような場合、波長変換素子の品質が基準から外れる場合が発生し、その結果、波長変換素子の歩留まりが低下してしまう。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、波長変換素子の歩留まりを高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、波長変換素子は、強誘電体結晶を備えている。この強誘電体結晶は、第１の方向に沿って周期的に設けられた複数の分極反転領域を有している。分極反転領域の周期は６．０μｍ以上９．９μｍ以下である。また、第１の方向に直交する第２の方向における分極反転領域の幅は、０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。
【０００７】
本発明によれば、光源装置は、波長が１０２０ｎｍ以上１２００ｎｍ以下のレーザ光を発生する光源と、上記した波長変換素子とを有する。
【０００８】
本発明に係る波長変換素子の製造方法は、以下の工程を有している。まず、強誘電体結晶の第１面に位置していて分極反転される第１領域上に、複数の第１電極を第１の方向に沿って周期的に配置するとともに、強誘電体結晶の第１面の反対面である第２面上に第２電極を配置する。次いで、第１電極と第２電極の間に電圧を印加することにより分極反転領域を形成する。複数の第１電極の周期は、６．０μｍ以上９．９μｍ以下である。また、第１の方向に直交する第２の方向における第１電極の幅は、０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。
【０００９】
本発明に係る波長変換素子の製造方法は、第１工程及び第２工程を繰り返すことにより、複数の波長変換素子を製造するものである。第１工程では、強誘電体結晶の第１面上に、第１電極を、当該第１電極と第１面の接触部分が周期的になるように配置するとともに、強誘電体結晶の第１面の反対面である第２面上に第２電極を配置する。第２工程では、第１電極と第２電極の間に電圧を印加することにより、分極反転領域を形成する。そして第１工程及び第２工程を繰り返す前に、第１の方向に直交する第２の方向における第１電極の幅を変えつつ、波長変換素子の試料を複数作製する。そして、複数の試料における分極反転領域の歩留まりを調べることにより、第１工程で用いる第１電極の幅を決定する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、波長変換素子の歩留まりを高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）は第１の実施形態に係る波長変換素子の構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。
【図２】波長変換素子を製造する方法を説明するための図である。
【図３】分極反転領域の幅Ｈと波長変換素子の歩留まりの関係の一例を示す図である。
【図４】第２の実施形態に係る波長変換素子の構成を示す平面図である。
【図５】第３の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。
【図６】第４の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。
【図７】図６の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、第１の実施形態に係る波長変換素子１０の構成を示す平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。波長変換素子１０は、強誘電体結晶１００を用いて形成されている。強誘電体結晶１００には、複数の分極反転領域１１０が、第１の方向（図１（ａ）のＸ方向）に沿って周期的に設けられている。分極反転領域１１０の周期Ｌは、６．０μｍ以上９．９μｍ以下である。そして、第１の方向に直交する第２の方向（図１（ａ）のＹ方向）における分極反転領域１１０の幅Ｈは、０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。このようにすると、波長変換素子の品質は、基準から外れにくくなる。以下、詳細に説明する。
【００１４】
強誘電体結晶１００は、例えばＭｇ（マグネシウム）が添加されたＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）又はＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチウム）であり、表面が＋Ｚ面となっている。強誘電体結晶１００の厚さは、例えば０．２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。平面視において、分極反転領域１１０は、波長変換素子１０に繰り返し設けられている。分極反転領域１１０の第１の方向の幅Ｗの設計値は、分極反転領域１１０の周期Ｌの半分である。ただし、製造プロセスに起因したばらつきにより、幅Ｗは、周期Ｌの４５％以上５５％以下となっている。
【００１５】
本実施形態において、分極反転領域１１０の周期Ｌは、６．０μｍ以上９．９μｍ以下である。このため、波長変換素子１０は、波長が１０２０ｎｍ以上１２００ｎｍ以下の入射光を、波長が５１０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の出射光に変換する素子として機能する。
【００１６】
図２は、波長変換素子１０を製造する方法を説明するための図である。図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。この波長変換素子１０の製造方法は、以下の工程を有している。まず、強誘電体結晶１００の第１面（例えば表面）に第１電極２２０を配置すると共に、強誘電体結晶１００の第２面（第１面とは反対側の面）に第２電極２２２を配置する。第１電極２２０は、第１面のうち分極反転領域１１０が形成される領域にのみ接触している。すなわち第１電極２２０は、第１面との接触部分が周期的になるように配置されている。このとき、接触部分の周期は、６．０μｍ以上９．９μｍ以下である。また、第２の方向（図２（ａ）のＹ方向）における第１電極２２０の幅は、０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。次いで、第１電極２２０と第２電極２２２の間に電圧を印加することにより、分極反転領域１１０を形成する。以下、詳細に説明する。
【００１７】
まず、強誘電体結晶１００の第２面（本図では下面）上に、第２電極２２２を、例えばスパッタリング法又は真空蒸着法により形成する。第２電極２２２は、例えばＡｌ（アルミニウム）膜またはＣｒ（クロム）膜であり、その厚さは例えば０．５μｍである。
【００１８】
次いで、強誘電体結晶１００の第１面上に、絶縁膜２１０を形成し、絶縁膜２１０を選択的に除去する。これにより、強誘電体結晶１００の第１面のうち分極反転されない領域は、絶縁膜２１０で被覆される。絶縁膜２１０は、例えばフォトレジスト膜であるが、他の絶縁膜であってもよい。
【００１９】
次いで、強誘電体結晶１００の第１面上及び絶縁膜２１０上に、第１電極２２０を形成する。第１電極２２０の形成方法は、第２電極２２２の形成方法と同様である。次いで、第１電極２２０と第２電極２２２の間に電圧を印加する。これにより、強誘電体結晶１００には分極反転領域１１０が形成される。その後、第１電極２２０及び第２電極２２２を除去し、さらに絶縁膜２１０を除去する。
【００２０】
次に、本実施形態の効果について説明する。電圧印加法を用いて強誘電体結晶１００に分極反転領域１１０を精度良く形成するためには、強誘電体結晶１００の結晶組成や結晶構造が均一であることが望ましいだけでなく、第１電極２２０及び第２電極２２２の構造も均一であることが望ましい。本発明者はこの点に着目し、第２方向における第１電極２２０の幅Ｈが分極反転性を左右すると仮定した。
【００２１】
図３（ａ）、（ｂ）は、分極反転領域１１０の幅Ｈ、すなわち第１電極２２０のうち強誘電体結晶１００に接触している部分の幅と波長変換素子１０の歩留まりの関係の一例を示している。図３（ａ）では、Ｌ＝７．３８μｍとして、図３（ｂ）に示す例ではＬ＝９．５２μｍとした。強誘電体結晶１００には、厚さが０．５ｍｍであり、ＭｇＯが添加されたＬｉＮｂＯ３を用いた。各Ｈについて試料は５つ作製した。図３において、第１電極２２０と強誘電体結晶１００の接触部分に対する、分極反転領域１１０の面積の割合を、歩留まりとして定義した。すなわち、上記した接触部分の全てが分極反転した場合、歩留まりは１００％となる。なお、分極反転領域１１０となっている領域は、強誘電体結晶１００をウェットエッチングすることにより、確認できる。
【００２２】
図３（ａ），（ｂ）のいずれの例においても、幅Ｈが２ｍｍ以下になると、分極反転していない領域（以下、未反転領域と記載）が減少し、分極反転領域１１０の歩留まりが向上した。特に幅Ｈが１ｍｍ以下の場合、歩留まりは大きく向上し、９５％を超えている。さらに幅Ｈが０．５ｍｍ以下になると、未反転領域は発生しなかった。この傾向は、幅Ｈが０．１ｍｍまで確認できた。
【００２３】
幅Ｈが０．０５ｍｍ以下になると、未反転領域が再び発生し、分極反転領域１１０の歩留まりは少し減少した。ただし、幅が０．０１ｍｍの場合においても、歩留まりは９５％以上であった。
【００２４】
このように、本実施形態においては、波長変換素子１０を製造する前に、第１電極２２０のうち強誘電体結晶１００に接触している部分の幅Ｈを変えて複数の試料を作製している。そしてその作製した試料を用いて、分極反転領域１１０の歩留まりと幅Ｈの関係を調べている。そしてその結果に基づいて、第１電極２２０のうち強誘電体結晶１００に接触する部分の幅Ｈを決めている。
【００２５】
そして、分極反転領域１１０の周期Ｌが６．０μｍ以上９．９μｍ以下である場合において、幅Ｈを０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下にすると、波長変換素子１０の歩留まりは向上する。幅Ｈを０．０２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下にすると、波長変換素子１０の歩留まりはさらに向上する。さらに幅Ｈを０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下にすると、波長変換素子１０の歩留まりは特に高くなる。
【００２６】
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る波長変換素子１０の構成を示す平面図である。本実施形態に係る波長変換素子１０は、導波路１０２を有している点を除いて、第１の実施形態に係る波長変換素子１０と同様の構成である。
【００２７】
詳細には、導波路１０２は、第１の方向（図４のＸ方向）に延伸している。導波路１０２は、リッジ型または埋め込み型のいずれかである。そして分極反転領域１１０は、導波路１０２に設けられている。
【００２８】
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００２９】
（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。この光源装置は、波長変換素子１０及び光源２０を有している。波長変換素子１０の構成は、第１の実施形態又は第２の実施形態と同様である。光源２０は、波長が１０２０ｎｍ以上１２００ｎｍ以下のレーザ光を発生する。光源２０は、例えばスーパーコンティニュームレーザーを発生する。また光源２０は、単一波長を出射するレーザダイオードであっても良い。光源２０から出射した光は、波長変換素子１０に入射する。波長変換素子１０は、入射した光を波長変換して、出射する。出射する光の波長は、５１０ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。なお、光源２０から出射した光は、光ファイバを用いて波長変換素子１０に導光されてもよいし、ミラーなどの光学部品によって導光されても良い。
【００３０】
本実施形態において、光源装置は、さらに温度調節素子３０、熱伝導部３２、温度検出部４０、及び制御部５０を有している。温度調節素子３０は、熱伝導部３２を介して波長変換素子１０に接触している。温度調節素子３０は、発熱機能及び吸熱機能の少なくとも一方を有している。温度調節素子３０は、例えばヒータ及びペルチェ素子の少なくとも一方を有している。熱伝導部３２は、例えばＣｕ（銅）など、熱伝導率が高い物質により形成されている。温度検出部４０は、波長変換素子１０の温度を検出する。制御部５０は、温度検出部４０の検出結果に基づいて、温度調節素子３０を制御する。すなわち制御部５０は、温度調節素子３０を制御することにより、波長変換素子１０の温度が所望の範囲内となるようにする。この所望の温度は、例えば２５℃以上８０℃以下である。
【００３１】
本実施形態によれば、波長変換素子１０の歩留まりは高い。このため、光源装置の製造コストを低くすることができる。また、光源装置は、温度調節素子３０、温度検出部４０、及び制御部５０を備えているため、波長変換素子１０の温度を所望の範囲に制御することができる。このため、波長変換素子１０の波長変換効率を高い値に維持することができる。
【００３２】
（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。この光源装置は、温度検出部４０の代わりに強度検出部４２を備えている点を除いて、第３の実施形態に係る光源装置と同様の構成である。なお、本実施形態において、光源２０は、レーザダイオードなどの波長幅が狭い励起光源である。
【００３３】
強度検出部４２は、波長変換素子１０から出射した光の強度を検出する。そして制御部５０は、強度検出部４２の検出結果に基づいて、温度調節素子３０を制御する。具体的には、制御部５０は、強度検出部４２の検出結果が高くなる（好ましくは最大となる）ように、温度調節素子３０を制御する。
【００３４】
なお、図７に示すように、本実施形態に係る光源装置は、分岐部６０を備えていても良い。分岐部６０は、波長変換素子１０から出射した光の一部を分岐して、強度検出部４２に入力する。
【００３５】
本実施形態によっても、第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
（実施例１）
第２の実施形態に示した波長変換素子１０を複数作製した。この実施例において、分極反転領域１１０の周期は、表１に示す通りとした。そして、各周期において、試料を５つ作製した。そして、分極反転領域１１０の歩留まりを測定した。この歩留まりの定義は、図３に示した歩留まりと同じである。
【００３７】
【表１】
2014062960.tif 000003
【００３８】
本実施例では、表１に示した全ての条件において、分極反転領域１１０の歩留まりが９５％であった。これにより、周期Ｌが６．０μｍ以上９．９μｍ以下である場合において、波長変換素子１０の歩留まりは向上することが示された。
【００３９】
（実施例２）
実施例１で作製した波長変換素子１０を用いて、第３の実施形態に示した光源装置を作製した。光源２０が出射する光の波長は、１０２０ｎｍ以上１２００ｎｍ以下であった。表２に、波長変換素子１０が出射する光の波長の設計値と、実測値をそれぞれ示す。なお、本実施例において、制御部５０は波長変換素子１０の温度を４０℃に制御した。
【００４０】
【表２】
2014062960.tif 000004
【００４１】
表２に示すように、全ての試料において、波長変換素子１０が出射する光の波長は、設計値とほぼ同じであった。
【００４２】
以上、図面を参照して本発明の実施形態及び実施例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００４３】
１０ 波長変換素子
２０ 光源
３０ 温度調節素子
３２ 熱伝導部
４０ 温度検出部
４２ 強度検出部
５０ 制御部
６０ 分岐部
１００ 強誘電体結晶
１０２ 導波路
１１０ 分極反転領域
２１０ 絶縁膜
２２０ 第１電極
２２２ 第２電極
【図１】
2014062960.tif 000005
【図２】
2014062960.tif 000006
【図３】
2014062960.tif 000007
【図４】
2014062960.tif 000008
【図５】
2014062960.tif 000009
【図６】
2014062960.tif 000010
【図７】
2014062960.tif 000011