(57)【要約】【課題】  深さ方向の屈折率が対称であり、不純物混入による光損傷が起きない、安定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、Ｔａ（ｘ）Ｎｂ（２−ｘ）Ｏ５（０≦ｘ≦２）からなる組成のオーバークラッド層２３を有する。オーバークラッド層２３の屈折率は、コア２２の屈折率よりも小さくなるように、一定の値とするか、コア２２から外周部に向けてなだらかに小さくなるように制御されている。【選択図】  図４
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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、Ｔａ（ｘ）Ｎｂ（２−ｘ）Ｏ５（０≦ｘ≦２）からなる組成の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に記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記オーバークラッド層の組成（ｘ）は、前記オーバークラッド層の屈折率が前記コアの屈折率よりも小さくなるように、一定の値に制御されていることを特徴とする請求項１または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の組成（ｘ）は、前記オーバークラッド層の屈折率が前記コアの屈折率よりも小さく、および前記コアから外周部に向けてなだらかに小さくなるように制御されていることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記オーバークラッド層の厚さは、１μｍ以上２０μｍ以下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】
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、Ｔａ（ｘ）Ｎｂ（２−ｘ）Ｏ５（０≦ｘ≦２）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７】
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６に記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項８】
前記第４の工程は、前記リッジ型の光導波路を２００〜６００℃の温度に加熱し、前記オーバークラッド層をアモルファス構造にして、屈折率の異方性を無くすことを特徴とする請求項６または７に記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項９】
前記第４の工程は、前記リッジ型の光導波路を６００℃以上９００℃以下に加熱し、前記オーバークラッド層を結晶化させ、内部応力を低減することを特徴とする請求項６または７に記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項１０】
前記第４の工程は、前記オーバークラッド層の屈折率が前記コアの屈折率よりも小さくなるように、前記オーバークラッド層の組成（ｘ）を一定の値に制御することを特徴とする請求項６ないし９のいずれかに記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第４の工程は、前記オーバークラッド層の屈折率が前記コアの屈折率よりも小さく、および前記コアから外周部に向けてなだらかに小さくなるように、前記オーバークラッド層の組成（ｘ）を制御することを特徴とする請求項６ないし９のいずれか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。例えば、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。
【０００５】
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、上述したように、アンダークラッド層が単結晶基板（屈折率が約２）であり、オーバークラッド層が空気（屈折率が１）である。したがって、深さ方向（図１の上下方向）の屈折率が非対称となり、信号光と制御光の光電界分布も非対称となる。そのために、信号光と制御光との光電界の重なり積分に比例する波長変換効率は、両者の光電界の重なりが悪いため、大きくならないという問題があった。
【０００９】
波長変換素子の変換効率を上げるためには、コア層上部にアンダークラッド層の屈折率に近いオーバークラッド層を形成し、導波する光の光電界分布形状を真円に保ち、重なり積分を大きくすることが必要である。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）に用いた場合には、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。
【００１０】
しかしながら、１，０００℃以上の高温成長が必要であり技術的難度が高いこと、および、ＬＰＥ法はフラックス成分の混入による光損傷の問題を有することから、上述した方法により、オーバークラッド層を形成する方法は実用化されていない。また、他の方法によりＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３を形成する場合、この材料は蒸発し易いＬｉ元素を含むこと、酸素元素以外に３元素を含むことにより組成制御が困難であること、および、１μｍ以上のクラッド厚みを得るための実用的な成膜速度が得られないことにより、実用化に至っていない。ＬＮ，ＬＴ以外の材料についても、ＬＰＥ法を適用しない場合においては、同じ問題点を有している。
【００１１】
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、深さ方向の屈折率が対称であり、不純物混入による光損傷が起きない光導波路を含む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】
【００１２】
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、Ｔａ（ｘ）Ｎｂ（２−ｘ）Ｏ５（０≦ｘ≦２）からなる組成のオーバークラッド層を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１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。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記オーバークラッド層の組成（ｘ）は、前記オーバークラッド層の屈折率が前記コアの屈折率よりも小さくなるように、一定の値に制御されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記オーバークラッド層の組成（ｘ）は、前記オーバークラッド層の屈折率が前記コアの屈折率よりも小さく、および前記コアから外周部に向けてなだらかに小さくなるように制御されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の前記オーバークラッド層の厚さは、１μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１７】
請求項６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、Ｔａ（ｘ）Ｎｂ（２−ｘ）Ｏ５（０≦ｘ≦２）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。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項６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。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、請求項６または７に記載の前記第４の工程は、前記リッジ型の光導波路を２００〜６００℃の温度に加熱し、前記オーバークラッド層をアモルファス構造にして、屈折率の異方性を無くすことを特徴とする。
【００２０】
請求項９に記載の発明は、請求項６または７に記載の前記第４の工程は、前記リッジ型の光導波路を６００℃以上９００℃以下に加熱し、前記オーバークラッド層を結晶化させ、内部応力を低減することを特徴とする。
【００２１】
請求項１０に記載の発明は、請求項６ないし９のいずれかに記載の前記第４の工程は、前記オーバークラッド層の屈折率が前記コアの屈折率よりも小さくなるように、前記オーバークラッド層の組成（ｘ）を一定の値に制御することを特徴とする。
【００２２】
請求項１１に記載の発明は、請求項６ないし９のいずれかに記載の前記第４の工程は、前記オーバークラッド層の屈折率が前記コアの屈折率よりも小さく、および前記コアから外周部に向けてなだらかに小さくなるように、前記オーバークラッド層の組成（ｘ）を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、Ｔａ（ｘ）Ｎｂ（２−ｘ）Ｏ５（０≦ｘ≦２）からなる組成のオーバークラッド層を有するので、深さ方向の屈折率が対称であり、不純物混入による光損傷が起きない、安定なオーバークラッド層を形成することが可能となる。
【００２４】
また、本発明によれば、屈折率の制御が容易であるので、小型で高効率の波長変換素子およびシングルモード伝播の波長変換素子を作製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】
【００２５】
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、Ｔａ（ｘ）Ｎｂ（２−ｘ）Ｏ５（０≦ｘ≦２）からなる組成の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は、屈折率２．１〜２．４を有している。また、安定な酸化物Ｔａ２Ｏ５とＮｂ２Ｏ５とから成るため、成膜時の蒸発などが無く、組成制御が容易である。さらに、コア層材料と化学反応および相互拡散を起こさないので、コアの光学特性を劣化させない。
【００２６】
オーバークラッド層の厚さは、１μｍ以上２０μｍ以下であることが望ましい。１μｍ以上であれば、導波光の光電界分布のはみ出しが無視できるからであり、２０μｍ以下であれば、ダイシングソーによるリッジ型光導波路の加工が可能となるからである。
【００２７】
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。したがって、このコアに対して、安定なオーバークラッド層を形成することができる。
【００２８】
Ｔａ（ｘ）Ｎｂ（２−ｘ）Ｏ５（０≦ｘ≦２）からなるクラッド層は、２００〜６００℃の比較的低温ではアモルファス構造であり、高速に成膜することができる。クラッド層の構造がアモルファスであることにより、屈折率の異方性を無くすることができる。また、このクラッド層を高温で後処理して結晶化させることにより、または６００℃以上かつ結晶化の上限である９００℃以下の高温で成膜して単結晶化することにより、クラッド層の内部応力を低減して、機械的強度を改善することができる。
【実施例１】
【００２９】
図２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２（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、波長１．５μｍの通信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１０μｍ以下まで研磨する（図２（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１０μｍ以下のリッジ型導波路に加工する（図２（ｃ））。
【００３０】
このリッジ型導波路の上面および側面にオーバークラッド層として、Ｔａ２Ｏ５膜（ｘ＝１とする）をマグネトロンスパッタ法により成膜する。図３に、実施例１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Ｔａ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。
【００３１】
なお、スパッタターゲット３３の裏側にはマグネット３４ａ，３４ｂ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Ｔａ２Ｏ５膜を成膜する。このようにして、透明で屈折率が２．１０（波長１．５μｍ）、厚さ１０μｍ以上のアモルファスＴａ２Ｏ５膜を形成する。
【００３２】
図４に、本発明の一実施形態にかかる波長変換素子を示す。オーバークラッド層となるＴａ２Ｏ５膜２３の屈折率は、アンダークラッド層のＬＴ単結晶板２１の屈折率に近い値である。また、アモルファス構造であるため、屈折率の異方性の無い良好なクラッド膜を形成することができる。さらに、対向するスパッタターゲット３３の直径を、導波路断面幅（１０μｍ以下）より十分大きくすることにより、リッジ導波路の側面にも厚いＴａ２Ｏ５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。
【００３３】
実施例１によれば、波長１．５μｍでの屈折率は、Ｔａ２Ｏ５膜２３（オーバークラッド層）＝２．１０、ＬＮ結晶板２２からなるコア＝２．２、ＬＴ単結晶板２１（アンダークラッド層）＝２．１４となり、良好な埋め込み型光導波路を作製することができる。
【実施例２】
【００３４】
実施例２では、不純物ドープにより屈折率の異なる単結晶板を張り合わせて光導波路を作成する。厚さ５００μｍのＭｇドープＬＴ単結晶板２１に、厚さ３００μｍ、Ｚ軸方位のＺｎドープＬＮ単結晶板２２を真空中で直接接合させる（図２（ａ））。ＺｎドープＬＮ結晶板２２には、波長１．５μｍの通信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１０μｍ以下まで研磨する（図２（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１０μｍ以下のリッジ型導波路に加工する（図２（ｃ））。
【００３５】
このリッジ型導波路の上面および側面にオーバークラッド層として、Ｔａ２Ｏ５膜（ｘ＝１とする）をマグネトロンスパッタ法により成膜する。スパッタ装置の構成は、実施例１に示した図３に同じである。リッジ導波路基板３２は、５００℃に加熱して成膜する。このようにして、透明で屈折率が２．１０（波長１．５μｍ）、厚さ１０μｍ以上のアモルファスＴａ２Ｏ５膜を形成する。
【００３６】
実施例２によれば、熱膨張係数が同じ同種の基板を張り合わせたので、オーバークラッド層の成膜時の温度（５００℃）が、基板を直接接合する温度（４００℃）よりも高いにもかかわらず、基板の接合部に破損等を生じないで作製することができる。
【実施例３】
【００３７】
実施例３では、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を真空中で直接接合させる（図２（ａ））。ＬＮ結晶板２２には、波長１．５μｍの通信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１０μｍ以下まで研磨する（図２（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１０μｍ以下のリッジ型導波路に加工する（図２（ｃ））。
【００３８】
このリッジ型導波路の上面および側面にオーバークラッド層として、Ｔａ２Ｏ５膜を熱分解ＣＶＤ法により形成する。リッジ導波路基板は、反応容器内にカーボン製の保持具により固定する。出発原料として、Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５（Ｃ２Ｈ５ＯＨ含む）と酸素ガスとを用い、反応容器外部の蒸発器およびボンベから供給する。リッジ導波路基板を３５０℃に加熱し、下記の熱分解反応に基づいて成膜した。  
２Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５→Ｔａ２Ｏ５＋５Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋５Ｃ２Ｈ４ 
成膜速度は、Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５の蒸発温度と、Ｃ２Ｈ５ＯＨの添加量と、酸素ガス流量とにより制御し、０．０１μｍ／分以上の速度で成膜する。
【００３９】
このようにして、透明で屈折率が２．１０（波長１．５μｍ）、厚さ１０μｍ以上のアモルファスＴａ２Ｏ５膜２３を形成する（図４）。リッジ導波路の側面にも厚いＴａ２Ｏ５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。実施例３によれば、波長１．５μｍでの屈折率は、Ｔａ２Ｏ５膜２３（オーバークラッド層）＝２．１０、ＬＮ結晶板２２からなるコア＝２．２、ＬＴ単結晶板２１（アンダークラッド層）＝２．１となり、良好な埋め込み型光導波路を作製することができる。
【実施例４】
【００４０】
実施例４では、Ｚ軸方位のＬＮ単結晶板に、波長１．５μｍの通信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を形成した後、プロトン交換法によって拡散導波路を形成した結晶基板を用いる。なお、導波路の側壁をドライエッチングプロセスにより露出させてリッジ型導波路とした。このリッジ型導波路の上面および側面にオーバークラッド層として、Ｔａ２Ｏ５膜をマグネトロンスパッタ法により成膜する。スパッタターゲットには、直径１２０ｍｍ、厚さ５ｍｍのＴａ金属円板を用い、リッジ型導波路に対向するように配置する。
【００４１】
リッジ導波路基板を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Ｔａ２Ｏ５膜を成膜する。このようにして、透明で屈折率が２．１０（波長１．５μｍ）、厚さ１０μｍ以上のアモルファスＴａ２Ｏ５膜２３を形成する（図４）。対向するスパッタターゲットの直径を、導波路断面幅（１０μｍ以下）より十分大きくすることにより、リッジ導波路の側面にも厚いＴａ２Ｏ５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。
【００４２】
実施例４によれば、波長１．５μｍでの屈折率は、Ｔａ２Ｏ５膜２３（オーバークラッド層）＝２．１０、ＬＮ結晶板２２からなるコア＝２．２、ＬＴ単結晶板２１（アンダークラッド層）＝２．１４となり、良好な埋め込み型光導波路を作製することができる。
【実施例５】
【００４３】
実施例５では、Ｚ軸方位のＬＮ単結晶板に、波長１．５μｍの通信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を形成した後、プロトン交換法によって拡散導波路を形成した結晶基板を用いる。なお、導波路の側壁をドライエッチングプロセスにより露出させてリッジ型導波路とした。このリッジ型導波路の上面および側面にオーバークラッド層として、Ｎｂ（ｘ）Ｔａ（２−ｘ）Ｏ５（０≦ｘ≦２）膜をマグネトロンスパッタ法により成膜する。
【００４４】
実施例５では、膜の屈折率が２．１５になるような組成を選択する。Ｔａ２Ｏ５の屈折率＝２．１、Ｎｂ２Ｏ５の屈折率＝２．３を考慮して、ｘ＝０．２５、すなわちＮｂ０．２５Ｔａ１．７５Ｏ５の組成を選択する。スパッタターゲットには組成調整したＴａ／Ｎｂ合金板を用い、リッジ型導波路に対向するように配置する。
【００４５】
リッジ導波路基板を３００℃に加熱し、アルゴンスパッタガスと酸素ガスの雰囲気中において、０．１μｍ／分の速度で成膜する。このようにして、透明で厚さ１０μｍ以上のアモルファスＮｂ０．２５Ｔａ１．７５Ｏ５膜を形成する。対向するスパッタターゲットの直径を、導波路断面幅（１０μｍ以下）より十分大きくすることにより、リッジ導波路の側面にも厚い膜が付着し、導波路を包み込むカバーリッジも良好でとなる。
【００４６】
実施例５によれば、波長１．５μｍでの屈折率は、Ｎｂ０．２５Ｔａ１．７５Ｏ５膜（オーバークラッド層）＝２．１５、ＬＮ結晶板からなるコア＝２．２、ＬＴ単結晶板（アンダークラッド層）＝２．１４となり、良好な埋め込み型光導波路を作製することができる。実施例５によれば、オーバークラッド層の屈折率をＬＴ単結晶板の屈折率に近い値に調整することにより、シングルモードによる光伝播を実現することができる。
【実施例６】
【００４７】
実施例６では、Ｚ軸方位のＬＮ単結晶板に、所望の波長変換が可能となるように、周期的な分極反転構造を形成した後、プロトン交換法によって拡散導波路を形成した結晶基板を用いる。なお、導波路の側壁をドライエッチングプロセスにより露出させてリッジ型導波路とした。このリッジ型導波路の上面および側面にオーバークラッド層として、Ｎｂ（ｘ）Ｔａ（２−ｘ）Ｏ５（０≦ｘ≦２）膜をマグネトロンスパッタ法により成膜する。
【００４８】
実施例６では、成膜初期のｘ＝０．２５をｘ＝０まで連続変化させる。すなわち、オーバークラッドの組成は、Ｎｂ０．２５Ｔａ１．２５Ｏ５からＴａ２Ｏ５まで変化する傾斜組成とする。図５に、実施例６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Ｔａ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。さらに、２分割されたＮｂ金属ターゲット３６ａ，３６ｂを独立に用い、リッジ導波路基板３２に対して直上または斜め上方位置に対向して配置する。
【００４９】
スパッタ用電源３５からスパッタターゲット３３（Ｔａ金属ターゲット）に投入する電力を一定に保ち、スパッタ用電源３７からＮｂ金属ターゲット３６ａ，３６ｂに投入する電力を、Ｎｂ０．２５Ｔａ１．７５Ｏ５となる電力値から連続的に零まで減少させることにより、組成制御を行った。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と酸素ガスの雰囲気中において、０．１μｍ／分の速度で成膜する。
【００５０】
このようにして、透明で厚さ２μｍ以上のアモルファスＮｂ（ｘ）Ｔａ（２−ｘ）Ｏ５（０≦ｘ≦０．２５）膜を形成する。オーバークラッド層の屈折率は、リッジ型導波路のコアから外周部に向かって小さくなり、２．１５から２．１０まで（波長１．５μｍ）連続的に変化する。このようなオーバークラッド層を用いることにより、実施例１〜５よりも薄いオーバークラッド層であるにもかかわらず、光の閉じ込め、信号光と制御光の光電界の重なり積分の改善、およびシングルモード光伝播において同等の効果を得ることができる。なお、同等の効果を得るためのオーバークラッド層の厚さは、少なくとも１μｍ以上である。
【実施例７】
【００５１】
実施例７では、実施例１〜６で作製したリッジ導波路を、成膜時よりも高い温度環境で熱処理する。処理雰囲気は真空中または大気中で、処理温度６００℃以上で行う。スパッタリング法、イオンプレーティング法、または熱分解ＣＶＤ法のいずれの成膜法においても、成膜後にチャンバーあるいは反応容器から基板を取り出さずに残したまま、基板温度を上げて高温処理を行う。オーバークラッド層は、成膜時においてアモルファスであるが、６００℃以上で１時間以上加熱することにより結晶化する。また、スパッタ法では、成膜時にアルゴンガスが膜中に取り込まれるが、高温処理によりアルゴンガスが膜中から外部拡散により放出されるという効果がある。
【００５２】
膜の構造変化による緻密化とガス放出により、オーバークラッド層の内部応力が低減し、機械的強度は増加する。一般に、導波路基板上にクラッドを成膜すると、膜と基板の熱膨張係数の違いにより生ずるバイメタル効果、およびガス吸蔵による体積膨張の効果により、基板が反る傾向にある。しかしながら、実施例７によれば、緻密化とガス放出により、基板の反りを大幅に低減することができ、５０ｍｍ以上の光導波路を作製することができる。
【実施例８】
【００５３】
実施例８では、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を真空中で直接接合させる（図２（ａ））。ＬＮ単結晶板２２には、可視から中赤外の特定波長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１０μｍ以下まで研磨する（図２（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１０μｍ以下のリッジ型導波路に加工する（図２（ｃ））。
【００５４】
このリッジ型導波路の上面および側面にオーバークラッド層として、Ｔａ２Ｏ５膜をゾル・ゲル法により形成する。出発原料として、Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５とエタノールアミンとを反応させた安定化アルコキシドを用いる。これに水を加えて、加水分解・重合反応させたゾル液を生成する。スピンナーを用いて回転台に固定したリッジ型導波路に、ゾル液をコーティングし、乾燥させる。さらに、大気中でリッジ型導波路を６００℃に加熱し、膜の焼成を行いＴａ２Ｏ５膜の単結晶化膜を得た。
【００５５】
この工程１回の膜厚は約０．１μｍである。この工程を繰り返し、透明で屈折率が２．２〜２．１（波長６３３ｎｍ〜１．５μｍ）、厚さ５μｍ以上のＴａ２Ｏ５膜２３を形成する（図４）。薄い単結晶膜を繰り返し成膜することにより、オーバークラッド層の内部応力を緩和し、かつ緻密化できるので、基板の反りのない機械的強度の高いクラッドを形成することができる。リッジ導波路の側面にも厚いＴａ２Ｏ５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。このようにして、光学的、構造的に高品質のクラッドを形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
小型で高効率の波長変換が可能であり、かつシングルモード光伝播が可能な波長変換素子を提供することができ、出力光の波長が赤外から可視光領域まで広範囲にわたるレーザ光源に応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【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】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３】実施例１にかかるスパッタ装置の構成を示す図である。
【図４】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５】実施例６にかかるスパッタ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１１    基板
１２    コア
２１    ＬＴ単結晶板
２２    ＬＮ単結晶板
２３    Ｔａ２Ｏ５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
３４ａ，３４ｂ    マグネット
３５，３７    スパッタ用電源
３６ａ，３６ｂ    Ｎｂ金属ターゲット
【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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