(57)【要約】導波路の形成および構成のための新規な方法及びシステムが開示される。構成は、フェムト秒パルスレーザーによってリッジ、埋め込み、ハイブリッド導波路を形成するために記載されている。レーザーシステムは、ダイオードバー、波長合成器、及び導波路を組み合わせてもよい。導波路は、赤外線レーザーの電磁放射線を可視波長範囲に変換することができる。
2017524981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長変換非線形リッジ導波路であって、
非線形結晶基板と、
非線形結晶基板の表面上の第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の表面上の導波路層であって、該導波路層は、少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域を含み、前記少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域は、光学モードを形成可能に構成され、前記光学モードは、前記少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域及び第１の誘電体層によって実質的に区画される、前記少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域と、
前記導波路層の表面上の第２の誘電体層と、を備える波長変換非線形リッジ導波路。
【請求項２】
前記非線形結晶基板は、定比タンタル酸リチウムである、請求項１に記載の波長変換非線形リッジ導波路。
【請求項３】
前記第１及び第２の誘電体層は、酸化シリコンである、請求項１に記載の波長変換非線形リッジ導波路。
【請求項４】
前記導波路層は、タンタル酸リチウムである、請求項１に記載の波長変換非線形リッジ導波路。
【請求項５】
前記少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域は、５〜２０マイクロメートルの高さ、及び２０〜５０マイクロメートルの幅を有し、
前記リッジ領域の表面と、前記第１の誘電体層との間の距離は、１５〜５０マイクロメートルである、請求項１に記載の波長変換非線形リッジ導波路。
【請求項６】
波長変換非線形埋め込み導波路であって、
非線形結晶基板と、
非線形結晶基板の複数のレーザー加工された損傷路であって、前記非線形結晶基板の非損傷結晶構造とは異なる結晶構造を有し、所望のパターンによって実質的に区画された非線形結晶基板の領域内に光学モードを形成可能に構成された所望のパターンで配置される前記複数のレーザー加工された損傷路と、を備える波長変換非線形埋め込み導波路。
【請求項７】
前記複数のレーザー加工された損傷路は、前記非線形結晶基板の表面から３０〜１５０マイクロメータの深さにある、請求項６に記載の波長変換非線形埋め込み導波路。
【請求項８】
単一の損傷スポットの幅が、２〜１０マイクロメータである、請求項６に記載の波長変換非線形埋め込み導波路。
【請求項９】
前記所望のパターンは、実質的に円形である、請求項６に記載の波長変換非線形埋め込み導波路。
【請求項１０】
前記所望のパターンは、前記波長変換非線形埋め込み導波路によって伝送される光波の伝播方向に沿った少なくとも１つの列の損傷路を含む、請求項６に記載の波長変換非線形埋め込み導波路。
【請求項１１】
波長変換非線形ハイブリッド導波路であって、
非線形結晶基板と、
前記非線形結晶基板のレーザー加工された損傷路層であって、該レーザー加工された損傷路は、非線形結晶基板の非損傷結晶構造とは異なる結晶構造を有する、前記レーザー加工された損傷路層と、
前記非線形結晶基板の表面上の少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域であって、前記少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域は、光学モードを形成可能に構成され、該光学モードは、前記少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域及び前記レーザー加工された損傷路層によって実質的に区画される、前記少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域と、
前記非線形結晶基板の表面上の誘電体層と、を備える波長変換非線形ハイブリッド導波路。
【請求項１２】
前記非線形結晶基板は、タンタル酸リチウムである、請求項１１に記載の波長変換非線形ハイブリッド導波路。
【請求項１３】
前記誘電体層は、シリコン酸化物である、請求項１１に記載の波長変換非線形ハイブリッド導波路。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域は、５〜２０マイクロメートルの高さ、及び２０〜５０マイクロメートルの幅を有し、
前記少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域の表面と、前記レーザー加工された損傷路層の表面との間の距離は、１５〜５０マイクロメートルである、請求項１１に記載の波長変換非線形ハイブリッド導波路。
【請求項１５】
可視レーザー源であって、
赤外線レーザー源と、
前記赤外線レーザー源からの光を受け取るように構成された波長合成器と、
前記波長合成器からの光を受け取るように構成された波長変換非線形導波路と、を備え、
前記波長変換非線形導波路は、
請求項１に記載の波長変換非線形リッジ導波路と、請求項６に記載の波長変換非線形埋め込み導波路と、又は請求項１１に記載の波長変換非線形ハイブリッド導波路とを含む、可視レーザー源。
【請求項１６】
赤外線レーザー源は、レーザーダイオードバーである、請求項１５に記載の可視レーザー源。
【請求項１７】
前記波長合成器は、アレイ導波路回折格子である、請求項１５に記載の可視レーザー源。
【請求項１８】
前記波長合成器及び前記波長変換非線形導波路のうちの少なくとも一方が、前記赤外線レーザー源に光学フィードバックを提供する、請求項１５に記載の可視レーザー源。
【請求項１９】
請求項１に記載の波長変換非線形リッジ導波路を形成するための方法であって、
パルスレーザーによって少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域周辺の非線形結晶基板の領域を除去することを備える方法。
【請求項２０】
請求項６に記載の波長変換非線形埋め込み導波路を形成するための方法であって、
パルスレーザーによって前記非線形結晶基板の領域を損傷させて前記レーザー加工された損傷路層を取得することを備える方法。
【請求項２１】
請求項１１に記載の波長変換非線形ハイブリッド導波路を形成するための方法であって、
パルスレーザーによってレーザー加工された損傷路層を損傷させて前記レーザー加工された損傷路層を取得することを備える方法。
【請求項２２】
前記パルスレーザーは、フェムト秒レーザーである、請求項１９〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
スキャン速度、オーバーラップ、パス数、パルス長、繰り返し率、波長、偏光、またはパルスレーザーの焦点条件が、前記導波路の特性のために最適化される、請求項１９〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
前記非線形結晶基板は、パルスレーザーに対して透過であり、それにより、前記非線形結晶基板のいずれかの側からの加工が可能となる、請求項１９〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路に関する。より具体的には、レーザー加工された非線形導波路を有する高出力可視レーザーに関する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
本開示の第１の態様では、波長変換非線形リッジ導波路が記載されている。波長変換非線形リッジ導波路は、非線形結晶基板と、非線形結晶基板の表面上の第１の誘電体層と、第１の誘電体層の表面上の導波路層であって、導波路層は、少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域を含み、前記少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域は、光学モードの形成可能に構成され、前記光学モードは、少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域と第１の誘電体層によって実質的に区画される、導波路層と、導波路層の表面上の第２の誘電体層と、を備える。
【０００３】
本開示の第２の態様では、波長変換非線形埋め込み導波路が記載されている。波長変換非線形埋め込み導波路は、波長変換非線形埋め込み導波路は、非線形結晶基板と、非線形結晶基板の複数のレーザー加工された損傷路であって、非線形結晶基板の非損傷結晶構造とは異なる結晶構造を有し、所望のパターンによって実質的に区画された非線形結晶基板の領域内に光学モードを形成可能に構成された所望のパターンで配置された複数のレーザー加工された損傷路と、を備える。
【０００４】
本開示の第３の態様では、波長変換非線形ハイブリッド導波路が記載されている。波長変換非線形ハイブリッド導波路は、非線形結晶基板と、非線形結晶基板のレーザー加工された損傷路層であって、非線形結晶基板の非損傷結晶構造とは異なる結晶構造を有する、レーザー加工された損傷路層と、非線形結晶基板の表面の少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域であって、前記光学モードは、少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域及びレーザー加工された損傷路層によって実質的に区画される、少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域と、前記非線形結晶構造の表面上の誘電体層とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】リッジ、埋め込み、及びハイブリッド導波路構成の例示的なプロセスを示す。
【図２】例示的なリッジ導波路を示す。
【図３】例示的な埋め込み導波路を示す。
【図４】例示的なハイブリッド導波路を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本開示の一部を構成し、本開示の１つ以上の実施形態を例示し、例示的な実施形態の説明とともに、本開示の原理および実施形態を説明する役割を果たす。
【０００７】
低コスト、高出力可視レーザー源（high power visible laser source）は、次世代シネマプロジェクタのための重要な構成要素である。本開示は、このようなレーザーを製造するための方法を説明する。レーザーは、レーザーダイオードバー（laser diode bar）と、波長合成器と、フェムト秒（ｆｓ）はレーザー書き込み技術（femtosecond laser writing technique）を用いて形成された波長変換非線形導波路に基づいている。プラズマエッチングを使用して製造されたレーザーダイオードバー、波長合成器、および波長変換非線形導波路ならびにそれらの組み合わせは、例えば、米国特許第７４２３８０２号、米国特許第７２６５８９６号、米国特許第７２６５８９７号、米国特許第７１１６４６８号、米国特許出願公開第２００７０２９７７３２号に記載されており、これらの全ての開示は、その全体において参照により本明細書に組み込まれる。ｆｓレーザー書き込み技術を用いて形成される波長変換非線形導波路の様々な構成は、例えば、スーら（Xu et al.）、Ｐｈｙｓ．  Ｓｔａｔｕｓ  Ｓｏｌｉｄｉ  ＲＲＬ  ７（１１）  （２０１３）  １０１４-１０１７、バークホフ（Burghoff）ら、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ａ  ８９，  １２７-１３２  （２００７）、ドンら（Dong et al.）、量子エレクトロニクスの選択トピックのＩＥＥＥジャーナル（IEEE Journal Of Selected Topics In Quantum Electronics）、  １５巻、ナンバー１、１月／  ２００９年２月、フーら（Fu et al.）、光学エクスプレス（Optics Express）、１７巻、ナンバー１７、２００９年７月、１１７８２ページに記載されており、その全ての開示は、その全体において参照により本明細書に組み込まれる。しかし、このような構成は、大量生産が可能なラージモード領域（large-mode-area）、単一モード（またはほぼ単一モード）、低損失導波路を形成するための有用性に限界がある。本明細書に記載されるように可視波長範囲内のレーザー源は、赤外線レーザー源（または光源）を含み、幾つかの実施形態では、レーザーダイオードバーを含む。レーザーダイオードの出力は、レーザー放射を単一の出力ポート、例えば、シングルモードの導波路に配向する波長合成器の入力ポート（例えば、アレイ導波路回折格子）に結合することができる。波長変換（周波数倍増）非線形導波路は、赤外線を可視スペクトル範囲内に変換することができる。波長合成器および／または非線形導波路は、独自の波長で各発光体の動作を安定させるレーザーダイオードへの光学的なフィードバックを提供することができる。
【０００８】
非線形導波路は、フェムト秒レーザー書き込み技術を使用して形成することができる。このことは、パフォーマンスを向上させ、他のシステムと比較するとともにプラズマエッチングと比較して生産コストの削減を可能にする。非線形導波路は、化学量論的（またはほぼ化学量論的）タンタル酸リチウム基板（stoichiometric lithium tantalite substrate : SLT）において形成することができる。ＳＬＴは、高い非線形光学係数を有しており、効率的な波長変換と、高電力処理能力（＞１０Ｗ）を可能にする。高い変換効率のために、基板は、ｚカット（ｘカットおよびｙカットも使用することができる）であり、一般的な方法を使用して形成された（適切に選択された周期を有する）擬似位相整合回折格子（quasi-phase-matching grating）を有する。導波方向は、基板のｙ軸に沿っている。しかし、ｘ軸に沿って方向付けられた導波路が使用され得る。また、湾曲または他の非線形導波路または導波路回路が用いられ得る。導波路は、ダイオードレーザーの波長および／または周波数倍増波長でシングルモード（または実質的にシングルモード）の動作をサポートすることができる。サポートされたモードの径は、１５〜５０ｕｍ、好ましくは３０ｕｍ（ｕｍは、マイクロメートルである）。導波路の伝播損失は、＜３ｄＢ／ｃｍ、例えば＜１ｄＢ／ｃｍ、または＜０．３ｄＢ／ｃｍとすることができる。
【０００９】
導波路構成タイプの実施形態の３つのタイプ、リッジ導波路、埋め込み導波路、及びハイブリッド導波路が明細書において説明されている。例示的なリッジ導波路の断面は、図２に概略的に示されている。定比タンタル酸リチウム（Congruent lithium tantalite : CLT）基板（２０５）は、シリカ（ＳｉＯ２）の薄層（２１０）で被覆されている。ＳＬＴ（２１５）は、その上に接合され（bonded on）、表面をわたって１５〜５０ｕｍの厚さに均一に研磨されている。その後、フェムト秒レーザー処理は、５〜２０ｕｍの高さで２０〜５０ｕｍの幅のリッジ（２２０）を残すように、材料の表面から５〜２０ｕｍを除去するように使用される。アブレーションゾーン（ablated zone）（２２５）は、両側のリッジを５０〜１００ｕｍ又はそれ以上離間させて延在している。その後、全体構造は、ＳｉＯ２で上塗りすることができる。場合により、伝播損失を改善するために、追加のアニーリング（annealing）および／またはプラズマエッチングのステップを実行することができる。
【００１０】
いくつかの実施形態では、基板は、Ｚカット化学量論的周期分極反転タンタル酸リチウム（z-cut stoichiometric periodically-poled lithium tantalite : SLT）とすることができる。幾つかの実施形態では、粗さは、＜１００ｎｍの二乗平均平方根（rms）とすることができ、すなわち、側壁およびフロア（floor）は、リッジ（２２０）の外側で５０〜１００ｕｍまたはそれ以上に延在している。
【００１１】
例えば図２に記載されるようなリッジ構造は、リッジの高さと幅が適切に選択された場合にシングルモード（または実質的にシングルモード）の動作をサポートすることができる。このモードは、図２に点線（２３５）として概略的に示されている。簡単にするために、楕円形の線（２３５）が描かれているが、実際のモードは、より複雑なプロファイルを示すことができる。
【００１２】
リッジ導波路の伝播損失は、粗さによる吸収及び散乱によって引き起こされる。＜１００ｎｍのＲＭＳ粗さが、レーザー処理面で達成され、デバイスの動作のために有利となる。処理された表面の化学的還元は、レーザー照射によって生じる物理的処理とは対照的に、過度の粗さを引き起こす可能性がある。レーザー処理時において、ＳＬＴ基板のアモルファス化が、有利に、最小化または回避される。フェムト秒レーザー処理は、低伝播損失のため、スキャン速度、オーバーラップ、パス数（number of passes）、パルス長、繰り返し率、波長、偏光、焦点条件、およびその他のパラメータを確実に最適化することができる。幾つかの実施形態では、導波路のリッジのみがパルスレーザーによって形成される。
【００１３】
さらに、ｆｓレーザー処理の間に、表面環境制御が、破片を除去し、粗さを改善し、温度および化学組成を制御するように用いられる。このような制御は、酸素、オゾン、窒素、空気または他のガスのうちの一つ以上のジェット（jet）を用いて実施することができる。
【００１４】
当業者であれば、図２の例を理解し、リッジ構造の異なる変形を取得するように変更可能であることを理解するであろう。
例示的な埋め込み導波路の断面は、図３に概略的に示されている。導波路構造は、基板物質に直接的に形成される。埋め込み導波路の形成工程は、図２のリッジ導波路に比べてより簡略化され、いくつかの重要で関係する処理工程が削除されている。
【００１５】
ｕＪレベル（ｕＪはマイクロジュールである）のエネルギーを有する（ｆｓレーザーからの）レーザーパルスが、基板（３０５）の表面下における数ミクロンの直径を有するスポットにフォーカスされた場合に、永続的な物質の損傷を生じさせることができる。損傷スポットは、約２×１０ｕｍの大きさ（又は２〜１０ｕｍ×３〜２０ｕｍの範囲内）の長方形状（例えば、３１０を参照）を有し得る。ｆｓレーザビーム（又は基板（３０５））は、ビームの進行方向に対して垂直に変換されて、連続的または離散的な損傷路（damage track）を生じさせることができ、例えば３１５、３２０、３２５を参照されたい。
【００１６】
換言すれば、損傷路（３１０）は、複数の導波路を構成するパターンでトレースされる（ｔｒａｃｅｄ）。
材料の屈折率は、基板（３０５）の屈折率に比べて、損傷路内で減少する。損傷路の近傍では、結晶格子を変形させる機械的応力（mechanical stress）によって屈折率などのプロパティが変更されるため、屈折率は、応力に起因して増加する。
【００１７】
導波路構造は、個々の損傷路の大きさに匹敵する損傷路の間隔で、円形パターンで多数の密接な間隔の損傷路を配置することにより形成される。
光学モード（optical mode）（３３０）は、損傷リング、つまり、個々の損傷路によって形成された円形パターンの内側の非損傷基板材料に位置されている。このような導波路は、ディプレストクラッド（depressed cladding）またはＴｙｐｅ  ＩＩＩの導波路と呼称されている。このような導波路構成は、小さな損傷リングの直径のためのシングルモード動作をサポートしているが、導波路は、大きな直径のためのマルチモードにもなる。当業者であれば、高出力用途では、シングルモード動作およびラージモード（large mode）の直径（＞２０ｕｍ、好ましくは＞３０ｕｍ）が必要であることを理解するであろう。
【００１８】
光ファイバ、大ピッチ漏洩チャネルファイバ構成（Optical fibers, large-pitch leakage-channel fiber designs）は、シングルモード動作をラージモードの直径に拡張するように用いられる。このような構成では、縮小屈折率ロッド（reduced-index rods）（数１０ミクロンの直径）が、光ファイバのコアの周囲に配置されて、効果的に高次モードの伝播を抑制する。光ファイバの応力誘導ガイドは、シングルモード動作をラードモードの直径に拡張するように用いられる。
【００１９】
図３により例示された実施形態では、損傷路は、円形または非円形のパターンに形成することができ、規則的または非規則的に離間されている。損傷路のうちの一つ以上のリングが用いられる。図３では、導波路コア（３３５）の中心は、基板表面から３０〜１００ｕｍだけ下方にし、（損傷路（３１０）のリングの内側の）損傷リングの直径は、３０〜１００ｕｍとすることができる。光学モード（３３０）は、損傷リングの内側（損傷路（３１０）のリングの内側）で非損傷基板物質に位置されている。光学モードは、図３において点線（３３０）として概略的に示されている。簡単にするために、円形の線が描かれているが、実際のモードは、より複雑なプロファイルを示すことができる。いくつかの実施形態では、基板は、基材からのレーザーの吸光を避けるために、加工レーザーに対して透過（transparent）であってもよい。
【００２０】
損傷路（３１０）は、１〜１０またはそれ以上の損傷路のグループで配置される。各グループにおいて、損傷路が、損傷路のサイズに匹敵する間隔で互いに近接して配置される。このことは、グループの占有面積にわたって有効屈折率の減少につながる。複数のグループは、大ピッチ漏洩チャネルファイバ構成と同様に、高次モードの伝播を抑制するために（グループの大きさに相当する）より大きな距離で離間される。幾つかの実施形態では、４〜３６個またはそれ以上のグループが用いられ得る。
【００２１】
代替的には、応力により誘導される損傷路近傍の屈折率の増加は、導波路を効果的に形成することの助けとなる。このことは、非損傷のコア周りに損傷路を配置して、結晶格子内の応力に起因する屈折率の増加を引き起こすことによって達成される。損傷路の配置、損傷路の度合い、および結果として生じる応力分布によって、シングルモード、ラージモードの直径の導波路の動作が最適化される。損傷路周りの応力分布は、概して異方性とすることができる。導波路構成において異方性を考慮することは有効である。このような構成では、光モードの領域は、損傷路から効果的に離間される。このことは、低減された伝播損失ならびに改善された非線形変換効率をもたらすことができる。
【００２２】
さらに別の代替案は、漏洩チャネルと応力誘導ガイダンス（stress-induced guidance）の両方を利用して低損失、シングルモード、ラージモードの直径の導波管の動作を達成する。
【００２３】
埋め込み導波路を形成する全体的なプロセスは、フェムト秒レーザーによって基板の表面下に損傷路を形成することを含む。追加のアニール工程は、導波路の性能を向上させるために用いられる。このような埋め込み導波路の形成プロセスは、リッジ導波路の形成に比べて大幅に簡略化することができる。いくつかの重要な処理工程だけでなく、幾つかの資本設備が排除される。また、埋め込み導波路の形成において、表面のアブレーションがないので、複雑な表面化学（surface chemistry）を制御する必要はない。
【００２４】
フェムト秒レーザー処理パラメータは、損傷路における物質及び損傷路周りの物質の破壊を回避しながら、強力な再現性のある損傷路を形成するように選択される。パラメータは、最良な導波路の特性を取得するために、スキャン速度、オーバーラップ、パス数、パルス長、繰り返し率、波長、偏光、フォーカス条件、及びその他のパラメータにおいて確実に最適化される。
【００２５】
上記実施形態では、連続的な損傷路の形成は、個々のフェムト秒パルスによって形成される損傷スポットを重ね合わせる（overlapping）ことにより行うことができるように説明されている。代替的には、効果的な損傷路は、図３に示すように、導波方向に沿って規則的なパターンで個々の非重複損傷スポットを配置することによって形成される。図３に示すような例示的なパターン（３１５、３２０、３２５）は、当業者によって理解される他の変形とともに用いられ得る。損傷スポットの規則的なパターンは、ピーク間の低損失で明確に定義された空間周波数（well-defined spatial frequencies）を有する。損傷スポットの間隔を適切に選択することは、より低い導波路伝播損失につながる。このような構成は、後述するハイブリッド導波路の形成にも用いられ得る。
【００２６】
図３の基板は、Ｚカット化学量論的周期分極反転タンタル酸リチウムとすることができる。
例示的なハイブリッド導波路の断面は、図４に概略的に示されている。第１のステップでは、損傷路のアレイは、ｆｓレーザーを用いて、例えば、ＳＬＴ基板（４０５）の表面から１５〜５０ｕｍの深さに形成される。損傷路は、１００〜３００ｕｍ又はそれより広く損傷物質（４１０）の面に集合的に集められる。損傷路は、規則的または非規則的に離間される。幾つかの実施形態では、損傷路は、損傷路のサイズに匹敵する間隔で、互いに近接して配置される。代替的には、損傷路は、隣接したグループ間の（グループのサイズに匹敵する）大きな間隔で１〜１０以上の損傷路のグループで配置される。このことは、高次モードの伝播をさらに抑制するのに有利である。
【００２７】
第２のステップでは、フェムト秒レーザー処理が、２０〜５０ｕｍの高さで２０〜５０ｕｍの幅である長いリッジ（４１５）を残すように表面から５〜２０ｕｍの物質を取り除くように用いられる。アブレーションゾーン（４２０）は、両側のリッジを５０〜１００ｕｍ又はそれ以上離間させて延在されている。その後、全体構造は、ＳｉＯ２（４２５）で上塗りすることができる。任意に、追加のアニーリング及び／又はプラズマエッチング工程は、導波路の特性を向上させるために行うことができる。幾つかの実施形態では、＜１００ｎｍのＲＭＳの粗さは、第２のステップにおいてレーザー処理面で達成することができる。幾つかの実施形態では、処理面の化学的還元は、最小化または回避することができる。また、ＳＬＴ基板のアモルファス化は、レーザー処理において最小化または回避することができる。さらに、第２のステップにおいて、表面環境制御（surface environment control）が用いられて、破片（debri）を除去し、粗さを改善し、温度および化学組成を制御することができる。このような制御は、酸素、オゾン、窒素、空気または他のガスの１つ以上のジェットを用いて実施することができる。
【００２８】
図４に点線（４３０）として模式的に示すように、導波モードは、非損傷基板物質に位置される。簡単にするために、楕円形の線が、図１に描かれているが、実際のモードはより複雑なプロファイルを示す。
【００２９】
代替的には、ハイブリッド導波路は、最初に図３に記載したのと同じプロセスを使用して損傷物質の面を形成することによって形成される。第２のステップでは、レーザーアブレーションの代わりにプラズマエッチングを用いてリッジ構造が形成される。最良な導波路の特性を取得するために、ｆｓレーザー処理パラメータが、スキャン速度、オーバーラップ、パス数、パルス長、繰り返し率、波長、偏光、フォーカス条件において両方の工程に対して別々に確実に最適化される。
【００３０】
ボンディング（bonding）および研磨ステップが排除されるため、埋め込み導波路の形成方法は、リッジ導波路に比べて簡略化することができる。
当業者が理解するように、上述したアブレーション及び損傷路の形成の両方のためのフェムト秒レーザー処理工程は、代替的には数ピコ秒パルスを用い、数ナノ秒までのより長いパルスでさえも用いることができ、それでも必要な導波路の特性を達成できる。例えば、ＵＶスペクトル範囲のサブナノ秒パルス（例えば、約３５５ｎｍ）を用いることは、低損傷／アブレーションの処理閾値を達成することができる。
【００３１】
明細書において説明されたようなリッジ、埋め込み、及びハイブリッド導波路構成は、化学量論的（またはほぼ化学量論的）タンタル酸リチウム基板に構築することができる。このような導波路が、他の非線形基板（例えば、定比タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム（lithium niobate）、ＫＴＰ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＢｉＢＯ等）に構築され得ることは理解される。さらに、このような導波路が、他の結晶性、非結晶またはセラミック、ドープ又は非ドープ基板（Ｎｄ：ＹＡＧ、ガラス等）に構築され得ることは理解される。
【００３２】
図１は、明細書において説明されるようなリッジ、埋め込み、及びハイブリッド導波路構成の例示的な処理を記載している。例えば、ラッピング（lapping）、ボンディング、およびフェムト秒レーザー処理は、導波管を形成するために用いられる。
【００３３】
デバイスの表面は、形成前または形成中に、クリーニング（cleaning）または酸化ジェット等の様々な方法を用いて洗浄され得る。例えば、酸化ジェット（oxidation jet）は、表面の汚染物および／または破片との化学反応によって基板の表面を洗浄する反応性ガス（reactive gas）のジェットであってもよい。
【００３４】
本開示の方法および構成に従って形成された導波路は、レーザーシステムを形成するために用いられてもよい。レーザーシステムは、赤外線ダイオードバーに基づくレーザー、レーザー処理された導波路を含み得る。導波路は、可視波長への赤外線レーザーの周波数変換のために用いられ得る。このようなレーザーによって形成された導波路は、プラズマエッチングの導波路に比べてパフォーマンスを向上させ、生産コストの削減を提供することができる。レーザーシステムはまた、波長結合器、例えばアレイ導波路回折格子（arrayed waveguide grating）等の導波路回折格子を含み得る。
【００３５】
当業者によって理解されるように、ダイオードバーは、ダイオードのアレイである。
当業者によって理解されるように、アレイ導波路回折格子は、波長分割多重システムにおける光合波器として用いられ得る。アレイ導波路回折格子は、単一の光導波路に多数の波長を多重化して、光チャネルの伝送容量を増加させる。
【００３６】
アレイ導波路回折格子は、異なる波長の光波が互いに線形的に干渉する基本的な原理に基づいている。例えば、ダイオードバーの各ダイオードがわずかに異なる波長の光を放射する場合、これらの多数のチャネルからの光は、チャネル間のごくわずかなクロストークを有する単一の光導波路（チャネル）によって伝播され得る。いくつかの実施形態では、本発明の導波路の形状は、シングルモード（又は実質的にシングルモード）動作をサポートするように構成されている。（ｆｓレーザー処理パラメータを含むが、限定されない）処理パラメータは、導波管の特性のために最適化される。ｆｓレーザー処理パラメータは、スキャン速度、オーバーラップ、パス数、パルス長、繰り返し率、波長、偏光、フォーカス条件、及び他のパラメータにおいて最適化される。
【００３７】
幾つかの実施形態では、加工用レーザ（machining laser）の波長に応じて、基板は、製造工程の幾つかまたは全てのために、透過または吸収することができる。より短い波長を、例えば、ハイブリッド導波路のリッジの（例えば、損傷路形成のような他のプロセスステップと比較して）より滑らかな表面を取得するために用いることが有利であり得る。
【００３８】
幾つかの実施形態では、基板は透過である必要はない。例えば、リッジ導波路のために、基板は、加工レーザーに対して透過である必要はない。他の実施形態では、基板は、透過である必要がある。例えば、リッジ導波路のためには、照射レーザーを一方の側（例えば、裏側）から基板を通過させて他方の側（例えば、表側）にリッジを形成可能である。別例では、ハイブリッド導波路のために、同一のレーザーは、基板の裏面からリッジ及び損傷路を形成するように用いることができる。この方法により、基板を固定具に一度取り付けるだけでよく、設計公差を改善することができる。
【００３９】
幾つかの実施形態では、平滑リッジ表面が望ましい。しかし、リッジ表面は、形成工程に起因して粗くなる可能性がある。滑らかさ（所望の平坦性）を向上させるために、レーザー加工される物質の表面が、前処理または後処理され得る。例えば、前処理は、金属化工程、または化合物を用いた塗装工程を含む。前処理は、（表面にエネルギーを集束する）加工レーザーの局所的な吸収を提供し得る。
【００４０】
後処理は、滑らかな（またはより均一な）表面のための化学的エッチングを含み得る。エッチングは、例えば、ＨＦ（hydrofluoric acid ： フッ化水素酸）、硝酸（ＨＮＯ３）、フッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）および／または水酸化カリウム（ＫＯＨ）、エチレン・ジアミン、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（tetramethylammonium hydroxide : TMAH）の使用を含み得る。またプラズマエッチング（例えば、塩素またはフッ素（fluourine））が、表面を平滑化するために用いられ得る。例えば、フッ化炭素（ＣＦ４）が、リッジを平滑化するために用いられる。
【００４１】
幾つかの参考文献が、明細書において引用され、全ての文献の開示が、これら全体において参照により明細書に組み込まれる。
本開示の多くの実施形態が説明されている。しかし、この開示の趣旨及び範囲を逸脱することなく、様々な変更が行われてもよいと理解されるであろう。従って、他の実施形態は、添付の特許請求の範囲内にある。
【００４２】
上述した例は、本開示の実施形態をどのように製造し使用するかについての完全な開示および説明として当業者に提供され、これらが本発明の範囲を限定することは意図されない。
【００４３】
当業者にとって自明な本明細書に開示された方法およびシステムを実施するための上記形態の変更は、以下の特許請求の範囲内にあることが意図される。本明細書で言及される全ての特許文献および刊行物は、本開示が属する当業者レベルの指標となる。この開示に引用された全ての参考文献は、各参考文献がその全体において参照により組み込まれているのと同じ程度に、全体において参照により個別に本明細書に組み込まれる。
【００４４】
本開示は、当然ながら、変更し得る特定の方法またはシステムに限定されるものではないことを理解されるべきである。また、本明細書で使用された用語は、特定の実施形態を説明することを目的とするものであり、限定することを意図するものではないことを理解すべきである。本明細書および添付の特許請求の範囲において用いられるように、単数形は、内容が明確に指示しない限り、複数形を含む。内容が別段の明確に指示がない限り、用語「複数」は、２つ以上を含み得る。他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術用語および科学用語は、本開示が関係する当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。
【図１】
2017524981.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年12月26日(2016.12.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長変換非線形リッジ導波路であって、
非線形結晶基板と、
非線形結晶基板の表面上の第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の表面上の導波路層であって、該導波路層は、少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域を含み、前記少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域は、光学モードを形成可能に構成され、前記光学モードは、前記少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域及び第１の誘電体層によって実質的に区画される、前記少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域と、
前記導波路層の表面上の第２の誘電体層と、を備える波長変換非線形リッジ導波路。
【請求項２】
前記非線形結晶基板は、定比タンタル酸リチウムである、請求項１に記載の波長変換非線形リッジ導波路。
【請求項３】
前記第１及び第２の誘電体層は、酸化シリコンである、請求項１に記載の波長変換非線形リッジ導波路。
【請求項４】
前記導波路層は、タンタル酸リチウムである、請求項１に記載の波長変換非線形リッジ導波路。
【請求項５】
前記少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域は、５〜２０マイクロメートルの高さ、及び２０〜５０マイクロメートルの幅を有し、
前記リッジ領域の表面と、前記第１の誘電体層との間の距離は、１５〜５０マイクロメートルである、請求項１に記載の波長変換非線形リッジ導波路。
【請求項６】
請求項１に記載の波長変換非線形リッジ導波路を形成するための方法であって、
パルスレーザーによって少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域周辺の非線形結晶基板の領域を除去することを備える方法。
【請求項７】
前記パルスレーザーは、フェムト秒レーザーである、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
スキャン速度、オーバーラップ、パス数、パルス長、繰り返し率、波長、偏光、またはパルスレーザーの焦点条件が、前記導波路の特性のために最適化される、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記非線形結晶基板は、パルスレーザーに対して透過であり、それにより、前記非線形結晶基板のいずれかの側からの加工が可能となる、請求項６に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
本開示は、当然ながら、変更し得る特定の方法またはシステムに限定されるものではないことを理解されるべきである。また、本明細書で使用された用語は、特定の実施形態を説明することを目的とするものであり、限定することを意図するものではないことを理解すべきである。本明細書および添付の特許請求の範囲において用いられるように、単数形は、内容が明確に指示しない限り、複数形を含む。内容が別段の明確に指示がない限り、用語「複数」は、２つ以上を含み得る。他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術用語および科学用語は、本開示が関係する当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。
以下に、上記各実施形態から把握できる技術思想を記載する。
（付記１）
波長変換非線形埋め込み導波路であって、
非線形結晶基板と、
非線形結晶基板の複数のレーザー加工された損傷路であって、前記非線形結晶基板の非損傷結晶構造とは異なる結晶構造を有し、所望のパターンによって実質的に区画された非線形結晶基板の領域内に光学モードを形成可能に構成された所望のパターンで配置される前記複数のレーザー加工された損傷路と、を備える波長変換非線形埋め込み導波路。
（付記２）
前記複数のレーザー加工された損傷路は、前記非線形結晶基板の表面から３０〜１５０マイクロメータの深さにある、付記１に記載の波長変換非線形埋め込み導波路。
（付記３）
単一の損傷スポットの幅が、２〜１０マイクロメータである、付記１に記載の波長変換非線形埋め込み導波路。
（付記４）
前記所望のパターンは、実質的に円形である、付記１に記載の波長変換非線形埋め込み導波路。
（付記５）
前記所望のパターンは、前記波長変換非線形埋め込み導波路によって伝送される光波の伝播方向に沿った少なくとも１つの列の損傷路を含む、付記１に記載の波長変換非線形埋め込み導波路。
（付記７）
波長変換非線形ハイブリッド導波路であって、
非線形結晶基板と、
前記非線形結晶基板のレーザー加工された損傷路層であって、該レーザー加工された損傷路は、非線形結晶基板の非損傷結晶構造とは異なる結晶構造を有する、前記レーザー加工された損傷路層と、
前記非線形結晶基板の表面上の少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域であって、前記少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域は、光学モードを形成可能に構成され、該光学モードは、前記少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域及び前記レーザー加工された損傷路層によって実質的に区画される、前記少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域と、
前記非線形結晶基板の表面上の誘電体層と、を備える波長変換非線形ハイブリッド導波路。
（付記８）
前記非線形結晶基板は、タンタル酸リチウムである、付記７に記載の波長変換非線形ハイブリッド導波路。
（付記９）
前記誘電体層は、シリコン酸化物である、付記７に記載の波長変換非線形ハイブリッド導波路。
（付記９）
前記少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域は、５〜２０マイクロメートルの高さ、及び２０〜５０マイクロメートルの幅を有し、
前記少なくとも１つのレーザー加工されたリッジ領域の表面と、前記レーザー加工された損傷路層の表面との間の距離は、１５〜５０マイクロメートルである、付記７に記載の波長変換非線形ハイブリッド導波路。
（付記１０）
可視レーザー源であって、
赤外線レーザー源と、
前記赤外線レーザー源からの光を受け取るように構成された波長合成器と、
前記波長合成器からの光を受け取るように構成された波長変換非線形導波路と、を備え、
前記波長変換非線形導波路は、
請求項１に記載の波長変換非線形リッジ導波路と、付記１に記載の波長変換非線形埋め込み導波路と、又は付記７に記載の波長変換非線形ハイブリッド導波路とを含む、可視レーザー源。
（付記１１）
赤外線レーザー源は、レーザーダイオードバーである、付記１０に記載の可視レーザー源。
（付記１２）
前記波長合成器は、アレイ導波路回折格子である、付記１０に記載の可視レーザー源。
（付記１３）
前記波長合成器及び前記波長変換非線形導波路のうちの少なくとも一方が、前記赤外線レーザー源に光学フィードバックを提供する、付記１０に記載の可視レーザー源。
（付記１４）
付記１に記載の波長変換非線形埋め込み導波路を形成するための方法であって、
パルスレーザーによって前記非線形結晶基板の領域を損傷させて前記レーザー加工された損傷路層を取得することを備える方法。
（付記１５）
付記７に記載の波長変換非線形ハイブリッド導波路を形成するための方法であって、
パルスレーザーによってレーザー加工された損傷路層を損傷させて前記レーザー加工された損傷路層を取得することを備える方法。
【国際調査報告】
2017524981.tif 000007
2017524981.tif 000008
2017524981.tif 000009