(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電性材料からなり、リッジ型光導波路を含む波長変換部、この波長変換部の両側にそれぞれ設けられている延在部、および前記波長変換部と前記の各延在部との間にそれぞれ設けられている溝形成部を備えている強誘電体層、
この強誘電体層の背面側に接合されている支持基板、および
前記延在部の背面の少なくとも一部を被覆する背面側金属膜を備えており、前記波長変換部の背面が前記背面側金属膜によって被覆されておらず、前記延在部の表面の少なくとも一部が表面側金属膜によって被覆されていることを特徴とする、波長変換素子。
【請求項２】
前記溝形成部の背面側の少なくとも一部が前記背面側金属膜によって被覆されていることを特徴とする、請求項１記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記強誘電体層の前記背面および前記背面側金属膜を被覆する背面側バッファ層を備えていることを特徴とする、請求項１または２記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記延在部の表面および前記表面側金属膜を被覆する表面側バッファ層を備えてい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波長変換素子。
【請求項５】
強誘電性材料からなり、リッジ型光導波路を含む波長変換部、この波長変換部の両側にそれぞれ設けられている延在部、および前記波長変換部と前記の各延在部との間にそれぞれ設けられている溝形成部を備えている強誘電体層、
この強誘電体層の背面側に接合されている支持基板、および
前記延在部の表面の少なくとも一部を被覆する表面側金属膜を備えており、前記波長変換部の表面が前記表面側金属膜によって被覆されておらず、前記延在部の背面の少なくとも一部を被覆する背面側金属膜を備えていることを特徴とする、波長変換素子。
【請求項６】
前記強誘電体層の表面および前記表面側金属膜を被覆する表面側バッファ層を備えていることを特徴とする、請求項５記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記溝形成部の背面の少なくとも一部が前記背面側金属膜によって被覆されていることを特徴とする、請求項５または６記載の波長変換素子。
【請求項８】
前記延在部の背面および前記背面側金属膜を被覆する背面側バッファ層を備えていることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一つの請求項に記載の波長変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【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】
本出願人は、特許文献１において、酸化物単結晶をエキシマレーザーによってアブレーション加工することで、第二高調波発生デバイス用のリッジ型光導波路を形成することを開示した。こうした酸化物単結晶として、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体を開示した。
【特許文献１】特開平９−２６９４３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本出願人は、このような第二高調波発生素子の実用化を研究している。この実用化段階において、例えば、青色レーザー光や紫外レーザー光（第二高調波）をコリメートすることによって、プロファイルビームを得、これを分析してみた。このプロファイルビームは、例えば図７に示すようなものである。
【０００５】
このプロファイルビームを見ると、垂直方向に見て、主ビームの上と下とに、それぞれ低空間周波数パターンが現れている。これは光導波路の上下への漏光によるものである。低空間周波数パターンは、主ビームから上下にそれぞれ離れているので、比較的容易にカットできるし、主ビームの強度はカット後にも低下しない。
【０００６】
一方、プロファイルビームの水平方向に高空間周波数パターンが現れている。これは、リッジ型の光導波路部の両側にあるスラブ導波路部への漏光によるものである。これは、強誘電体層と接着層との間の屈折率段差が大きいため、漏洩光が基板に放射せず、スラブ部を伝搬して端面から出射されるためである。このような高空間周波数パターンは、主ビームと重なるため、分離除去が困難であるし、分離除去後には、主ビームの強度が著しく低下する。したがって、ビームの品質劣化を招く。
【０００７】
本発明の課題は、波長変換後の変換光のビーム品質を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第一の発明は、強誘電性材料からなり、リッジ型光導波路を含む波長変換部、この波長変換部の両側にそれぞれ設けられている延在部、および波長変換部と各延在部との間にそれぞれ設けられている溝形成部を備えている強誘電体層、
この強誘電体層の背面側に接合されている支持基板、および
延在部の背面の少なくとも一部を被覆する背面側金属膜を備えており、
波長変換部の背面が背面側金属膜によって被覆されておらず、延在部の表面の少なくとも一部が表面側金属膜によって被覆されていることを特徴とする。
【０００９】
また、第二の発明は、強誘電性材料からなり、リッジ型光導波路を含む波長変換部、この波長変換部の両側にそれぞれ設けられている延在部、および前記波長変換部と前記の各延在部との間にそれぞれ設けられている溝形成部を備えている強誘電体層、
この強誘電体層の背面側に接合されている支持基板、および
延在部の表面の少なくとも一部を被覆する表面側金属膜を備えており、
波長変換部の表面が表面側金属膜によって被覆されておらず、延在部の背面の少なくとも一部を被覆する背面側金属膜を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明者は、波長変換光内に含まれる水平方向の高空間周波数パターンについて種々見当した結果、延在部の背面の少なくとも一部を背面側金属膜で被覆することによって、このようなパターンを著しく低減し、ビーム品質を向上させ得ることを見いだし、本発明に到達した。ただし、波長変換部の背面を背面側金属膜によって被覆すると、波長変換部内を伝搬する光が吸収され、出力が低下するので、波長変換部の背面は被覆しない。
【００１１】
また、延在部の表面の少なくとも一部を表面側金属膜によって被覆することによって、前記のような水平方向の高空間周波数パターンを著しく低減し、ビーム品質を向上させ得ることを見いだし、本発明に到達した。ただし、波長変換部の表面を金属膜によって被覆すると、波長変換部内を伝搬する光が吸収され、出力が低下するので、波長変換部の表面は被覆しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
好適な実施形態においては、溝形成部の背面側の少なくとも一部も背面側金属膜によって被覆できる。また、溝形成部の表面側は金属膜によって被覆しないことが好ましい。
【００１３】
好適な実施形態においては、強誘電体層の背面および背面側金属膜を被覆する背面側バッファ層を設ける。これによって、変換光の出力を一層向上させることができる。
【００１４】
また、好適な実施形態においては、延在部の表面および表面側金属膜を被覆する表面側バッファ層を設ける。これによって、変換光の出力を一層向上させることができる。
【００１５】
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、素子１の斜視図である。
【００１６】
強誘電体層６は、リッジ型光導波路を含む波長変換部Ｅ、波長変換部Ｅの両側に設けられている溝形成部Ｃ、Ｄおよび各溝形成部の外側に設けられている延在部Ａ、Ｂを備えている。溝形成部は、波長変換部および延在部に比べて薄くなっており、表面側に溝6ｃ、6ｄが形成されている。強誘電体層の表面6ａ側には表面側バッファ層４Ａが形成されており、背面側には背面側バッファ層４Ｂが形成されている。強誘電体層６は、バッファ層４Ｂ、接着層３を介して支持基板２に対して接合されている。なお、強誘電体層の背面とは、支持基板に対して接合される側の主面であり、表面とは、背面の反対側の主面である。
【００１７】
本例においては、強誘電体層６のうち、各延在部Ａ、Ｂの各表面6ａにそれぞれ表面側金属膜8Ａ、8Ｂが形成されておいる。各表面側金属膜は、溝の近くまで延在部を被覆しているが、溝の壁面は被覆していない。そして、強誘電体層６の表面6ａおよび各表面側金属膜８Ａ、８Ｂを被覆するように、表面側バッファ層４Ａが形成されている。
【００１８】
また、延在部６のうち、各延在部Ａ、Ｂの背面６ｆにそれぞれ背面側金属膜5、５Ｂが形成されている。各背面側金属膜は、溝形成部Ｃ、Ｄの近くまで被覆しているが、溝形成部の背面は被覆していない。そして、強誘電体層６の背面６ｆおよび各背面側金属膜５Ａ、５Ｂを被覆するように、背面側バッファ層４Ｂが設けられている。
【００１９】
ここで、表面側金属膜および背面側金属膜がない場合には、例えば図３に示すように、強誘電体層６と接着層3の間の屈折率段差が大きいため、漏洩光Ｆが基板２に放射せず、スラブ部Ａ、Ｂを伝搬して強誘電体層６の端面から出射される傾向があることがわかった。このような高空間周波数パターンは、主ビームと重なるため、分離除去が困難であるし、分離除去後には、主ビームの強度が著しく低下する。
【００２０】
これに対して、本発明によれば、例えば図４に示すように、矢印Ｇのようにスラブ部へと向かって漏光する光が、溝形成部を通過したところで、金属膜５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄによって吸収され、漏光が著しく減少する。これによって、端面から出射するビームの品質を向上させ、その利用可能な出力を向上させることが可能となる。
【００２１】
図５の参考例では、背面側金属膜５Ａ、５Ｂを設ける。
【００２２】
図６の参考例においては、背面側金属膜５Ｃ、５Ｄによって、延在部Ａ、Ｂの背面６ｆだけでなく、更に溝形成部Ｃ、Ｄの背面まで１０のように被覆している。これによって、延在部側への漏光防止作用は一層顕著となる。
【００２３】
表面側金属膜、背面側金属膜は、延在部の表面あるいは背面を全面にわたって被覆していてよいが、全面にわたって被覆していることは要件ではない。好ましくは、溝の端部Ｐから表面側金属膜あるいは背面側金属膜までの水平方向距離をｔとする（図４）と、ｔは  50μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることが更に好ましい。
【００２４】
また、溝形成部の表面は、金属膜によって被覆されていないことが好ましい。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
強誘電体層を構成する材質は、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。
【００２８】
強誘電体単結晶中には、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。
【００２９】
強誘電体単結晶中には、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。
【００３０】
表面側金属膜、背面側金属膜の材質は、特に限定されるものではなく、金、銀、銅、アルミニウム、チタン、モリブデン、タングステンを例示できる。
【００３１】
表面側バッファ層、背面側バッファ層の材質は、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。
【００３２】
接合層の材質は、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。
【００３３】
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、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。
【００３４】
また無機接着剤としては、低誘電率で接着温度（作業温度）が約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。
【００３５】
表面側金属膜、背面側金属膜の厚さは特に限定されない。本発明の観点からは、各金属膜の厚さは５ｎｍ以上であることが好ましく、１０ｎｍ以上であることが更に好ましい。また、これらの金属膜の厚さの上限は特にないが、実用上は１μｍ以下であることが好ましい。
【００３６】
表面側金属膜、背面側金属膜を形成する方法は特に限定されず、スパッタリング、蒸着、メッキ等を例示できる。
【００３７】
強誘電体層にリッジ型の光導波路７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。
【００３８】
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強誘電体層６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強誘電体層６における熱膨張係数の最大値の５倍以下である。
【００３９】
ここで、強誘電体層６、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、強誘電体層６、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。強誘電体層６、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、強誘電体層６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。
【００４０】
この観点からは、支持基体２の熱膨張係数の最小値を、強誘電体層６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、強誘電体層６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。
【００４１】
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、強誘電体層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。
【実施例】
【００４２】
（参考例１）
図５に示すような素子を作製した。具体的には、予め周期６．５０μｍの周期状分極反転構造を形成した厚さ５００μｍのＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板に、スパッタ法によって厚み０．０５μｍのＡｌ金属からなる金属膜を成膜した。次いで、塩素系エッチングガスにてドライエッチングを行い、導波路溝に近接するように金属膜５Ａ、５Ｂのパターンを形成した。その後、金属膜５Ａ、５Ｂパターンの上から、ウエハー全面にスパッタリンク法によりSiO2膜４Ｂ（バッファ層）を成膜した。
【００４３】
厚さ１ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板２に接着剤３を塗布した後、前記ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板を貼り合せた。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、研磨で削り落とした。次いで、レーザーアブレーション加工でリッジ型光導波路７を形成した。リッジ型光導波路７の幅が４．５μｍであり、溝の深さが２μｍである。リッジ加工後、スパッタ法により、厚さ０．５μｍのＴａ２Ｏ５膜４Ａ（バッファ層）を導波路表面に成膜した。次いで、ダイサーでウエハーを切断し、長さ12mm、幅1.4mmの素子を得た。素子の両端を端面研磨した。
【００４４】
この導波路において光学特性を測定した。基本光を１００ｍＷ入力した時に、SHG出力が１５ｍＷであった。SHG光のビーム品質（M2値）をビームプロファイラで測定した。スラブ部から出射していたSHGの散乱光が減少した結果、1.1が得られた。なお、この導波路の基本光の波長は1.06μｍで、ＳＨＧ光の波長は0.53μｍであった。また、M2値は、理想的なガウシアンビームの場合は1.0になる。ビームのプロファイルが崩れる程、大きな値になる。
【００４５】
（比較例１）
参考例１と同様にして素子を作製したが、ただし背面側金属膜は設けていない。周期６．５０μｍの周期状分極反転構造を形成した厚さ５００μｍのＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板に、スパッタリング法によって厚み０．５μｍのSiO2膜４Ｂ（バッファ層）を成膜した。厚さ１ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板に接着剤３を塗布した後、前記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、研磨で削り落とした。次いで、レーザーアブレーション加工でリッジ型導波路７を形成した。リッジ型光導波路７の幅が４．５μｍであり、溝の深さが２μｍである。リッジ加工後、スパッタ法により厚さ０．５μｍのTa2O5膜４Ａを導波路表面に成膜した。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。
【００４６】
この導波路において光学特性を測定した。基本光を１００ｍＷ入力した時に、SHG出力が１５ｍＷであった。SHG光のビーム品質（M2値）をビームプロファイラで測定した結果、1.6が得られた。なお、この導波路の基本光の波長は1.06μｍで、ＳＨＧ光の波長は0.53μｍであった。
【００４７】
（参考例２）
参考例１と同様にして素子を作製した。ただし、背面側金属膜は設けず、図１に示す表面側金属膜８Ａ、８Ｂのみを設けた。この導波路において光学特性を測定した。基本光を１００ｍＷ入力した時に、SHG出力が１５ｍＷであった。SHG光のビーム品質（M2値）をビームプロファイラで測定した結果、１．２であった。なお、この導波路の基本光の波長は1.06μｍで、ＳＨＧ光の波長は0.53μｍであった。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態に係る素子１を概略的に示す断面図である。
【図２】図１の素子１を概略的に示す斜視図である。
【図３】参考例の素子の拡大断面図である。
【図４】本発明の実施例に係る素子の拡大断面図である。
【図５】参考形態に係る素子１Ａの断面図である。
【図６】参考形態に係る素子１Ｂの断面図である。
【図７】ビーム中の高空間周波数パターンおよび低い空間周波数パターンを示す写真である。
【符号の説明】
【００４９】
１、１Ａ、１Ｂ  波長変換素子            ２  支持基板            ３  接合層        ４Ａ  表面側バッファ層            ４Ｂ  背面側バッファ層            ５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ  背面側金属膜            ６  強誘電体層            ６ａ  強誘電体層の表面            ６ｃ、６ｄ  溝              ６ｆ  背面            ７  リッジ型光導波路            ８Ａ、８Ｂ  表面側金属膜            Ａ、Ｂ  延在部            Ｃ、Ｄ  溝形成部          Ｅ  波長変換部            Ｆ、Ｇ  漏光
【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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