(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学効果を有する材料でできた基板と、
該基板に形成された光導波層と、
該光導波層の上であって前記基板の表面に形成されたクラッド層とを備え、
前記光導波層内で波長λの基本波が波長λ／２の高調波に変換される光波長変換素子において、
前記光導波層に周期状の分極反転構造が形成されており、
前記クラッド層の厚さは、前記波長λ／２の光に対する導波条件を満足し且つ前記波長λの光に対してはカットオフ条件を満足するように設定されており、
前記クラッド層の実効屈折率Ｎｃと前記光導波層の実効屈折率Ｎｆとは、Ｎｃ＞１．０２・Ｎｆの関係を満足していることを特徴とする光波長変換素子。
【請求項２】
前記光導波層がストライプ状である請求項１記載の光波長変換素子。
【請求項３】
前記クラッド層がストライプ状である請求項１記載の光波長変換素子。
【請求項４】
前記光導波層の表面にストライプ状にリッジが形成されており、前記クラッド層は該リッジ上にストライプ状に形成されている、請求項１に記載の光波長変換素子。
【請求項５】
非線形光学効果を有する材料でできた円筒状のコアと、
該コアの周辺部を覆っているクラッド層とを備え、
前記コア内で波長λの基本波が波長λ／２の高調波に変換される光波長変換素子において、
前記コアに周期状の分極反転構造が形成されており、
前記クラッド層の厚さは、前記波長λ／２の光に対する導波条件を満足し且つ前記波長λの光に対してはカットオフ条件を満足するように設定されており、
前記クラッド層の実効屈折率Ｎｃと前記コアの実効屈折率Ｎｆとは、Ｎｃ＞１．０２・Ｎｆの関係を満足していることを特徴とする光波長変換素子。
【請求項６】
前記光導波層において、前記波長λの光は基本モードで伝搬し、前記波長λ／２の光は高次モードで伝搬する、請求項１から４のいずれかに記載の光波長変換素子。
【請求項７】
前記クラッド層が多層膜からなっている、請求項１から６のいずれかに記載の光波長変換素子。
【請求項８】
半導体レーザと、光波長変換素子と、を備え、該半導体レーザから出射された光の波長が該光波長変換素子により変換される短波長光発生装置であって、該光波長変換素子が請求項１から７のいずれかに記載のものである、短波長光発生装置。
【請求項９】
短波長光発生装置と、集光光学系と、を備え、該短波長光発生装置から出射される短波長光が該集光光学系により集光される光ピックアップであって、該短波長光発生装置が請求項８に記載のものである、光ピックアップ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コヒーレント光源を応用した光情報処理或いは光応用計測に使用される光導波路、及びそれを使用した光波長変換素子、ならびにそれらの製造方法に関する。さらに、上記のような光導波路或いは光波長変換素子を用いて構成される短波長光発生装置、及びそれを用いた光ピックアップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路は、光波制御技術として、通信、光情報処理、計測などの広い分野で応用されている。中でも、光導波路を光波長変換素子に適用すれば、半導体レーザから出射されるレーザ光（基本波）の波長をそのような光波長変換素子で変換し、より短波長の光（第２高調波）を得ることができる小型の短波長光源が実現されるので、盛んに研究が行われている。
【０００３】
従来の光導波路としては、埋め込み型光導波路が一般に用いられている。図１（ａ）〜（ｄ）は、プロトンイオン（＋Ｈ）の交換を行うプロトン交換処理と熱処理とによって埋め込み型光導波路を製造する、従来技術による方法を説明する断面図である。
【０００４】
具体的には、まず図１（ａ）に示すように、LiTaO3基板１１の表面（＋Ｃ面）に、直線状の開口部を有するTa層１２を形成する。Ta層１２は、LiTaO3基板１１の表面を、所定の領域を除いてマスクする。
【０００５】
次に、Ta層１２でマスクされたLiTaO3基板１１を、約２２０℃〜約３００℃のピロリン酸で処理して、図１（ｂ）に示すように、マスクされていないLiTaO3基板１１の表面近傍にプロトン交換処理された領域１３（以下では、「プロトン交換領域」とも称する）を形成する。
【０００６】
続いて、Ta層１２をフッ酸と硝酸とを１：２で混合した溶液に数秒間浸して、図１（ｃ）に示すようにTa層１２を除去する。
【０００７】
その後に、LiTaO3基板１１をアニール処理して、図１（ｄ）に示すように、アニール処理されたプロトン交換層１４を形成する。このようにして形成されたアニール処理されたプロトン交換層１４が、埋め込み型光導波路として機能する。
【０００８】
一方、光の閉じ込めを強化するためにリッジ型の光導波路構造を採用した光波長変換素子が、例えば特開平１−２３８６３１号公報に開示されている。
【０００９】
図２（ａ）に示すのはそのようなリッジ型光導波路２２を含む従来の光波長変換素子の構成の一例であり、LiNbO3基板２１の上に形成された光導波路２２の表面がリッジ状に加工されている。すなわち、図２（ａ）の線２Ｂ−２Ｂに沿った断面図である図２（ｂ）に示すように、光が導波する部分（すなわち、リッジ部）２２ａの厚さｄが、側部２２ｂの厚さｈよりも大きくなっている。光導波路２２にリッジを設け、そこを光の導波部分２２ａとして機能させることにより、光の横方向の閉じ込めが強まって導波路２２の内部での基本波のパワー密度が向上され、基本波から第２高調波への変換効率の向上を実現している。
【００１０】
さらに、図２（ａ）の光波長変換素子の構成では、光導波路２２の厚さが、基本波Ｐ１が入射する端面２４の近傍でその他の部分よりも厚くなっていて、LiNbO3基板２１への入射部２３を構成している。図２（ａ）の線２Ｃ−２Ｃに沿った断面図である図２（ｃ）に示すように、端面２４から入射部２３を通ってLiNbO3基板２１に入射した基本波Ｐ１は、波長が変換されて第２高調波Ｐ２となった後に、出射部２５からLiNbO3基板２１の外へ出ていく。
【００１１】
さらに、例えば特開昭６１−９４０３１号公報には、装荷型光導波路を用いた光波長変換素子が開示されている。このような光波長変換素子の構成の一例を、図３に示す。
【００１２】
具体的には、LiNbO3基板３１の上にプロトン交換によって光導波路３２が形成され、さらにその上には、光導波路３２より低い屈折率を有するSiO2によって、ストライプ状のクラッド層（装荷層）３３が形成されている。このような構成を有する装荷型光導波路により、低損失の導波路の形成が可能となって、基本波Ｐ１を高効率で第２高調波Ｐ２に変換する光波長変換素子が実現される。
【００１３】
また、LiNbO3基板にリッジ型導波路を形成する以下のような方法が、すでに報告されている。
【００１４】
LiNbO3は機械的及び化学的に安定な材料であってエッチングされ難いために、レジストとのエッチング選択比が小さい。そのため、LiNbO3の表面に深いエッチング形状を作製することは、一般に困難である。しかし、プロトン交換処理されたLiNbO3では、エッチング速度が、未処理の基板の数倍に速まる。この現象を利用して、以下のようなリッジ型光導波路の製造方法が提案されている。すなわち、Ｃ板のLiNbO3基板を適切な酸の中で熱処理して、その表面にプロトン交換層を形成する。さらに、形成されたプロトン交換層の上にフォトリソグラフィ法でストライプ状のTi保護マスク層を形成し、ＥＣＲエッチングにより非マスク部分をエッチングする。その後にTi保護マスク層を除去し、光導波路の両端面を光学研磨して、入出射部を形成する。
【００１５】
一方、図４は、埋め込み型光導波路を用いた光波長変換素子の他の構成を示す。すなわち、LiNbO3基板４１の上にプロトン交換光導波路４２が形成され、さらにその上には、光導波路４２より高い屈折率を有するTiO2によってクラッド層（装荷層）４３が形成されている。また、光導波路４２に周期的に直交するように、複数の分極反転層４４が形成されている。このような構成の入射部４５から入射した基本波Ｐ１は、光導波路４２を伝搬しながら分極反転層４４とオーバラップして第２高調波Ｐ２に変換され、出射部４６から外に出てくる。
【００１６】
図５（ａ）及び（ｂ）は、クラッド層（装荷層）４３がない構成とある構成とにおける、光導波路４２の導波モードと分極反転層４４とのオーバラップを模式的に示す図である。図５（ａ）及び（ｂ）のそれぞれにおいて、図の左側には光波長変換素子の断面構造を示し、図の右側には、導波路断面の深さ方向の伝搬光の電界分布を表す。
【００１７】
図５（ａ）に示すクラッド層を有さない構成では、分極反転層４４とオーバラップして高調波に変換されるのは伝搬光（基本波Ｐ１）の約半分（図５（ａ）の右側に示された電界分布におけるハッチングされた領域）に過ぎず、得られる高調波出力はあまり大きくない。一方、図５（ｂ）に示すように光導波路４２の上に屈折率が大きいクラッド層４３を有する構成では、伝搬光（基本波Ｐ１）の大部分（図５（ｂ）の右側に示された電界分布におけるハッチングされた領域）が分極反転層４４にオーバラップするので、基本波Ｐ１を高効率で第２高調波Ｐ２に変換する光波長変換素子が実現される。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
光導波路を光波長変換素子に適用する際には、導波モード（基本波及び第２高調波）間のオーバラップが、高効率の光波長変換素子を実現するための重要な要素である。すなわち、基本波の電界分布と第２高調波と電界分布とのオーバラップが大きいほど、光波長変換素子の変換効率が大きくなる。高効率の光波長変換素子を実現するために基本波の電界分布と第２高調波と電界分布とのオーバラップを大きくするには、例えば、光導波路の屈折率分布をステップ状にすることが考えられる。
【００１９】
しかし、上記のようにプロトン交換処理と熱処理とによって埋め込み型光導波路を製造する従来技術の方法では、形成される光導波路の屈折率分布が、プロトンの熱拡散状態に依存して、表面近傍の屈折率が高く深さ方向に向かって次第に低くなるグレーディッド状となる。このような屈折率分布状態の下では、導波する基本波と第２高調波との間で電界分布が大きく異なり、高効率の光波長変換素子の実現が困難である。また、この従来の方法では、光導波路の屈折率分布を自由に制御できない。
【００２０】
また、従来の埋め込み型光導波路では、導波路の周辺部への漏れ光によって光損傷が発生しやすく、高いパワー密度を有する光を導波させて高出力の第２高調波を発生させることが難しい。
【００２１】
一方、光導波路の上にクラッド層が形成されている構成では、光導波路の閉じ込めを強化して高効率化を図っている。すなわち、光導波路を伝搬する導波光のモード分布（基本モード）を、クラッド層によって表面近傍に移動させて、分極反転部分と基本モードの基本波或いは基本モードの第２高調波とのオーバラップを、向上させようとしている。
【００２２】
しかし、従来の構成では、分極反転部と導波モードとの間のオーバラップの増大は図れるが、変換効率への影響が最も大きい基本波と第２高調波との間のオーバラップの増大が図れないために、変換効率の向上に限界がある。これは、基本波と第２高調波とでは、波長の違いより光導波路内での導波モードの分布が互いに大きく異なるため、両モード間のオーバラップの増大に制限があるためである。
【００２３】
さらに、基本波と第２高調波とがオーバラップしない部分が大きいために、光損傷の発生による第２高調波出力の不安定性が生じ得る。
【００２４】
一方、リッジ型光導波路を用いる従来の光波長変換素子では、光導波路の閉じ込め効果によるパワー密度の増大により、変換効率の向上を達成している。しかし、基本波に対するリッジ導波路による閉じ込め効果の増大は横方向に限られていて、深さ方向の閉じ込めは向上しない。これより、変換効率への影響が最も大きい基本波と第２高調波との間のオーバラップ（特に深さ方向のオーバラップ）の増大がリッジ構造では達成できず、変換効率の向上に限界がある。
【００２５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、（１）屈折率分布の制御が可能であって、基本波と第２高調波とのオーバーラップを大きくすることができるとともに、耐光損傷性に優れた導波構造を有する光導波路を提供すること、（２）上記のような光導波路を利用して、高出力の第２高調波出力を安定して高効率に供給できる光導波路を提供すること、（３）そのような光導波路及び光波長変換素子の製造方法を提供すること、及び、（４）前述の光導波路や光波長変換素子を用いて形成される短波長光発生装置や光ピックアップを提供すること、である。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光導波路は、光学材料と、該光学材料に形成された光導波層と、該光導波層の表面に形成されたクラッド層と、を備え、該光導波層は波長λ１の光及び波長λ２の光（λ１＞λ２）が導波可能であり、該クラッド層の屈折率と厚さは、該波長λ２の光に対する導波条件を満足し且つ該波長λ１の光に対してはカットオフ条件を満たすように設定されていて、そのことによって上記目的が達成される。
【００２７】
ある実施形態では、前記光導波層がストライプ状である。
【００２８】
ある実施形態では、前記光学材料の表面近傍に形成された屈折率ｎ１の高屈折率層をさらに備え、該光学材料が屈折率ｎｓを有し、前記光導波層は該光学材料の表面近傍にストライプ状に形成され且つ屈折率ｎｆを有しており、該屈折率はｎｆ＞ｎ１＞ｎｓの関係を満足している。
【００２９】
ある実施形態では、前記クラッド層がストライプ状である。さらに、前記光導波層がストライプ状であってもよい。
【００３０】
ある実施形態では、前記光導波層の表面にストライプ状にリッジが形成されており、前記クラッド層は該リッジの上にストライプ状に形成されていて、該光導波層の中の前記光は該リッジを導波する。
【００３１】
ある実施形態では、前記光学材料は円筒状のコアを形成し、前記クラッド層は該コアの周辺部を覆っている。
【００３２】
好ましくは、前記光導波路において、前記波長λ１の光は基本モードで伝搬し、前記波長λ２の光は高次モードで伝搬する。
【００３３】
好ましくは、前記クラッド層の実効屈折率Ｎｃと前記光導波層の実効屈折率ＮｆとはＮｃ＞１．０２・Ｎｆの関係を満足している。
【００３４】
前記クラッド層が多層膜からなっていてもよい。
【００３５】
本発明の光波長変換素子は、非線形光学効果を有する材料でできた基板と、該基板に形成された光導波層と、該光導波層の表面に形成されたクラッド層と、を備え、該光導波層は波長λの基本波及び波長λ／２の第２高調波が導波可能であり、該クラッド層は、該光導波層内を導波する基本モードの基本波と高次モードの第２高調波との間の電界分布の重なりを高めて、該基本波を該第２高調波に変換し、そのことによって上記目的が達成される。
【００３６】
好ましくは、前記クラッド層の屈折率と厚さは、前記第２高調波に対する導波条件を満足し且つ前記基本波に対してはカットオフ条件を満たすように設定されている。
【００３７】
ある実施形態では、前記光導波層がストライプ状である。
【００３８】
ある実施形態では、前記基板の表面近傍に形成された屈折率ｎ１の高屈折率層をさらに備え、該基板が屈折率ｎｓを有し、前記光導波層は該基板の表面近傍にストライプ状に形成され且つ屈折率ｎｆを有しており、該屈折率はｎｆ＞ｎ１＞ｎｓの関係を満足していて、前記クラッド層の屈折率と厚さは、前記第２高調波に対する導波条件を満足し且つ前記基本波に対してはカットオフ条件を満たすように設定されている。
【００３９】
ある実施形態では、前記クラッド層がストライプ状であり、該クラッド層の屈折率と厚さは、前記第２高調波に対する導波条件を満足し且つ前記基本波に対してはカットオフ条件を満たすように設定されている。好ましくは、前記光導波層がストライプ状である。
【００４０】
ある実施形態では、前記光導波層の表面にストライプ状にリッジが形成されており、前記クラッド層は該リッジの上にストライプ状に形成されていて、該光導波層の中の前記光は該リッジを導波し、該クラッド層の屈折率と厚さは、前記第２高調波に対する導波条件を満足し且つ前記基本波に対してはカットオフ条件を満たすように設定されている。
【００４１】
好ましくは、前記光導波層において、前記基本モードの基本波と前記高次モードの第２高調波とがお互いに位相整合している。
【００４２】
好ましくは、前記クラッド層の実効屈折率Ｎｃと前記光導波層の実効屈折率ＮｆとはＮｃ＞１．０２・Ｎｆの関係を満足している。
【００４３】
前記クラッド層が多層膜からなっていてもよい。
【００４４】
前記光導波層を伝搬する前記第２高調波のモードの次数は、前記クラッド層を伝搬可能なモードの次数より１つ大きくあり得る。
【００４５】
前記クラッド層がNb2O5を含んでいてもよい。或いは、前記クラッド層が線形材料からなっていてもよい。
【００４６】
好ましくは、前記基板がLiNb1-xTaxO3(０≦ｘ≦１)で、該基板内に周期状の分極反転構造が形成されている。
【００４７】
本発明の短波長光発生装置は、半導体レーザと、光波長変換素子と、を備え、該半導体レーザから出射された光の波長が該光波長変換素子により変換され、該光波長変換素子が上記の特徴を有しており、そのことによって上記目的が達成される。
【００４８】
本発明の光ピックアップは、短波長光発生装置と、集光光学系と、を備え、該短波長光発生装置から出射される短波長光が該集光光学系により集光され、該短波長発生装置が上記の特徴を有しており、そのことによって上記目的が達成される。
【００４９】
本発明の光導波路の製造方法は、非線形光学物質からなる基板の表面近傍に第１のイオン交換層を形成する工程と、該第１のイオン交換層をアニール処理してアニール処理イオン交換層を形成する工程と、該アニール処理イオン交換層の所定の位置に第２のイオン交換層を形成する工程と、該第２のイオン交換層の上方に所定のパターンを有するレジストマスクを形成する工程と、該レジストマスクを使用して該第２のイオン交換層の非マスク部分をエッチングで除去し、リッジを形成する工程と、を包含しており、そのことによって上記目的が達成される。
【００５０】
ある実施形態では、前記第２のイオン交換層の形成工程は、前記アニール処理イオン交換層の表面に直線状の金属マスクを形成する工程と、該アニール処理イオン交換層のうちで該金属マスクに覆われていない部分に前記第２のイオン交換層を形成する工程と、を含み、前記レジストマスクは、該金属マスクの上のみに選択的に形成される。好ましくは、前記レジストパターンは、裏面露光を利用して前記金属マスクの上のみに選択的に形成される。
【００５１】
他の実施形態では、前記第２のイオン交換層の形成工程は、前記アニール処理イオン交換層の表面近傍に前記第２のイオン交換層を形成する工程を含み、前記レジストマスクは、該第２のイオン交換層の表面に直線状に形成される。
【００５２】
前記リッジの表面に誘電体膜を形成する工程をさらに包含し得る。
【００５３】
前記基板は、Ｃ板のLiNb1-XTaxO3（０≦ｘ≦１）基板であり得る。
【００５４】
前記第１のイオン交換層及び前記第２のイオン交換層は、いずれもプロトン交換層であり得る。
【００５５】
本発明の光波長変換素子の製造方法は、非線形光学物質からなる基板の表面近傍に第１のイオン交換層を形成する工程と、該第１のイオン交換層をアニール処理してアニール処理イオン交換層を形成する工程と、該基板内に分極反転層を形成する工程と、該アニール処理イオン交換層の所定の位置に第２のイオン交換層を形成する工程と、該第２のイオン交換層の上方に所定のパターンを有するレジストマスクを形成する工程と、該レジストマスクを使用して該第２のイオン交換層の非マスク部分をエッチングで除去し、リッジを形成する工程と、を包含しており、そのことによって上記目的が達成される。
【００５６】
ある実施形態では、前記第２のイオン交換層の形成工程は、前記アニール処理イオン交換層の表面に直線状の金属マスクを形成する工程と、該前記アニール処理イオン交換層のうちで該金属マスクに覆われていない部分に前記第２のイオン交換層を形成する工程と、を含み、前記レジストマスクは、該金属マスクの上のみに選択的に形成される。好ましくは、前記レジストパターンは、裏面露光を利用して前記金属マスクの上のみに選択的に形成される。
【００５７】
他の実施形態では、前記第２のイオン交換層の形成工程は、前記アニール処理イオン交換層の表面近傍に前記第２のイオン交換層を形成する工程を含み、前記レジストマスクは、該第２のイオン交換層の表面に直線状に形成される。
【００５８】
前記リッジの表面に誘電体膜を形成する工程をさらに包含し得る。
【００５９】
前記基板は、Ｃ板のLiNb1-XTaxO3（０≦ｘ≦１）基板であり得る。
【００６０】
前記第１のイオン交換層及び前記第２のイオン交換層が、いずれもプロトン交換層であり得る。
【００６１】
本発明の他の局面によれば、非線形光学物質からなる基板と、該基板の表面近傍に形成された、光導波領域を含む第１のイオン交換層と、該光導波領域の近傍に形成された、該第１のイオン交換層のイオン交換濃度より高いイオン交換濃度を有する第２のイオン交換層と、を備える光導波路が提供され、そのことによって上記目的が達成される。
【００６２】
ある実施形態では、前記第１のイオン交換層が導波方向と実質的に平行な直線状のリッジを有し、該リッジが前記光導波領域を含み、前記第２のイオン交換層は該リッジの側面に形成されている。
【００６３】
他の実施形態では、前記第２のイオン交換層は、前記第１のイオン交換層の表面に、導波方向と実質的に平行な直線状のリッジを形成している。
【００６４】
前記基板は、Ｃ板のLiNb1-XTaxO3（０≦ｘ≦１）基板であり得る。
【００６５】
前記第１のイオン交換層及び前記第２のイオン交換層は、いずれもプロトン交換層であり得る。
【００６６】
本発明のさらに他の局面によれば、非線形光学物質からなる基板と、該基板内に一定周期で形成された分極反転層と、該基板の表面近傍に形成された、光導波領域を含む第１のイオン交換層と、該光導波領域の近傍に形成された、該第１のイオン交換層のイオン交換濃度より高いイオン交換濃度を有する第２のイオン交換層と、を備える光波長変換素子が提供され、そのことによって上記目的が達成される。
【００６７】
ある実施形態では、前記第１のイオン交換層が導波方向と実質的に平行な直線状のリッジを有し、該リッジが前記光導波領域を含み、前記第２のイオン交換層は該リッジの側面に形成されている。
【００６８】
他の実施形態では、前記第２のイオン交換層は、前記第１のイオン交換層の表面に導波方向と実質的に平行な直線状のリッジを形成している。
【００６９】
前記基板は、Ｃ板のLiNb1-XTaxO3（０≦ｘ≦１）基板であり得る。
【００７０】
前記第１のイオン交換層及び前記第２のイオン交換層は、いずれもプロトン交換層であり得る。
【００７１】
【発明の実施の形態】
本発明は、非線形光学効果による第２高調波の発生を利用した光波長変換素子において、基本モードの基本波と高次モードの第２高調波との間の位相整合を利用して両者のオーバラップを大きくし、基本波から第２高調波への変換効率を高めようとするものである。以下に、まず、その原理について説明する。
【００７２】
まず最初に、一般の光導波路における光波長変換について説明する。
【００７３】
通常、光導波路は、図６（ａ）の断面図に示すように、基板６１（屈折率：ｎｓ）とその上に形成された光導波路６２（屈折率：ｎｆ）とから構成される。屈折率はｎｆ＞ｎｓなる関係を満たし、導波するモード（基本モードの基本波６４、基本モードの第２高調波６５、及び１次モードの第２高調波６６）の電界分布は、図６（ｂ）に示すようになる。基本波と第２高調波との電界のオーバラップは、図６（ｂ）から分かるように、基本モードの基本波６４と基本モードの第２高調波６５との間が最も大きく、第２高調波の導波モードの次数が高くなるに従って、オーバラップは低下する。光波長変換素子の変換効率は導波モードのオーバラップ量に比例するため、上記のようにオーバラップ量が最も大きい基本モード間の位相整合が、最も変換効率の高い変換となる。
【００７４】
次に、光導波路の上に、その屈折率ｎｆより高い屈折率ｎｃを有するクラッド層を形成した場合について、以下に説明する。
【００７５】
光導波路の上に、より高い屈折率を有するクラッド層を設けると、基本波のモード分布はクラッド層側に偏り、導波モードは素子の表面近傍に強く閉じ込められる。従って、基本波の強い閉じ込めが実現する。クラッド層を有する従来の光波長変換素子では、この基本波の強い閉じ込めを利用して、変換効率の向上を図る。しかし、基本波と第２高調波とでは波長が異なり、その屈折率分散も存在するため、導波モードの分散はそれぞれ異なる（基本波に比べて第２高調波は、より強くクラッド層に引きつけられる）。従って、モード間のオーバラップの増大には、依然として限界がある。
【００７６】
上記のような問題点を解決するために、本願発明者らは、高屈折率のクラッド層を利用して第２高調波の導波モードを制御する、新しい方法を見い出した。その内容を、以下に説明する。
【００７７】
先に説明したように、高屈折率のクラッド層を用いると、基本波の閉じ込めを強化することができる。しかし、クラッド層を厚くしていくと、基本波の閉じ込めが強まる一方で、波長の短い第２高調波はクラッド層の内部に閉じ込められて、素子の変換効率が極端に減少する。
【００７８】
しかし、本願発明者らの解析によって、第２高調波の高次導波モードが光導波路部分に電界分布を持ち、基本波と十分なオーバラップを達成し得ることを発見した。これを、図７（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。図７（ａ）〜（ｄ）のそれぞれにおいて、図の左側には光波長変換素子の断面構造を示し、図の右側には、導波路断面の深さ方向の電界分布を表す。これらの図は、高屈折率のクラッド層を有する光導波路において、クラッド層の厚みを変化させた場合の導波モードの様子を表したものである。
【００７９】
図７（ａ）は、図６（ａ）及び（ｂ）を参照して説明したクラッド層が無い構成である。ここでは、その説明は省略する。
【００８０】
図７（ｂ）は、基板６１の上に設けられた光導波路６２の上に、さらに薄いクラッド層６３が設けられている場合である。クラッド層６３は、０次（基本モード）の基本波６４及び０次（基本モード）の第２高調波６５のそれぞれに対して、カットオフ条件（すなわち、それらの導波モードがクラッド層６３の内部に閉じこもらない条件）を満足している。従って、０次（基本モード）の基本波６４及び０次（基本モード）の第２高調波６５は、ともにクラッド層６３の内部のみを導波することができず、光導波路６２の内部を伝搬する。但し、クラッド層６３により、０次（基本モード）の基本波６４及び０次（基本モード）の第２高調波６５の電界分布は、素子の表面近傍に引き寄せられている。
【００８１】
図７（ｃ）は、より厚いクラッド層６３が設けられている場合であって、基本波６４に対してはクラッド層６３はカットオフ条件を満足しているが、第２高調波に対しては、低次のモード６５（この場合は基本モード）の伝搬が可能となる。このとき、基本波の閉じ込めは、図７（ｂ）の構成に比べてさらに強くなる。しかし、基本モードの第２高調波６５がクラッド層６３の内部に閉じこもってしまうために、基本波から基本モードの第２高調波への変換効率は極端に低下する。一方、第２高調波のうちで、クラッド層６３を導波可能なモード（ここでは０次モード６５）の次数よりも一つ高い次数のモード（ここでは１次モード６６）は、その大部分が光導波路６２を伝搬する。
【００８２】
このとき、光導波路６２の内部における１次モードの第２高調波６６の電界分布は、図７（ａ）に示したクラッド層が無い構成における基本モードの第２高調波６５の電界分布とほとんど変わらない。それに対して、０次の基本波の導波モード６４は、強くクラッド層６３に引きつけられている。即ち、基本モード（０次）の基本波６４は閉じ込めの強い導波モードになるのに対し、高次モードの第２高調波（例えば１次の第２高調波６６）は、クラッド層６３が存在しない構成からほとんど変化しない。そのため、両モード間のオーバラップを飛躍的に増大することができて、これにより、変換効率が大幅に向上される。
【００８３】
図７（ｄ）は、さらに厚いクラッド層６３が設けられて、０次の基本波６４がクラッド層６３の中を導波可能となった場合である。しかし、このように基本波がクラッド層６３の内部を導波可能となると、光導波路６２の内部での基本波と第２高調波とのオーバラップが極端に減少するために、変換効率は大幅に低減する。
【００８４】
以上より、本願発明者による検討の結果として、高屈折率のクラッド層６３を有する光導波路６２においては、図７（ｃ）の構成の場合に、基本モード（０次）の基本波６４と高次モード（１次）の第２高調波６６との間のオーバラップが増大して、高効率の波長変換が可能となることが見い出された。
【００８５】
しかし、図７（ｃ）の構成を実現するには、いくつかの条件を満足する必要がある。
【００８６】
まず第１に、クラッド層６３が、「基本波がその内部を導波できない」という基本波に対するカットオフ条件を満足するような厚さ及び屈折率を有している必要がある。一方、クラッド層６３が、「基本波がその内部を導波できる」という基本波に対する導波条件を満足している状態とは、実際には図７（ｄ）の構成に対応し、高効率の波長変換は不可能である。
【００８７】
第２に、図７（ｃ）に示すように、第２高調波の導波モードとして、光導波路６２の部分に電界分布のピークを有するような高次モードを導波させる必要がある。その理由は、基本波から第２高調波への波長変換に寄与するのは、光導波路６２の内部における基本波の電界と第２高調波の電界とのオーバラップであるからである。この条件を満足させるためには、クラッド層６３が第２高調波の導波条件を満足し、かつ、クラッド層６３を導波可能な次数の導波モードより一つ高い次数の高次の導波モードの第２高調波が光導波路６２の内部を選択的に導波される必要がある。例えば、図７（ｃ）の場合には、クラッド層６３を導波可能な第２高調波の導波モードは基本モード（０次モード）６５であり、一方、光導波路６２にピークを有する第２高調波の導波モードは１次モード６６である。
【００８８】
従って、光導波路６２の上に高屈折率のクラッド層６３が設けられている構成を有する高効率の波長変換素子を実現するには、クラッド層６３の厚さ及び屈折率を、基本波に対してはカットオフ条件を満足し、且つ第２高調波に対しては導波条件を満足するように設定すればよい。
【００８９】
第３に、高効率の波長変換を実現するためには、図７（ｃ）の状態において、光導波路６２の内部における高次モードの第２高調波６６の電界分布を、クラッド層６３の内部における電界分布に対して十分に大きくする（すなわち、クラッド層６３の内部における電界分布を十分に小さくする）必要がある。
【００９０】
ここで、クラッド層６３の屈折率ｎｃと光導波路６２の屈折率ｎｆとの比（ｎｃ／ｎｆ）と、クラッド層６３の第２高調波強度のピーク値Ｉｃと光導波路６２の第２高調波強度のピーク値Ｉｗとの比（Ｉｃ／Ｉｗ）との間の関係を、図８に示す。これより、クラッド層６３及び光導波路６２における第２高調波の強度分布の比は、それぞれの屈折率の比の大きさに逆比例し、光導波路６２の屈折率に対してクラッド層６３の屈折率が増大するにつれて、クラッド層６３における電界分布が小さくなる。
【００９１】
図８の関係より、クラッド層６３における電界強度を光導波路６２における電界強度の１／１０以下にして第２高調波光の利用効率を上げるには、クラッド層６３の屈折率ｎｃを光導波路６２の屈折率ｎｆに対してｎｃ＞１．０２・ｎｆという条件を満たすように設定すれば十分である。サブピーク部分の第２高調波は損失となるが、上記の条件で出射された第２高調波を集光するとサブピークによる出力特性の劣化は観測されず、回折限界までの集光特性が実現できる。
【００９２】
上記では、クラッド層が単層である構成について説明しているが、クラッド層が多層膜である場合についても、同様の効果が得られる。特に、多層膜から構成されたクラッド層を用いると、クラッド層の内部における屈折率分布を制御することが可能になるので、素子設計の自由度が増し、許容度の高い素子の作製が可能となる。
【００９３】
また、クラッド層は、非線形効果を持たない線形材料で形成されることが望ましい。クラッド層を非線形材料で構成するとクラッド層の内部で波長変換が生じるが、そのようなクラッド層内部での波長変換は、光導波路の内部での第２高調波光の発生効率に対する損失となるからである。
【００９４】
また、本発明の構成を３次元光導波路に適用すると、光導波路の横方向の電界分布に対しても、大きな影響を与えることができる。即ち、高屈折率のクラッド層を光導波路の上に形成することにより、第２高調波及び基本波に対する実効屈折率が増大する。このため、横方向の電界分布の閉じ込めが、基本波及び第２高調波のそれぞれについて、大幅に増大する。これによって、光のパワー密度の増大、及び横方向でオーバラップの増大が得られて、結果として、変換効率の向上が可能となる。
【００９５】
また、本発明によれば、基本波の波長を選択することにより、光導波路を伝搬する第２高調波の導波モードを一義的に選択できる。このため、基本波と高次モードの第２高調波との間の位相整合を選択的に行って両者の間のオーバラップを大きくして、高効率な波長変換を実現することが可能となる。
【００９６】
さらに、本願発明者らの検討によれば、上記の本発明による光導波路の構造が、耐光損傷強度の向上に非常に有効となることがわかった。
【００９７】
光損傷は、短波長光（第２高調波）によって結晶内部の不純物が励起され、内部電界を生じることにより発生する。さらに、基本波が介在すると、不純物をトラップする準位を励起して、光損傷による内部電界が固定化する傾向にある。この現象は、第２高調波の電界分布の近傍で基本波が単独で存在する部分で、顕著に現れる。一方、本発明の構成をとれば、光導波路内での基本波と第２高調波とのオーバラップが増大して、第２高調波及び基本波の電界分布のうちで、オーバラップしない部分が減少する。そのため、上記のようにして生じる光損傷の発生が、大幅に低減できる。
【００９８】
以上に説明した本発明の光導波路の構造は、光導波路を伝搬する異なる波長の光のオーバラップを高めて、両者の間の相互作用を増大させるのに有効である。具体的には、光波長変換素子のみならず、波長の異なる２つ以上の光を同時に導波させる光導波路に対して、有効である。さらに、光の分布を素子表面の近傍に引き寄せることができるために、表面上に形成された構成要素（例えば電極）による導波光への影響を高めることが可能となり、高い動作効率を有する光集積回路素子を構成することが可能となる。
【００９９】
次に、具体的な素子構造を参照して、本発明の光波長変換素子の実施形態を説明する。
【０１００】
具体的な素子構造としては、
（１）  周期状の分極反転層を有する結晶の表面に高屈折率層を有し、さらに高屈折率層上に、ストライプ状のクラッド層を有する、装荷型光導波路を用いた素子構造、
（２）  周期状の分極反転層を有する結晶の表面に、ストライプ状のリッジ形状に加工された高屈折率層を有し、さらにこのリッジの表面にクラッド層を有する、装荷リッジ型光導波路を用いた素子構造、及び
（３）  周期状の分極反転層を有する結晶の表面にストライプ状の高屈折率層を有し、さらに結晶表面にクラッド層を有する、埋め込み型光導波路を用いた素子構造、
が挙げられる。以下では、各素子構造について、実施形態の中で説明する。
【０１０１】
（第１の実施形態）
本実施形態では、装荷型光導波路を用いた光波長変換素子を説明する。
【０１０２】
図９は、本実施形態における光波長変換素子の構造を示す図である。具体的には、図９の（ａ）は、光波長変換素子の斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
【０１０３】
本実施形態の光波長変換素子では、Ｃ板のLiTaO3結晶（すなわち、その上面及び底面が、結晶のＣ軸に垂直な面である）からなる基板１０１の内部に、周期Λ＝約３．５μｍ（周期Λは、図９では参照番号１０８として示されている）の分極反転層１０４が形成されている。分極反転層１０４の幅Ｗは、約１．７μｍである（幅Ｗは、図９では参照番号１０９として示されている）。さらに、LiTaO3結晶基板１０１の表面には、深さ約２μｍの光導波路として機能するプロトン交換層１０５と、ストライプ状のNb2O5クラッド層（装荷層）１１０が形成されている。さらに、Nb2O5クラッド層１１０を含む結晶基板１０１の表面は、SiO2からなるカバー層１１１で被われている。
【０１０４】
素子の端面から入射した波長約８５０ｎｍの基本波１０６は、プロトン交換層１０５を伝搬しながら、波長約４２５ｎｍの第２高調波１０７に変換され、他方の端面から出射される。
【０１０５】
図９の構成では、従来技術による構成とは異なり、クラッド層１１０として、基板１０１より高い屈折率を有するNb2O5を用いている。具体的には、波長約８００ｎｍの光に対して、Nb2O5の屈折率は約２．２５であり、LiTaO3の屈折率は約２．１５である。但し、素子内部を伝搬する基本波１０６がクラッド層１１０の内部に閉じ込もらないように、クラッド層１１０の厚さは約３００ｎｍに設定している。
【０１０６】
素子内部を伝搬する波長約８５０ｎｍの基本波１０６は、基本モード（ＴＭ00モード）で伝搬する。一方、第２高調波１０７は、素子の深さ方向には１次モードで伝搬し、素子の幅方向には０次の高次モード（ＴＭ01モード）で伝搬する。分極反転層１０４の周期１０８に対する基本波１０６の波長を選択することにより、第２高調波１０７の導波モード（ＴＭ01）が選択的に励振される。本実施形態の構成では、従来技術による構成とは異なり、基本波を基本モードで伝搬させ、第２高調波を高次モードで伝搬させることによって、両者の間のオーバラップを増大させ、波長変換効率を向上させている。
【０１０７】
次に、本実施形態の光波長変換素子の構造における、基本波と第２高調波との間のオーバラップの増大による波長変換効率の向上の原理について、以下に説明する。
【０１０８】
本実施形態に示すように、基板１０１の上に設けられた光導波路（プロトン交換層）１０５の上にさらにクラッド層１１０が形成されている構造を有する光波長変換素子において、基本波を第２高調波に変換する効率は、基本波と第２高調波との間のオーバラップに大きく依存する。図１０を参照すれば、基本波と第２高調波との間のオーバラップ１２２とは、基本波の電界（Ｅｗ）の分布１２０と第２高調波の電界（Ｅ２ｗ）の分布１２１との非線形物質内における重なり（図１０でハッチングされている領域）で表される。
【０１０９】
光導波路層１０５の上に基板１０１より屈折率の低いクラッド層（例えば、屈折率ｎ＝２．０のTa2O5膜）１３１を有する光導波路や埋め込み型光導波路（図１１（ａ）参照）においては、図１１（ｃ）に示すように、基本モード（ＴＭ00モード）の基本波の電界分布１２３と第２高調波（ＴＭ00モード）の電界分布１２４との間で、最大のオーバラップ１２５が得られる。しかし、基本波及び第２高調波の波長分散特性により、素子の深さ方向におけるオーバラップ１２５の大きさは限られている。
【０１１０】
一方、光導波路層１０５の上に基板１０１より屈折率の高いクラッド層（例えば、屈折率ｎ＝２．２５のNb2O5膜）１３２を有する本発明の光波長変換素子（図１１（ｂ）参照）を導波する光の電界分布を、図１１（ｄ）に示す。この場合、基本波（ＴＭ00モード）は、高い屈折率を有するクラッド層１３２により閉じ込めが強くなり、素子の表面近傍にその電界分布１２６が偏っている。一方、この構成におけるＴＭ01モードの第２高調波の電界分布１２７は、図１１（ｃ）におけるＴＭ00モードの第２高調波の電界分布１２４とほぼ同じであり、オーバラップ１２８は、図１１（ｃ）におけるオーバラップ１２５に比べて大幅に増大している。この結果、従来の装荷構造の光波長変換素子に比べて、本発明の光波長変換素子の変換効率は、約２倍以上に高効率化されている。さらに、高い屈折率を有するクラッド層１３２を形成することにより、図１１（ｄ）に示すように、ＴＭ01モードの第２高調波の電界分布１２７のうちでクラッド層１３２に存在する割合を非常に小さくできるので、図１１（ｃ）に示すＴＭ00モードの第２高調波の電界分布１２４とほとんど変わりない形状とすることができることが見い出された。
【０１１１】
また、本発明の波長変換素子によって得られる第２高調波出力のビームパターンは、従来の埋め込み型光導波路を伝搬する基本波モードの第２高調波出力のビームパターンと差はなく、回折限界近くまで集光可能な波面特性を示す。
【０１１２】
本願発明者らは、図１１（ｂ）の構造においてＴＭ00モードの第２高調波の光発生についても検討を行ったが、ＴＭ00モードの第２高調波はクラッド層１３２の内部に閉じ込もってしまうために、基本波とのオーバラップは極端に低下することが確認された。すなわち、本発明の構成では、ＴＭ00モードの基本波と高次モード（ＴＭ01モード）の第２高調波との間で、電界分布のオーバラップの大幅な増大が可能になる。
【０１１３】
次に、図１２（ａ）〜（ｄ）を参照して、本実施形態の光波長変換素子の作製方法について述べる。
【０１１４】
まず、図１２（ａ）に示されているように、＋Ｃ板のLiTaO3基板１０１の表面に、光導波路として機能するプロトン交換層１０５を形成する。具体的には、約２６０℃のピロ燐酸中で約１４分間の熱処理を行った後に、約４２０℃で約８分のアニール処理を行って、光導波路（プロトン交換層）１０５を形成する。
【０１１５】
次に、基板１０１の＋Ｃ面（実際にはプロトン交換層１０５の表面）に櫛形電極１１２を形成し、基板１０１の−Ｃ面（裏面）に平面電極（不図示）を形成する。そして、両電極間に高圧のパルス電圧（約２１ｋＶ／ｍｍ）を印加して、図１２（ｂ）に示すような周期状の分極反転層１０４を形成する。
【０１１６】
続いて両電極を除去した後に、基板１０１の＋Ｃ面（プロトン交換層１０５の表面）に、図１２（ｃ）に示すように、スパッタリング法でNb2O5膜１１０を約３００ｎｍの厚さに堆積する。さらに、堆積されたNb2O5膜１１０の上にフォトリソグラフィ法でストライプ状マスクパターン（不図示）を形成し、CHF3ガス雰囲気中でドライエッチングを行って、図１２（ｄ）に示すようにNb2O5膜１１０をストライプ状に加工する。
【０１１７】
以上のような電界印加による分極反転層の形成プロセスにおいて重要なことは、印加電圧波形である。具体的には、LiTaO3に短周期の分極反転層１０４を形成するには、パルス電圧波形として、反転電圧レベル（分極が反転する電圧レベルであり、LiTaO3では約２１ｋＶ／ｍｍ）以下の大きさのバイアス電圧にパルス電圧を重畳した電圧波形を印加する必要がある。このとき、バイアス電圧レベルとパルス電圧レベルとの和は、反転電圧のレベル以上である必要がある。
【０１１８】
さらに、上記のプロセスでは、パルス電圧が重畳された電圧を印加した後にさらにバイアス電圧のみを印加するが、本願発明者らの検討によれば、そのバイアス電圧印加時間（Ｔｂ）が分極反転層の形状の均一性に影響を与えることが明らかになった。すなわち、Ｔｂが約２秒以下であると、形成される分極反転層１０４の周期構造の不均一性が大きくなる。分極反転層１０４の周期構造の均一性を得るには、Ｔｂを約３秒以上に設定する必要である。本願発明者らのさらなる検討によれば、好ましくは約５秒以上にすることで、非常に均一性の高い周期的分極反転層１０４が形成され、効率の高い光波長変換素子が製造できることが明らかになった。
【０１１９】
次に、以下では、光導波路を伝搬する導波モードと光波長変換素子の特性との関係について、詳細に説明する。
【０１２０】
Nb2O5クラッド層を有する光導波路の導波特性を解析する目的で行った屈折率分散特性の測定結果を、図１３に示す。図１３では、LiTaO3基板（線１３２）及びNb2O5クラッド層（線１３１）の屈折率分散の測定結果が示されている。
【０１２１】
これより、波長によりLiTaO3基板とNb2O5クラッド層との間の屈折率差が異なり、基本波の波長に相当する８００ｎｍ帯における基板とクラッド層との間の屈折率差に比べて、第２高調波の波長に相当する４００ｎｍ帯における屈折率差が、大きくなっている。
【０１２２】
この結果に基づいて行った装荷型光導波路の導波特性の解析結果を、図１４に示す。図１４は、光導波路を導波する光の波長及びクラッド層（装荷層）の厚さに対して、クラッド層の内部を伝搬可能な導波モードの関係を示す特性要因図である。
【０１２３】
領域Ｉでは、クラッド層の内部を光が伝搬することができず、導波層のみが、光を伝搬可能な領域として機能する。領域IIでは、基本モードの光のみがクラッド層の内部を伝搬可能であり、一方、領域IIIでは、クラッド層を基本モード及びＴＭ01モードの光が伝搬可能である。
【０１２４】
各々の領域での導波モードについて、以下にさらに説明する。
【０１２５】
まず、第１の場合として、クラッド層１５２の厚さが約０．１μｍよりも小さい場合には、波長約４３０ｎｍの第２高調波と波長約８６０ｎｍの基本波とは、いずれも領域Ｉに分類される。従って、クラッド層１５２の内部を伝搬可能な導波モードは存在しない。そのために、伝搬光の電界分布の形状は図１５（ａ）に示すようになり、基本波モードの基本波１５３と基本モードの第２高調波１５４とがいずれも光導波層１５１の内部を伝搬して、クラッド層１５２の内部における伝搬光の電界分布は小さくなる。
【０１２６】
次に、第２の場合として、クラッド層１５２の厚さが約０．１μｍから約０．３６μｍの間にある場合には、波長約４３０ｎｍの第２高調波は領域IIに分類され、クラッド層１５２の内部を基本モードの第２高調波１５４が伝搬可能である。一方、波長約８６０ｎｍの基本波１５３は領域Ｉに分類され、クラッド層１５２の内部を伝搬することは不可能である。この結果、基本モードの第２高調波１５４は、図１５（ｂ）に示すようにクラッド層１５２の内部に閉じ込もってしまうが、基本波１５３は導波層１５１の内部を伝搬する。
【０１２７】
さらに、第３の場合として、クラッド層１５２の厚さが約０．３６μｍよりも大きい場合には、波長約４３０ｎｍの第２高調波は領域IIIに分類される一方で、波長約８６０ｎｍの基本波は領域IIに分類される。従って、基本波及び第２高調波のそれぞれについて、クラッド層１５２における基本モードの伝搬が可能となり、基本モードの基本波１５３及び基本モードの第２高調波１５４は、どちらもクラッド層１５２の内部に閉じ込もる。
【０１２８】
上記の各々の場合における基本波及び第２高調波の電界分布のオーバラップを考えると、第１の場合には、非線形性を有する光導波層における電界分布が大きく、オーバラップは光導波層の内部に存在する。しかし、第２の場合には、第２高調波がクラッド層内に閉じ込もってしまうため、光導波層におけるオーバラップは非常に小さくなる。さらに、第３の場合には、基本波及び第２高調波がどちらもクラッド層内に閉じ込もってしまうために、光導波路における両者のオーバラップは、０に近くなると予想される。
【０１２９】
しかし、本願発明者らの実験によれば、第３の場合に相当する厚さを有するクラッド層については、基本波がクラッド層内に閉じ込もってオーバラップが減少して、変換効率の大幅な低下が観測されるものの、第２の場合に相当する厚さを有するクラッド層については、第２高調波への変換効率の大幅な向上が達成されて、第１の場合における値よりも大きい値が得られた。そこで、導波特性についてさらに検討したところ、変換効率の大幅な向上が得られる第２の場合においては、第２高調波の導波モードが、基本モードではなく高次の導波モードであることが発見された。すなわち、上記の第２の場合には、基本モードの基本波と高次モードの第２高調波との間における電界分布のオーバラップの増大によって、変換効率の向上が実現していることが見い出された。
【０１３０】
クラッド層の厚さと変換効率が最大となる第２高調波の導波モードとの関係を、以下の表１に示す。
【０１３１】
【表１】
0003907762.tif 000002
【０１３２】
「第２高調波出力」の欄の記号（◎、△、及び×）は、得られる第２高調波出力の大きさ（波長変換効率の大きさ）を相対的に表すものであって、記号◎が変換効率がよいことを意味し、記号×は変換効率が悪いことを意味し、記号△はその中間を意味している。
【０１３３】
図１６（ａ）〜（ｄ）は、上記表１の（２）に示すクラッド層の厚さが約0.1μｍ〜約0.3μｍの領域における光の伝搬状態を示す図である。図１６（ａ）の屈折率分布に示すようにクラッド層１６２の屈折率が導波層１６１の屈折率より低い場合（クラッド層１６２が設けられていない場合も含む）には、図１６（ｂ）に示すように、導波層１６１の内部に基本モードの基本波１６３及び基本モードの第２高調波１６４が存在している。一方、図１６（ｃ）の屈折率分布に示すようにクラッド層１６２の屈折率が導波層１６１の屈折率より大きい場合には、図１６（ｄ）に示すように、基本モードの第２高調波１６４はクラッド層１６２の内部に閉じ込もるが、ＴＭ01モードの第２高調波１６５は光導波層１６１の内部を伝搬して、基本モードの基本波１６３とのオーバラップが大幅に向上する。特に、ＴＭ01モードの第２高調波の電界分布１６５の大部分は光導波層１６１に存在して、非線形性の小さいクラッド層１６２には電界がほとんど存在せず、しかも基本波１６３の閉じ込めが強くなるために、オーバラップの向上による変換効率の大幅な増大が可能となる。ここで、第２高調波に関しては、その波長選択性により所望の導波モードを効率よく励起できるので、上記に述べた内容に従って、高い変換効率をもたらす所望の導波モードの第２高調波を選択的に励起できる。
【０１３４】
また、高次モードの第２高調波の電界分布について、クラッド層に存在する部分と導波層に存在する部分との比は、クラッド層と導波層との屈折率差に依存する。屈折率差が大きい場合は、電界分布のうちで光導波層に存在する部分が大きくなり、クラッド層での電界のピークが小さくなる。一方、屈折率差が小さい場合は、電界分布のうちで光導波層に存在する部分が小さくなり、クラッド層での電界のピークが大きくなる。
【０１３５】
一方、基本波の電界分布に対しては、クラッド層と導波層との屈折率差が小さい方が有利である。すなわち、屈折率差が小さいと、図１４に示す領域Ｉに相当するクラッド層の厚さの範囲が広がり、厚さの制御に関する制約が緩和される。さらに、第２高調波への変換効率は、ＴＭ01モードの第２高調波とＴＭ00モードの基本波との間の結合によって得られる値よりも、ＴＭ02モードの第２高調波とＴＭ00モードの基本波との間の結合によって得られる値の方が、大きくなる。この条件を満足するには、クラッド層と基板との屈折率差の関係が、ΔＮ2w（波長４００ｎｍ帯の光に対する基板とクラッド層との屈折率差）＞ΔＮw（波長８００ｎｍ帯の光に対する基板とクラッド層との屈折率差）なる関係を満たすことが望ましい。先に図１３を参照して説明したように、Nb2O5クラッド層は、LiTaO3基板に対してΔＮ2w＞ΔＮwの関係を満足するので、非常に有効である。
【０１３６】
また、第２高調波が高次モードの場合、出射された第２高調波の集光特性が劣化する場合がある。例えば、ステップ状の屈折率分布を有する埋め込み型光導波路において、１次の第２高調波の導波モードはＴＭ01モードとなる。従って、この第２高調波を集光すると２つのピークを有する集光ビームとなり、単一のビームスポットに集光するにはビーム成形処理が必要となる。しかし、Nb2O5装荷型光導波路を伝搬する第２高調波の高次モードは、基本モードとほぼ同様の集光特性を有し、回折限界までの集光が可能である。これは、第２高調波に対する導波層と基板との間の屈折率差（Δn1＝約０．０２）がクラッド層との間の屈折率差（Δn2＝約０．３）に比べて非常に小さいために、図１６（ｄ）に示すように、クラッド層における導波モードの電界分布が光導波層における電界分布に比べて非常に小さくなるためである。
【０１３７】
第２高調波の集光特性を劣化させない第２高調波の高次モードを実現するには、３Δn1＜Δn2が必要である。Δn2が小さいとクラッド層における電界分布が大きくなり、変換効率の低下及び集光特性の劣化の原因になる。
【０１３８】
次に、光波長変換素子の効率向上を目的としたクラッド層の最適構造を得るための設計について、以下に述べる。
【０１３９】
まず、最適なクラッド層の厚さについて、Nb2O5を例にとって検討した。表２は、クラッド層の厚さに対する、基本波及び第２高調波の導波状態、ならびに第２高調波への変換効率を示す。
【０１４０】
【表２】
0003907762.tif 000003
【０１４１】
「変換効率」の欄の記号（◎、○、△、及び×）は、波長変換効率の大きさを相対的に表すものであって、記号◎が変換効率がよいことを意味し、記号×は変換効率が悪いことを意味し、記号○及び△はその中間を意味している。
【０１４２】
クラッド層の厚さが約１００ｎｍ以下の場合には、変換効率が最大となるのは基本波及び第２高調波が基本モードである場合であって、この場合の変換効率は、埋め込み型光導波路とあまり変わらない。厚さが約１００ｎｍ以上になると、１次（ＴＭ01）モードの第２高調波との結合が増大しはじめて、変換効率が向上する。さらに約２００ｎｍ以上の厚さでは、１次モードの第２高調波への変換が非常に大きくなり、従来の埋め込み型や装荷型光導波路を用いた光波長変換素子の２倍以上の変換効率が得られる。さらに、クラッド層の厚さが約３００ｎｍ近傍であると、２次（ＴＭ02）の第２高調波への変換が行われて、変換効率はさらに向上する。しかし、クラッド層の厚さが約４００ｎｍ近傍或いはそれ以上になると、クラッド層の内部に基本波が閉じ込もるため、変換効率は大幅に減少する。これより、Nb2O5クラッド層の厚さとしては、変換効率の向上のためには約１００ｎｍ〜約３８０ｎｍが必要である。特に、変換効率が向上する厚さとして、約２００ｎｍ〜約３４０ｎｍが望ましい。
【０１４３】
図１７には、LiTaO3基板上のプロトン交換層の上に形成したクラッド層の屈折率（基本波波長に対する値）とクラッド層の厚さとの関係を示す。
【０１４４】
領域Ｉでは、クラッド層が厚すぎるために基本波はクラッド層内に閉じ込り、変換効率が極端に減少する。領域IIでは、基本波と第２高調波との間のオーバラップが向上して、変換効率が最大になる。領域IIIでも、クラッド層の設置によって変換効率の向上が見られる。このように、領域II及びIIIで、クラッド層の設置による変換効率の向上が可能である。
【０１４５】
図１７から分かるように、クラッド層の屈折率が増大するにつれて、領域II或いはIIIを達成するための最大許容厚さは薄くなり、高精度の厚さの設定が要求される。通常の成膜装置でクラッド層を再現性よく成膜するためには、数１００ｎｍ以上の厚さが適当であり、屈折率としては約２．８以下が良い。
【０１４６】
また、クラッド層と導波層との間の屈折率差が小さすぎると、クラッド層によるオーバラップの向上効果が得られない。クラッド層の屈折率が約２．２以上である場合に、基本波と第２高調波との間のオーバラップが大きくなり、変換効率が大幅に向上する。従って、クラッド層の屈折率は、LiTaO3基板の場合には、基本波の波長に対して約２．１８以上であることが望ましく、特に高効率化のためには約２．２〜約２．８の範囲に設定することが好ましい。
【０１４７】
本実施形態ではクラッド層の構成材料としてNb2O5を用いたが、その他に、LiNbO3、TiO2、ZnS、CeO2、またはこれらを含む混合材料、例えばTa2O5、SiO2、Al2O3、SiN等との混合材料も、利用できる。これらによって形成されるクラッド層は、その屈折率を変えることで、より大きなオーバラップを得ることができて、変換効率の大幅な向上が可能となる。
【０１４８】
また、本実施形態では、基板としてLiTaO3基板を用いているが、他にMgO、Nb或いはNdなどをドープしたLiTaO3やLiNbO3、或いはそれらの混合物であるLiTa1-xNbxO3（０≦x≦１）、或いはKTP(KTiOPO4)等からなる基板を用いても、同様な素子が作製できる。LiTaO3、LiNbO3、及びKTPは、いずれも高い非線形性を有し、高効率の光波長変換素子が作製できる。特にKTPは、屈折率が約１．８と低いので、その上に形成されるクラッド層の材料としてTa2O5、Al2O3、SiN等の利用も可能となり、有効である。また、これらの材料においては、周期的分極反転層の形成方法が確立されており、高効率の光波長変換素子が形成できるため、有効である。
【０１４９】
次に、素子表面に形成されるカバー層について説明する。
【０１５０】
先に説明した図９の構成では、光導波路（詳しくは、プロトン交換層１０５及びクラッド層１１０）の表面を、約４００ｎｍの厚さのSiO2カバー層１１１で覆っている。これは以下の理由による。
【０１５１】
装荷型光導波路では、クラッド層をエッチングにより形成するため、クラッド層の側面に僅かな凹凸が形成されて、導波損失の原因となる。カバー層１１１でクラッド層を被えば、クラッド層とその他の部分との間の屈折率差が小さくなり、クラッド層の側面の凹凸による導波損失の低減を図ることができる。具体的には、導波損失は、カバー層１１１を設けることで約１／２以下になる。
【０１５２】
なお、本実施形態ではカバー層１１１としてSiO2を用いたが、カバー層１１１としては基板より屈折率の低い材料が望ましく、例えばTa2O5等も有効である。Ta2O5膜は屈折率が約２と大きいために、より低損失の光導波路が形成できる。或いは、SiN、Al2O3等、高屈折率層よりも小さい屈折率を有し、基本波及び高調波に対して吸収や散乱損失の少ない材料であれば、カバー層として同様の効果が得られる。
【０１５３】
（第２の実施形態）
ここでは、本発明の他の構造による光波長変換素子の特性向上について述べる。具体的には、装荷リッジ型光導波路を適用した光波長変換素子について述べる。
【０１５４】
第１の実施形態で、屈折率の高いクラッド層を用いた装荷型光導波路による光波長変換素子の特性向上が確認できた。ここでは、光波長変換素子の構造にさらに工夫を加えることにより、一層の特性向上を試みた結果について述べる。
【０１５５】
装荷型光導波路により基本波のモードプロファイルの制御が可能になることを前述したが、装荷型光導波路において、第２高調波のモードプロファイルへの影響を抑えながら基本波のモードプロファイルを制御し、オーバラップの向上を図ると、第２高調波の導波モードの幅方向の閉じ込めが弱くなる。その結果、光導波路から出力する第２高調波のビームプロファイルのアスペクト比（出射光をコリメートビームにした場合の縦と横の比）が１：３以上になり、厚み方向の広がり角が幅方向に比べて大きくなる。このため、回折限界の集光特性を得るための光の利用効率が大幅に減少するといった問題が生じる。これを解決するため、本実施形態では、図１８に示す光波長変換素子の構造をとる。
【０１５６】
具体的には、図１８の（ａ）は、光波長変換素子の斜視図であり、（ｂ）は断面図である。本実施形態の光波長変換素子では、Ｃ板のLiTaO3結晶（すなわち、その上面及び底面が、結晶のＣ軸に垂直な面である）からなる基板２０１の内部に、周期Λ＝約３．５μｍ（周期Λは、図１８では参照番号２０８として示されている）の分極反転層２０４が形成されている。分極反転層２０４の幅Ｗは、約１．７μｍである（幅Ｗは、図１８では参照番号２０９として示されている）。さらに、LiTaO3結晶基板２０１の表面には、ストライプ状のリッジ２１３を有するプロトン交換層２０５が形成され、リッジ２１３の上面には、Nb2O5クラッド層（装荷層）２１０が形成されている。さらに、Nb2O5クラッド層２１０を含む結晶基板２０１の表面は、SiO2からなるカバー層２１１で被われている。リッジ２１３の厚みは約２００ｎｍであり、クラッド層２１０の厚さは約３００ｎｍである。
【０１５７】
導波路を伝搬する波長８５０ｎｍの基本波２０６は基本モード（ＴＭ00モード）で伝搬しており、第２高調波２０７は、深さ方向には１次モード、幅方向には０次の高次モード（ＴＭ01モード）で伝搬していると考えられる。第１の実施形態で説明した装荷型光導波路では、第２高調波１０７がＴＭ01モードで伝搬しているため、横方向の閉じ込めが弱く、導波モードのアスペクト比が大きくなっている。これに対して、本実施形態の構成では、リッジ２１３を付けることで横方向の閉じ込めが改善され、第２高調波の導波モードのアスペクト比が改善される。
【０１５８】
次に、装荷リッジ型光導波路の特性について述べる。
【０１５９】
装荷リッジ型光導波路では、プロトン交換層２０５をリッジ状に加工することにより、第２高調波の幅方向の閉じ込めが強化される。その結果、横方向の第２高調波の導波モードの広がりを、Nb2O5装荷型光導波路の２／３〜１／２に抑えることが可能となり、横方向の閉じ込めが強化される。そのため、横方向の基本波と第２高調波とのオーバラップが増大し、装荷型光導波路に比べて変換効率が１．５倍以上に向上する。このように、装荷リッジ構造が光波長変換素子の高効率化に有効であることが明らかになった。
【０１６０】
幅方向の閉じ込めを強くするリッジ２１３の厚さとしては、約１００ｎｍ以上が必要である。また、幅方向のオーバラップの増大による光波長変換素子の効率向上が見られたのは、リッジ２１３の厚さが約２００ｎｍ〜約６００ｎｍの場合である。リッジ２１３の厚さが約１０００ｎｍ以上になると、光導波路の伝搬損失が増大して光波長変換素子の特性が劣化する。
【０１６１】
従って、リッジ２１３の厚みとしては、オーバラップ向上を得るために約１００ｎｍ〜約１０００ｎｍが必要となる。さらに、変換効率の大幅な向上を得るには、約２００ｎｍ〜約６００ｎｍが望ましい。
【０１６２】
次に、リッジ２１３の厚さが約３００ｎｍの光導波路における、光導波路の幅に対する第２高調波のアスペクト比の関係を説明する。
【０１６３】
まず、基本波がマルチモード化することなく導波するには、導波路の幅を約１０μｍ以下にする必要がある。さらに、アスペクト比の改善が可能となるのは、導波路幅が約８μｍ以下の場合である。また、アスペクト比が１：１に近づくのは、導波路幅が約２μｍ〜約４μｍの場合であり、導波路幅が約１μｍ以下の場合は、変換効率が低下する。
【０１６４】
光導波路構造を装荷リッジ構造にすることにより、装荷型光導波路を用いた光波長変換素子の特性に加えて出力ビームの成形が可能となり、特性の優れた光波長変換素子の作製が可能となる。単一モード光導波路として成り立つためには、光導波路幅は約１μｍ〜約１０μｍであるのが望ましい。さらにアスペクト比を改善するには、光導波路幅約１μｍ〜約８μｍであるのが望ましく、アスペクト比を１：１に近づけるためには、光導波路幅を約２μｍ〜約４μｍに制御する必要がある。
【０１６５】
本実施形態ではクラッド層の構成材料としてNb2O5を用いたが、その他に、LiNbO3、TiO2、ZnS、CeO2、またはこれらを含む混合材料、例えばTa2O5、SiO2、Al2O3、SiN等との混合材料も、利用できる。これらによって形成されるクラッド層は、その屈折率を変えることで、より大きなオーバラップを得ることができて、変換効率の大幅な向上が可能となる。
【０１６６】
また、本実施形態では、基板としてLiTaO3基板を用いているが、他にMgO、Nb或いはNdなどをドープしたLiTaO3やLiNbO3、或いはそれらの混合物であるLiTa1-xNbxO3（０≦x≦１）、或いはKTP等からなる基板を用いても、同様な素子が作製できる。LiTaO3、LiNbO3、及びKTPは、いずれも高い非線形性を有し、高効率の光波長変換素子が作製できる。特にKTPは、屈折率が約１．８と低いので、その上に形成されるクラッド層の材料としてTa2O5、Al2O3、SiN等の利用も可能となり、有効である。また、これらの材料においては、周期的分極反転層の形成方法が確立されており、高効率の光波長変換素子が形成できるため、有効である。
【０１６７】
（第３の実施形態）
Nb2O5クラッド層によるオーバラップの向上効果を埋め込み型光導波路に適用することにより、簡便な構造による変換効率の向上が図れる。図１９は、埋め込み型光導波路を用いた本実施形態の光波長変換素子の構成を示す。
【０１６８】
具体的には、図１９は、光波長変換素子の斜視図である。本実施形態の光波長変換素子では、Ｃ板のLiTaO3結晶（すなわち、その上面及び底面が、結晶のＣ軸に垂直な面である）からなる基板３０１の内部に、周期Λ＝約３．５μｍ（周期Λは、図１９では参照番号３０８として示されている）の分極反転層３０４が形成されている。分極反転層３０４の幅Ｗは、約１．７μｍである（幅Ｗは、図１９では参照番号３０９として示されている）。さらに、LiTaO3結晶基板３０１の表面には、ストライプ状のプロトン交換層３０５が形成されている。さらに、プロトン交換層３０５を含む結晶基板３０１の表面には、基板３０１よりも高い屈折率を有するNb2O5クラッド層３１０が形成されている。さらに、クラッド層３１０を含む結晶基板３０１の表面は、SiO2からなるカバー層（不図示）で被われている。クラッド層３１０の厚さは、約３００ｎｍである。
【０１６９】
導波路を伝搬する波長８５０ｎｍの基本波３０６は基本モード（ＴＭ00モード）で伝搬しており、第２高調波３０７は、深さ方向には１次モード、幅方向には０次の高次モード（ＴＭ01モード）で伝搬している。分極反転層３０４の周期３０８に対する基本波３０６の波長を選択することによって、第２高調波３０７の導波モード（ＴＭ01モード）を選択的に励振している。また、従来の構成とは異なって、基本波３０６の導波モードを基本モードとし、第２高調波３０７の導波モードを高次モードとすることで、両者の間のオーバラップを増大させて、変換効率の向上を図っている。
【０１７０】
埋め込み型光導波路の上にNb2O5クラッド層３１０を約３００ｎｍ堆積すると、基本波３０６の導波モードの閉じ込めが向上し、第２高調波３０７と基本波３０６のオーバラップが増大する。その結果、光波長変換素子の変換効率が約３倍に向上し、高効率化が達成される。具体的には、クラッド層３１０の厚さが約１００ｎｍ程度から、基本波３０６と第２高調波３０７とのオーバラップが増大し始め、厚さ約３００ｎｍで最大となる。ところが、厚さが約４００ｎｍで、急激に変換効率が低下する。これは、装荷型光導波路で得られたクラッド層の厚さと第２高調波への変換効率との関係と、ほぼ同じである。
【０１７１】
埋め込み型光導波路は、装荷型光導波路に比べて横方向の光の閉じ込めが強く、第２高調波の出射ビームのアスペクト比は１：２．５程度であり、比較的良好なビーム形状が得られる。
【０１７２】
埋め込み型光導波路の利点は、伝搬損失の小さな光導波路形成が可能なことである。リッジ形状の光導波路は、導波路側面の凹凸により、伝搬損失が増大する傾向にある。本願発明者らにより作製したリッジ型光導波路でも、約1.5dB/cmの伝搬損失が観測されたのに対し、埋め込み型の光導波路では伝搬損失が1dB/cm以下であって、非常に低損失の光導波路の形成が可能であることが確認された。
【０１７３】
さらに、横方向の閉じ込めを向上させる構造として、クラッド層を光導波路上に選択的に堆積させる方法を試みた。具体的には、幅約５μｍの光導波路に対してクラッド層の幅を５μｍ以下にすることにより、幅方向の閉じ込めが強化され、変換効率が１．２倍に向上した。基本波波長に対するクラッド層の屈折率を約２．１８以上にすれば、オーバラップの向上による変換効率が可能である。特に、屈折率が約２．２〜約２．５の範囲では、オーバラップの向上が高まり、大幅な変換効率の向上が可能である。
【０１７４】
本実施形態ではクラッド層の構成材料としてNb2O5を用いたが、その他に、LiNbO3、TiO2、ZnS、CeO2、またはこれらを含む混合材料、例えばTa2O5、SiO2、Al2O3、SiN等との混合材料も、利用できる。これらによって形成されるクラッド層は、その屈折率を変えることで、より大きなオーバラップを得ることができて、変換効率の大幅な向上が可能となる。
【０１７５】
また、本実施形態では、基板としてLiTaO3基板を用いているが、他にMgO、Nb或いはNdなどをドープしたLiTaO3やLiNbO3、或いはそれらの混合物であるLiTa1-xNbxO3（０≦x≦１）、或いはKTP等からなる基板を用いても、同様な素子が作製できる。LiTaO3、LiNbO3、及びKTPは、いずれも高い非線形性を有し、高効率の光波長変換素子が作製できる。特にKTPは、屈折率が約１．８と低いので、その上に形成されるクラッド層の材料としてTa2O5、Al2O3、SiN等の利用も可能となり、有効である。また、これらの材料においては、周期的分極反転層の形成方法が確立されており、高効率の光波長変換素子が形成できるため、有効である。
【０１７６】
上記の第１〜第３の実施形態で示した装荷型、装荷リッジ型、及び埋め込み型の構成は、低損失で閉じ込めが強く、光波長変換素子としてだけではなく光導波構造としても有望であり、光通信、光計測デバイス等の光導波路素子への応用が可能である。
【０１７７】
次に、埋め込み型光導波路の耐光損傷性の向上を目的とした導波路構造について述べる。
【０１７８】
埋め込み型光導波路は、高屈折率のクラッド層を設けることにより、導波モード間のオーバラップが増大すると同時に、導波光の閉じ込めが深さ方向及び幅方向ともに非常に強まり、高効率の波長変換が可能になる。また、導波路内での基本波と第２高調波とのオーバラップを高めることで、基本波の電界分布が単独で存在する領域が減少し、耐光損傷強度の向上が図れる。しかし、光損傷の発生を完全に防止することはできず、例えば約１０ｍＷ以上の第２高調波出力に対して、光損傷の発生が観測される。この特性は、装荷型及び装荷リッジ型の光導波路に比べて、わずかに劣っている。
【０１７９】
そこで、光損傷の発生原因について詳細に検討したところ、光導波路の側部近傍で光損傷による屈折率変化が最も大きいことが見いだされた。一方、装荷型及び装荷リッジ型の光導波路では、導波路の側面近傍にプロトン交換層が存在するために、横方向の閉じ込めが緩和されるとともに光導波路側部の耐光損傷強度が向上していると考えられる。
【０１８０】
そこで、埋め込み型の光導波路構造においても、耐光損傷強度の向上を目的として、導波路の側面近傍に導波路より屈折率の低い層（基板より屈折率は高い）を設ける方法を試みた。具体的には、図１９の構成において、濃度の薄いプロトン交換層を光導波路の側部に形成した。その結果、光導波路の横方向の閉じ込めがわずかに（数％）緩和され、変換効率は約１０％低下する。しかし、耐光損傷強度は大幅に増大し、約２０ｍＷ以上の第２高調波に対しても光損傷が発生しない。プロトン交換層を設けたことによるこの光損傷強度の増大は、光導波路の横方向閉じ込めの緩和によって生じるだけでなく、プロトン交換層（導波路側部）の耐光損傷強度の増大によっても生じる。即ち、プロトン交換層は、基板に比べて電気伝導度が高いため、光損傷の原因となる不純物準位での光励起電荷の寿命が短く、光損傷が発生しにくい。そこで、光損傷の発生しやすい導波路側部に電気伝導度の高いプロトン交換部を設けることで、その部分の耐光損傷強度を増大することができる。
【０１８１】
（第４の実施形態）
ここでは、光波長変換素子を用いた短波長光源について述べる。
【０１８２】
前述した実施形態による光波長変換素子の構成により、高効率で安定な光波長変換素子の実現が可能となる。本発明による光波長変換素子を用いた短波長光源の作製の構成を、図２０に示す。
【０１８３】
具体的には、上記短波長光源は、Ｓｉなどから形成されるサブマウント４２０の上に搭載された波長８００ｎｍ帯の基本波光Ｐ１を発する半導体レーザ４２１、及び光波長変換素子４２２より構成され、半導体レーザ４２１の発光領域４２３から出た基本波光Ｐ１を光波長変換素子４２２の導波路４０２の端面に直接に結合させて集光し、導波モードを励起する。光波長変換素子４２２の導波路４０２の他の端面からは、波長変換された第２高調波光Ｐ２が出射する。基板４２０と光波長変換素子４２２との間には、クラッド層４０３が形成されている。
【０１８４】
本発明によって変換効率が高い光波長変換素子４２２が実現するので、出力約１００ｍＷの半導体レーザ４２１を用いて、約１０ｍＷの青色の第２高調波光Ｐ２が得られる。また、使用される光波長変換素子４２２は耐光損傷性に優れ且つ安定な出力が得られるので、出力変動を約２％以下に抑えることができ、安定な出力が得られる。
【０１８５】
４００ｎｍ帯の波長は、印刷製版、バイオ、蛍光分光特性等の特殊計測分野や、光ディスク分野など、広い応用分野において望まれている。本発明による光波長変換素子を用いた短波長光源は、出力特性及び安定性の両方の観点から、これらの応用分野での実用化が可能である。
【０１８６】
なお、半導体レーザ４２１の光を集光光学系を用いて光波長変換素子４２２の導波路４０２に結合させる構成であってもよい。但し、半導体レーザ４２１と光波長変換素子４２２の光導波路４０２を直接結合させる構成のほうが、小型且つ低価格の光源が実現できる。
【０１８７】
（第５の実施形態）
ここでは、短波長光源を光ディスクのピックアップ用光源として用いた光ピックアップについて説明する。
【０１８８】
光ディスクでは高密度記録が望まれており、小型の短波長光源の実現が必要不可欠である。光ディスクを読み取るためのピックアップは、光源、集光光学系、及び受光部分を含む。具体的には、図２１に示すように、Ｓｉサブマウント５２０の上に半導体レーザ５２１及び光波長変換素子５２２が搭載された光源から発せられた光Ｐ１は、レンズ５４０で平行光にされ、ビームスプリッタ５４１を通過してからレンズ５４２で集光されて、光ディスク５４３を照射する。光ディスク５４３からの反射光は、レンズ５４２で平行光にされた後に、ビームスプリッタ５４１及びレンズ５４４を介して、光検出器５４５に集光される。
【０１８９】
光源として本発明による光波長変換素子を用いると、波長４００ｎｍ帯の青色光を光ディスクの読み取り光源として利用できるため、記録密度を２倍に向上させることが可能となる。さらに、高出力の青色光の発生が可能となるため、読み取りだけでなく、光ディスクへ情報を書き込むことも可能となる。半導体レーザを基本波光源として用いることで、非常に小型になり、民生用の小型光ディスク読み取り及び記録装置にも利用できる。
【０１９０】
さらに、光波長変換素子は、光導波路幅を最適化することで、出力ビームのアスペクト比の最適化が行える。例えば、装荷リッジ型導波路構造を有する光波長変換素子において、光導波路の幅を約３μｍにすることにより、アスペクト比を１：１に近づけることが可能となる。この結果、光ピックアップの集光特性を向上させるためのビーム成形プリズムなどが不要になり、高い伝達効率、優れた集光特性、及び低価格化が実現できる。さらに、ビーム成形時に発生する散乱光のノイズが低減でき、ピックアップの簡素化が実現できる。
【０１９１】
（第６の実施形態）
本実施形態では、閉じ込めの強い光導波路の構成について述べる。
【０１９２】
第１の実施形態で説明した光波長変換素子の構造は、光導波路構造としても有効な構造である。そこで、図９に示した光波長変換素子における光導波路の特性について説明する。
【０１９３】
具体的には、図２２（ｈ）に示すように、LiTaO3基板の上にプロトン交換層からなる光導波路が形成され、さらにその上にNb2O5からなるクラッド層が形成されている光波長変換素子に、波長約８６０ｎｍの光を導波させて、導波光の電界分布の観測を行った。比較のために、Ta2O5からなるクラッド層が形成されている装荷型光導波路（図２２（ｇ）参照）の導波光の電界分布も測定した。波長約８６０ｎｍの光に対する屈折率は、プロトン交換層（光導波層）が約２．１６、Ta2O5層が約２．０、Nb2O5層が約２．２５である。
【０１９４】
厚さ約２μｍのプロトン交換層の上に厚さ約３００ｎｍ且つ幅約５μｍのストライプ状のクラッド層を形成した装荷型光導波路の電界分布を、図２２（ａ）〜（ｆ）を参照して説明する。
【０１９５】
まず最初に、深さ方向の分布から説明する。図２２（ａ）及び（ｂ）は、Ta2O5からなるクラッド層が形成されている装荷型光導波路とNb2O5からなるクラッド層が形成されている装荷型光導波路についての、深さ方向の導波光の電界強度分布であり、図２２（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれの構造における深さ方向の屈折率分布である。Ta2O5からなるクラッド層が形成されている場合の深さ方向の電界強度分布（図２２（ｃ）参照）は、半値全幅で約３μｍに広がっているのに対し、Nb2O5からなるクラッド層が形成されている場合の深さ方向の電界強度分布（図２２（ｄ）参照）の半値全幅は約２．５μｍにまで減少し、光導波路の閉じ込めが大幅に向上している。他の材料（例えば、SiO2やAl2O3）からなるクラッド層についても検討した結果、深さ方向の導波光の電界強度分布は、光導波層の屈折率（約２．１６）以下の屈折率を持つクラッド層ではほとんど変わらない。従って、深さ方向の光の閉じ込めを向上させるには、クラッド層として、導波層より屈折率の高い層を形成する必要がある。
【０１９６】
次に、幅方向の導波光の電界強度分布を、図２２（ｅ）及び（ｆ）にそれぞれ示す。幅方向の閉じ込めに関しても、Ta2O5からなるクラッド層が形成されている場合（図２２（ｅ）参照）には、半値全幅で約６μｍ以上に広がっているのに対して、Nb2O5クラッド層（図２２（ｆ）参照）では、半値全幅が約５μｍまで低減されて、幅方向に閉じ込めの強い光導波路が形成されていることがわかる。
【０１９７】
以上の結果、導波層より屈折率の高いクラッド層を設けることにより、閉じ込めの強い光導波路が形成できることが明らかになった。閉じ込めの強い光導波路は、導波する光のパワー密度の増大が図れて光の制御効率が向上するため、光導波路を用いた電気光学素子や非線形光学素子に有効である。
【０１９８】
（第７の実施形態）
ここでは、光波長変換素子の特性をさらに向上する方法を検討する。
【０１９９】
クラッド層に屈折率の高い層を設けることにより基本波の導波モードの形状を制御することが可能となるので、導波モードの形状制御を容易にするために図２３に示す構造を形成する。具体的には、クラッド層を多層膜構造にすることにより、導波モードの制御を容易にする。
【０２００】
図２３の（ａ）は、光波長変換素子の斜視図であり、（ｂ）は断面図である。図２３の構成は、クラッド層が、SiO2層７１２とNb2O5層７１０との多層構造になっている以外は、図９を参照して説明した構成と同じである。対応する構成要素には、対応する類似した参照番号を付しており、その説明を省略する。
【０２０１】
導波モードのプロファイルを基板表面側に引き寄せ、基本波と第２高調波とのオーバラップを向上させるには、多層膜内に基板より屈折率の高い層が必要である。ここでは、Ta2O5とNb2O5との多層膜によるクラッド層を形成する。多層膜の厚さを制御することにより、オーバラップの向上が図れて変換効率が向上することを確認した。
【０２０２】
次に、光導波路の屈折率分布を対称化することによる変換効率の向上について述べる。
【０２０３】
屈折率分布が深さ方向に対して対称な構造になれば、基本波と第２高調波とのオーバラップを大幅に向上させることができる。そのためには、クラッド層として、基板と等しい屈折率を持つ材料が必要となる。基板であるLiTaO3は、８６０ｎｍの光に対する屈折率が約２．１５である。そこで、この値に近い屈折率をもつクラッド層を形成するため、Ta2O5とNb2O5との混合膜をクラッド層に用いた。Ta2O5及びNb2O5の屈折率は、それぞれ約２．０及び約２．２５であり、混合比を制御することにより、全体の屈折率を上記の値（２．１５）に近づけた。
【０２０４】
成膜は、Ta2O5及びNb2O5の混合ターゲットを用いるスパッタ蒸着により行う。クラッド層を厚さ約５００ｎｍに堆積し、図２３の構成による光波長変換素子を作製したところ、オーバラップの増大による変換効率の大幅な向上を確認できた。
【０２０５】
このように、クラッド層に基板と同じ屈折率の膜を用いることで、光波長変換素子の変換効率向上が達成できる。変換効率の向上は、クラッド層の屈折率がLiTaO3基板の屈折率以上で且つ導波層の屈折率より小さい場合である。
【０２０６】
（第８の実施形態）
ここでは、耐光損傷強度に優れた光波長変換素子構造について述べる。
【０２０７】
光損傷とは、光導波路を導波する光により導波路の屈折率が変化し、出力が不安定になる現象で、特に短波長光に対して顕著に表れる。光波長変換素子は基本波を波長変換して短波長の第２高調波（波長:緑〜青〜紫外）を発生させるが、光損傷により導波路の屈折率が変化すると、第２高調波出力が変動して波長変換特性が不安定になる。
【０２０８】
以下では、光損傷を低減するため構造について行った検討結果を述べる。
【０２０９】
従来の埋め込み型光導波路を用いた光波長変換素子の耐光損傷性を測定した。基板にLiTaO3を用い、波長約８６０ｎｍの基本波を波長変換して約４３０ｎｍの第２高調波の発生を行ったところ、数ｍＷの第２高調波の出力で光損傷が生じ、出力が不安定になることが明らかになった。そこで、光損傷の原因について検討を行った結果、次のことを発見した。
【０２１０】
第１に、プロトン交換を行うことによりプロトン交換部分の電気伝導度が向上し、これによって耐光損傷強度が向上する。
【０２１１】
第２に、光損傷は、導波路内部の耐光損傷強度だけでなく、導波路周辺部の耐光損傷強度の影響を受ける。埋め込み型光導波路は、光導波路周辺部の電気伝導度が低く光損傷が生じ易くなっているため、プロトン交換光導波路周辺部において光損傷が発生している。
【０２１２】
第３に、分極反転周期のデューティ比（分極反転部の幅Ｗ／分極反転周期Λ）の不均一性が光損傷特性に影響を与える。光損傷は、光により励起される電界により、電気光学効果を介して屈折率変化が生じる現象である。このため、周期的な分極反転構造により光励起電界を相殺し、屈折率変化を低減することが可能となる。しかし、埋め込み型光導波路では、周期状の分極反転構造のデューティ比が不均一になり易く、光損傷が低出力の第２高調波光に対して生じる。
【０２１３】
耐光損傷性に関する検討により、光導波路の周辺部の耐光損傷性が、光導波路の特性に影響を与えることが明らかになった。装荷型光導波路では、導波路側面にプロトン交換層を有するため、埋め込み型光導波路の約１０倍の耐光損傷強度を持っている。しかし、装荷型光導波路の底面は、通常の埋め込み型光導波路と同様の構造となっている。
【０２１４】
そこで、図２４に示す構造を形成する。図２４の（ａ）は、光波長変換素子の斜視図であり、（ｂ）は断面図である。具体的には、プロトン交換層を多層構造にし、導波層である第１のプロトン交換層８０５の底面にプロトン濃度の薄い第２のプロトン交換層８１５を形成する。図２４の構成は、プロトン交換層が上記のように多層構造になっている以外は、図９を参照して説明した構成と同じである。対応する構成要素には対応する類似した参照番号を付しており、その説明を省略する。
【０２１５】
導波層である第１のプロトン交換層８０５の底面に第２のプロトン交換層８１５を設けて電気伝導度を高めることで、光導波路の底部を電気伝導度の高い層で覆って、耐光損傷性をより高めることができる。これにより、耐光損傷性は、装荷型光導波路の２倍以上になる。
【０２１６】
また、本願発明者らの検討により、光損傷強度が分極反転周期にも依存することが明らかになった。周期状の分極反転構造により光励起による電界を相殺する効果があることは既に述べたが、分極反転周期が粗くなると、この効果が薄れてきて光損傷が生じ易くなる。具体的には、分極反転周期が約４μｍ以下で、耐光損傷性が顕著に増大する。周期約８μｍ以下でも、基板に対して２倍以上の耐光損傷性の向上が確認できた。しかし、反転周期が約１０μｍ以上になると、分極反転による耐光損傷性の向上は確認できなかった。
【０２１７】
（第９の実施形態）
前述した実施形態では、高屈折率の導波層を形成する方法として、ピロ燐酸中で基板を熱処理することによりLiTaO3基板中のLi+と酸中のH+とを交換し、基板表面に高屈折率のプロトン交換層を形成していた。以下では、プロトン交換法にさらなる改良を加え、低損失で且つ光損傷に強い光導波路を形成する方法を提供する。
【０２１８】
ピロ燐酸は、高温での解離定数が大きく、液中での濃度むらが生じ難いために、ピロ燐酸を用いるプロトン交換処理では、屈折率及び厚みの均一な低損失のプロトン交換層が形成できる。しかし、基板中のLiイオンとプロトンの交換量が大きいので、基板表面に化学損傷を与え、基板の非線形定数を極端に劣化させる。そこで、ピロ燐酸を用いたプロトン交換によるプロトン交換量の制御性について検討した。
【０２１９】
ピロ燐酸のプロトン交換量を制御する方法として、酸を中和して解離定数を低減する方法がある。そこで、燐酸Li塩をピロ燐酸中に加えて、プロトン交換特性の変化を観測した。しかし、燐酸Liをピロ燐酸の10倍以上加えても、プロトン交換特性（交換速度、屈折率）の変化は見られなかった。また、燐酸Liを加えると、溶液の粘度が増して作業性が極端に悪くなる結果となった。
【０２２０】
そこで、基板表面にプロトン透過膜を設けてプロトン交換を行う方法を提案する。
【０２２１】
図２５（ａ）及び（ｂ）に、本実施形態の光導波路の製造方法の工程図を示す。  まず、図２５（ａ）に示すように、スパッタ蒸着によりLiTaO3基板９０１の＋Ｃ面にTa2O5膜（透過膜）９０２を堆積する。次に、基板９０１をピロ燐酸中で熱処理する。Ta2O5膜９０２を透過してプロトン交換を行うことにより、図２５（ｂ）に示すように、Ta2O5膜９０２とLiTaO3基板９０１との間に、プロトン交換層９０３を形成する。このようなTa2O5膜９０２を介したプロトン交換では、プロトン交換速度や濃度の制御が可能となる。
【０２２２】
図２６は、Ta2O5膜９０２の厚さとプロトン交換の拡散定数の関係を示した特性要因図である。約２６０℃でプロトン交換処理を行う場合、拡散定数は、Ta2O5膜の厚さがそれぞれ０ｎｍ、１００ｎｍ及び４００ｎｍであるときに、それぞれ０．２２７μｍ2／ｈ、０．０５μｍ2／ｈ、及び０．０１３２μｍ2／ｈとなる。これは、プロトン交換速度がTa2O5膜の厚さにより制御されていることを示している。
【０２２３】
形成されたプロトン交換層を評価したところ、化学損傷が非常に小さく、光導波路の伝搬損失が１／２以下に低減できることが見いだされた。さらに、耐光損傷強度が２倍以上に向上し、特性の優れた光導波路が形成されていることが確認された。
【０２２４】
また、プロトン交換濃度を下げることで、プロトン交換層の非線形性を向上させることができる。プロトン交換を行うと、LiTaO3やLiNbO3等の材料にはプロトン交換層が形成され、ステップ状の高屈折率層が形成される。プロトン交換層は、交換濃度が高くなると、非線形性が基板の半分以下に劣化することが知られている。非線形性を回復するには、プロトン交換層をアニール処理してプロトン交換濃度を下げる必要があるが、アニール処理を行うとプロトン交換層が熱拡散により広がり、屈折率分布がステップ状からグレーディッド状に変化してしまう。このため、光波長変換素子等へ応用する場合には、導波モードの電界分布形状のコントロールが難しくなり、変換効率低下の原因になっていた。しかし、Ta2O5膜を透過膜として用いることでプロトン濃度分布の制御が可能となるので、ステップ形状の屈折率分布を有する高非線形性を保った光導波路の形成が可能となる。
【０２２５】
非線形性の劣化を防ぐTa2O5膜の厚さとしては、最低でも約５００ｎｍ以上必要である。この方法を用いて光波長変換素子を形成することにより、変換効率の大幅な向上が可能となる。
【０２２６】
また、図２６に示すように、Ta2O5膜の厚さが約１００ｎｍ以下になると、膜厚に対する拡散定数の変化が大きくなり、プロトン交換の深さを制御するためにTa2O5膜の厚さの精密なコントロールが必要となって、実質的に制御が難しくなる。さらに、Ta2O5膜の厚さが約５０ｎｍ以下では、化学損傷の低減効果が少ない。一方、Ta2O5膜の厚さが増大すると、拡散定数が低下し、プロトン交換時間が長くなって生産性が悪くなる。
【０２２７】
このため、Ta2O5膜の厚さは、約1μｍ以下が適当である。すなわち、高非線形導波路を形成するには約５００ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚さの透過膜（Ta2O5膜）が必要であり、プロトン交換速度の制御を行うには、約５０ｎｍ〜約１００ｎｍ程度が適当である。
【０２２８】
さらに、Ta2O5透過膜とプロトン交換選択マスクを組み合わせることにより、プロトン交換形状を大幅に変化させることが可能となり、導波モードの電界分布の制御が可能となる。
【０２２９】
具体的には、まず図２７（ａ）に示すように、LiTaO3基板９１０の＋Ｃ面に、厚さ約６０ｎｍのTa膜９１１で、ストライプ状のマスクパターン９１１を形成する。次に、図２７（ｂ）に示すように、マスクパターン９１１の上に厚さ約４００ｎｍのTa2O5層９１２を堆積する。さらに、ピロ燐酸中で熱処理して、Ta2O5層９１２を介したプロトン交換処理を行う。このとき、図２７（ｃ）に示すように、Taマスクパターン９１１によって覆われていない部分のみに、ストライプ状のプロトン交換層９１３が形成される。プロトン交換処理は、約２６０℃で約４時間行う。
【０２３０】
図２８（ａ）及び（ｂ）には、プロトン交換プロファイルの断面図を示す。図２８（ａ）は、Ta2O5透過膜が無い場合であり、（ｂ）は、厚さ約４００ｎｍのTa2O5透過膜９１２を介してプロトン交換を行った場合である。図２８（ｂ）に示すようにTa2O5透過膜９１２を設けることにより、Taマスク９１１のエッジ部分のみでプロトン交換が進み、中央部分では拡散速度が遅くなる。そのため、プロトン交換層９１３の深さが、両サイドで深くなる。これは、Taマスク９１１のエッジ部分ではTa2O5透過膜９１２が薄くなるため、この部分のプロトン交換速度が速くなるためと考えられる。
【０２３１】
このようなプロトン交換処理によって形成された光導波路では、２ピークを有する２次伝搬モードを選択的に励起することが可能となり、２ピークの光出力を取り出せる。これより、光コンピュータ、作動検出用の計測装置、光ディスクの検出における位置修正用の検出光として、２ビームの出力を利用できる。また、光分波器に応用することにより、導波光を２つの導波路に効率よく分波できる。
【０２３２】
また、プロトン交換速度のTa2O5透過膜の厚さへの依存性を利用して、プロトン交換プロファイルの制御が可能となる。通常は、厚さの異なるプロトン交換層を１ウェハ上に形成するには、適切なパターンのプロトン交換マスクを形成して部分的にプロトン交換を行う工程を、繰り返し行う必要がある。しかし、Ta2O5透過膜を用いることで、厚さの異なるプロトン交換層を１回のプロトン交換工程で同時に形成することが可能となる。例えば、図２９に示すように、Taマスクパターン９１１とともに使用するTa2O5透過膜９１２の厚さを部分的に変えることにより、１回のプロトン交換処理で厚さの異なる複数のプロトン交換層９１３を基板９１０に形成できる。さらに、Ta2O5透過膜９１２の厚さをテーパ状に変化させることにより、深さがテーパ状に変化したプロトン交換層の形成も可能となる。
【０２３３】
以上の方法を用いれば、プロトン交換層の分布を自由に変えることができて、プロセスの簡素化が行える。
【０２３４】
次に、長時間にわたるプロトン交換が可能な、耐酸性に優れたマスクについて説明する。
【０２３５】
LiTaO3、LiNbO3などに深いプロトン交換層を形成するには、長時間のプロトン交換が必要である。例えば、LiTaO3に約２μｍ以上の深さのプロトン交換層を形成するには、一般に約２６０℃で約４時間以上のプロトン交換処理が必要となる。ところが、上記のようにして選択的なプロトン交換を行うには、高温で長時間のプロトン処理に耐えるマスクが必要となる。しかし、従来技術によれば、耐酸性に優れたTaマスクを用いても、１時間以上のプロトン交換は難しい。
【０２３６】
これに対して本願発明者らは、金属膜上に酸化膜を堆積することで、長時間のプロトン交換が可能な耐酸性に優れたマスクが得られることを見い出した。具体的には、Ta膜を約６０ｎｍ堆積した後に、その表面にTa2O5透過膜を厚さ約４００ｎｍ堆積する。これによって、プロトン交換を４時間以上行ってもマスクは十分な耐プロトン性を示し、マスクの下の基板は全くプロトン交換されていないことが確認された。このように、金属マスク上に酸化膜を堆積することにより、耐酸性に優れたプロトン交換マスクが実現できた。
【０２３７】
なお、本実施形態では透過膜としてTa2O5を用いているが、他にNb2O5、SiO2、TiO2、Al2O3、LiNbO3、LiTaO3などの耐酸性に優れた酸化膜を用いれば、同様の効果が得られる。
【０２３８】
（第１０の実施形態）
次に、本発明の第１０〜１５の実施形態による光導波路及び光波長変換素子の製造方法における、エッチング速度について説明する。
【０２３９】
加工が困難で溶剤に腐食され難い構造的及び化学的に安定な基板、例えば石英等は、ウェットエッチング、ドライエッチング、反応性イオンエッチング等のエッチング手段を用いても、高精度にエッチングすることは困難である。このような基板は、エッチングにおいてレジストバターンとの選択比が小さく、微細な形状をエッチングする場合には、深いエッチング形状を形成することが困難である。
【０２４０】
これに対して、本発明の以下の光導波路及び光波長変換素子の製造方法においては、エッチングする部分のみを選択的にイオン交換することにより基板の特性を変えて、エッチング速度を向上させている。例えば、LiNbO3、LiTaO3等の基板を酸中で熱処理すると、結晶中のLi原子とプロトン（＋Ｈ）が交換されて、プロトン交換層が形成される。プロトン交換層では原子間の結合が元の結晶に比べて弱くなっており、エッチングされ易い状態となっている。この結果、プロトン交換層は、ウエットエッチング、ドライエッチング、反応性イオンエッチング等により、容易にエッチングされる。したがって、本発明の光導波路及び光波長変換素子の製造方法においては、エッチングする部分のみに選択的にイオン交換を施し、この部分をエッチングすることにより、選択比の高い高精度のエッチング処理が可能となる。このため、本発明の製造方法によれば、均一な品質を有する光導波路及び光波長変換素子の形成が可能となる。
【０２４１】
次に、導波方向に直交するように一定周期毎に分極反転構造を有する光波長変換素子の製造方法における、導波路の表面に発生する凹凸について説明する。
【０２４２】
従来の製造方法においては、光導波路の表面はエッチングにより凹凸が形成されて、光の伝搬損失が大きい。この理由は、光導波路の表面における分極反転部分と非反転部分で結晶面が異なるため、エッチング速度に違いが生じるためである。しかし、このような周期的な分極反転構造を有する面に対してイオン交換処理を施すと、そのイオン交換部分においては、周期的に分極反転構造を有する面であっても凹凸が発生しないことが発見された。そこで、エッチングする部分のみに選択的にイオン交換処理を行った後にエッチングすることにより、光導波路表面の凹凸をなくし、光の伝搬損失の少ない高効率の光導波路を有する光波長変換素子の製造が可能となる。
【０２４３】
次に、本発明の製造方法により作製された光導波路及び光波長変換素子における光損傷について説明する。
【０２４４】
従来の埋め込み型光導波路では、光導波路を伝搬する光の電界分布が、光導波路より外部へ染みだしている。このため、強い光が導波路を伝搬した場合、導波路の外周部分において、光損傷（光があたることにより物質の屈折率が変化する現象）が生じる。しかし、本発明の製造方法により作製されたリッジ型の光導波路においては、光導波路の表面にリッジ型の導波層が形成されているため、光の電界分布の染みだしが小さくなる。この結果、本発明による光導波路は、光損傷に対し強い構造となる。
【０２４５】
また、光損傷による屈折率変化は、光の照射により結晶中の不純物から電荷が発生し、結晶内部に電界を生じることにより誘起される。しかし、導波路近傍にイオン交換部分を形成すると、このイオン交換部分において電気伝導度が高くなり、内部電界の発生を抑圧することが可能となる。そこで、本発明の製造方法により形成された構造では、光導波路の表面にリッジ型のイオン交換層を形成しているため、光損傷の発生が抑圧される。
【０２４６】
次に、本発明の光波長変換素子における電界分布の重なりについて説明する。
【０２４７】
光波長変換素子において、基本波と第２高調波の電界分布の重なりが変換効率に大きく影響する。本発明による光波長変換素子においては、光導波路の表面にリッジが形成されているために屈折率分布がステップ状となり、従来の埋め込み型光導波路に比べて、基本波と第２高調波の重なりを大きくすることができる。さらに、光導波路の表面近傍にイオン濃度の高い層が形成されているため、深さ方向の電界の重なりも大きくなり、本発明による光波長変換素子は、高い変換効率を有する。
【０２４８】
図３０（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第１０の実施形態における光導波路の製造方法を示す図であり、それぞれ、光の導波方向と直交する面にそった断面図である。
【０２４９】
まず、図３０（ａ）に示すように、非線形光学物質であるＣ板のLiTa03単結晶基板１００１（結晶のＣ軸に垂直な面で切り出した基板、以下では、「基板１００１」と略称する）を、約２００℃〜約３００℃のピロ燐酸液中に数分間浸してプロトン交換を行い、基板１００１の表面に帯板状の１次プロトン交換層１００２を形成する。
【０２５０】
次に、基板１００１に対して約４００℃〜約４５０℃でアニール処理を行い、１次プロトン交換層１００２の全部を、図３０（ｂ）に示すように帯板状のアニール処理プロトン交換層１００６にする。
【０２５１】
次に、基板１００１の表面である＋Ｃ面上に、厚さ約６０ｎｍのTa層をスパッタリング又は蒸着により堆積させる。その後、フォトリソグラフィ法とCF4雰囲気中のドライエッチングによって、所定幅の直線状のTa層１００３を形成する。
【０２５２】
さらに、Ta層１００３を保護マスクとして非マスク部分を再度プロトン交換し、図３０（ｄ）に示すように、アニール処理プロトン交換層１００６の表面から所定の深さでの２次プロトン交換層１００５を形成する。
【０２５３】
次に、基板１００１の表面にネガレジスト（不図示）を塗布した後に、裏面より紫外線を照射してネガレジストを露光して現像し、図３０（ｅ）に示すように直線状のTaマスク１００３の上にレジストパターン１００４を形成する。このとき、直線状のTa層１００３が保護マスクとなって非マスク部分のみ露光されるため、Ta層１００３の上のみに、所定幅を有した直線状のレジストパターン１００４が、選択的に形成される。
【０２５４】
次に、形成されたレジストパターン１００４とTa層１００３を保護マスクとしてCHF3雰囲気中でドライエッチングを行い、非マスク部分の２次プロトン交換層１００５をエッチングで除去する。さらに、基板１００１をフッ酸：硝酸＝１：２の液中に数秒間浸して、残留するTa層１００３及びレジストパターン１００４を除去する。その後に、光導波路の入出射面となる両端面を光学研磨して、図３０（ｆ）に示すようなリッジ１００７を有する光導波路が製造される。
【０２５５】
なお、リッジ１００７の側面には、プロトン交換部分１００８が形成されている。プロトン交換部分１００８は、Ta層１００３の保護マスクを用いて２次プロトン交換層１００５を形成する際に、プロトンの横方向への拡散により形成される。このプロトン交換部分１００８はアニールされていないため、アニール処理されたプロトン交換層１００６に比べてプロトン濃度か高く、屈折率変化も大きくなっている。
【０２５６】
上記の製造方法におけるエッチングについて説明する。
【０２５７】
上記の製造方法において、エッチング部分のみがTa層１００３を保護マスクとして選択的にプロトン交換されるため、エッチング速度は従来に比べて飛躍的に向上しており、また、プロトン交換部分のみが確実にエッチングされるため、導波部分にプロトン交換による影響を全く与えることがない。
【０２５８】
【表３】
0003907762.tif 000004
【０２５９】
表３は、LiTaO3におけるCHF3雰囲気中でのエッチング速度を比較したデータであり、各種エッチング対象基板のエッチング速度、及びレジストパターンに対する選択比を示している。ここで選択比は、プロトン交換したLiTaO3基板の値によって規格化した値を示している。表３におけるエッチング対象基板は、LiTaO3基板、プロトン交換した後にアニール処理したLiTaO3基板、及びプロトン交換したLiTaO3基板の３種類である。
【０２６０】
表３に示すように、LiTaO3基板をプロトン交換処理することにより、他の基板に比べてレジストパターンに対して高い選択比（５倍）がとれる。このため、プロトン交換したLiTaO3基板では、他の基板に比べて微細かつ深い形状を形成するエッチングが可能となる。
【０２６１】
次に、上記の製造方法において、プロトン交換を用いることによりエッチングの深さを高精度に制御できることを説明する。
【０２６２】
一般的なドライエッチング装置においては、エッチングの厚み制御は±数％の誤差を有する。このため、このようなドライエッチング装置を用いて光導波路を製造する場合には、光導波路の特性がばらつくという問題がある。しかし、本発明に係る上記の光導波路の製造方法を用いることにより、エッチング深さは高精度に制御可能である。その理由を以下に記載する。
【０２６３】
上記の表３に示したように、エッチング速度は、プロトン交換部分とアニールしたプロトン交換部分とで大きく異なっている。このため、本発明の製造方法において、プロトン交換層のエッチングか終了してアニール処理部分に達すると、エッチングの速度は急速に低下し、実質的にエッチングは停止状態となる。従って、エッチング深さは、プロトン交換層の深さとほぼ一致する。また、プロトン交換層の深さは、±１％以下の精度で制御することか可能である。このため、エッチング深さの制御は、プロトン交換層の深さの制御と同等の±１％以下の制御が可能である。
【０２６４】
さらに、プロトン交換したLiTaO3基板はレジストパターンに対して高い選択比を有しているため、エッチング時に、レジストパターンの形状は確実に保持されている。このため、本発明の製造方法において、プロトン交換していないLiTaO3基板をエッチングする場合に比べ、プロトン交換したLiTaO3基板では、より垂直に近いエッチング形状が得られる。
【０２６５】
次に、上記の製造方法におけるセルフアライメントについて説明する。
【０２６６】
上記の製造方法において、直線状のTa層１００３が、２次プロトン交換層１００５を形成するための保護マスク、及びネガレジストを露光するためのマスクの両方を兼用している。このため、Ta層１００３は、エッチング部分のみを選択的にプロトン交換するための保護マスクとして機能するとともに、レジストパターン１００４を裏面から露光してTa層１００３の上のみに確実に形成させるためのマスクとしても、機能している。この結果、レジストパターン１００４はセルフアライメントでTa層１００３の上に正確に形成できるため、上記の製造方法によれば、プロトン交換部分のみを正確にエッチングすることが可能である。この結果、光導波路の均一化及び低損失化を達成することができるので、上記の光導波路の製造方法は、再現性及び量産性に優れた特徴を有している。また、セルフアライメントにより金属マスク上のみに確実にレジストバターンを形成できるため、製造が容易であり、且つ大量生産が可能である。
【０２６７】
次に、上記の製造方法により製造された光導波路の特性評価実験について説明する。
【０２６８】
図３１は、上記の製造方法により作製された光導波路を示す断面図である。図３０（ａ）〜（ｆ）と同じ構成要素には、同じ参照番号を付している、
この光導波路に、波長約８６０ｎｍの光を伝搬させて特性評価実験を行った。具体的には、光導波路に波長約８６０ｎｍの半導体レ−ザの光をレンズを用いて結合させ、導波する光の近視野像を光導波路の出射端面より計測した。この計測結果によれば、上記の光導波路は、リッジ１００７の側面のプロトン交換部分１００８により強い閉じ込めが可能となり、入射したレ−ザ光に対する光導波路内に閉じ込められる光の分布は、従来技術の構造に比べて数％向上していた。さらに、この光導波路には、幅方向にステップ状の屈折率分布が形成されていることが明らかになった。
【０２６９】
次に、上記特性評価実験における各特性の測定結果について説明する。
【０２７０】
最初に、形成された光導波路の伝搬特性について説明する。
【０２７１】
導波する光の伝搬損失の測定値は約２ｄＢ／ｃｍであって、比較的低損失の光導波路が形成された。この値は、LiTaO3基板自身を直接にエッチングした場合の約１／２の値であり、上記の製造方法によって低損失の光導波路が形成されることが理解できる。
【０２７２】
次に、形成された光導波路の非線形性に関する測定結果について説明する。
【０２７３】
LiTaO3基板がプロトン交換されると非線形光学定数や電気光学定数などが大きく悪化し、プロトン交換したLiTaO3基板を有する光導波路を非線形光学素子及び電気光学素子等に適用する際の大きな問題となっていた。しかし、プロトン交換したLiTaO3基板の光導波路をさらに高温でアニール処理することにより、プロトン濃度が低下し、各定数も通常のLiTaO3基板と同等の値まで回復することが確認された。
【０２７４】
本実施形態の製造方法により製造した光導波路の非線形光学定数の測定結果より、この光導波路は、アニールしたLiTaO3基板の光導波路とほぼ等しい値の非線形光学定数を有していることを確認できた。この理由は、２次プロトン交換層１００５が、エッチングにより除去されて光導波路に影響を与えない部分に選択的に形成されるためである。実際にはリッジ１００７の側面に僅かにプロトン交換部分１００８が存在するが、光導波路の内部にはプロトン濃度の高い部分が存在しないために、高い非線形特性を維持することができる。
【０２７５】
次に、形成される光導波路の導波損失特性における測定結果について説明する。
【０２７６】
リッジ型光導波路の導波損失の原因は、リッジ形状をエッチングした際にその表面に生じる僅かな凸凹である。特に、導波路部分（屈折率：約２．２）と空気層（屈折率：１．０）との間の屈折率差が大きいため、光導波路の表面に凹凸が存在すると、導波損失が大きくなる。この影響を低減するためには、光導波路全体を、空気層より屈折率の高い物質で被う必要がある。
【０２７７】
そこで、上記で形成されたリッジ型光導波路の全体を空気層の屈折率より高い物質の膜で被覆した際の、被覆膜の屈折率と導波損失との関係を測定した。図３２に、その測定結果を示す。図３２に示すように、屈折率が１．０より増加すると共に導波損失が低下する。しかし、被覆膜の屈折率が導波路の屈折率を超えると、導波路に光が閉じ込められなくなり、基本波はカットオフされる。このため、被覆膜は、空気層の屈折率（１．０）より大きく且つ光導波路の屈折率（約２．２）より小さい屈折率を有する光透過性材料から形成されることが好ましい。
【０２７８】
なお、上記の説明では、LiTaO3単結晶基板を用いているが、LiNbO3の単結晶基板、或いは、LiTaO3とLiNbO3との多結晶基板（LiNb1-xTax０3（０≦Ｘ≦１））でも、上記と同様の効果を得られる。LiNbO3は電気光学定数及び非線形光学定数などが大きいので、多くの分野における光導波路素子（光スイッチ、非線形光学素子、音響光学素子等）に応用されている。したがって、本実施形態の光導波路及び光波長変換素子の製造方法は、これらの応用分野において非常に有効である。
【０２７９】
さらに、LiTaO3基板の代わりに、MgOを添加したMgO:LiNbO3基板やMgO:LiTaO3基板にも適用できる。これらの材料により形成された基板は光損傷に強いため、高出力の素子が作製できて有効である。
【０２８０】
さらに、基板としては、KTP基板を用いることもできる。KTPを基板材料とした場合には、イオン交換としてＲｂイオン交換が用いられて、上記と同様の効果を有する光導波路が形成できる。KTPは耐光損傷性に優れた特性を有しているため、KTP基板の光導波路は、高出力の光導波路として有効である。
【０２８１】
（第１１の実施形態）
図３３（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第１１の実施形態における光導波路の製造方法を示す図であり、それぞれ、光の導波方向と直交する面にそった断面図である。
【０２８２】
まず、図３３（ａ）に示すように、非線形光学物質であるＣ板のLiTa03単結晶基板１１０１（結晶のＣ軸に垂直な面で切り出した基板、以下では、「基板１１０１」と略称する）を、約２００℃〜約３００℃のピロ燐酸液中に数分間浸してプロトン交換を行い、基板１１０１の表面に帯板状の１次プロトン交換層１１０２を形成する。
【０２８３】
次に、基板１１０１に対して約４００℃〜約４５０℃でアニール処理を行い、１次プロトン交換層１１０２の全部を、図３３（ｂ）に示すように帯板状のアニール処理プロトン交換層１１０６にする。
【０２８４】
次に、基板を再度ピロ燐酸中で熱処理して、図３３（ｃ）に示すように、アニール処理プロトン交換層１１０６の表面から所定の深さまでの２次プロトン交換層１１０５を形成する。
【０２８５】
さらに、図３３（ｄ）に示すように、２次プロトン交換層１１０５の上にフォトリソグラフィ法により所定幅の直線状レジストパターン１１０４を形成する。
【０２８６】
そして、形成されたレジストパターン１１０４を保護マスクとして用いて、CHF3雰囲気中でドライエッチングを行い、図３３（ｅ）に示すように、非マスク部分の２次プロトン交換層１１０５をエッチングで除去する。
【０２８７】
その後に、図３３(f)に示すように、残留する直線状の２次プロトン交換層１１０５の上のレジストパターン１１０４を除去する。
【０２８８】
さらに光導波路の入出射面となる両端面を光学研磨して、図面と直交する方向に光が導波する光導波路が製造される。なお、上記の工程で形成されたアニール処理プロトン交換層１１０６は、典型的にはその深さが約２．５μｍであり、最終工程で残存した２次プロトン交換層１１０５によって形成されるリッジの高さは、典型的には約０．４μｍである。
【０２８９】
上記の製造方法によれば、製造工程が簡便なためにリッジ型光導波路を容易に製造することができる。また、上記の製造方法では、エッチングする部分に２次プロトン交換層１１０５を形成することによって、前述のようにエッチング部のみの特性を変えて、エッチング速度を飛躍的に向上させている。さらに、エッチングの深さは２次プロトン交換層１１０５の深さと実質的に一致するため、２次プロトン交換層１１０５の深さを精度高く形成することにより、エッチング深さを所望の深さに制御できる。このため、本実施形態の製造方法によれば、高い精度でリッジを形成できて品質のそろった光導波路が製造できるとともに、プロトン交換部分が光導波路に悪影響を与えることがほとんど無く、リッジにのみプロトン交換部分を有する光導波路を形成することができる。さらに、本実施形態の製造方法によれば、リッジにはプロトン交換濃度の高い高屈折率層が形成されているため、閉じ込めの強い光導波路が形成できる。
【０２９０】
さらに、本実施形態の光導波路は、その表面にプロトン濃度の高い部分が形成されているため、優れた耐光損傷性を有する。これは、プロトン濃度の高い部分が基板に比べて高い電気伝導度を有しているので、光損傷の原因となる光励起による自由電荷の偏りに伴う電界の発生が抑圧されるためである。
【０２９１】
また、光導波路の表面にプロトン濃度の高い部分が形成されているため、光導波路の特性の経時変化が抑圧されている。すなわち、LiNbO3やLiTaO3のアニール処理プロトン交換層においては、屈折率の経時変化が発生するが、本実施形態によれば、さらにプロトン交換を行うことにより、そのような屈折率変化は抑圧される。これは、アニール処理プロトン交換層ではその表面近傍の結晶構造がアニール処理後に徐々に変化するのに対して、その表面部分に再度プロトン交換を施すことにより、その部分の結晶構造が変化するためである。
【０２９２】
なお、上記の説明では、LiTaO3単結晶基板を用いているが、LiNbO3の単結晶基板、或いは、LiTaO3とLiNbO3との多結晶基板（LiNb1-xTax０3（０≦Ｘ≦１））でも、上記と同様の効果を得られる。LiNbO3は電気光学定数及び非線形光学定数などが大きいので、多くの分野における光導波路素子（光スイッチ、非線形光学素子、音響光学素子等）に応用されている。したがって、本実施形態の光導波路及び光波長変換素子の製造方法は、これらの応用分野において非常に有効である。
【０２９３】
さらに、LiTaO3基板の代わりに、MgOを添加したMgO:LiNbO3基板やMgO:LiTaO3基板にも適用できる。これらの材料により形成された基板は光損傷に強いため、高出力の素子が作製できて有効である。
【０２９４】
さらに、基板としては、KTP基板を用いることもできる。KTPを基板材料とした場合には、イオン交換としてＲｂイオン交換が用いられて、上記と同様の効果を有する光導波路が形成できる。KTPは耐光損傷性に優れた特性を有しているため、KTP基板の光導波路は、高出力の光導波路として有効である。
【０２９５】
さらに、上記では光導波路にプロトン交換導波路を用いているが、他に、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｄ、Ｃｄ、Ｚなどの金属拡散導波路も適用できる。これらの金属拡散導波路は、非線形定数や電気光学定数の劣化が少ないために、優れた特性を有する光学素子が製造できる。
【０２９６】
（第１２の実施形態）
図３４（ａ）〜（ｇ）は、本発明の第１０の実施形態で説明した光導波路の製造方法を利用した光波長変換素子の製造方法を示す図であり、それぞれ、光の導波方向と直交する面にそった断面図である。
【０２９７】
まず、図３４（ａ）に示すように、非線形光学物質であるＣ板のLiTa03単結晶基板１２０１（結晶のＣ軸に垂直な面で切り出した基板、以下では、「基板１２０１」と略称する）を、約２００℃〜約３００℃のピロ燐酸液中に数分間浸してプロトン交換を行い、基板１２０１の表面に帯板状の１次プロトン交換層１２０２を形成する。
【０２９８】
次に、基板１２０１に対して約４００℃〜約４５０℃でアニール処理を行い、１次プロトン交換層１２０２の全部を、図３４（ｂ）に示すように帯板状のアニール処理プロトン交換層１２０６にする。
【０２９９】
次に、基板１２０１の表面である＋Ｃ面上に櫛形電極１２０９ａを設け、基板１２０１の裏面である−Ｃ面には平面電極１２０９ｂを形成する。このように取付けられた両電極間に電圧を印加して、図３４（ｃ）に示すように、光導波方向に直交する分極反転層１２１０が形成される。この分極反転層１２１０は、櫛形電極１２０９ａの形状に応じた一定周期毎に形成される。
【０３００】
さらに、両電極を取り除いた後に、基板１２０１の＋Ｃ面上に、厚さ約６０ｎｍのTa層をスパッタリング又は蒸着により堆積させる。その後、フォトリソグラフィ法とCF4雰囲気中のドライエッチングによって、図３４（ｄ）に示すような所定幅の直線状のTa層１２０３を形成する。
【０３０１】
さらに、Ta層１２０３を保護マスクとして非マスク部分を再度プロトン交換し、図３４（ｅ）に示すように、アニール処理プロトン交換層１２０６の表面から所定の深さでの２次プロトン交換層１２０５を形成する。
【０３０２】
次に、基板１２０１の表面にネガレジスト（不図示）を塗布した後に、裏面より紫外線を照射してネガレジストを露光して現像し、図３４（ｆ）に示すように直線状のTaマスク１２０３の上にレジストパターン１２０４を形成する。このとき、直線状のTa層１２０３が保護マスクとなって非マスク部分のみ露光されるため、Ta層１２０３の上のみに、所定幅を有した直線状のレジストパターン１２０４が、選択的に形成される。
【０３０３】
次に、形成されたレジストパターン１２０４とTa層１２０３を保護マスクとしてCHF3雰囲気中でドライエッチングを行い、図３４（ｇ）に示すように、非マスク部分の２次プロトン交換層１２０５をエッチングで除去する。さらに、基板１２０１をフッ酸：硝酸＝１：２の液中に数秒間浸して、残留するTa層１２０３及びレジストパターン１２０４を除去する。その後に、光導波路の入出射面となる両端面を光学研磨して、図３４（ｇ）に示すようなリッジ１２０７を有する光導波路が製造される。
【０３０４】
なお、リッジ１２０７の側面には、プロトン交換部分１２０８が形成されている。プロトン交換部分１２０８は、Ta層１２０３の保護マスクを用いて２次プロトン交換層１２０５を形成する際に、プロトンの横方向への拡散により形成される。このプロトン交換部分１２０８はアニールされていないため、アニール処理されたプロトン交換層１２０６に比べてプロトン濃度が高く、屈折率変化も大きくなっている。
【０３０５】
本実施形態の製造方法においては、帯板状の光導波路を形成した後に分極反転層１２１０が形成されるため、分極反転層１２１０は光導波路形成時の製造工程により影響されることがない。従って、均一な分極反転層１２１０を確実に形成ができる。
【０３０６】
通常は、分極反転層をエッチングすると、非分極反転層と分極反転層間でエッチング速度に違いがあるために光導波路の表面に凹凸が形成される。しかし、本実施形態の製造方法では、エッチングすべき分極反転層１２１０を有する表面には２次プロトン交換層１２０５が形成されているため、分極反転層１２１０の表面にエッチングによる凹凸が形成されない。この結果、本実施形態の製造方法は、低損失の光波長変換素子を形成するのに適した製造方法である。
【０３０７】
さらに、上記の製造方法によれば、２次プロトン交換層１２０５の深さの制御により、エッチングの深さを精度高く制御できるため、特性のそろった光波長変換素子の製造が可能である。
【０３０８】
次に、本実施形態の製造方法により製造された光波長変換素子の原理について説明する．
図３５は、本実施形態の製造方法により製造された光波長変換素子の構造を示す斜視図である。図３４（ａ）〜（ｇ）と同じ構成要素には同じ参照番号を付しており、その説明は省略する。
【０３０９】
図３５の光波長変換素子は、擬似位相整合型の第２高調波発生素子であり、光導波路内の光の伝搬の方向に周期的に形成された分極反転層１２１０により、光導波路を伝搬する基本波が半分の波長の第２高調波に変換される。例えば、波長８６０ｎｍの赤外光をこの光導波路に入射すれば、半分の波長の４３０ｎｍの青色光が出射される。光波長変換素子の特性は、光導波路の非線形光学定数、及び光導波路を伝搬する基本波と第２高調波との電界の重なりに大きく依存している。
【０３１０】
次に、上記の製造方法により製造された光波長変換素子の特性評価結果について説明する。
【０３１１】
最初に、リッジ型の光導波路を有する光波長変換素子の導波モード（基本波と第２高調波）の重なりについて説明する。
【０３１２】
本実施形態の光波長変換素子の評価実験において、光導波路を伝搬する導波光の近視野像を観測して、導波光の電界分布の横方向（図３５におけるＸ方向）の重なりを求めた。図３６（ａ）及び（ｂ）は、基本波光及び第２高調波光の光導波路における強度分布を示すグラフであり、図３６（ａ）は従来の埋め込み型導波路の場合を示し、図３６（ｂ）は本実施形態のリッジ型光導波路の場合を示している。これらのグラフより、横方向の重なりは、従来の埋め込み型光導波路の強度分布に比べて、本実施形態のリッジ型光導波路で非常に大きくなっていることが分かる。この理由は、リッジ型光導波路の屈折率分布がリッジ１２０７によってステップ状になるとともに、リッジ１２０７の側面に形成されたプロトン交換部分１２０８が高屈折率部となって、光導波路の閉じ込めに大きく貢献しているためである。この結果、リッジ型光導波路を用いた本実施形態の光波長変換素子では、従来の埋め込み型光導波路を用いた光波長変換素子に比べて、変換効率が１．５倍に向上した。
【０３１３】
次に、本実施形態で製造された光波長変換素子における耐光損傷性について説明する。
【０３１４】
光導波路における光損傷は、光導波路等の光の閉じ込めの強い場所で発生しやすい。また、このような光損傷の発生は、光の波長が短い程、顕著になる。従来の光波長変換素子においては、第２高調波の発生により光損傷が生じて、出力持性か不安定になる。そこで、従来の埋め込み型光導波路においては、耐光損傷性に優れるとともに基板に比較して大きな耐光損傷強度を有するプロトン交換したLiTaO3が用いられていた。しかし、従来の埋め込み型光導波路では、導波する光がプロトン交換領域以外の部分へも染み出すため、導波路の外周部で光損傷が生じて、結果として高出力の第２高調波を発生させることは困難であった。
【０３１５】
これに対して、本実施形態の製造方法により製造された光波長変換素子について耐光損傷性の評価実験を行ったところ、従来の埋め込み型光導波路を用いた光波長変換素子の１０倍以上の耐光損傷性を有していた。その理由は、リッジ型光導波路を用いた光波長変換素子は、光導波路の表面にリッジ形状のプロトン交換層を形成して、光導波路からの光の染みだしを抑制しているためである。また、プロトン交換層は電気伝導度が高いため、光損傷の原因となる光励起自由電子の偏りによる電界の発生を抑圧している。このため、本実施形態の波長変換素子では、導波路の表面に形成されたリッジ形状のプロトン交換層により、耐光損傷性に優れた導波路構造が実現されている。さらに、本実施形態の光波長変換素子では、リッジ１２０７の側面に形成されたプロトン交換部分１２０８が高いプロトン濃度を有して電気伝導度を高めているため、この点でも耐光損傷性が向上している。
【０３１６】
次に、本実施形態の光波長変換素子の変換効率について説明する。
【０３１７】
リッジ型光導波路において、リッジ１２０７の側面に微細な凹凸が形成されると導波損失が大きくなる。このような導波損失を低減するするために、前述の第１０の実施形態では、空気層の屈折率より高く且つ光導波路の屈折率より低い膜で、光導波路を覆う。このような被膜は、本実施形態の波長変換素子についても有効である。
【０３１８】
また、本実施形態の光波長変換素子では、リッジ型光導波路を用いることにより、光導波路における横方向の伝搬光の重なりを大きくすることが可能になっている。しかし、光導波路における深さ方向（図３５におけるＺ方向）の光の強度分布の重なりはあまり改善されておらず、高効率の光導波路を有する光波長変換素子を形成するためには、その深さ方向の重なりを大きくする必要が有る。そこで、深さ方向の導波光の強度分布を制御する方法として、光導波路のリッジ１２０７の表面に高屈折率層を形成する（すなわち、リッジ１２０７の表面のみを選択的に屈折率の高い層で覆う）。このように高屈折率の膜をリッジ１２０７の表面に形成することにより、光導波路の深さ方向の閉じこめを強くして、導波モード間の重なりを大きくすることができる。
【０３１９】
図３７（ａ）及び（ｂ）は、光波長変換素子における基本波と第２高周波の深さ方向の重なり状態を示した状態図であり、（ａ）は前述の本実施形態の製造方法により製造された光波長変換素子における導波モード間の重なり状態を示し、（ｂ）は、リッジ１２０７の表面にさらに高屈折率層１２２０を形成した光波長変換素子における導波モード間の重なり状態を示す。
【０３２０】
図３７（ｂ）に示した光波長変換素子で、リッジ１２０７の表面上のみに選択的に形成した高屈折率層１２２０は、アモルファス状のLiNbO3である。光導波路の閉じ込めを強くするには、光導波路の屈折率より高い屈折率を持つ膜を、リッジ１２０７の表面上に形成することが有効である。このため、LiTaO3の光導波路の屈折率（約２．１５）よりも大きい屈折率（約２．２５）を有するアモルファス状のLiNbO3を、高屈折率層１２２０の構成材料として用いている。高屈折率層１２２０の厚さは、光導波路を伝搬する第２高調波がこの高屈折率層１２２０を導波しない程度の厚さ、例えば約１００ｎｍ〜約５００ｎｍとする。この理由は、第２高調波がLiNbO3の表面層を導波すると、この表面層に第２高調波が閉じ込もり、変換効率か大幅に低下してしまうためである。図３７（ｂ）に示すように、LiNbO3の高屈折率層１２２０を有する光波長変換素子では、深さ方向の導波光における基本波と第２高調波間の強度分布の重なりが大きいために、図３７（ａ）に示した光波長変換素子に比べて変換効率が１．３倍向上した。
【０３２１】
なお、上記の説明では、LiTaO3単結晶基板を用いているが、LiNbO3の単結晶基板、或いは、LiTaO3とLiNbO3との多結晶基板（LiNb1-xTax０3（０≦Ｘ≦１））でも、上記と同様の効果を得られる。LiNbO3は電気光学定数及び非線形光学定数などが大きいので、多くの分野における光導波路素子（光スイッチ、非線形光学素子、音響光学素子等）に応用されている。したがって、本実施形態の光導波路及び光波長変換素子の製造方法は、これらの応用分野において非常に有効である。
【０３２２】
さらに、LiTaO3基板の代わりに、MgOを添加したMgO:LiNbO3基板やMgO:LiTaO3基板にも適用できる。これらの材料により形成された基板は光損傷に強いため、高出力の素子が作製できて有効である。
【０３２３】
さらに、基板としては、KTP基板を用いることもできる。KTPを基板材料とした場合には、イオン交換としてＲｂイオン交換が用いられて、上記と同様の効果を有する光導波路が形成できる。KTPは耐光損傷性に優れた特性を有しているため、KTP基板の光導波路は、高出力の光導波路として有効である。
【０３２４】
さらに、基板としては、他にZnS、GaAsなどの半導体基板を用いることもできる。半導体材料は大きな非線形光学定数を有し、製造技術も発達しているため、高出力の光波長変換素子が作製できる。
【０３２５】
さらに、上記では光導波路にプロトン交換導波路を用いているが、他に、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｄ、Ｃｄ、Ｚなどの金属拡散導波路も適用できる。これらの金属拡散導波路は、非線形定数や電気光学定数の劣化が少ないために、優れた特性を有する光学素子が製造できる。
【０３２６】
（第１３の実施形態）
図３８（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第１１の実施形態で説明した光導波路の製造方法を利用した光波長変換素子の製造方法を示す図であり、それぞれ、光の導波方向と直交する面にそった断面図である。
【０３２７】
まず、図３８（ａ）に示すように、非線形光学物質であるＣ板のLiTa03単結晶基板１３０１（結晶のＣ軸に垂直な面で切り出した基板、以下では、「基板１３０１」と略称する）を、約２００℃〜約３００℃のピロ燐酸液中に数分間浸してプロトン交換を行い、基板１３０１の表面に帯板状の１次プロトン交換層１３０２を形成する。
【０３２８】
次に、基板１３０１に対して約４００℃〜約４５０℃でアニール処理を行い、１次プロトン交換層１３０２の全部を、図３８（ｂ）に示すように帯板状のアニール処理プロトン交換層１３０６にする。
【０３２９】
次に、基板を再度ピロ燐酸中で熱処理して、図３８（ｃ）に示すように、アニール処理プロトン交換層１３０６の表面から所定の深さまでの２次プロトン交換層１３０５を形成する。
【０３３０】
次に、基板１３０１の表面である＋Ｃ面上に櫛形電極１３０９ａを設け、基板１３０１の裏面である−Ｃ面には平面電極１３０９ｂを形成する。このように取付けられた両電極間に電圧を印加して、図３８（ｄ）に示すように、光導波方向に直交する分極反転層１３１０が形成される。この分極反転層１３１０は、櫛形電極１３０９ａの形状に応じた一定周期毎に形成される。
【０３３１】
さらに、両電極を取り除いた後に、さらに、図３８（ｅ）に示すように、基板１３０１の上にフォトリソグラフィ法により所定幅の直線状レジストパターン１３０４を形成する。
【０３３２】
そして、形成されたレジストパターン１３０４を保護マスクとして用いて、CHF3雰囲気中でドライエッチングを行い、非マスク部分の２次プロトン交換層１３０５をエッチングで除去する。その後に、図３８（ｆ）に示すように、残留する直線状の２次プロトン交換層１３０５の上のレジストパターン１３０４を除去する。さらに光導波路の入出射面となる両端面を光学研磨して、光波長変換素子が製造される。なお、上記の工程で形成されたアニール処理プロトン交換層１１０６は、典型的にはその深さが約２．５μｍであり、最終工程で残存した２次プロトン交換層１３０５によって形成されるリッジの高さは、典型的には約０．４μｍである。
【０３３３】
上記の本実施形態の光波長変換素子の製造方法では、簡便な製造工程で、リッジ型光導波路を有する光波長変換素子を容易に製造できる。さらに、形成される光波長変換素子は、そのリッジがプロトン濃度が高く屈折率変化の大きな２次プロトン交換層１３０５に設けられているため、光の閉じ込めの強い導波路構造が実現される。
【０３３４】
さらに、上記の製造方法によれば、２次プロトン交換層１３０５の深さの制御により、エッチングの深さを精度高く制御できるため、特性のそろった光波長変換素子の製造が可能である。
【０３３５】
次に、上記の製造方法により製造された光波長変換素子の特性評価結果について説明する。
【０３３６】
図３９は、本実施形態の製造方法により製造された光波長変換素子の構造を示す斜視図である。図３８（ａ）〜（ｆ）と同じ構成要素には同じ参照番号を付している。具体的には、基板１３０１の上に、アニール処理プロトン交換層１３０６が形成されている。このアニール処理プロトン交換層１３０６の上には、リッジ１３０７であるプロトン交換部分１３８０が形成されている。また、光の導波方向と直交するように、一定周期毎に分極反転層１３１０が形成されている。プロトン交換部分１３８０は、プロトン交換時に形成されたプロトン濃度の高い２次プロトン交換層１３０５の一部分である。
【０３３７】
上記の構成を有する光波長変換素子は、リッジ１３０７として屈折率の高いプロトン交換層１３０５を有するため、深さ方向の導波モード間（基本波と第２高調波）の電界分布の重なりが大きく、高効率の光波長変換素子となっている。以下に、その理由を述べる。
【０３３８】
図４０は、リッジの厚さと光波長変換素子の変換効率との関係を示したグラフである。図４０の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、リッジの高さの異なる３種類の光波長変換素子における各導波モード間（基本波と第２高調波）の厚さ方向の重なりを示している。
【０３３９】
図４０の（ａ）に示す光波長変換素子では、リッジ１３０７が非常に薄く、実質的には表面に高屈折率層が存在しない。この場合には、導波路の屈折率分布がグレーデイッド状（中心部の屈折率か高く、外周部分の屈折率か低い状態）になり、基本波と第２高調波の重なりが小さくて、変換効率が低い。
【０３４０】
図４０の（ｂ）に示す光波長変換素子では、やや厚いリッジ１３０７が設けられている。このような表面における高屈折率層により、基本波の強度分布が表面近傍に引き寄せられ、基本波と第２高調波の重なりか増大して、高い変換効率か得られる。具体的には、図４０の（ｂ）に示す光波長変換素子の変換効率は、リッジに高屈折率層を形成しない場合に比べて約１．５倍に増大しており、変換効率の高効率化を達成するためにはリッジに高屈折率層を形成することが有効な手段であることが、明らかである。
【０３４１】
図４０の（ｃ）に示す光波長変換素子では、さらに厚い高屈折率層が設けられて、基本波と第２高調波の重なりが増大している。このとき、基本波及び第２高調波は、いずれも、表面の高屈折率層ではカットオフされている。しかし、図４０の（ｃ）の光波長変換素子では、第２高調波が高屈折率層を導波するので、変換効率は逆に低下している。この理由は、高屈折率層におけるプロトン濃度が高く非線形光学定数か劣化しているために、この高屈折率層では高効率の波長変換が生じないからである。
【０３４２】
従って、高効率の光波長変換素子を構成するためには、リッジの厚さを第２高調波のみがカットオフとなる程度にするのが望ましい。
【０３４３】
さらに、本実施形態の光波長変換素子では、光導波路の表面にプロトン濃度の高い部分が形成されているため、優れた耐光損傷性を有する。これは、プロトン濃度の高い部分が基板に比べて高い電気伝導度を有しているので、光損傷の原因となる光励起による自由電荷の偏りに伴う電界の発生が抑圧されるためである。
【０３４４】
また、光導波路の表面にプロトン濃度の高い部分が形成されているため、光導波路の特性の経時変化が抑圧されている。すなわち、LiNbO3やLiTaO3のアニール処理プロトン交換層においては、屈折率の経時変化が発生するが、本実施形態によれば、さらにプロトン交換を行うことにより、そのような屈折率変化は抑圧される。これは、アニール処理プロトン交換層ではその表面近傍の結晶構造がアニール処理後に徐々に変化するのに対して、その表面部分に再度プロトン交換を施すことにより、その部分の結晶構造が変化するためである。
【０３４５】
なお、上記の説明では、LiTaO3単結晶基板を用いているが、LiNbO3の単結晶基板、或いは、LiTaO3とLiNbO3との多結晶基板（LiNb1-xTax０3（０≦Ｘ≦１））でも、上記と同様の効果を得られる。LiNbO3は電気光学定数及び非線形光学定数などが大きいので、多くの分野における光導波路素子（光スイッチ、非線形光学素子、音響光学素子等）に応用されている。したがって、本実施形態の光導波路及び光波長変換素子の製造方法は、これらの応用分野において非常に有効である。
【０３４６】
さらに、LiTaO3基板の代わりに、MgOを添加したMgO:LiNbO3基板やMgO:LiTaO3基板にも適用できる。これらの材料により形成された基板は光損傷に強いため、高出力の素子が作製できて有効である。
【０３４７】
さらに、基板としては、KTP基板を用いることもできる。KTPを基板材料とした場合には、イオン交換としてＲｂイオン交換が用いられて、上記と同様の効果を有する光導波路が形成できる。KTPは耐光損傷性に優れた特性を有しているため、KTP基板の光導波路は、高出力の光導波路として有効である。
【０３４８】
さらに、基板としては、他にZnS、GaAsなどの半導体基板を用いることもできる。半導体材料は大きな非線形光学定数を有し、製造技術も発達しているため、高出力の光波長変換素子が作製できる。
【０３４９】
さらに、上記では光導波路にプロトン交換導波路を用いているが、他に、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｄ、Ｃｄ、Ｚなどの金属拡散導波路も適用できる。これらの金属拡散導波路は、非線形定数や電気光学定数の劣化が少ないために、優れた特性を有する光学素子が製造できる。
【０３５０】
なお、本発明における光導波路の構成は、例えばファイバ状の導波路に適用することもできる。その場合には、光学材料によって形成される円筒状コアが上記の説明における光導波層に相当し、そのコアの表面を覆うように、上述の特徴を有するクラッド層が形成されている。
【０３５１】
【発明の効果】
以上に説明したように、光導波路上にクラッド層を設け、光導波路を伝搬する基本モードの基本波と一部がクラッド層を導波する高次モードの第２高調波との間で位相整合をとることにより、モード間のオーバラップを高めて変換効率を大幅に向上することができるので、実用上、大きな効果が得られる。
【０３５２】
また、屈折率の高い材料でクラッド層を形成することにより、導波路の幅方向の閉じ込めも、強くすることができる。これによって、導波路から出射される光の出射角を幅方向と深さ方向でほぼ等しくすることができて、出射ビームのアスペクト比を改善し、光の利用効率を大幅に向上させることができる。これによって、実用上、大きな効果が得られる。
【０３５３】
また、光波長変換素子において、高屈折率層と基板より屈折率を有するクラッド層とを設けることにより、光導波路を伝搬する光の閉じ込めを強くして、光のパワー密度を向上することができる。さらに、これによって、光導波路内を伝搬する基本波と高調波との電界分布のオーバラップが増大するため、変換効率を大幅に向上することが可能となり、実用上、大きな効果が得られる。
【０３５４】
また、本発明の光波長変換素子の構造により、光損傷による第２高調波出力の変動を大幅に低減することが可能となる。これにより、高出力で安定な第２高調波出力が得られるようになり、実用上、大きな効果が得られる。
【０３５５】
さらに、本発明によれば、高屈折率のクラッド層により電界分布の制御が可能となるので、光導波路を伝搬するモードプロファイルの制御性が向上する。これによって、第２高調波出力の放射パターンのアスペクト比を１に近づけることが可能となり、光の利用効率が大幅に向上し、実用上、大きな効果が得られる。
【０３５６】
さらに、光導波路の製造方法として、プロトン交換時に透過膜を通してプロトン交換を行うことにより、プロトン交換層表面の化学損傷を低減できる。これによって、導波損失の小さな光導波路が形成できて、実用上、大きな効果が得られる。
【０３５７】
また、透過膜の厚さの制御によって形成されるプロトン交換層の厚さをコントロールすることができるため、１回のプロトン交換処理により異なった深さを有するプロトン交換層が形成できる。さらに、形成されるプロトン交換層の形状を透過膜の形状により制御できるため、作業の単純化、プロセス工程の削減による量産性の向上が可能となり、実用上、大きな効果が得られる。
【０３５８】
さらに、本発明の光導波路及び光波長変換素子の製造方法では、金属マスクを用いてエッチング部分のみを選択的にプロトン交換し、さらに金属マスク上にレジストバターンを裏面露光により形成してエッチングすることにより、容易に光導波路を形成できる。また、上記製造工程において、エッチング部分をイオン交換にすることにより、エッチング速度及びエッチング精度の向上を達成することができ、品質のそろった光導波路の形成か可能となる。
【０３５９】
さらに、製造された光導波路は、低損失で且つ耐光損傷性に優れ、導波路を伝搬する導波モードの電界分布の最適化が図られており、高効率且つ高出力の光波長変換素子へ適用が可能である。
【０３６０】
例えば、第１０の実施形態の製造方法によれば、エッチングの深さを高精度に制御できるため、光導波路の均一化及び導波損失の低減化を達成することができる。第１１の実施形態における製造方法では、リッジにプロトン交換濃度の高い高屈折率層を形成して、光の閉じ込めの強い素子を実現するとともに、耐光損傷性に優れた光導波路を容易に製造することができる。さらに、第１２の実施形態によれば、光導波路表面にリッジを形成し、このリッジに高屈折率部分を形成することによって、高い変換効率を有し、且つ耐光損傷性に優れた光波長変換素子を得ることができる。また、第１３の実施形態に示した製造方法によれば、エッチングの深さを高精度に制御できるため、均一な品質を有する光波長変換素子を容易に製造できるとともに、変換効率の高い光波長変換素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は、従来の埋め込み型光導波路の製造方法を説明するための断面図である。
【図２】（ａ）は、従来の光波長変換素子の構成の一例を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）の線２Ｂ−２Ｂにおける断面図であり、（ｃ）は、（ａ）の線２Ｃ−２Ｃにおける断面図である。
【図３】従来の光波長変換素子の構成の他の一例を示す斜視図である。
【図４】従来の光波長変換素子の構成のさらに他の一例を示す斜視図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、光導波層の導波モードと分極反転層とのオーバラップを模式的に示す図である。
【図６】（ａ）は、光導波路の模式的な断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の構成における導波モードの電界分布を表す図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、様々な構成の光導波路の模式的な断面図とそれぞれの構成における導波モードの電界分布を表す図である。
【図８】クラッド層及び光導波層における屈折率比と第２高調波強度比との関係を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施形態における光波長変換素子の構成を示す図である。
【図１０】基本波と第２高調波とのオーバラップを表す図である。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれクラッド層を有する光波長変換素子の構成を示す断面図であり、（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ（ａ）及び（ｂ）の構成における導波光の電界強度分布を示す図である。
【図１２】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態における光波長変換素子の製造工程を説明する断面図である。
【図１３】  LiTaO3及びNb2O5の屈折率分散特性を表す図である。
【図１４】導波光の波長及びクラッド層の厚さに対する、導波モードの特性を表す図である。
【図１５】（ａ）〜（ｃ）は、異なる厚さのクラッド層に対する導波モードの電界分布を表す図である。
【図１６】（ａ）〜（ｄ）は、光の伝搬状態（基本波及び第２高調波の導波モード）を説明するための図である。
【図１７】クラッド層の屈折率と厚さとの関係を表す図である。
【図１８】本発明の第２の実施形態における光波長変換素子の構成を示す図である。
【図１９】本発明の第３の実施形態における光波長変換素子の構成を示す図である。
【図２０】短波長光源の構成を示す図である。
【図２１】光ピックアップの構成を示す図である。
【図２２】（ａ）〜（ｈ）は、異なる材料から構成されたクラッド層が形成されている場合の導波モードの電界分布を説明するための図である。
【図２３】本発明の第７の実施形態における光波長変換素子の構成を示す図である。
【図２４】本発明の第８の実施形態における光波長変換素子の構成を示す図である。
【図２５】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第９の実施形態における光導波路の製造工程を説明する断面図である。
【図２６】  Ta2O5透過膜の厚さと拡散定数との関係を表す図である。
【図２７】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第９の実施形態における光導波路の他の製造工程を説明する断面図である。
【図２８】（ａ）及び（ｂ）は、形成されるプロトン交換層の断面図である。
【図２９】透過膜を用いるプロトン交換処理で形成されるプロトン交換層の他の断面図である。
【図３０】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第１０の実施形態における光導波路の製造工程を説明する断面図である。
【図３１】光導波路の構成を示す断面図である。
【図３２】図３１の光導波路の表面に形成される層の屈折率と導波損失との関係を示す図である。
【図３３】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第１１の実施形態における光導波路の製造工程を説明する断面図である。
【図３４】（ａ）〜（ｇ）は、本発明の第１２の実施形態における光波長変換素子の製造工程を説明する断面図である。
【図３５】光波長変換素子の構成を示す斜視図である。
【図３６】（ａ）及び（ｂ）は、光導波路を伝搬する光の横方向強度分布を示す図である。
【図３７】（ａ）及び（ｂ）は、光導波路を伝搬する光の深さ方向強度分布を示す図である。
【図３８】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第１３の実施形態における光波長変換素子の製造工程を説明する断面図である。
【図３９】光波長変換素子の構成を示す斜視図である。
【図４０】光波長変換素子におけるリッジの厚さと変換効率との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０１  LiTaO3基板
１０４  分極反転層
１０５  プロトン交換層
１０６  基本波光
１０７  第２高調波光
１０８  分極反転層の周期Λ
１０９  分極反転層の幅Ｗ
１１０  クラッド層
１１１  カバー層
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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