(57)【要約】【課題】幅広い環境温度下で、波長変換光の光強度を安定させるような構造を提供することである。【解決手段】波長変換装置１は、支持基体２、支持基体２上に設置されている、強誘電性材料からなる波長変換素子部１７、波長変換素子部１７の両側にそれぞれ設けられており、強誘電体材料からなり、波長変換素子部１7とは別体である分離部１８、１９、および支持基体２と、波長変換素子部１７および分離部１８、１９とを接着する接着層３を備えている。波長変換素子部１７は、リッジ型光導波路１７ｃ、導波路１７ｃの両側にそれぞれ設けられている溝８および溝８の外側に設けられている延在部１７ａを備えている。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基体、
前記支持基体上に設置されている、強誘電性材料からなる波長変換素子部であって、リッジ型光導波路、このリッジ型光導波路の両側にそれぞれ設けられている溝、および前記溝の外側に設けられている延在部を備えている波長変換素子部、
前記波長変換素子部の両側にそれぞれ設けられており、強誘電体材料からなり、前記波長変換素子部とは別体である分離部、および
前記支持基体と前記波長変換素子部とを接着し、かつ前記支持基体と前記分離部とを接着する接着層を備えていることを特徴とする、波長変換装置。
【請求項２】
前記波長変換素子部および前記分離部の前記支持基体側の背面にバッファ層が形成されていることを特徴とする、請求項１記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記波長変換素子部および前記分離部の表面に上側バッファ層が形成されていることを特徴とする、請求項１または２記載の波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【従来の技術】
【０００１】
本発明は、波長変換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の光変調素子では、支持基板の表面を平坦とし、また強誘電体薄板の厚さを一定とし、支持基板の平坦面と強誘電体薄板とを接着している。
【特許文献１】WO 03/ 042749
【０００４】
特許文献２においては、強誘電体単結晶の薄板にリッジ型光導波路を設け、リッジ型光導波路内に周期分極反転構造を形成し、第二高調波発生素子を作製している。そして、強誘電体単結晶の薄板下に支持基板を接着し、支持基板に凹部を設け、リッジ型光導波路の直下に凹部が位置するようにしている。支持基板と強誘電体薄板背面とは、樹脂接着剤あるいは導電性接着剤で接合している。
【特許文献２】特開２００３−１５６７２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
波長変換素子は、様々な環境温度条件下で、安定した変換光を発振することが求められる。しかし、従来の波長変換素子では、環境温度が大きく変化すると、波長変換光の強度も大きく低下することがあった。例えば−２０℃から＋８０℃の温度範囲で著しい強度低下が生ずると、波長変換素子としての実用性が低下する。
【０００６】
本発明の課題は、幅広い環境温度下で、波長変換光の光強度を安定させるような構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る波長変換装置は、
支持基体、
支持基体上に設置されている、強誘電性材料からなる波長変換素子部であって、リッジ型光導波路、このリッジ型光導波路の両側にそれぞれ設けられている溝、および溝の外側に設けられている延在部を備えている波長変換素子部、
波長変換素子部の両側にそれぞれ設けられており、強誘電体材料からなり、波長変換素子部とは別体である分離部、および
支持基体と波長変換素子部とを接着し、かつ支持基体と分離部とを接着する接着層を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明者は、リッジ型光導波路内に波長変換部を設けた波長変換素子において、環境温度の変化に対して、波長変換光の強度が大きく影響され、低下する原因を調べた。この結果、環境温度に変動に対応して、波長変換部と支持基板との間に設けられた接着層から波長変換部へと応力が加わり、波長変換部における位相整合波長を僅かに変化させたものではないかと考えた。位相整合波長が僅かに変化すると、変換光の出力は著しく低下する。そして、この接着層から波長変換部に加わる応力は、主として、接着層の素子の側面から露出する末端面を起点として発生し、波長変換部に加わるものと想定した。なぜなら、接着層の末端面は露出しているので、応力が集中しやすく、部分的な剥離が発生しやすいからである。
【０００９】
本発明者は、このような未知の仮説に基づき、波長変換部の設けられている領域を波長変換素子部として独立させ、波長変換素子部の両側を別体として分離させた。この結果、環境温度が大きく変動しても、波長変換光の強度の低下は著しく抑制されることを見いだした。
【００１０】
この理由は明白ではないが、環境温度の変化によって、波長変換素子の側面から接着層に応力が発生しても、その応力は、分離部と波長変換素子部との間の隙間ないし溝において吸収されたものと思われる。これによって、接着層の特に末端面で発生した応力は遮蔽され、波長変換部に直接影響することは避けられるものと考えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る波長変換素子１を概略的に示す断面図であり、図２は、比較例の波長変換素子１１を概略的に示す断面図である。
【００１２】
波長変換素子部１７は、リッジ型光導波路１７ｃを含む波長変換部４、波長変換部４の両側に設けられている溝形成部１７ｂ、および各溝形成部１７ｂの外側に設けられている延在部１７ａを備えている。溝形成部１７ｂは、リッジ型光導波路１７ｃおよび延在部１７ａに比べて薄くなっており、表面側に溝８が形成されている。波長変換素子部１７の表面側には表面側バッファ層２３が形成されている。強誘電体層１７の背面１７ｅはその全面にわたって平坦面である。背面１７ｅ上および側面１７ｄにバッファ層６Ａが形成されている。
【００１３】
支持基体２の接着面はその全面にわたって平坦面であり、その上には接着剤層３が形成されている。波長変換素子部１７の背面１７ｅは、バッファ層６Ａおよび接着剤層３を介して支持基板２に対して接合されている。
【００１４】
また、波長変換素子部１７の両側には、それぞれ、強誘電性材料からなる分離部１８、１９が設けられている。分離部１８と波長変換素子部１７との間には貫通溝１０Ａが形成されており、分離部１９と波長変換素子部１７との間には貫通溝１０Ｂが形成されている。この結果、分離部１８、１９と波長変換素子部１７とは別体となっており，強誘電性材料が連続していない。分離部１８の背面および側面上にはバッファ層６Ｂが形成されており、分離部１８上には上側バッファ層２３が形成されている。また、分離部１９の背面および側面上にはバッファ層６Ｃが形成されており、分離部１９上には上側バッファ層２３が形成されている。分離部１８、１９および波長変換素子部１７の表面はバッファ層２３によって被覆されている。また溝１０Ａ、１０Ｂの表面もバッファ層２３によって被覆されており、接着剤層３は溝１０Ａ、１０Ｂから露出していない。各分離部１８、１９は、支持基体２上に、接着剤層３およびバッファ層６Ｂ、６Ｃを介して接着されている。
【００１５】
図２は、比較例の波長変換素子１１を示すものである。強誘電体基板７は、リッジ型光導波路７ｃを含む波長変換部４、波長変換部４の両側に設けられている溝形成部７ｂ、および各溝形成部７ｂの外側に設けられている延在部７ａを備えている。溝形成部７ｂは、リッジ型光導波路７ｃおよび延在部７ａに比べて薄くなっており、表面側に溝８が形成されている。強誘電体層７の背面７ｄは略平坦であり、背面７ｄ上にバッファ層６が形成されている。支持基体２の表面２ａ上には接着剤層３が形成されている。強誘電体層７の背面７ｄは、バッファ層６および接着剤層３を介して支持基板２に対して接合されている。
【００１６】
図２に示す従来型の素子では、環境温度の変化に応じて、接着層３の素子の側面から露出する末端面３ａを起点として応力が発生しやすく、この応力が波長変換部４に加わりやすいものと考えられる。なぜなら、接着層の末端面３ａは露出しているので、応力が集中しやすく、部分的な剥離も発生しやすいからである。
【００１７】
図１のような本発明の素子１では、波長変換素子部１７を分離部１８、１９から別体として独立させている。環境温度の変化によって、波長変換素子の側面から接着層３に応力が発生しても、その応力は、分離部１８、１９と波長変換素子部１７との間の隙間ないし貫通溝１０Ａ、１０Ｂにおいて吸収されたものと思われる。これによって、接着層３の特に末端面３ａで発生した応力は遮蔽され、波長変換部に直接影響することは避けられるものと考えられる。
【００１８】
波長変換部内における波長変換手段は特に限定されない。好適な実施形態においては、波長変換部内に周期分極反転構造を形成し、これによって基本光の波長を変換して高調波を出力する。このような周期分極反転構造の周期は波長に応じて変更する。また周期分極反転構造の形成方法も特に限定されないが、電圧印加法が好ましい。
【００１９】
あるいは、ニオブ酸リチウムカリウム、タンタル酸リチウムカリウム、ニオブ酸リチウムカリウム−タンタル酸リチウムカリウム固溶体のような非線形光学結晶を使用し、入射する基本光の波長を高調波に変換することも可能である。
【００２０】
波長変換素子部、分離部を構成する強誘電性材料は、互いに同一であることが好ましいが、同一でなくともよい。これら強誘電性材料は、光の変調が可能であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶などを例示することができる。
【００２１】
強誘電体性単結晶中には、光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。
【００２２】
強誘電性層単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。
【００２３】
表面側バッファ層、背面側バッファ層の材質は、金属酸化物が好ましく、酸化シリコン、弗化マグネシウム、窒化珪素、及びアルミナ、五酸化タンタルを例示できる。
【００２４】
接着剤層の材質は、有機接着剤であってよく、無機接着剤であってよい。有機接着剤としては、特に限定されないが、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤を例示できる。また、無機接着剤としては、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、五酸化タンタル、酸化チタン、五酸化ニオブ、酸化亜鉛、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を例示できる。
【００２５】
強誘電体層にリッジ型光導波路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。
【００２６】
支持基体２の材質は特に限定されない。好適な実施形態においては、支持基体２における熱膨張係数の最小値が波長変換素子部１７における熱膨張係数の最小値の１／５倍以上であり、かつ支持基体２における熱膨張係数の最大値が波長変換素子部１７における熱膨張係数の最大値の５倍以下である。
【００２７】
ここで、波長変換素子部１７、支持基体２をそれぞれ構成する各電気光学材料に熱膨張係数の異方性がない場合には、波長変換素子部１７、支持基体２において最小の熱膨張係数と最大の熱膨張係数とは一致する。波長変換素子部１７、支持基体２を構成する各電気光学材料に熱膨張係数の異方性がある場合には、各軸ごとに熱膨張係数が変化する場合がある。例えば、波長変換素子部１７を構成する各電気光学材料がニオブ酸リチウムである場合には、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の熱膨張係数が１６×１０−６／℃であり、これが最大値となる。Ｚ軸方向の熱膨張係数が５×１０−６／℃であり、これが最小値となる。従って、支持基体２の熱膨張係数の最小値は1×１０−６／℃以上とし、支持基体２の熱膨張係数の最大値は８０×１０−６／℃以下とする。なお、例えば石英ガラスの熱膨張係数は０．５×１０−６／℃であり、１×１０−６／℃未満である。
【００２８】
この観点からは、支持基体２の熱膨張係数の最小値を、波長変換素子部１７における熱膨張係数の最小値の１／２倍以上とすることが更に好ましい。また、支持基体２の熱膨張係数の最大値を、波長変換素子部１７の熱膨張係数の最大値の２倍以下とすることが更に好ましい。
【００２９】
支持基体２の具体的材質は、上記の条件を満足する限り、特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Siなどを例示することができる。この場合、熱膨張差の観点では、波長変換素子部と支持基板とを同じ材質とすることが好ましく、ニオブ酸リチウム単結晶が特に好ましい。
【００３０】
本発明の素子の幅Ｌは特に限定されないが、ハンドリングに必要な機械的強度という観点からは、0.5ｍｍ以上であることが好ましく、0.7ｍｍ以上であることが更に好ましい。また、分離部１８（または１９）と波長変換素子部１７との間隔Ｗ（強誘電性材料間の間隔）は、波長変換部４への環境温度の影響を抑制するという観点からは、５μｍ以上であることが好ましく、20μｍ以上であることが更に好ましい。Ｗの上限は特にないが、Ｗが大きくなると加工コストが増大するので、この観点からは、Ｗは200μｍ以下であることが好ましく、100μｍ以下であることが更に好ましい。
【００３１】
本発明の素子の製造方法は特に限定されないが、以下のような方法を例示できる。すなわち、強誘電体からなる基板を用意し、この一主面側から溝を設け、次いでこの基板を支持基体に対して接着する。この際、溝の設けられた一主面を接着面とする。次いで、強誘電体からなる基板をその背面側から研削加工および／または研磨加工によって加工し、基板の厚さを小さくする。この際，、前記の溝が、基板の一主面から背面へと向かって貫通するようにする。これによって、強誘電体基板が、少なくとも二つの分離部と、分離部から別体として切り離された波長変換素子部とに分かれる。
【００３２】
図３〜図６は、この製法に関するものである。まず、図３に示すように、強誘電性材料からなる基板２０を準備し、基板２０の主面２０ａ側に開口する溝２０Ａ、２０Ｂを形成する。溝２０Ａ、２０Ｂの形成方法は特に限定されず、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。また、好適な実施形態においては、この段階で、基板２０の主面２０ａ側にバッファ層６を形成しておく。
【００３３】
次いで、図４に示すように、基板２０を支持基体２に対して接着剤層３によって接着する。この際、基板２０の一主面２０ａが支持基体２に対して接着されるようにする。次いで、基板２０の反対側の主面２０ｂを加工し、基板２０の厚さを小さくする。この際、図５に示すように、溝２０Ａ、２０Ｂを貫通させ、各貫通溝１０Ａ、１０Ｂを形成する。これによって、波長変換素子を、分離部１８、１９に対して別体とする。
【００３４】
次いで、基板２１を表面２１ａ側から前述のように加工し、図６に示す溝８およびリッジ型光導波路１７ｃを形成する。次いで、上側バッファ層を形成することにより、図１に示す素子が得られる。
【実施例】
【００３５】
図３〜図６を参照しつつ説明した方法により、図１の素子を作製した。
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２０上に、周期6.56μｍの櫛状周期電極をフォトリソグラフィ法によって形成した。基板裏面には全面に電極膜を形成したのち、パルス電圧を印可して周期分極反転構造を形成した。周期分極反転を形成した後、MgO：LN基板２０の表面に、エッチングによって、幅20um、深さ5umの2本の溝２０Ａ、２０Ｂを100um離して形成した（図３）。溝２０Ａ、２０Ｂの形成後、厚さ0.4umのSiO2アンダークラッド層６をスパッタ法によって成膜した。
【００３６】
図４に示すように、厚さ0.5ｍｍのノンドープニオブ酸リチウムからなる支持基体２に接着剤３を塗布した後、前記の溝付きＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板２０と貼り合せた。ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板２０の主面２０ｂを、厚さ3.7μｍとなるまで研削、研磨で削り落とした。その結果、図５に示すように、前記の溝２０Ａ、２０Ｂが貫通して貫通溝１０Ａ、１０Ｂが形成され、１８、１９が波長変換素子部から分離された。次に、レーザーアブレーション加工法により、リッジ導波路１７ｃを形成した（図６参照）。形成したリッジ部１７ｃの幅は４．５μｍであり、溝８の深さは２μｍであった。リッジ加工後、スパッタ法により厚さ0.5umのTa2O5膜２３を導波路表面に成膜した（図１参照）。ダイサーで長さ12mm、幅1.4mmで素子を切断した後、両端を端面研磨した。その後、素子の両端に反射防止膜を施した。
【００３７】
この導波路において、半導体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２００ｍWに調整し、その基本光をレンズで導波路端面に集光した結果、140mWが導波路に結合できた。半導体レーザーの波長を温度によって可変させて位相整合する波長に調節した時に、最高41ｍWのSHG出力が得られた。その際の基本光の波長は1060〜1062ｎｍであった。そして、表1および図1に示すように、環境温度を−２０℃から＋８０℃まで変化させ、第二高調波の出力を測定したところ、第二高調波の出力変化は小さかった。
【００３８】
（比較例）
実施例と同様にして、図２に示す第二高調波発生装置を作製した。ただし、分離部１８、１９、溝１０Ａ、１０Ｂは形成しなかった。得られた素子について、表1および図1に示すように、環境温度を−２０℃から＋８０℃まで変化させ、第二高調波の出力を測定した。この結果、第二高調波の出力は、特に６０℃以上の温度で急激に低下した。
【００３９】
【表１】
2008209449.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態に係る波長変換素子１を概略的に示す断面図である。
【図２】比較例に係る波長変換素子１１を概略的に示す断面図である。
【図３】基板２０に溝２０Ａ、２０Ｂを形成した状態を示す断面図である。
【図４】図３の基板２０を支持基体２に接着した状態を示す断面図である。
【図５】図４の基板２０を加工し、貫通溝１０Ａ、１０Ｂを形成した状態を示す断面図である。
【図６】図５の基板にリッジ部１７ｃを形成した状態を示す断面図である。
【図７】実施例および比較例の素子を使用したときの、ＳＨＧ出力の温度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４１】
１  波長変換素子            ２  支持基体            ３  接着剤層            ４  波長変換部            ６Ａ、６Ｂ、６Ｃ  バッファ層            ８  リッジ加工溝            １０Ａ、１０Ｂ  貫通溝            １７  波長変換素子部            １７ａ  延在部            １７ｂ  溝形成部            １７ｃ  リッジ部            １７ｄ  波長変換素子部の側面            １７ｅ  波長変換素子部の底面              １８、１９  分離部            ２３  上側バッファ層
【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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