(57)【要約】【課題】Ｘ板あるいはオフセットＸ板の薄板に周期分極反転構造を形成し、支持基板と上側基板との間に挟んだ構造の高調波発生素子において、温度サイクルにさらされた後における波長変換効率の低下を防止することである。【解決手段】高調波発生素子は、支持基板２、強誘電性単結晶のＸ板またはオフセットＸ板からなり、周期分極反転構造が設けられた三次元光導波路２４を備えている波長変換層３、波長変換層３の底面３ｄと支持基板２とを接着する下地接着層２１、波長変換層３の上面側に設けられている上側基板５、波長変換層３と上側基板１とを接着する上側接着層２０、基本波の入射面１ａ、高調波の出射面、入射面と出射面との間の第一の側面１ｃおよび第一の側面と対向する第二の側面１ｄを備えている。第一の側面１ｃに第一の導電材料１０Ａが接触しており、第二の側面１ｄに第二の導電材料１０Ｂが接触しており、導電材料１０Ａと導電材料１０Ｂとが電気的に導通している。【選択図】            図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板、
強誘電性単結晶のＸ板またはオフセットＸ板からなり、周期分極反転構造が設けられたチャンネル型光導波路を備えている波長変換層、
この波長変換層の底面と前記支持基板とを接着する下地接着層、
前記波長変換層の上面側に設けられている上側基板、
前記波長変換層と前記上側基板とを接着する上側接着層を備えており、基本波の入射面、高調波の出射面、前記入射面と前記出射面との間でかつ前記波長変換層を含む第一の側面およびこの第一の側面と対向する第二の側面を備えている高調波発生素子であって、
前記第一の側面に第一の導電材料が接触しており、前記第二の側面に第二の導電材料が接触しており、前記第一の導電材料と前記第二の導電材料とが電気的に導通していることを特徴とする、高調波発生素子。
【請求項２】
前記第一の導電材料および前記第二の導電材料が導電膜であることを特徴とする、請求項１記載の高調波発生素子。
【請求項３】
前記第一の導電材料が導電板であり、前記第二の導電材料が、前記波長変換素子を設置するための台座であることを特徴とする、請求項１記載の高調波発生素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、疑似位相整合方式の高調波発生素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶のような非線形光学結晶は二次の非線形光学定数が高く、これら結晶に周期的な分極反転構造を形成することで、疑似位相整合（Quasi-Phase-Matched ：ＱＰＭ）方式の第二高調波発生（Second-Harmonic-Generation:SHG）デバイスを実現できる。また、この周期分極反転構造内に導波路を形成することで、高効率なSHGデバイスが実現でき、光通信用、医学用、光化学用、各種光計測用等の幅広い応用が可能である。
【０００３】
特許文献1に記載の高調波発生素子においては、支持基板上に強誘電性単結晶の薄板を接着し、その上にバッファ層および接着層を介して上側基板を接着しており、薄板中にチャンネル型光導波路を形成している。そして、この光導波路内に周期分極反転構造を形成することによって、光導波路に入射する基本波を高調波に波長変換している。
【特許文献１】WO 2006/ 41172 A1
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＳＨＧ発生素子などの高調波発生素子には、環境温度の変化に対して繰り返してさらされても、安定して動作することが求められる。しかし、特許文献１記載のようなタイプの素子において、−４０°Ｃと＋８０°Ｃとの間の熱サイクルに対して繰り返して曝露された後に、波長変換効率が劣化する場合のあることが判明した。
【０００５】
本発明者が、このような波長変換効率の低下の起こった素子を回収し、観測してみると、周期分極反転構造が劣化していることが判明した。しかも、このような現象は、Ｘ板（Ｙ板）やオフセットＸ板（オフセットＹ板）では生ずるが、Ｚ板の薄板を用いた場合には生じないことも判明した。更に、このような現象は、特許文献１記載のように、支持基板と上側基板との間に、波長変換を行うための強誘電性薄板をサンドイッチしたタイプの素子に特有であることが判明した。
【０００６】
本発明の課題は、Ｘ板あるいはオフセットＸ板の薄板に周期分極反転構造を形成し、支持基板と上側基板との間に挟んだ構造の高調波発生素子において、温度サイクルにさらされた後における波長変換効率の低下を防止することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、
支持基板、
強誘電性単結晶のＸ板またはオフセットＸ板からなり、周期分極反転構造が設けられた三次元光導波路を備えている波長変換層、
この波長変換層の底面と支持基板とを接着する下地接着層、
波長変換層の上面側に設けられている上側基板、
波長変換層と上側基板とを接着する上側接着層を備えており、基本波の入射面、高調波の出射面、入射面と出射面との間の第一の側面およびこの第一の側面と対向する第二の側面を備えている高調波発生素子であって、第一の側面に第一の導電材料が接触しており、第二の側面に第二の導電材料が接触しており、第一の導電材料と第二の導電材料とが電気的に導通していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明者は、Ｘ板あるいはオフセットＸ板の薄板に周期分極反転構造を形成し、支持基板と上側基板との間に挟んだ構造の高調波発生素子において、温度サイクルにさらされた後に波長変換効率が低下する原因を検討した。そして、高調波発生素子の薄板をエッチング処理して周期分極反転構造を確認したところ、周期分極反転構造が劣化したり、局所的に消滅したりしていた。これが波長変換効率の低下の原因となっていた。
【０００９】
このような周期分極反転構造の劣化の原因について更に検討したところ、素子の両方の側面間における焦電が原因となっていることを発見した。この発見に基づき、高調波発生素子の両側面に対して導電材料をそれぞれ接触させ、これら導電材料を導通させることで、熱サイクルに曝露した後の波長変換効率の低下を防止できることを見いだし、本発明に到達した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１（ａ）は、本発明を適用可能な高調波発生素子１を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）は、素子１のチャンネル型光導波路２４およびその周辺を示す拡大図である。図２は、図１の素子１を台座８に設置した状態を示す正面図である。
【００１１】
図１に示すように、強誘電性単結晶のＸ板（Ｙ板、またはオフセットＸ板、オフセットＹ板）からなる波長変換層３に、一対の細長い溝６Ａ、６Ｂを設ける。溝６Ａと６Ｂとは互いに平行であり、これらの溝によってリッジ部４が形成されている。リッジ部４および溝６Ａ、６Ｂによってチャンネル型光導波路２４が形成されている。各溝６Ａ、６Ｂの各外側には延在部７Ａ、７Ｂが形成されており、薄板を形成している。
【００１２】
Ｘ板（Ｙ板）の場合には、図１（ａ）、（ｂ）において横方向がＺ方向であり、強誘電性単結晶はＺ方向に分極する。Ｘ軸（Ｙ軸）は、波長変換層３の上面３ａに対して垂直である。オフセットＸ板、Ｙ板の場合には、Ｘ軸（Ｙ）軸が、波長変換層３の主面に対して垂直な面から傾斜する。この傾斜角度は、本発明の観点からは、１０  °以下であることが好ましい。
【００１３】
チャンネル型光導波路２４内では、光の伝搬方向に対して垂直なＺ方向に向かって分極しており、分極方向が周期的に反転している。この結果、素子１の入射面１ａから入射した基本波は、光導波路２４内で波長変換を受け、高調波が出射面１ｂから出射する。
【００１４】
波長変換層３の底面３ｂは、別体の支持基板２の上面２ａに対して下地接着層２１によって接着されている。波長変換層３の上面３ａは、別体の上側基板５の底面５ａに対して上側接着層２０によって接着されている。１ｃ、１ｄは、入射面１ａと出射面１ｂとの間に延びる一対の側面であり、側面１ｃと１ｄとは対向している。典型的には、図２に示すように、設置面８ｂと８ａとを有する台座８を設け、台座８に素子１を設置し、外部の線路と結合する。素子１の側面１ｄを設置面８ｂに接触させ、素子１の底面２ｂを台座８の設置面８ａに対して接触させる。
【００１５】
ここで、本発明者の発見によれば、熱サイクルに曝露した後には、高調波発生素子１の側面１ｃと１ｄとの間における焦電が原因で、チャンネル型光導波路２４に形成されている周期分極反転構造が劣化していた。このため、各側面１ｃ、１ｄに対してそれぞれ導電材料を接触させ、各導電材料を電気的に導通させることによって、熱サイクル曝露後の周期分極反転構造の劣化を防止できることを見いだした。
【００１６】
導電材料の形態は特に限定されない。好適な実施形態においては、第一の導電材料が導電板であり、第二の導電材料が、高調波発生素子を設置するための台座である。
【００１７】
図３は、この実施形態に係る素子を台座８に設置した状態を模式的に示す正面図である。本例で用いる素子は、図１、図２の素子と同じである。ただし、金属板９が台座８上に設置されており、金属板９が素子１の側面１ｃに対して接触している。そして、素子１の他方の側面１ｄは導電性の台座８の設置面８ｂに対して接触している。台座８と金属板９とは電気的に導通している。
【００１８】
また、好適な実施形態においては、第一の導電材料および第二の導電材料が導電膜である。図４は、この実施形態に係る素子を模式的に示す斜視図であり、図５は、図４の素子を台座８に設置した状態を模式的に示す正面図である。
【００１９】
本例で用いる素子は、図１、図２の素子と同じである。ただし、第一の導電膜１０Ａが素子の側面１ｃに形成されており、第二の導電膜１０Ｂが素子の側面１ｄに形成されている。そして、導電膜１０Ａと１０Ｂとが導電線などの導電手段１８によって短絡されている。この結果、導電膜１０Ａと１０Ｂとは電気的に導通している。
【００２０】
図６は、この実施形態に係る他の素子を模式的に示す斜視図であり、図７は、図６の素子を台座８に設置した状態を模式的に示す正面図である。
【００２１】
本例で用いる素子は、図１、図２の素子と同じである。ただし、第一の導電膜１０Ａが素子の側面１ｃに形成されており、第二の導電膜１０Ｂが素子の側面１ｄに形成されている。また、導電膜２８が素子１の上面５ｂに形成されている。導電膜２８は導電膜１０Ａおよび１０Ｂと連続しており、これによって、導電膜１０Ａと１０Ｂとは電気的に導通している。
【００２２】
導電膜の作製方法は限定されず、以下を例示できる。
（１）  スパッタ法によって素子の側面に金属薄膜を形成する。
（２）  導電性ペーストを素子の側面に印刷等で塗布し、焼き付ける。
（３）  素子の側面に導電性テープを貼る。
【００２３】
本発明の観点からは、導電材料を、素子の側面の面積の８０％以上にわたって接触させることが好ましく、９０％以上にわたって接触させることが更に好ましい。この上限は特になく、側面の１００％にわたって導電材料を接触させることができる。
【００２４】
導電材料の材質は特に限定されず、金属、導電性ペーストを例示できる。具体的には、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｇ系ペースト、Ｉｎ系ペーストが好ましい。
【００２５】
導電膜の厚さは特に限定されないが、本発明の観点からは、０．１μｍ以上が好ましく、０．５μｍ以上が更に好ましい。導電膜の厚さの上限は特にないが、形成しやすさの点からは１０μｍ以下が好ましい。
【００２６】
波長変換層に形成されるチャンネル型光導波路は限定されず、リッジ形光導波路や、拡散形光導波路であってよい。拡散形光導波路は、金属拡散（例えばチタン拡散）やプロトン交換によって形成できる。リッジ構造を形成するための加工方法は限定されず、機械加工、イオンミリング、ドライエッチング、レーザーアブレーションなどの方法を用いることができる。
【００２７】
波長変換層を形成する強誘電性単結晶は限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５、Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４を例示できる。
【００２８】
波長変換層を支持基板や上側基板と接着するための接着剤は、無機接着剤であってよく、有機接着剤であってよく、無機接着剤と有機接着剤との組み合わせであってよい。
【００２９】
有機接着剤の具体例は特に限定されないが、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料と比較的近い熱膨張係数を有するアロンセラミックスＣ（商品名、東亜合成社製）（熱膨張係数１３×１０−６／Ｋ）を例示できる。
【００３０】
また無機接着剤としては、低誘電率で接着温度（作業温度）が約６００℃以下のものが好ましい。また、加工の際に十分な接着強度が得られるものが好ましい。具体的には、酸化珪素、酸化鉛、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ホウ素等の組成を単体もしくは複数組み合わせたガラスが好ましい。また、他の無機接着剤としては、例えば五酸化タンタル、酸化チタン、五酸化ニオブ、酸化亜鉛がある。
【００３１】
無機接着層の形成方法は特に限定されず、スパッタ法、蒸着法、スピンコート法、ゾルゲル法などがある。
また、強誘電体層３と支持基体１、上側基板５との間に接着剤のシートを介在させ、接合することができる。好ましくは、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤からなるシートを、強誘電体層３と支持基体１、上側基板５との間に介在させ、シートを硬化させる。このようなシートとしては、１０μｍ以下のフィルム樹脂が適当である。
【００３２】
支持基板、上側基板の具体的材質は特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Siなどを例示することができる。この場合、熱膨張差の観点では、波長変換層と支持基板、上側基板とを同種の材質とすることが好ましく、ニオブ酸リチウム単結晶が特に好ましい。上側基板の厚さ、支持基板の厚さも特に限定されないが、上記の観点からは１００μｍ以上が好ましい。また、支持基板の厚さ、上側基板の厚さの上限も特にないが、実用的には２ｍｍ以下が好ましい。
【実施例】
【００３３】
（比較例）
図１、２に示すような素子１を作製した。具体的には、厚さ0.5mmのＭｇＯ５％ドープニオブ酸リチウム５度オフカットＹ基板上に、周期6.6μｍの周期分極反転構造を形成した。厚さ0.5ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板に接着剤（アクリル系接着剤）を塗布した後、前記のＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板２と貼り合せ、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の表面を厚さ3.７μｍとなるまで研削、研磨し、薄板を得た。次いで、レーザーアブレーション加工法により、この薄板にリッジ構造４（光導波路２４）を形成した。光導波路の形成後、厚さ0.5umのＳｉＯ２オーバークラッドをスパッタ法によって成膜した。
【００３４】
次いで、ＳｉＯ２オーバークラッド上に厚さ５００μｍのニオブ酸リチウム製の上側基板５をエポキシ系接着剤によって貼り合わせ、素子を得た。ダイサーで長さ９mm、幅1.0mmで素子を切断し、チップ１を得た。次いで、チップ１の入射面１ａ、出射面１ｂを研磨し、反射防止膜を施した。
【００３５】
Nd-YAGレーザーを使用して、素子の光学特性を測定した。レーザーからの発振出力を５００ｍWに調整し、その基本光をレンズで導波路端面に入力し、２００ｍWのSHG出力が得られた。その際の基本光の波長は１０６４.３nmであった。
【００３６】
本素子を、ー４０℃/８０℃の熱サイクル試験に供した。５００サイクル後に、再度、第二高調波（ＳＨＧ）出力を測定した結果、ＳＨＧ出力が７０ｍWに劣化した。
【００３７】
（実施例１）
比較例１と同様の素子を作製した。ただし、図６、図７に示すように、アルミニウム膜１０Ａ、１０Ｂ、２８を、素子１の上面５ｂ、側面１ｃ、１ｄ上にそれぞれスパッタ法により成膜した。アルミニウム膜の厚さは０．２μｍである。アルミニウム膜１０Ａ、１０Ｂは、側面１ｃ、１ｄのそれぞれ１００％を被覆するようにした。
【００３８】
Nd-YAGレーザーを使用して、素子の光学特性を測定した。レーザーからの発振出力を５００ｍWに調整し、その基本光をレンズで導波路端面に入力し、２００ｍWのSHG出力が得られた。その際の基本光の波長は１０６４.３nmであった。
【００３９】
本素子にてー４０℃/８０℃の熱サイクル試験を行った。５００サイクル後に再度SHG出力を測定した結果、ＳＨＧ出力の低下は見られなかった。
【００４０】
（実施例２）
実施例１と同様の素子を作製した。ただし、アルミニウム膜１０Ａ、１０Ｂは、側面１ｃ、１ｄのそれぞれ８０％を被覆するようにした。
【００４１】
本素子にてー４０℃/８０℃の熱サイクル試験を行った。５００サイクル後に再度SHG出力を測定した結果、ＳＨＧ出力の低下は見られなかった。
【００４２】
（実施例３）
実施例１と同様の素子を作製した。ただし、アルミニウム膜１０Ａ、１０Ｂは、側面１ｃ、１ｄのそれぞれ７０％を被覆するようにした。
【００４３】
本素子にてー４０℃/８０℃の熱サイクル試験を行った。５００サイクル後に再度SHG出力を測定した結果、ＳＨＧ出力は１９１ｍＷであった。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】（ａ）は、本発明を適用可能な高調波発生素子１を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、素子１のチャンネル形光導波路２４およびその周辺を示す拡大図である。
【図２】図１の素子１を台座８に設置した状態を示す正面図である。
【図３】本発明の実施形態に係り、素子を台座８に設置した状態を模式的に示す正面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る素子を模式的に示す斜視図である。
【図５】図４の素子を台座８に設置した状態を模式的に示す正面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る他の素子を模式的に示す斜視図である。
【図７】図６の素子を台座８に設置した状態を模式的に示す正面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  高調波発生素子              １ａ  入射面            １ｂ  出射面              １ｃ、１ｄ  側面              ２  支持基板              ２ａ  支持基板の上面            ３  波長変換層            ４  リッジ構造            ５  上側基板              ６Ａ、６Ｂ  リッジ溝            ７Ａ、７Ｂ  延在部            ８  台座            ９  金属板              １０Ａ  第一の導電膜            １０Ｂ  第二の導電膜            １８  導電線            ２０  上側接着層            ２１  下地接着層              ２４  光導波路
【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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