(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられたクラッド層上に形成された導波路であって、
前記基板がＳｒＴｉＯ3、スピネル［（ＭｇＯ）（Ａｌ2Ｏ3）］の固溶体及びＭｇＯのいずれかの結晶からなり、
前記クラッド層がＫＴａxＮｂ1-xＯ3（０≦ｘ≦１）の結晶からなる、ことを特徴とする導波路。
【請求項２】
前記導波路は強誘電体の結晶からなることを特徴とする請求項１記載の導波路。
【請求項３】
前記導波路はＫＮｂＯ3の結晶からなることを特徴とする請求項１または２記載の導波路。
【請求項４】
前記クラッド層が前記ＳｒＴｉＯ3、スピネル［（ＭｇＯ）（Ａｌ2Ｏ3）］の固溶体及びＭｇＯのいずれかの結晶の(110)面上に形成されたことを特徴とする請求項３記載の導波路。
【請求項５】
前記クラッド層がＫＴａＯ3で形成されたことを特徴とする請求項４記載の導波路。
【請求項６】
前記導波路がチャネル型導波路であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１記載の導波路。
【請求項７】
前記導波路がスラブ型導波路であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１記載の導波路。
【請求項８】
ＳｒＴｉＯ3、スピネル［（ＭｇＯ）（Ａｌ2Ｏ3）］の固溶体及びＭｇＯのいずれかの結晶からなる基板と、前記基板上に形成されたＫＴａxＮｂ1-xＯ3（０≦ｘ≦１）の結晶からなるクラッド層と、前記クラッド層上に形成された強誘電体の結晶からなる導波路と、を有することを特徴とする波長変換素子。
【請求項９】
前記導波路がＫＮｂＯ3の結晶からなることを特徴とする請求項８記載の波長変換素子。
【請求項１０】
前記クラッド層が前記ＳｒＴｉＯ3、スピネル［（ＭｇＯ）（Ａｌ2Ｏ3）］の固溶体及びＭｇＯのいずれかの結晶の(110)面上に形成されたことを特徴とする請求項９記載の波長変換素子。
【請求項１１】
前記クラッド層がＫＴａＯ3で形成されたことを特徴とする請求項８記載の波長変換素子。
【請求項１２】
前記導波路がチャネル型導波路であることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１記載の波長変換素子。
【請求項１３】
前記導波路がスラブ型導波路であることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１記載の波長変換素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【本発明の属する技術分野】
本発明は、第２高調波発生を利用した非線形光学結晶の導波路、及びこれを有する波長変換素子いわゆるＳＨＧ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長変換素子において、第２高調波発生を効率よく発生するためには位相整合条件を満たす必要がある。位相整合方法には、波長変換素子の基板結晶の複屈折性を利用し角度同調、温度同調、電界同調を用いて位相整合条件を満たす方法や、導波路のモード分散を用いることにより、導波路の膜厚、オーバーレイヤ、チェレンコフ放射、疑似位相整合など、種々の方法が試みられている。
【０００３】
波長変換素子の基板には、リチウムＬｉ、カリウムＫ、タンタルＴａ、ニオブＮｂ、酸素Ｏ、リンＰ及びチタンＴｉなどから構成されるＬｉＴａＯ３（以下、ＬＴという）、ＬｉＮｂＯ３（以下、ＬＮという）、ＫＴｉＯＰＯ４（以下、ＫＴＰという）等の非線形光学定数の大きい強誘電体の結晶が好ましく用いられている。
【０００４】
従来より、波長変換素子は、（１）ＬＮ基板上にＴｉ拡散により導波路を作製し、導波路を伝播する基本波および高調波の位相速度を、素子の温度を調整することに一致させ、即ち、位相整合条件を満足させ波長変換を行う方法や、（２）ＬＴ基板上にＬＮ結晶膜を液槽エピタキシャル法により作製し、その導波路の厚みを厳しく管理することで、位相整合を達成し、波長変換を行う方法、（３）ＬＮ、ＬＴ又はＫＴＰ基板上に導波路と、導波路に直交する分極反転グレーティングを形成し、位相整合を達成する擬似位相整合波長変換素子が提案されている。
【０００５】
大きな変換効率を得るためには、大きな非線形定数を利用することが必要であるが、上記の（１）、（２）の方法で利用される非線形定数はｄ３１であり、この値は、５〜７ｐｍ／Ｖと小さい。又、（３）の方法では大きな非線形定数ｄ３３を利用することが可能であるが、擬似位相整合方式では実効的な非線形定数ｄｅｆｆ＝（２／π）ｄ３３になり、高効率化にとって不利となる。ＬＮを用いた場合には、実効的な非線形定数は大きくできるが、波長変換で得られた青色光に対する光損傷耐性が小さく、大きな青色光出力を得ることができないという欠点がある。
【０００６】
そこで、大きな非線形定数を有し光損傷耐性の大きな非線形光学結晶のＫＮｂＯ３（以下、ＫＮという）を基板に用いることが試みられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＫＮ導波路を形成するにあたり、ＫＮ結晶基板上にイオン交換を施す方法や、該基板にイオン注入を行う方法、あるいは、酸化マグネシウムＭｇＯやスピネルＭｇＯＡｌ２Ｏ３の基板上にスパッタ法によりＫＮ薄膜を形成することで、導波路を作製しようとする試みはあったが、いずれも、質の良いＫＮ導波路を作製することが困難で、実用的な波長変換素子は得られていない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、有機金属気相成長方法（以下、ＭＯＣＶＤという）などの薄膜結晶形成手段によって、結晶基板上に形成された光損傷耐性の高い強誘電体結晶の導波路、及びこれを有する波長変換素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の導波路は、ストロンチウムＳｒを含むチタン酸化物のＳｒＴｉＯ３（以下、ＳＴＯという）、スピネル［（ＭｇＯ）（Ａｌ２Ｏ３）］の固溶体、ＭｇＯのいずれかの結晶からなる基板上に形成されたＫＴａＯ３（以下、ＫＴという）、ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０＜ｘ＜１）（以下、ＫＴＮという）などのクラッド層上に形成された、ＫＮなどの強誘電体の結晶からなることを特徴とする。
また、本発明の波長変換素子は、ストロンチウムＳｒを含むチタン酸化物のＳＴＯ、スピネル［（ＭｇＯ）（Ａｌ２Ｏ３）］の固溶体、ＭｇＯのいずれかの結晶からなる基板と、前記基板上に形成されたＫＴ、ＫＴＮなどのクラッド層と、ＫＮなどの強誘電体の結晶からなる導波路と、を有することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による実施例を図面を参照しつつ説明する。
発明者は、ＭＯＣＶＤ法によってＳＴＯ基板上にＫＴ又はＫＴＮをクラッド層としてエピタキシャル成長させ、さらにこの上にコア層としてのＫＮエピタキシャル層を形成し、このエピタキシャル層が格子欠陥の極めて少ない導波路となることを知見し、本発明の波長変換素子に到った。
【００１１】
光損傷耐性の高い強誘電体結晶のＫＮ結晶は、図１に示す座標において、三辺が異なる直方体格子である斜方晶系で、その格子定数は、ａ＝３．９６９２オングストローム、ｂ＝５．６８９６オングストローム、ｃ＝５．７２５６オングストロームである。斜方晶系の分極と非線形感受テンソル及び電界との関係は、式１（式中、Ｐは分極成分、ｄは２次非線形定数、Ｅは基本波電界成分、ａ、ｂ及びｃは軸方向を示す）で示されるので、
【００１２】
【数１】
0003552135.tif 000002
【００１３】
大きい非線形定数を有するＫＮ結晶をエピタキシャル膜導波路のＳＨＧ素子として利用する場合、ＫＮの（０１０）面すなわち（ａ−ｃ）面で成長させてその非線形定数ｄ３２を利用できる。この場合、図１に示すように、ａ軸方向へ伝搬するａ−ｂ面内で振動する基本波からａ−ｃ面内で振動する第２高調波が得られる。表１にＫＮの非線形定数を示す。
【００１４】
【表１】
（ｐｍ／Ｖ）（基本波波長λ＝１．０６μｍ）
ｄ３３＝−２７．４±０．３
ｄ３２＝−１８．３±０．３
ｄ３２＝−２０．５±０．３（λ＝８６０ｎｍ）
ｄ３１＝−１５．８±０．３
ｄ２４＝  １７．１±０．４
ｄ１５＝  １６．５±０．４
しかし、ＭＯＣＶＤに限らず基板上に結晶膜をエピタキシャル成長させる場合、一般に基板と膜との格子定数が、ある程度整合していないと、基板に配向した良好なエピタキシャル膜は得にくく、ＫＮの場合でも、（ａ−ｃ）面成長を達成することは難しい。
【００１５】
ＳＴＯ結晶は立方晶系であり、格子定数は３．９０５１オングストロームである。一方、ＫＴ結晶も立方晶系であり、格子定数は３．９８９０５オングストロームとＳＴＯとかなり近いものである。
従って、斜方晶系のＫＮ結晶は、このＳＴＯ結晶又はＫＴ結晶上に成長させる場合、ＫＮのｂ，ｃ軸の格子定数と異なるため、例えば、ＳＴＯ基板の（１００）面上に良好な結晶成長は困難である。
【００１６】
ところが、ＳＴＯの（１１０）面は、図２に示すようにその格子定数がａ軸の√２倍の５．５２２６オングストロームであり、ＫＮのｂ，ｃ軸の格子定数に近くなる。
よって、ＳＴＯの（１１０）面上に、ＫＮの（ａ−ｂ）面又は（ａ−ｃ）面が成長可能となる。同様に、ＫＴの（１１０）面も５．６４１３オングストロームとなりＫＮの成長が可能となる。
【００１７】
ＫＮの導波路を作製するために、基板結晶にＳＴＯを用い、その表面にクラッド層となるＫＴ又はＫＴＮを成長させた後に、ＫＮをＭＯＣＶＤにより成長させ、導波層とした。ＳＴＯの（１１０）面には非常に良好なＫＴ、ＫＴＮ、ＫＮ結晶薄膜が成長する条件を見いだすことによって、良好なＫＮ導波路を作製することが可能となった。
【００１８】
ＳＴＯを基板にした場合、ＳＴＯの屈折率の方が導波層となるＫＮの屈折率よりも高く、このままでは、導波路とはならない。このために、ＳＴＯ基板上に、まず、ＫＮよりも若干屈折率の低いＫＴ又はＫＴＮをクラッド層として形成し、この上にＫＮを形成することで、これを導波路として利用可能とした。基板がスピネルの固溶体又はＭｇＯの場合には、屈折率は、ＫＮよりも低いために、ＫＮ膜を導波路として利用可能である。しかし、この場合は、コアとクラッドの屈折率段差が０．５程度あり、シングルモード導波路として用いるためには、ＫＮ膜の厚さは１μｍ以下と極めて薄く形成する必要が生じ、薄いＫＮ膜ではＳＨＧ素子の基本波を結合させ難い。このような場合にも、基板上にＫＴ又はＫＴＮをクラッド層として形成しておくことにより、コア及びクラッド間の屈折率段差を０．０１以下にすることができ、シングルモード導波路とする際のコア膜厚を１μｍ以上とすることができ、ＳＨＧ素子とする際の基本波の結合が容易となる。このような効果は、基板をＳＴＯとする際にも、同様に発現する。
【００１９】
次に、ＳＴＯを基板として、良好なＫＮ結晶膜を成長させる実験結果について述べる。すなわち、（１１０）面を主面とするＳＴＯ基板をＭＯＣＶＤ装置の反応室に装填し、これを設定温度まで昇温して反応室内部を設定気圧まで減圧し、出発原料として、ジピバロイルメタナトカリウム［Ｋ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）］（以下、Ｋ（ＤＰＭ）という）と、ペンタエトキシニオブ［Ｎｂ（ＯＣ２Ｈ５）５］（以下、ペンタエトキシニオブという）と、を装置の気化器のそれぞれに装填して、これら出発原料をそれぞれ設定温度に保つことにより昇華又は気化させ有機金属化合物ガスとし、これをそれぞれ流量制御されたＡｒキャリアガスを用いて加熱基板が配置された反応室へ導き、層流として流し、基板上にエピタキシャル層を析出させた。また、出発原料からの各酸化物の生成には酸化反応をともなうため、反応ガスに一定量の酸素を添加してもよい。原料ガスをＳＴＯ基板（１１０）面上に流すことによりＫＮエピタキシャル単結晶薄膜が成長できた。
【００２０】
図３に示すように、ＳＴＯ（１１０）面の基板１上に基板より屈折率の大きいＫＮエピタキシャル層２を形成した。
エックス線回折実験によると、ＳＴＯ（１１０）面上にＫＮ膜の（ａ−ｃ）面が成長されていることが確認された。図４に示すようにエックス線回折により、ＳＴＯ基板（１１０）面上のＫＮ膜がＳＴＯにかなり近い回折パターンを有していることから明らかとなった。図中、縦軸は回折ビーム強度を、横軸は回折ビーム角度を示す。図から明らかなように、回折ビーム角度２θにおいて、３１度及び３２度付近にＫＮ結晶面（０２０）及びＳＴＯ結晶面（１１０）のピークが、６６度及び６８度付近にＫＮ結晶面（０４０）及びＳＴＯ結晶面（２２０）のピークが近接して表れている。また、同様に作成したＫＴエピタキシャル導波路のスラブ型波長変換素子についてもＫＴ膜がＳＴＯにかなり近い回折パターンを有していた。
【００２１】
先に述べたように、このままではＫＮ膜を導波路として利用できないため、次に、ＳＴＯ基板及びＫＮエピタキシャル膜導波路の間に、ＫＮより屈折率の小さいＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０＜ｘ≦１）、例えば、ＫＴ結晶からなるクラッド層を形成した波長変換素子を作製した。
このＳＴＯ基板、ＫＴ結晶クラッド及びＫＮ結晶導波路からなるＳＨＧ素子を作製するために、上記ＭＯＣＶＤ装置により、ＳＴＯ基板結晶の（１１０）面上に、まずＫＴを成長させ、続いて、ＫＮを同装置内で成長させ、導波層とした。この様に、ＳＴＯの（１１０）面に非常に良好なＫＴ及びＫＮ結晶薄膜が成長する条件を見いだすことによって、良好なＫＮ導波路を作製することが可能である。
【００２２】
すなわち、ＭＯＣＶＤ装置の反応室にＳＴＯ基板を装填し、温度、気圧を設定し、出発原料として、Ｋ（ＤＰＭ）とペンタエトキシタンタル［Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５］（以下、ペンタエトキシタンタルという）と、をガス化し、これらをそれぞれキャリアガスでＳＴＯ基板上に流し、基板上で反応させることによりＫＴエピタキシャル単結晶薄膜が成長できた。なお、ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３（０＜ｘ≦１）エピタキシャル単結晶薄膜を形成するときは出発原料として、Ｋ（ＤＰＭ）、ペンタエトキシニオブ及びペンタエトキシタンタルを用い、それぞれ原料ガス流量制御によってエピタキシャル層成分の原子比を変えて成膜する。原子比を変えることによりクラッド層及び導波路の屈折率差を制御することができる。
【００２３】
図５に示すような、ＳＴＯ（１１０）面の基板１上にＫＴエピタキシャルクラッド層３及びこれより屈折率の大きいＫＮエピタキシャル層２が順に形成されたスラブ型導波路を作成した。以上の実施例では、ＳＴＯ（１１０）を基板として用いた場合について述べたが、格子定数が比較的ＫＮと近く、立方晶系であるスピネル［（ＭｇＯ）（Ａｌ２Ｏ３）］の固溶体又はＭｇＯの（１１０）面を基板としても同様な構造の良好なスラブ型導波路を得ることができた。
【００２４】
こうして作製した２次元導波路のＫＮエピタキシャル層２上に、図６に示すように、ＳｉＯ２のストライプ４を形成し、さらに、基本波と第２高調波との位相整合条件を満足させ安定にこれを保つために、導波路の近傍にストライプ電極５を平行して形成し、３次元導波路即ちチャネル型導波路を作製した。その電極間に電界を印加し、１次の電気光学効果によって、基本波モード及び第２高調波モードの実効屈折率を、共に電場で変化させて位相整合を得る。またＳｉＯ２ストライプ４上に半導体レーザ制御用回折格子６を形成してもよい。
【００２５】
基本波λ＝８６０ｎｍをこの屈折率の大きいエピタキシャル層２に導波させることにより、良好な光閉じ込めが達成され、第２高調波λ＝４３０ｎｍが高変換効率で得られた。さらに、かかるＳＨＧ素子では、ＫＮはＬＮ、ＬＴ、ＬＮＴに比較して、光損傷しきい値が高いので、高い出力まで安定した動作が得られた。なお、ＫＴエピタキシャルクラッド層の膜厚は基本波の波長以上に設定した。エバネッセント波のしみ出しがＳＴＯ基板に及ぶと伝搬損失が大きくなるので好ましくないからである。ＫＮエピタキシャル導波路層の膜厚は１〜５μｍに設定した。ＫＴ層との実効屈折率差の関係で単一モードの導波が可能であり、また１μｍ未満だと光結合が難しくなり、５μｍ超だと多モードとなり光パワー密度が低下するからである。
【００２６】
また、ＳｉＯ２ストライプ４下に形成されるＫＮチャネル型導波路両側のＫＮ層上に、バッファ層を設けて平行電極５を形成してもよく、チャネル導波路では、上記誘電体装荷型の他に、スラブＫＮ導波路層をエッチングによりリッジ型導波路を形成することもできる。また、金属装荷型、電圧誘起型もチャネル型導波路に用い得る。
【００２７】
更にまた、本発明によれば、上記素子の３次元導波路に交差する周期的分極反転層を形成して、非線形光学効果による第２高調波出力がその伝播に伴ってコヒーレンス長毎に極大極小を周期的に繰返すことを利用して、コヒーレンス長毎に発生する分極の符号を交互に反転させて、第２高調波の出力の加算により出力を増大させる疑似位相整合（ＱＰＭ）の波長変換素子を形成することもできる。さらに導波路の膜厚、オーバーレイヤなどの種々の位相整合方法も用いることもできる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、ＭＯＣＶＤ法を用い、ＳｒＴｉＯ３、スピネル固溶体、ＭｇＯのいずれかの結晶基板とこの上に形成されたＫＴ又はＫＴＮクラッド層と高光損傷耐性のＫＮなどの強誘電体結晶導波路、及びこれを有する波長変換素子が得られる。さらに、キャリアーガスの流量を変えることにより、容易に、結晶組成を変えることができるので、導波路の屈折率、膜厚を精密に制御することができ製造容易な波長変換素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＫＮｂＯ３の結晶格子を示す概略斜視図である。
【図２】ＳｒＴｉＯ３の結晶格子を示す概略斜視図である。
【図３】本発明による実施例の波長変換素子の概略断面図である。
【図４】エックス線回折により、本発明による実施例のＳＴＯ基板（１１０）面上のＫＮ膜の回折パターンを示す回折ビーム強度−回折角度の特性を示すグラフである。
【図５】本発明による他の実施例の波長変換素子の概略断面図である。
【図６】本発明による他の実施例の波長変換素子の概略斜視図である。
【主要部分の符号の説明】
１  ＳＴＯ（１１０）面基板
２  ＫＮエピタキシャル層
３  ＫＴエピタキシャルクラッド層
４  ＳｉＯ２ストライプ
５  ストライプ電極
６  半導体レーザ制御用回折格子
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003552135.tif 000005
【図４】
0003552135.tif 000006
【図５】
0003552135.tif 000007
【図６】
0003552135.tif 000008