(57)【要約】【課題】リッジ型光導波路中の周期分極反転構造を利用して高調波を発生させる素子において、素子の波長許容幅を広げることである。【解決手段】波長変換素子１は、強誘電性材料からなり、基本波Ａを波長変換光Ｂへと変換する波長変換部Ｐを有している波長変換用基板２、基板２の表面２ａ側に形成されているリッジ型光導波路４、光導波路４の両側に形成されている一対の溝３Ａ、３Ｂ、および波長変換部Ｐの全長にわたって光導波路４中に形成されている周期分極反転構造９を備えている。波長変換部Ｐの入射側端部７における光導波路４の幅ＷＩが、波長変換部Ｐの出射側端部８における光導波路４の幅ＷＯよりも大きい。【選択図】              図２
2009198651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電性材料からなる基板、
この基板に形成されているリッジ型光導波路、
このリッジ型光導波路の両側に形成されている一対の溝、および
前記リッジ型光導波路中に形成されている周期分極反転構造を備えており、この周期分極反転構造によって前記リッジ型光導波路中に波長変換部を構成している波長変換素子であって、
前記波長変換部の入射側端部における前記リッジ型光導波路の幅が、前記波長変換部の出射側端部における前記リッジ型光導波路の幅よりも大きいことを特徴とする、波長変換素子。
【請求項２】
前記波長変換部の入射側端部における前記溝の深さが、前記波長変換部の出射側端部における前記溝の深さよりも小さいことを特徴とする、請求項１記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記リッジ型光導波路の幅が、前記入射側端部から前記出射側端部へと向かって単調減少することを特徴とする、請求項１または２記載の波長変換素子。
【請求項４】
強誘電性材料からなる基板、
この基板の表面側に形成されているリッジ型光導波路、
このリッジ型光導波路の両側に形成されている一対の溝、および
前記リッジ型光導波路中に形成されている周期分極反転構造を備えており、この周期分極反転構造によって前記リッジ型光導波路中に波長変換部を構成している波長変換素子を製造する方法であって、
前記強誘電性材料からなる基体の表面にレーザー光を照射することによって前記溝および前記リッジ型光導波路を形成するのに際して、前記波長変換部の入射側端部から前記波長変換部の出射側端部へと向かって前記レーザー光の走査速度を遅くすることを特徴とする、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するものである。
【背景技術】
【０００２】
光情報処理技術全般において、高密度光記録を実現するために、波長４００−４３０ｎｍ程度の青色光を３０ｍＷ以上の出力で安定的に発振する青色光レーザが要望されており、開発競争が行われている。青色光光源としては、赤色光を基本波として発振するレーザと、擬似位相整合方式の第二高調波発生素子とを組み合わせた光導波路型の波長変換素子が期待されている。
【０００３】
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。
【０００４】
本出願人は、酸化物単結晶からなる基材にレーザー光を照射することでリッジ型光導波路を形成する方法を開示した（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−３７２６４１
【０００５】
また、特許文献２によれば、周期分極反転構造を用いた擬似位相整合方式の波長変換素子において、光導波路中に周期分極反転構造を形成することによって波長変換部を形成して高調波を得ている。これと共に、光導波路の出射側には周期分極反転構造を設けず、光
光導波路の幅を出射側で変更している。これによって、光導波路の出射側において、高調波をシングルモード伝搬させている。
【特許文献２】特開２００１−３１１９７４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
周期分極反転構造を利用した疑似位相整合方式においては、波長許容幅が狭いことが問題になっている。つまり、極めて狭い波長の基本波しか高調波に変換できないという問題である。波長許容幅は，例えば０．１ｎｍといった極めて狭い範囲になっている。このため、基本波を発振する固体レーザー光源の発振波長のバラツキに対応することが難しく、素子の波長許容幅を広くすることが必要である。
【０００７】
本発明の課題は、リッジ型光導波路中の周期分極反転構造を利用して高調波を発生させる素子において、素子の波長許容幅を広げることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、
強誘電性材料からなる基板、
この基板の表面側に形成されているリッジ型光導波路、
このリッジ型光導波路の両側に形成されている一対の溝、および
リッジ型光導波路中に形成されている周期分極反転構造を備えており、この周期分極反転構造によってリッジ型光導波路中に波長変換部を構成している波長変換素子であって、
波長変換部の入射側端部におけるリッジ型光導波路の幅が、波長変換部の出射側端部におけるリッジ型光導波路の幅よりも大きいことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、
強誘電性材料からなる基板、
この基板の表面側に形成されているリッジ型光導波路、
このリッジ型光導波路の両側に形成されている一対の溝、および
リッジ型光導波路中に形成されている周期分極反転構造を備えており、この周期分極反転構造によってリッジ型光導波路中に波長変換部を構成している波長変換素子を製造する方法であって、
強誘電性材料からなる基体の表面にレーザー光を照射することによって溝およびリッジ型光導波路を形成するのに際して、波長変換部の入射側端部から波長変換部の出射側端部へと向かってレーザー光の走査速度を遅くすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の素子によれば、波長変換部の入射側端部におけるリッジ型光導波路の幅を、波長変換部の出射側端部におけるリッジ型光導波路の幅よりも大きくする。これによって、入射側端部においては、リッジ型光導波路の幅が相対的に大きいので、光の感ずる実効屈折率も高くなり、位相整合波長が短くなる。一方、出射側端部においては、リッジ型光導波路の幅が相対的に小さいので、光の感ずる実効屈折率も低くなり、位相整合波長が長くなる。従って、リッジ型光導波路の全体としては波長許容幅を広げることができる。
【００１１】
また、本発明の製法によれば、強誘電性材料からなる材料基板の表面にレーザー光を照射することによって溝およびリッジ型光導波路を形成するのに際して、波長変換部の入射側端部から出射側端部へと向かってレーザー光の走査速度を遅くする。これによって、入射側端部では、レーザー光の走査速度が相対的に速いことから、溝が相対的に浅くなり、溝幅が小さくなり、リッジ型光導波路の幅が相対的に大きくなる。一方、波長変換部の出射側端部においては、レーザー光の走査速度が相対的に遅いことから、溝が相対的に深くなり、溝幅が大きくなり、リッジ型光導波路の幅が相対的に小さくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る光変換素子１を概略的に示す断面図であり、図２は、素子１を概略的に示す上面図である。
【００１３】
強誘電性材料からなる波長変換用基板２は、リッジ型光導波路４、光導波路４の両側に設けられている溝形成部２ａ、２ｂ、および各溝形成部の外側に設けられている延在部２ｃ、２ｄを備えている。リッジ型光導波路４の両側にはそれぞれ溝３Ａ、３Ｂが形成されている。リッジ型光導波路４は、リッジ型突起４ａと、その直下の平板部分４ｂとからなる。基板２の上面には表面側バッファ層２２が形成されており、背面側には背面側バッファ層５が形成されている。基板２は、バッファ層５、接着層６を介して支持基板２０に対して接合されている。
【００１４】
図２の上面図に示すように、基板２には、多数の分極反転部９ａが形成されており、隣接する分極反転部の間に、非分極反転部９ｂが形成されている。これらの分極反転部および非分極反転部は一定周期で形成されており、周期分極反転構造９を構成する。
【００１５】
リッジ型光導波路４が、基板２の入射側端面１７および出射側端面１８に対して露出しており、周期分極反転構造９は、リッジ型光導波路４の全長にわたって形成されている。リッジ型光導波路のうち、周期分極反転構造９が形成されている領域が波長変換部Ｐである。矢印Ａのように基本波を入射させると，基本波は波長変換部Ｐで波長変換を受け、矢印Ｂのように出射する。
【００１６】
本例では、リッジ型光導波路４のほぼ全長にわたって周期分極反転構造９を形成しているので、光導波路４が全長にわたって波長変換部Ｐを構成する。しかし、リッジ型光導波路４の一部だけに周期分極反転構造９を形成することもできる。この場合には、光導波路４のうち周期分極反転構造９を形成した領域のみが波長変換部となる。
【００１７】
図３（ａ）は、波長変換部Ｐの入射側端部７におけるリッジ型光導波路４の形態を示す図であり、図３（ｂ）は、波長変換部Ｐの出射端部８における光導波路４の形態を示す図である。
【００１８】
本例では、図３（ａ）に示すように、波長変換部Ｐの入射側端部７における光導波路４の幅をＷＩとし、溝３Ａ、３Ｂの深さをＤＩとする。また、波長変換部Ｐの出射側端部８における光導波路４の幅をＷＯとし、溝３Ａ、３Ｂの深さをＤＯとする。また、図２に示す点線Ｓは一対の平行線であり、一対の点線Ｓの間隔は一定である。ＷＩはＳよりも大きく、ＷＯはＳよりも小さい。
【００１９】
リッジ型光導波路の幅とは、リッジ型光導波路の表面の平坦な部分を、光の進行方向に見たときの幅である。溝の深さとは、リッジ型光導波路の表面の平坦な部分から溝の底面までの深さである。リッジ型光導波路の幅、溝の深さは、AFM（原子間力顕微鏡）によって測定する。
【００２０】
ここで、本発明に従い、波長変換部Ｐの入射側端部７における光導波路４の幅ＷＩが、波長変換部Ｐの出射側端部８における光導波路４の幅ＷＯよりも大きい。また、本例では、波長変換部Ｐの入射側端部７における溝３Ａ、３Ｂの深さＤＩが、波長変換部Ｐの出射側端面８における溝３Ａ、３Ｂの深さＤＯよりも小さい。
【００２１】
これによって、入射側端部７においては、光導波路４の幅ＷＩが相対的に大きいので、光の感ずる実効屈折率も高くなり、位相整合波長が短くなる。一方、出射側端部８においては、光導波路４の幅ＷＯが相対的に小さいので、光の感ずる実効屈折率も低くなり、位相整合波長が長くなる。従って、光導波路４の全体としては波長許容幅を広げることができる。
【００２２】
この観点からは、光導波路４の幅ＷＩのＷＯに対する比率（ＷＩ／ＷＯ）は、１．０５以上であることが好ましく、１．１以上であることが更に好ましい。ただし、光導波路４の幅ＷＩのＷＯに対する比率（ＷＩ／ＷＯ）が大きくなり過ぎると、全体の波長変換効率が低下する傾向がある。このため、波長変換効率を高く保持するという観点からは、光導波路４の幅ＷＩのＷＯに対する比率（ＷＩ／ＷＯ）は、２．０以下であることが好ましく、１．５以下であることが更に好ましい。
【００２３】
また、本例では、波長変換部Ｐの入射側端部７における溝３Ａ、３Ｂの深さＤＩが、波長変換部Ｐの出射側端面８における溝３Ａ、３Ｂの深さＤＯよりも小さい。これも上記した原理によって波長許容幅の拡大に寄与する。この観点からは、ＤＩのＤＯに対する比率（ＤＩ／ＤＯ）は、０．９５以下であることが好ましく、０．８以下であることが更に好ましい。しかし、ＤＩのＤＯに対する比率（ＤＩ／ＤＯ）が小さくなりすぎると、全体の波長変換効率が低下する傾向がある。このため、波長変換効率を高く保持するという観点からは、ＤＩのＤＯに対する比率（ＤＩ／ＤＯ）は、０．３以上であることが好ましく、  ０．５以上であることが更に好ましい。
【００２４】
また、好適な実施形態においては、リッジ型光導波路の幅が、入射側端部から出射側端部へと向かって単調減少する。これによって、波長許容幅を特に大きく広げることができ、かつ波長変換効率の低下も抑制しやすい。この際、リッジ光導波路の幅は、波長変換部の全長にわたって１次関数的に単調減少することが好ましいが，これには限定されない。
【００２５】
光導波路４の幅ＷＩ、ＷＯは、特に限定されないが、一般的には、３．０〜７．０μｍとすることができる。
溝の深さＤＩ、ＤＯは特に限定されないが、一般的には、０．５〜３．０μｍとすることができる。
【００２６】
光変換用基板を構成する材質は、光の変調が可能であれば特に限定されないが、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、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶などを例示することができる。
【００２７】
強誘電体単結晶中には、光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。強誘電体単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。
【００２８】
表面側バッファ層、背面側バッファ層の材質は、酸化シリコン、弗化マグネシウム、窒化珪素、及びアルミナ、五酸化タンタルを例示できる。
【００２９】
接合層の材質は、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。
【００３０】
支持基体２０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、強誘電体層と支持基板とを同じ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。
【００３１】
強誘電性材料にリッジ型の光導波路を形成するための加工方法は限定されないが、レーザー加工が好ましい。この場合には、強誘電性材料からなる材料基板の表面にレーザー光を照射することによって溝およびリッジ型光導波路を形成する。この際、波長変換部の入射側端部から波長変換部の出射側端面部へと向かってレーザー光の走査速度を遅くする。
走査速度が遅いと、溝が深くなり、リッジ型光導波路の幅が広くなる。走査速度が速いと、溝が浅くなり、リッジ型光導波路の幅が狭くなる。
【００３２】
加工用のレーザー光については特に限定されず、加工すべき材質に応じて選択する。好適な実施形態においては、レーザー光のパルスの半値幅が１０ｎｓｅｃ以下である。また、レーザー光のパルスの半値幅の下限は特にないが、生産性良く基材を加工するという観点からは、０．５ｎｓｅｃ以上が好ましい。
【００３３】
レーザー加工用の光の波長は、３５０ｎｍ以下とすることが好ましく、３００ｎｍ以下とすることが一層好ましい。ただし、実用的な観点からは、１５０ｎｍ以上とすることが好ましい。
【００３４】
エキシマレーザーは、紫外線のパルス繰り返し発振レーザーであり、ＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌ（波長３０８ｎｍ）などの気体状の化合物が発振する紫外光を、光共振機により方向性を揃えて取り出したものである。  現実の光源としては、エキシマレーザー光源の他に、ＹＡＧの四次高調波（例えばＮｄ−ＹＡＧレーザーの第４次高調波）、エキシマランプが、現在のところ実用的である。
【００３５】
レーザー加工用の光照射素子としては、いわゆる一括露光方式の素子と多重反射方式の素子とが含まれる。また、レーザー光の照射によって溝を形成する方法としては、次の二つの態様を挙げることができる。
（１）スポットスキャン加工
（２）スリットスキャン加工
【００３６】
レーザー光の走査速度は、加工ステージの移動速度によって変更することができる。
【００３７】
レーザー光の走査速度は、加工すべき材質に合わせて選択するが、例えば０．００５ｍｍ／秒〜１．０ｍｍ／秒とすることができる。
【実施例】
【００３８】
（実施例１）
図１〜図３に示した波長変換素子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５．０６μｍの櫛状周期電極をフォトリソグラフィ法によって形成した。この基板の裏面に全面に電極膜を形成した後、パルス電圧を印加し、周期分極反転構造９を形成した。次いで、厚さ０．４μｍのＳｉＯ２アンダークラッド５をスパッタ法によって成膜した。
【００３９】
厚さ０．５ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板２０に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３．５μｍとなるまで研削し、研磨した。
【００４０】
次いで、レーザーアブレーション加工法により、基板２の表面側にリッジ型光導波路４を形成した。レーザー加工時の基板２表面でのビーム形状が、図４に示すような形状となるようにマスクを作製した。ビームの長さＥは１５０μｍであり、ビーム間隔Ｆは６μｍである。このビームパターンを基板２の表面で走査させ、素子長９ｍｍのリッジ型光導波路４を作製した。この際、走査速度を、入射側端部では０．２５ｍｍ／秒とし、連続的に低下させ、出射側端部では０．１５μｍ／とした。
【００４１】
このようにリッジ型光導波路４および溝３Ａ、３Ｂを形成した後、厚さ０．５μｍのＳｉＯ２オーバークラッド２２をスパッタ法によって成膜した。ダイサーで長さ（Ｌ）９ｍｍ、幅１．０ｍｍで素子を切断した後、端面を研磨した後、端面に反射防止膜を施した。
【００４２】
なお、入射側端部７におけるリッジ型光導波路４の幅ＷＩは５μｍであり、溝３Ａ、３Ｂの深さＤＩは１．５μｍであった。
【００４３】
この光導波路においてチタンサファイアレーザーを使用して光学特性を測定した。レーザーからの発振出力を１００ｍWに調整し、その基本光をレンズで導波路端面に集光した結果、８０ｍＷを光導波路に結合できた。チタンサファイアレーザーの波長を可変させて位相整合する波長に調節した時に、最高７ｍWのSHG出力が得られた。その際の基本光の波長は９７６．２ｎｍであった。またその際の位相整合波長許容幅は半値全幅の値で０．２５ｎｍであった。
【００４４】
（比較例１）
実施例１と同様にして、図１、２、３に示す波長変換素子１を作製した。ただし、図４に示すビームパターンを、基板表面で０．２ｍｍ／秒で走査し、光導波路および溝を形成した。レーザービームの走査速度は変更しなかった。
【００４５】
この光導波路においてチタンサファイアレーザーを使用して光学特性を測定した。レーザーからの発振出力を１００ｍWに調整し、その基本光をレンズで導波路端面に集光した結果、７０ｍＷが導波路に結合できた。チタンサファイアレーザーの波長を可変させて位相整合する波長に調節した時に、最高１４ｍＷのＳＨＧ出力が得られた。その際の基本光の波長は９７６．３ｎｍであった。またその際の位相整合波長許容幅は半値全幅の値で０．１２ｎｍであった。
【００４６】
なお、出射側端部８におけるリッジ型光導波路４の幅ＷＯは４μｍであり、溝３Ａ、３Ｂの深さＤＯは２．０μｍであった。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態に係る波長変換素子１を概略的に示す断面図である。
【図２】素子１を概略的に示す上面図である。
【図３】（ａ）は、波長変換部Ｐの入射側端部７における光導波路４および溝３Ａ、３Ｂの形態を示す図であり、（ｂ）は、波長変換部Ｐの出射側端部８における光導波路４および溝３Ａ、３Ｂの形態を示す図である。
【図４】実施例におけるビームパターンを示す平面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  波長変換素子            ２  波長変換用基板            ２ａ、２ｂ  溝形成部  ２ｃ、２ｄ  延在部            ３Ａ、３Ｂ  溝            ４  リッジ型光導波路            ４ａ  リッジ部            ５，２２  バッファ層            ６  接合層            ７  波長変換部Ｐの入射側端部            ８  波長変換部Ｐの出射側端部            ９  周期分極反転構造            ９ａ  分極反転部            ９ｂ  非分極反転部            Ａ  基本波            Ｂ  波長変換光            Ｐ  波長変換部            ＷＩ  波長変換部の入射側端部におけるリッジ型光導波路の幅            ＷＯ  波長変換部の出射側端部におけるリッジ型光導波路の幅            ＤＩ  波長変換部の入射側端部における溝の深さ            ＤＯ  波長変換部の出射側端部における溝の深さ
【図１】
2009198651.tif 000003
【図２】
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【図３】
2009198651.tif 000005
【図４】
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