JP4806427B2

JP4806427B2 - 波長変換素子およびその製造方法

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Publication number: JP4806427B2
Application number: JP2008084043A
Authority: JP
Inventors: 隆史吉野
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: JP2009237325A

Description

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。

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。

本発明者は、第二高調波発生素子の実用化研究において、青色レーザー光や紫外レーザー光（第二高調波）をコリメートすることによって、プロファイルビームを得、これを分析してみた。

このプロファイルビームを見ると、垂直方向に見て、主ビームの上と下とに、それぞれ低空間周波数パターンが現れる。これは光導波路の上下への漏光によるものである。低空間周波数パターンは、主ビームから上下にそれぞれ離れているので、比較的容易にカットできるし、主ビームの強度はカット後にも低下しない。

一方、プロファイルビームの水平方向に高空間周波数パターンが現れる。これは、リッジ型の光導波路部の両側にあるスラブ導波路部への漏光によるものである。これは、強誘電体層と接着層との間の屈折率段差が大きいため、漏洩光が基板に放射せず、スラブ部を伝搬して端面から出射されるためである。このような高空間周波数パターンは、主ビームと重なるため、分離除去が困難であるし、分離除去後には、主ビームの強度が著しく低下する。したがって、ビームの品質劣化を招く。

本出願人は、この問題を解決するために、特許文献１記載のように、延在部ないしスラブ部の表面を金属膜で被覆することによって、延在部への漏光に起因する水平方向の高空間周波数パターンを除去することを開示した。
特開２００７−２５６３２４

特許文献１記載の光導波路基板では、延在部への漏光に起因する水平方向の高空間周波数パターンを防止でき、波長変換光の品質を向上させることができる。しかし、この光導波路基板の表面にキャップ（被覆基板）を接着する事が必要であるが、光導波路基板の表面に被覆基板を接着することが極めて困難であることが判明した。即ち、被覆基板が光導波路基板表面に対して接着せず、剥離してしまった。光導波路基板の表面積は非常に小さい上、金属膜と接着剤との界面における接着強度が低いために、接着力が得られないものと考えられる。

このため、本発明者は、光導波路基板の前記延在部の表面に金属膜を設けず、延在部の表面を粗らすことによって、延在部を伝搬する漏れ光を散乱させることも試みた。しかし、光学部品であるため、延在部の表面はもともと光学研磨の水準であり、これを若干粗らす程度では、延在部を伝搬する漏光を充分に散乱させて減衰させることはできないことが判明した。延在部の表面に大きな粗れを導入すると、リッジ形光導波路の表面まで悪影響があり、伝搬損失の原因となる。

本発明の課題は、光導波路基板のリッジ型光導波路中に波長変換部を形成し、光導波路基板の表面に被覆基板を接着するタイプの波長変換素子において、波長変換後の変換光のビーム品質を向上させると同時に、被覆基板を光導波路基板に接着可能とすることである。

本発明は、支持基体、
支持基体上に設置されている光導波路基板であって、強誘電性材料からなり、波長変換機能を有するリッジ型光導波路、このリッジ型光導波路の両側にそれぞれ設けられている溝、および溝の外側に設けられている延在部を備えている光導波路基板、
光導波路基板上に設けられている被覆基板、
支持基体と光導波路基板の底面とを接着する第一の接着層、および
光導波路基板のリッジ型光導波路の上側面および延在部の上側面と被覆基板とを接着する第二の接着層を備えている波長変換素子であって、
延在部の上側面が、レーザー光の照射によって形成された複数列の細長い凹部によって粗面化されている、波長変換素子およびその製法に係るものである。

本発明によれば、リッジ型光導波路の両側にある延在部の被覆基板接着層側の上側表面に、レーザー光の走査によって、複数列の細長い凹部からなる粗面を形成している。このような凹部パターンによって、延在部を伝搬する漏光を減衰させ、そのコヒーレント光としての波長変換光への可干渉性を抑制し、水平方向の高空間周波数パターンを防止することに成功した。しかも、レーザー加工による凹部を利用した場合には、リッジ型光導波路の表面には悪影響をもたらすことはなく、延在部の被覆基板への接着力が低下することはない。

以下、図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、強誘電性材料４の背面にバッファ層３を形成する。そして、支持基板１上に強誘電性材料４を接着層３によって接着する。

次いで、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、強誘電性材料４の表面にレーザー光を照射し、レーザー光で表面を矢印Ｄのように走査することによって、溝７Ａ、７Ｂを形成し、溝７Ａと７Ｂとの間にはリッジ型光導波路６を形成する。各溝７Ａ、７Ｂの下には、薄い溝形成部１０Ａ、１０Ｂが残留する。各溝７Ａ、７Ｂの外側には、それぞれ、延在部８Ａ、８Ｂが形成されている。

ここで、本例では、延在部８Ａ、８Ｂの各表面をレーザー光によって矢印Ｄのように走査することによって、細長い溝状の凹部９を形成する。好ましくは、凹部９とリッジ溝７Ａ、７Ｂとは同時に形成することが可能である。

次いで、図２（ａ）に示すように、光導波路基板５の表面を被覆するようにバッファ層１１を設ける。次いで、図２（ｂ）に示すように、接着層１２をバッファ層１１上に設け、被覆基板１３をバッファ層１１および光導波路基板５へと接着し、デバイスを得る。

従来のデバイスにおいても、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、強誘電性材料４の表面にレーザー光を照射し、レーザー光で表面を矢印Ｄのように走査することによって、溝７Ａ、７Ｂを形成し、溝７Ａと７Ｂとの間にはリッジ型光導波路６を形成する。各溝７Ａ、７Ｂの外側には、それぞれ、延在部１８Ａ、１８Ｂが形成されている。しかし、従来のデバイスにおいては、延在部１８Ａ、１８Ｂの各表面は特にレーザー加工は行わない。

この結果、従来のデバイスにおいては、例えば図４に模式的に示すように、リッジ型光導波路からなる波長変換部６においては、波長変換光が２０のようにリッジ型光導波路６内に閉じ込められた形で出力する。しかし、リッジ溝７Ａ、７Ｂおよび各延在部１８Ａ、１８Ｂは、スラブ型光導波路として機能し、２１のように高周波数パターンの干渉光出力を与える。このような高空間周波数パターンは、主ビームと重なるため、分離除去が困難であるし、分離除去後には、主ビームの強度が著しく低下する。

これに対して、本発明例のデバイスにおいては、例えば図５に模式的に示すように、高周波数パターン２１が凹部９の作用によって抑制され、波長変換光２０の品質が著しく向上する。

その上で、本発明においては、延在部８Ａ、８Ｂの表面に凹部９を形成しているが、高周波数パターン２１の出力を抑制した場合でも、被覆基板１３の接着強度は高く、実用的な強度が得られることがわかった。単に延在部８Ａ、８Ｂの表面を機械的に粗らした場合には、高周波数パターン２１の出力を抑制できるほど粗さを大きくすると、リッジ型光導波路から出力する波長変換光の品質が劣化する。

溝９の平面的形状は特に限定されない。例えば、延在部の表面に、島状の溝を縦横に多数形成することができる。好ましくは、延在部の表面に細長い凹部を形成する。この実施形態においては、凹部の平面的形状の縦横比は、１：５０以上とすることが好ましい。

リッジ型光導波路の幅Ａ（図１（ｃ）参照）は特に限定されず、所望の光出力や光密度や強誘電性材料の耐光損傷性に応じて選択することができる。一例であるが、Ａは、３μｍ以上とすることができ、７μｍ以下とすることができる。また、リッジ溝７Ａ、７Ｂの幅Ｂは、リッジ型光導波路からの光の漏れを抑制するという観点からは、３μｍ以上が好ましい。また、リッジ溝７Ａ、７Ｂの幅Ｂが大きくなると、光導波路基板５の強度が低下する傾向があるので、この観点からは、幅Ｂは２０μｍ以下が好ましい。

細長い凹部９の幅Ｃは特に限定されないが、延在部における高周波数パターンの抑制という観点からは、０．１μｍ以上が好ましく、２．０μｍ以上が更に好ましい。

凹部の横断面形状は特に限定されず、例えば三角形、長方形、正方形が好ましい。また、凹部の長手方向Ｄと直角方向に隣接する凹部の間隔は特に限定されず、間隔の下限は０μｍであってもよい。しかし、隣接する凹部の間に平坦部分を設けることもできる。この場合には、平坦部分の幅は、０．１〜２．０μｍであることが好ましく、０．５〜１．５μｍであることが更に好ましい。

延在部表面の凹部の深さは、高周波数パターンの漏光を減衰させるためには、０．１μｍ以上とすることが好ましく、０．５μｍ以上とすることが更に好ましい。また、延在部表面の凹部の深さは、被覆基板への接着力を向上させるためには、２．０μｍ以下とすることが好ましく、１．０μｍ以下とすることが更に好ましい。

波長変換部内における波長変換手段は特に限定されない。好適な実施形態においては、波長変換部内に周期分極反転構造を形成し、これによって基本光の波長を変換して高調波を出力する。このような周期分極反転構造の周期は波長に応じて変更する。また周期分極反転構造の形成方法も特に限定されないが、電圧印加法が好ましい。

あるいは、ニオブ酸リチウムカリウム、タンタル酸リチウムカリウム、ニオブ酸リチウムカリウム−タンタル酸リチウムカリウム固溶体のような非線形光学結晶を使用し、入射する基本光の波長を高調波に変換することも可能である。

光導波路基板を構成する強誘電体材料は、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。

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。

表面側バッファ層１１、背面側バッファ層３の材質は、酸化シリコン、弗化マグネシウム、窒化珪素、アルミナ、五酸化タンタルを例示できる。

接着層２、１２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。

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、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。

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。

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、レーザーアブレーションが好ましい。

少なくとも延在部上に凹部を形成するのに使用するレーザー加工について述べる。
好ましく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。

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。

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。

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凹部を形成する方法としては、次の三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）一括転写加工
（３）スリットスキャン加工

支持基体１および被覆基板１３の材質は特に限定されない。好適な実施形態においては、支持基体１および被覆基板１３における熱膨張係数の最小値が強誘電性材料４における熱膨張係数の最小値の１／５倍以上であり、かつ支持基体１および被覆基板１３における熱膨張係数の最大値が強誘電性材料４における熱膨張係数の最大値の５倍以下である。

ここで、強誘電性材料４、支持基体１、被覆基板１３をそれぞれ構成する各電気光学材料に熱膨張係数の異方性がない場合には、強誘電性材料４、支持基体１、被覆基板１３において最小の熱膨張係数と最大の熱膨張係数とは一致する。強誘電性材料４、支持基体１、被覆基板１３を構成する各電気光学材料に熱膨張係数の異方性がある場合には、各軸ごとに熱膨張係数が変化する場合がある。例えば、強誘電性材料４を構成する各電気光学材料がニオブ酸リチウムである場合には、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の熱膨張係数が１６×１０^−６／℃であり、これが最大値となる。Ｚ軸方向の熱膨張係数が５×１０^−６／℃であり、これが最小値となる。従って、支持基体１の熱膨張係数の最小値は1×１０^−６／℃以上とし、支持基体１の熱膨張係数の最大値は８０×１０^−６／℃以下とする。なお、例えば石英ガラスの熱膨張係数は０．５×１０^−６／℃であり、１×１０^−６／℃未満である。

この観点からは、支持基体１、被覆基板１３の熱膨張係数の最小値を、強誘電性材料４における熱膨張係数の最小値の１／２倍以上とすることが更に好ましい。また、支持基体１、被覆基板１３の熱膨張係数の最大値を、強誘電性材料４の熱膨張係数の最大値の２倍以下とすることが更に好ましい。

支持基体１、被覆基板１３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、強誘電性材料と支持基板、被覆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。

（実施例）
図１、図２を参照しつつ説明した前記方法に従い、図２（ｂ）に示すようなデバイスを作製した。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４上に、周期４．２０μｍ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。基板４裏面には全面に電極膜を形成したのち、パルス電圧を印可して周期分極反転構造を形成した。基板４に周期分極反転構造を形成した後、厚さ０．４μｍのＳｉＯ_２アンダークラッド３をスパッタ法によって成膜した。

厚さ０．５ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板１に接着剤２を塗布した後、前記のＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板４と貼り合せ、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板４の表面を厚さ３．７μｍとなるまで研削、研磨した。

レーザーアブレーション加工法により、基板４にリッジ型光導波路７を形成した。このときに、レーザー加工時の延在部表面のビーム形状が図１（ｃ）の形になるように、マスクを作製した。

リッジ型光導波路７および凹部９を形成した後、厚さ０．５μｍのＳｉＯ_２オーバークラッド１１をスパッタ法によって成膜した。そのオーバークラッド１１上に接着剤１２を塗布した後、厚さ０．５ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板１３を接着した。接着剤１２を熱硬化後、被覆基板１３を厚さ０．１ｍｍになるまで研削加工した。ダイサーで長さ９mm、幅1.0mmで素子を切断した後、端面を研磨した後、反射防止膜を施した。

この光導波路チップについて、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１３ｍWのSHG出力が得られた。その際の基本光の波長は９１９．８nmであった。

また、出射ＳＨＧ光のＭ２値をビームプロファイラで測定したところ、１．０５であり、良好なビーム品質が得られた。Ｍ２値は、理想的なガウシアンビームの場合は１．０になる。ビームのプロファイルが崩れる程、大きな値になる。これは延在部（スラブ部）から出射していたSHGの散乱光が減少した結果である。

また、被覆基板と光導波路基板５との接着状態は良好であり、−４０℃と＋８５℃との間で熱サイクルを加えた後にも両者の間で剥離は見られなかった。

（比較例１）
実施例において、図１（ｂ）、（ｃ）に示したような凹部９を設けなかった。他は実施例１と同様にして光導波路チップを作製した。

このチップについて、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１３ｍWのSHG出力が得られた。その際の基本光の波長は９１９．９nmであった。また出射SHG光のＭ２値は１．２５が得られた。

（比較例２）
実施例において、図１（ｂ）、（ｃ）に示したような凹部９を設けなかった。その代わりに、延在部８Ａ、８Ｂの各表面をイオンミリング法によって粗らし、中心線平均表面粗さを0.2umまで上昇させた。他は実施例と同様にして光導波路チップを作製した。

このチップについて、チタンサファイア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１２ｍWのSHG出力が得られた。その際の基本光の波長は９１９．８nmであった。また出射SHG光のＭ２値は１．１８が得られた。

（ａ）は、強誘電性材料４を支持基板１に接着した状態を示す断面図であり、（ｂ）は、強誘電性材料４をレーザ加工して得られた光導波路基板５を示す断面図であり、（ｃ）は、光導波路基板５表面の平面形態を示す平面図である。（ａ）は、光導波路基板５の表面にバッファ層１１を形成した状態を示す断面図であり、（ｂ）は、被覆基板１３を光導波路基板５へと接着した状態を示す断面図である。（ａ）は、従来の波長変換素子を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の素子におけるリッジ型光導波路６および延在部１８Ａ、１８Ｂの平面形状を示す平面図である。従来の波長変換素子における波長変換光の主ビーム２０および高周波数パターン２１を示す模式図である。本発明例の波長変換素子における波長変換光の主ビーム２０を示す模式図である。

符号の説明

１支持基板２、１２接着層３、１１バッファ層４強誘電性材料５光導波路基板６リッジ型光導波路７Ａ、７Ｂリッジ溝８Ａ、８Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ延在部９凹部２０波長変換光の主ビーム２１高周波数パターンの漏光Ａリッジ型光導波路の幅Ｂリッジ溝の幅Ｃ凹部の幅Ｄレーザー光の走査方向

Claims

支持基体、
前記支持基体上に設置されている光導波路基板であって、強誘電性材料からなり、波長変換機能を有するリッジ型光導波路、このリッジ型光導波路の両側にそれぞれ設けられている溝、および前記溝の外側に設けられている延在部を備えている光導波路基板、
前記光導波路基板上に設けられている被覆基板、
前記支持基体と前記光導波路基板の底面とを接着する第一の接着層、および
前記光導波路基板の前記リッジ型光導波路の上側面および前記延在部の上側面と前記被覆基板とを接着する第二の接着層を備えている波長変換素子であって、
前記延在部の前記上側面が、レーザー光の照射によって形成された複数列の細長い凹部によって粗面化されていることを特徴とする、波長変換素子。
前記溝と前記凹部とが平行に延びていることを特徴とする、請求項１記載の波長変換素子。
複数の前記凹部が隙間なく隣接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。
隣接する前記凹部の間に平坦部分が設けられてい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。
前記平坦部分の幅が０．１〜２．０μｍであることを特徴とする、請求項４記載の波長変換素子。
支持基体、
前記支持基体上に設置されている光導波路基板であって、強誘電性材料からなり、波長変換機能を有するリッジ型光導波路、このリッジ型光導波路の両側にそれぞれ設けられている溝、および前記溝の外側に設けられている延在部を備えている光導波路基板、
前記光導波路基板上に設けられている被覆基板、
前記支持基体と前記光導波路基板の底面とを接着する第一の接着層、および
前記光導波路基板の前記リッジ型光導波路の上側面および前記延在部の上側面と前記被覆基板とを接着する第二の接着層を備えている波長変換素子を製造する方法であって、
前記延在部の前記上側面にレーザー光の照射によって複数列の細長い凹部を形成することで粗面化することを特徴とする、波長変換素子の製造方法。
前記レーザー光の走査によって前記溝と前記凹部とを同時に形成することを特徴とする、請求項６記載の方法。
複数の前記凹部が隙間なく隣接することを特徴とする、請求項６または７記載の方法。
隣接する前記凹部の間に平坦部分が設けられていることを特徴とする、請求項６または７記載の方法。
前記平坦部分の幅が０．１〜２．０μｍであることを特徴とする、請求項９記載の方法。