(57)【要約】【課題】  基板と、材料的相性がよく、光学的特性が適性なオーバークラッド層を形成する。【解決手段】  非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有するコア２２が、基板２１上に形成されたリッジ型の光導波路を含む波長変換素子において、コア２２の基板２１に接していない面に、基板２１の熱膨張係数の０．７５倍から１．５倍の熱膨張係数を有しコア２２より屈折率が小さいオーバークラッド層２３を有する。オーバークラッド層を、酸化物とし、具体的には、ＭｇＯ膜とすることができる。また、コアとの屈折率差が大きく、光電界の大部分はコア層に閉じ込められて、信号光と制御光のモードの重なり積分が大きくなるので、波長変換素子の変換効率を上げることができる。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有するコアが、基板上に形成されたリッジ型の光導波路を含む波長変換素子において、
前記コアの前記基板に接していない面に、前記基板の熱膨張係数の０．７５倍から１．５倍の熱膨張係数を有し前記コアより屈折率が小さいオーバークラッド層を有することを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記オーバークラッド層は、酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記酸化物は、ＭｇＯであることを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記オーバークラッド層は、フッ化物であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記フッ化物は、ＭｇＦ２またはＣａＦ２であることを特徴とする請求項４に記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記非線形光学効果を有する材料は、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＴａＯ３、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１）、ＫＮｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１）、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５、ＢａＴｉＯ３のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記コアの矩形断面は、１０μｍ×１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項８】
前記オーバークラッド層の厚さは、１μｍ以上３０μｍ以下の厚膜であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項９】
前記オーバークラッド層の外側に、酸化物、フッ化物または有機物のいずれかから成る保護膜が形成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項１０】
非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有するコアが形成されたリッジ型の光導波路を含む波長変換素子の製造方法において、
前記非線形光学効果を有する材料からなり、前記周期的な分極反転構造を有する第１の基板と第２の基板とを、熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第１の工程と、
前記第１の基板を、前記コアを形成するための所定の厚さに研磨する第２の工程と、
前記第１の基板を切削して前記コアを形成し、リッジ型の光導波路を作製する第３の工程と、
前記コアの前記第１の基板に接していない面に、ＭｇＯからなる組成のオーバークラッド層を形成する第４の工程と
を備えたことを特徴とする波長変換素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第４の工程は、スパッタリング法、イオンプレーティング法、電子ビーム蒸着法、熱分解ＣＶＤ法、ゾル・ゲル法の少なくともいずれかにより、前記オーバークラッド層を形成することを特徴とする請求項１０に記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第４の工程は、前記リッジ型の光導波路を４００〜７００℃の大気中で後処理し、光学的特性を改善することを特徴とする請求項１０または１１に記載の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、波長変換素子およびその製造方法に関し、より詳細には、非線形光学媒質中で生じる第二高調波発生、差周波発生または和周波発生効果を用いて信号光の波長を異なる波長に変換する波長変換素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ光源は、波長分割多重方式または時分割多重方式を利用した光通信システム、光磁気ディスクなどの高密度記録媒体、医療、計測分野における測定器などに用いられている。これらレーザ光源に必要とされる波長は、赤外から可視光領域まで広範囲にわたっている。そこで、半導体レーザ、固体レーザ、ガスレーザでは得られない波長のレーザ光源を実現するために、結晶の非線形光学効果を利用した波長変換素子が開発されてきた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
波長変換素子においては、効率良く波長変換を行うために、信号光と制御光との位相整合が重要である。そこで、設計の自由度があり、かつ、高い変換効率を期待できる周期的な分極反転構造を用いた擬似位相整合技術が広く利用されている。一方、この波長変換素子の構造として、バルク型と導波路型とが知られている。導波路型は、小型化が容易であり、光の効率的な閉じ込めによる効率改善が進められたことにより、広く用いられている。導波路型の代表的な構造として、リッジ型導波路構造が用いられている。
【０００４】
リッジ型導波路は、図１に示したように、基板１１上に導波路パターンに応じて形成されたコア１２を有しており、ステップ型の屈折率分布を有する。コア１２は、基板１１に接していない３つの側面が空気層に接している。リッジ型導波路の利点は、コア１２の上部および側部に同屈折率の空気層を含むオーバークラッド層を形成することができるので、導波光の光電界分布形状が真円になる。オーバークラッド層の屈折率を制御することにより、信号光と制御光のモードの重なり積分を大きくして、波長変換効率を上げることができる。
【０００５】
従来、このリッジ型導波路は、基板１１としてＬｉＮｂＯ３（以後、ＬＮと略す）またはＬｉＴａＯ３（以後、ＬＴと略す）を用いて、以下のように作製されている。最初に、次の４通りのいずれかの方法により、コア層を形成する。（１）ＬＮ、ＬＴ単結晶基板上に液相エピタキシャル（ＬＰＥ）法によりコア層を成膜する。（２）ＬＮ、ＬＴ単結晶基板へのＴｉ拡散技術により、基板よりも屈折率の高いコア層を形成する。（３）ＬＮ、ＬＴ単結晶基板にプロトン交換を行うことにより、基板よりも屈折率の高いコア層を形成する。（４）異種材料基板（ＬＮ、ＬＴよりも屈折率が小さい材料）に薄いＬＮ、ＬＴ結晶基板を張り合わせて接合し、コア層にする。次に、コア層にフォトリソグラフィーにより導波路パターンを形成し、ドライエッチング法によりコア層側面を加工して、リッジ型導波路を作製する。
【０００６】
しかしながら、（１）のＬＰＥ法では、コア層の液相結晶成長に用いるフラックス中に含まれるＶ族元素が、光損傷を起こして素子特性を劣化させるという問題があった。（２）のＴｉ拡散法においても、Ｔｉ元素が光損傷を起こして素子特性を劣化させる。そこで、ＬＮ、ＬＴ結晶を用いた波長変換素子用のリッジ型導波路作製には、（３）のプロトン交換法および（４）の基板接合技術が用いられてきた。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３２８４０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
リッジ型光導波路は、コア１２の上部および側部が空気層（屈折率が１）であっても、動作することができる。しかし、実用上の問題点として、コア層を剥き出しにしていると、コア材質の経時変化が生じる。また、光導波路の端面にＡＲコートなどの膜を形成するために必要な耐機械的強度を考慮すると、保護膜を兼ねたオーバークラッド層を形成する必要がある。
【０００９】
オーバークラッド層の材料としては、例えば、ＬＮ，ＬＴ結晶を基板（アンダークラッド層）に用いた場合、同一組成から成るＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１）が最適材料であり、ＬＰＥ法によりエピタキシャル成長させることが望ましい。しかし、上述したＬＰＥ法における問題が解決されていないので、ＬＰＥ法によるオーバークラッド層の形成は実用化に至っていない。
【００１０】
一方、図２に示したように、基板１１に異種材料をオーバークラッド層１３として形成する場合には、オーバークラッド層１３の材料と基板１１との材料的相性および光学的特性の適性が問題となる。すなわち、材料的相性に関しては、基板１１と化学的に反応して不純物混入、機械的脆弱化を起こさないことが必要である。また、厚膜のオーバークラッド層１３を形成した場合に、基板１１との熱膨張係数の違いにより、図２に示したように、オーバークラッド層１３に圧縮応力が生じたり（図２（ａ））、オーバークラッド層１３に引張応力が生じる（図２（ｂ））。オーバークラッド層１３としてＳｉＯ２を用いると、図２（ａ）に示した圧縮応力が生じる。この応力によって、導波路の反り、破壊、屈折率のズレを起こさないようにすることが必要である。
【００１１】
また、光学的特性に関しては、オーバークラッド層に漏れて導波する光の吸収、散乱が生じないこと、適当な屈折率を有することによりコア層中の導波光モードが制御できることなどが挙げられる。しかしながら、このような材料的相性がよく、光学的特性が適性なオーバークラッド層を実現することが難しいという問題があった。
【００１２】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、材料的相性がよく、光学的特性が適性なオーバークラッド層を含む高効率の波長変換素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有するコアが、基板上に形成されたリッジ型の光導波路を含む波長変換素子において、前記コアの前記基板に接していない面に、前記基板の熱膨張係数の０．７５倍から１．５倍の熱膨張係数を有し前記コアより屈折率が小さいオーバークラッド層を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記オーバークラッド層は、酸化物であることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の前記酸化物は、ＭｇＯであることを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の前記オーバークラッド層は、フッ化物であることを特徴とする。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の前記フッ化物は、ＭｇＦ２またはＣａＦ２であることを特徴とする。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の前記非線形光学効果を有する材料は、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＴａＯ３、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１）、ＫＮｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１）、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５、ＢａＴｉＯ３のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の前記コアの矩形断面は、１０μｍ×１０μｍ以下であることを特徴とする。
【００２０】
請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の前記オーバークラッド層の厚さは、１μｍ以上３０μｍ以下の厚膜であることを特徴とする。
【００２１】
請求項９に記載の発明は、請求項１ないし８のいずれかに記載の前記オーバークラッド層の外側に、酸化物、フッ化物または有機物のいずれかから成る保護膜が形成されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項１０に記載の発明は、非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有するコアが形成されたリッジ型の光導波路を含む波長変換素子の製造方法において、前記非線形光学効果を有する材料からなり、前記周期的な分極反転構造を有する第１の基板と第２の基板とを、熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第１の工程と、前記第１の基板を、前記コアを形成するための所定の厚さに研磨する第２の工程と、前記第１の基板を切削して前記コアを形成し、リッジ型の光導波路を作製する第３の工程と、前記コアの前記第１の基板に接していない面に、ＭｇＯからなる組成のオーバークラッド層を形成する第４の工程とを備えたことを特徴とする。
【００２３】
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の前記第４の工程は、スパッタリング法、イオンプレーティング法、電子ビーム蒸着法、熱分解ＣＶＤ法、ゾル・ゲル法の少なくともいずれかにより、前記オーバークラッド層を形成することを特徴とする。
【００２４】
請求項１２に記載の発明は、請求項１０または１１に記載の前記第４の工程は、前記リッジ型の光導波路を４００〜７００℃の大気中で後処理し、光学的特性を改善することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように、本発明によれば、コアの基板に接していない面に、基板の熱膨張係数の０．７５倍から１．５倍の熱膨張係数を有しコアより屈折率が小さいオーバークラッド層を有するので、基板との材料的相性がよく、十分な強度を有し、光学的特性が適性な高効率の波長変換素子を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明では、波長変換素子に用いるリッジ型光導波路のコア周辺部に、基板の熱膨張係数の０．７５倍から１．５倍の熱膨張係数を有しコアより屈折率が小さいオーバークラッド層を形成する。このような組成のオーバークラッド層として、例えばＭｇＯ膜がある。ＭｇＯ膜は、安定な酸化物であるので、コア材料との化学反応、成分原子の相互拡散を起こさないという利点を有する。コア材料と反応し、Ｍｇがコア側に拡散したとしても、ＬＮ，ＬＴの場合、光損傷を抑えるために予めドープしてあるＭｇ元素と一致するので、コアの光学特性を劣化させることはない。
【００２７】
また、上述したオーバークラッド層として、フッ化物を用いることもできる。具体的には、ＭｇＦ２またはＣａＦ２である。これらフッ化物も、コア材料との化学反応、成分原子の相互拡散を起こさないという点で有利である。
【００２８】
ＭｇＯ膜のオーバークラッド層の熱膨張係数は、１３．８〜１４．７×１０−６／℃である。ＬＮ，ＬＴ基板の表面に平行な方向の熱膨張係数が１４．４〜１５．９×１０−６／℃であるから、両者をほぼ一致させることができる。オーバークラッド層の熱膨張係数が、基板の熱膨張係数の０．７５倍から１．５倍であれば、導波路の反り、破壊などは起こらない。従って、オーバークラッド層として少なくとも１μｍ以上の厚膜を形成しても、圧縮／引張応力は発生せず、反りや破壊は起こらない。なお、オーバークラッド層の厚さは、光の閉じ込め効果と反りの観点から、１μｍ以上３０μｍ以下であることが望ましく、より好ましくは、５μｍ以上２０μｍ以下であり、１０μｍ前後が最適である。
【００２９】
非線形光学効果を有する材料は、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＴａＯ３、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１）、ＫＮｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１）、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５、ＢａＴｉＯ３のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有している。このような非線形光学結晶を用いたコアは、屈折率２．０〜２．５である。オーバークラッド層の屈折率は、およそ１．７５を有しているので、屈折率差が大きい。この結果、光電界の大部分はコア層に閉じ込められて、信号光と制御光のモードの重なり積分が大きくなるので、波長変換素子の変換効率を上げることができる。
【００３０】
ＭｇＯの結晶構造は立方晶であるため、膜の結晶方位に依らずオーバークラッド層の屈折率の異方性が無くなるので、導波光の曲がり、散乱を無くすことができる。また、成膜時の条件によりオーバークラッド層に光の吸収、散乱が生じる場合がある。そこで、オーバークラッド層を４００〜７００℃の高温大気中で後処理することにより、吸収、散乱を無くし、光学的特性を改善することができる。
【００３１】
ＭｇＯの欠点は、長期的に見ると水分を吸収して劣化することである。そこで、オーバークラッド層の外側に別種材料、酸化物、フッ化物または有機物の保護膜を形成することにより、この問題を解決することができる。
【００３２】
図３に、本発明の一実施形態にかかるリッジ型導波路の製造方法を示す。厚さ５００μｍのＬＴ単結晶板２１に、厚さ３００μｍ、Ｚ軸方位のＬＮ単結晶板２２を重ね、真空中４００℃において１時間熱処理し、拡散接合によって貼り合わせる（図３（ａ））。ＬＮ単結晶板２２はコア層、ＬＴ単結晶板２１アンダークラッド層として機能する。なお、ＬＮ結晶板２２には、可視光波長帯において波長変換が可能となるように、周期的な分極反転構造が形成されている。次に、ＬＮ結晶板２２を厚さ５μｍまで研磨する（図３（ｂ））。さらに、ドライエッチングプロセスにより、導波路パターンを形成し、導波路幅が５μｍのリッジ型導波路に加工する（図３（ｃ））。このリッジ型導波路は、コアの矩形断面を５μｍ×５μｍ以下と小さくすることにより、オーバークラッド層を形成しなくてもシングルモード伝播が可能となる。
【００３３】
このリッジ型導波路の上面および側面に保護膜を兼ねたオーバークラッド層として、ＭｇＯ膜をマグネトロンスパッタ法により成膜する。図４に、本発明の一実施形態にかかるスパッタ装置の構成を示す。加熱ヒータ付の基板ホルダー３１にリッジ型導波路が形成された基板３２を載置する。スパッタターゲット３３には、直径１２０ｍｍ、厚さ５ｍｍの高純度Ｍｇ金属円板を用い、リッジ導波路基板３２に対向するように配置する。
【００３４】
なお、スパッタターゲット３３の裏側にはマグネット３４を固定して、スパッタターゲット３３を貫通する磁界により、電子のサイクロイド運動を生じさせる。スパッタターゲット３３前面のプラズマ密度を高めることにより、高速のスパッタ成膜を行う。リッジ導波路基板３２は、３００℃に加熱し、アルゴンスパッタガスに酸素ガスを加えることにより、ターゲットが酸化するスパッタモードにおいて、０．１μｍ／分の速度でＭｇＯ膜を成膜する。このようにして、透明で屈折率が１．７４、厚さ１０μｍ以上の配向性ＭｇＯ膜を形成する。
【００３５】
なお、ＭｇＯ膜の成膜は、スパッタリング法のみならず、イオンプレーティング法、電子ビーム蒸着法などの物理的蒸着法、熱分解ＣＶＤ法、ゾル・ゲル法の化学的蒸着法のいずれかを用いても行うことができる。図５に、ＭｇＯ膜の成膜方法の比較結果を示す。成膜速度は、スパッタリング法を１とした相対速度で示した。また、成膜時のプロセスの簡便性と制御性、および成膜後の損傷の度合いについて相対的比較を行った結果である。
【００３６】
図６に、本発明の一実施形態にかかる波長変換素子を示す。対向するスパッタターゲット３３の直径を１２ｃｍ程度とし、導波路断面を１０μｍ×１０μｍ以下に、より好ましくは、５μｍ×５μｍ以下にすることにより、リッジ導波路の側面にも厚いＭｇＯ膜２３が付着し、導波路を包み込むカバーリッジも良好となる。ＭｇＯ膜２３の結晶構造は立方晶であるため、屈折率の異方性の無い良好なクラッド層を形成することができる。また、ＭｇＯ膜２３は、成膜後に大気中で熱処理（４００〜７００℃）を行うことにより、オーバークラッド側に漏れて導波する光の吸収、散乱が生じないようにすることができる。なお、結晶性改善のために４００℃以上とする必要があるが、７００℃を超えると基板のワレが生じる場合がある。
【００３７】
図７に、保護膜を形成した波長変換素子を示す。オーバークラッド層とは別種材料である酸化物、フッ化物または有機物の保護膜２４を形成することにより、経年劣化の少ない良好な埋め込み型光導波路を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来のリッジ型導波路の構造を示す断面図である。
【図２】オーバークラッド層を形成したリッジ型導波路の反りを示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかるリッジ型導波路の製造方法を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかるスパッタ装置の構成を示す図である。
【図５】ＭｇＯ膜の成膜方法の比較結果を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかる波長変換素子を示す断面図である。
【図７】保護膜を形成した波長変換素子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１１    基板
１２    コア
１３    オーバークラッド層
２１    ＬＴ単結晶板
２２    ＬＮ単結晶板
２３    ＭｇＯ膜
２４    保護膜
３１    基板ホルダー
３２    リッジ型導波路基板
３３    スパッタターゲット
３４    マグネット
３５    スパッタ用電源
【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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