JPH049013A - 第２高調波発生素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、製造が容易で、高変換効率を有する第２高調
波発生素子（ＳＨＧ素子）に関する。

（従来の技術） ＳＨＧ素子は、非線形光学効果を持つ光学結晶材料の非
線形光学効果を利用して入射された光の波長を１／２に
変換して出力する素子であって、出力光の波長が１／２
に変換されることから、光デイスクメモリやＣＤプレー
ヤ等に応用することにより、記録密度を４倍にすること
ができ、また、レーザプリンタ、フォトリソグラフィー
等に応用することにより、高い解像度を得ることができ
る。

従来、Ｓ　ＨＧ素子としては、高出力のガスレーザを光
源とする、非線形光学結晶のバルク単結晶が用いられて
きた。しかし、近年光デイスク装置、レーザプリンタ等
の装置全体を小型化する要求が強いこと、ガスレーザは
、光変調のため、外部に変調器が必要となるため、小型
化に適しておらず、直接変調が可能で、ガスレーザに比
べて安価テ取り扱いが容易な半導体レーザを使用できる
ＳＨＯ素子が要求されている。

ところで、半導体レーザを光源とする場合、般に半導体
レーザの出力が数ｍＷから数十ｍＷと低いことから、特
に高い変換効率を得ることのできる薄膜導波路構造のＳ
ＨＧ素子が要求されている。（深山、宮崎；電子通信学
会技術研究報告、０ＱＥ７５−　（１９７５Ｌ宮崎、星
野、赤用；電磁界理論研究会資料、ＥＭＴ−７８−５（
１９７８））。

すなわち、薄膜導波路を用いた第２高調波光の発生は、
１．薄膜に集中した光のエネルギーを利用できること、
２．光波が薄膜内に閉じ込められ、広がらないために、
長い距離にわたって相互作用を行わせ得ること、３．バ
ルクでは、位相整合できない物質でも薄膜のモー１゛分
散を利用することにより位相整合ができること、などの
利点を有するからである。

しかしながら、薄膜導波路構造のＳＨＧ素子で高変換効
率を実現させるためには、導波層の膜厚を理論的位相整
合膜厚に一致させる必要があり、位相整合膜厚の許容範
囲は、百分の１μｍ以下であることから、高精度の膜厚
制御技術が必要であった。

このように、位相整合膜厚の許容範囲が狭い理由は、次
のように説明される。

薄膜導波層に基本波レーザ光あるいは第２高調波光が伝
播する際の基板、薄膜導波層、クラッド層における電界
分布を考えた場合、クラッド層が空気である場合には、
空気の屈折率ば１であり、基板の屈折率より小さいため
、基本波レーザ光あるいは第２高調波光の電界分布はい
ずれも対称形とはならない。

また、前記薄膜導波層から出射される第２高調波光の出
力は、前記基本波レーザ光の電界分布と第２高調波光の
電界分布の重なり積分に比例する。

ところが、前記薄膜導波層の膜厚が、理論位相整合膜厚
と完全に一致していない場合、第２高調波光の電界分布
が大きく基板側ヘシフトし、また電界分布が非対称形で
あることから電界分布の重なりが著しく減少し、第２高
調波光の出力が低下してしまう。このため、薄膜導波路
の位相整合膜厚の許容範囲が著しく狭くなる。

本発明者らは、鋭意研究した結果、特定の屈折率条件を
有するクラッド層を薄膜導波層上に形成することにより
、位相整合膜厚の許容範囲を拡大できることを新規に見
出し、本発明を完成した。

（発明を解決するための手段） 本発明は、基板上に薄膜導波層が形成されてなる第２高
調波発生素子であって、 前記薄膜導波層上には、クラッド層が形成されてなり、
前記クラッド層は、関係式１）および２）を満たすこと
を特徴とする。

ｎ０ｓ−０，５０≦ｎｏｅ≦ｎ６ｓ−０，０５・・・式
１）ｒｉａｓ−０，７０≦Ｄｅｃ≦ｎａｓ−０，１５・
・・式２）ｎＯ８’基本波レーザ光波長（λμｍ）にお
ける基板の常光屈折率 ｎ６ｃ：基本波レーザ光波長（λμｍ）におけるクラッ
ド層の常光屈折率 ｎａｓ：第２高調波波長（λμｍ／２）における基板の
異常光屈折率 ｎａｃ：第２高調波波長（２μｍ／２）におけるクラッ
ド層の異常光屈折率 （作用） 本発明のＳＨＧ素子は、基板上に薄膜導波層が形成され
てなり、さらに前記薄膜導波層上にクラッド層が形成さ
れてなることが必要である。

この理由は、前記クラッド層を薄膜導波層上に設けるこ
とにより、基板、薄膜導波層、クラッド層が屈折率に関
して対称形に近くなるため、基本波レーザ光および、第
２高調波光の電界分布を対称形とすることができ、薄膜
導波層の膜厚が、理論位相整合膜ｒ′Ｊ−に完全に−・
致していない場合でも、第２高調波光の出力紙ＩＪを緩
和できることから、位相整合ｌｌ１２厚の許容範囲が広
く、高変換効率のＳＨＧ素子が得られるからである。

−、Ｅだ、前記クラット層は、保護層として働き、導波
層の破損や塵１、埃の付着による光散乱を防止でき、端
面研磨で問題となる導波層のカケ（ビン’Ｊ・ング）を
完全に防止できる。

さらに、前記クラット層は、関係式１）および２）を満
たすことが必要である。

ｎｏｃ；第２高調波波長（λμｍ　／　２　）における
クラッド層の異常光屈折率 この理由は、前記クラッド層が、前記１）および２）式
を満足すること（こより、第２高調波光と基本波レーザ
光の電界分布型なりを最小限にでき、位相整合膜厚の許
容範囲が広く、高変換効率の８１−Ｔ　Ｇ素子が得られ
るからである。

特に、膜厚の位相整合誤差の許容範囲を拡張するために
は、式３）および４）を満たすことが好ましい。

ｎ。、−Ｑ、５Ｑ≦ｎＱ（≦ｒ１ｏ、−０．０５　”　
　式１）ｎａｓ　　−７Ｑ≦ｎｅｃ≦ｎｌ！Ｓ　　０．
１５”　’式２）Ｄ　ｏｓ　　０．２５≦ｎｏｃ≦ｎ　
ｏｓ”−’−ｏ、］ｏ　−・式３）ｎ、、−０，５５≦
ｎ１ＩＣ≦ｎＧ５−０．２０・・・式４）ｎｏｓ：基本
波レーザ光波長（λμｍ１）における基板の常光屈折率 ｎ、ド基本波レーザ光波長（λμｍ）におけるフラノ１
”層の常光屈折率 ｎＰＳ：第２高調波波長（λμｍ／２）における基板の
異常光屈折率 ｎｏｓ：基本波レーザ光波長（λμｍ）における基板の
常光屈折率 ｎｏｃ：基本波レーザ光波長（λμｍ）におけるクラッ
ド層の常光屈折率 ｎ、、ｓ：第２高調波波長（λμｍ／２）における基板
の異常光屈折率 ｎＰｔ：第２高調波波長（λμｍ／２）におけるクラッ
ド層の異常光屈折率 本発明のＳ　ＨＧ素子は、薄膜導波層の光学軸（Ｚ軸）
に対する基本波レーザー光の入射角（θ）が、０　：４
．：　１５　″あるいは９Ｏ−ｔ１５°の範囲内である
ことが好ましい。

その理由は、前記基本波レーザー光の入射角（θ）が、
前記範囲内の場合、第２高調波への変換効率が、極めて
高いからである。前記基本波レーザー光の入射角は、な
かでも、０±５°あるいば９０±５°の範囲内であるこ
とが有利である。

本発明のＳ　ＨＧ素子に入射される基本波レーザー光の
波長（λ）は、０．４〜１．６μｍであることが好まし
い。

その理由は、前記基本波レーザー光（λ）としては、な
るべく波長の短いものであることが有利であるが、半導
体レーザによって０．４μｍより短い波長のレーザー光
を発生させることは、実質的に困難であるからであり、
一方１．６μｍより長い波長の基本波レーザー光を使用
した場合には、得られる第２高調波の波長が基本波レー
ザー光の１／２であることから、直接半導体レーザによ
って比較的簡単に発生させることのできる波長領域であ
ってＳ　ＨＧ素子を使用する優位性が見出せないからで
ある。前記基本波レーザー光の波長（λ）は、半導体レ
ーザー光源を比較的入手し易い０．６〜１．３μｍが有
利であり、なかでも、０．６８〜０．９４μｍが実用上
好適である。

本発明のＳ　ＨＧ素子の′ＦＲ１１々導波層の膜厚は、
０１〜２０μｍであることが好ましい。

その理由は、前記薄膜導波層の膜厚が、０．１μｍより
薄い場合、基本波レーザ光を入射させることが困難で、
入射効率が低いため、実質約６こ高いＳ　ＨＧ変換効率
が得られ難いからであり、一方２０μｍより厚い場合、
光パワー密度が低く、ＳＨＧ変換効率が低くなってしま
い、いずれの場合もＳ　ＨＧ素子として、使用すること
が困難であるからである。前記薄膜導波層の膜厚は、な
かでも０．５〜ｌＯμｍが有利であり、特に、１〜８１
Ｉｍが実用上好適である。

また、本発明のＳ　ＨＧ素子のクラッド層の厚みは、０
．２〜３０μｍが望ましい。この理由は、０．２μｍよ
り薄い場合は、導波光を閉じ込めることができず、また
３０μｍより厚い場合は、クラッド層の結晶性が低下し
て、光学的特性が低下するからである。

前記クラッド層は、０．５〜１０μｍが好ましく、１〜
８μｍが好適である。

本発明における基板、薄膜導波層、クラ・ノド層は各種
光学材料を使用することができ、薄膜導波層としては、
例えばＬｉＮｂＯ２、α−石英、ＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴ
Ｐ）、β−Ｂａｉｚｅ４　（ＢＢＯ）、ＫＢＳ　０８　
・４Ｈ２０（ＫＢＳ　）、ＫＨ２Ｐ　０４　　（ＫＤＰ
　）　、ＫＤ２　Ｐ　０４　　（ＫＤ”　Ｐ　）、ＮＨ
４Ｈ２ＰＯ２（ＡＤＰ）　、Ｃｓ　Ｈｚ　Ａｓｏａ（Ｃ
ＤＡ）、Ｃ３Ｄ２　ＡＳＯ４（ＣＤ”Ａ）、ＲｂＨ２Ｐ
Ｏ４（ＲＤＰ）、ＲｂＨｚ　ＡＳ−（ＲＤＡ）　、Ｂｅ
５−’　４Ｈ２０、Ｌ　ｉ　ＣＩ　Ｏ４３Ｈ２０，、Ｌ
　ｉ　ＩＣ１＋　、ｔｘ　　Ｌ　１ｃｄＢＯｓ　、Ｌｉ
　Ｂ：＋　Ｏｓ　　（ＬＢＯ）　、尿素、ポリパラニド
ロアニリン（ｐ−ＰＮＡ）　、ポリジアセチレン（ＤＣ
旧、４−（Ｎ、Ｎ−ジメチルアミノ）−３−アセトアミ
ドニトロベンゼン（ＤＡＮ）　、４−ニトロヘンズアル
デヒド　ヒドラジン（ＮＢＡＨ）、３−メｌ−キシー４
−ニトロベンズアルデヒド　ヒドラジン、２−メチル−
４−ニトロアニリン（ＭＮＡ）などが、また基板として
は、例えばＬｉＴａＯ３、ＳｉＯ２、アルミナ、ＫＴＰ
、、ＢＢＯ３ＬＢＯ１ＫＤＰ、および類似化合物、ソー
ダガラス、バイレクンスガラス、ポリメタクリル酸メチ
ル（ＰＭＭＡ）などを使用することができ、クラッド層
としては、Ｚｎ−ＭｇＯ１ＡｅｚＯ３、ＰＭＭＡ、Ｓ　
ｉ　Ｏ□、パイレックスガラス、ソーダガラスなどが使
用できる。

前記基板および薄膜導波層用の材料は、ＮａＣｒ　　Ｍ
ｇ、Ｎｄ、Ｔｉ、Ｖなどの異種元素を含有させることに
より、その屈折率を調整することができる。

前記Ｎａ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｎｄ、Ｔｉ、Ｖなどの異種元素
を含有させる方法としては、予め、材料の原料と異種元
素あるいは異種元素化合物を混合しておき、液相エピタ
キシャル成長法にて基板上に薄膜導波層を形成する方法
あるいは、前記基板あるいは薄膜導波層に、Ｎａ、Ｍｇ
、Ｎｄ、ＴｉＶなどの異種元素を拡散させる拡散法を用
いることが望ましい。

前記ＳＨＧ素子に適した組合せとしては、なかでも基板
としてＬ　ｉ　Ｔ　ａ○３単結晶、薄膜導波層としてＬ
ｉＮｂ０ａ、クラッド層として、ＺｎＯを用いる組み合
わせが好適である。

その理由は、前記ＬｊＮｂＯ＊は非線型光学定数が大き
いこと、光の損失が小さいこと、均一な膜を作成できる
ことが挙げられ、また、ＬｉＴａＯ３は、前記Ｌ　ｉ　
Ｎ　ｂ　Ｏｓと結晶構造が類似しており、前記ＬｉＮｂ
０．の薄膜を形成しやすく、また、高品質で安価な結晶
を入手し易く、またＺｎＯは、スパッタ法などにより均
質な薄膜を容易に形成できるからである。

また、本発明のＳＨＧ素子は、幅が１〜１０μｍである
チャンネル型であることが有利である。

チャンネル型のＳ　ＨＧ素子が有利である理由は、スラ
ブ型に比べて、光パワー密度を高くできるからであり、
また、幅が１〜１０μｍであることが有利である理由は
、幅が１μｍより小さいと、入射光を導波路に導入する
ことが難しく、入射効率が低いため、ＳＨＧ変換効率も
低くなってしまうからであり、一方入射効率は幅が大き
いほど高いが、１０μｍより大きいと、光パワー密度が
低下するため、ＳＨＧ変換効率が低下するからである。

本発明のＳ　ＨＧ素子は、第２高調波光の透過率が１０
０％近くで、基本波レーザ光を透過させない波長選択性
の薄膜（フィルター）が、光の出射端面の後方もしくは
、出射端面に直接形成されていることが望ましい。

この理由は、不要な基本波レーザ光を出射光から取り除
き、必要な第２高調波光のみを効率良く取り出すことが
できるからである。

また、前記波長選択性の薄膜を、直接出射端面に形成し
て第２高調波光に対する反射防止条件を満たすよう調整
することにより、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜などの薄
膜導波層と空気との屈折率に大きな差があるために出射
端面で生じていた反射による損失を低減でき、Ｓ　ＨＣ
出力を向トさせるごとができる。

前記波長選択性の薄膜は、出射端面の後方の出射端面か
ら離れた位置に形成されてもよく、また適当な接着剤を
用いて出射端面上に固定されていてもよい。

前記接着剤を用いて出射端面−１−に固定する場合は、
接着層の屈折率、厚さを前記第２高調波光に対する反射
防止条件に適合するよう調節して、ＳＨＣ出力を向１−
させることが望ましい。

前記波長選択性の薄膜としては、色ガラスフィルター、
ガラス基板上に波長選択性の干渉膜をコーティングした
もの１２等を使用できる。

前記波長選択性の薄膜の材料としては、５ｉＯｚ　、Ｍ
ｇ−Ｚｎ−Ａｄｚ　Ｏａ等の酸化物、ＬｉＮｂＯ３、Ｌ
ｉＴａＯ３、Ｙ３　Ｇａｓ　０１２、Ｇｄ＊　Ｇａ、、
０１２等の複合酸化物、あるいはＰＭＭＡ、ＭＮＡ等の
有機物等を用いることができ、これらを重ねた多層薄膜
も用いることができる。

前記波長選択性の薄膜の作成方法としては、スパッタリ
ング法、液相エピタキシャル法、蒸着法、ＭＢＥ（分子
ビームエピタキシャル＋Ｍｏ１ｅｃｕｌａｒ　　Ｂｅａ
ｍ　　Ｅｐｉｔａｘｉａｌ）法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａ
ｌ　　Ｏｒｇａｎｉｃ　　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　　Ｖａｐ
ｏｒ　　Ｄｅｐｏｓｉｔｉ。

ｎ）法、イオンブレーティング法、ＬＢ法、スビンコー
１法、ディンプ法などを用いることができる。

次に、本発明に係るＳＨＧ素子の製造方法としては、基
板上にスパッタリングや液相エピタキシャル成長法など
の方法により、薄膜導波層を形成することにより製造す
ることができ、さらに、前記薄膜導波層上にフォＩ・リ
ソグラフィーとＲＦスパッタリングによりＴｉ導波路パ
ターンを形成し、これをエツチングマスクとして、イオ
ンビームエンチングすることにより、チャンネル型のＳ
ＨＧ素了素子成するなどの方法をとることができる。

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

実施例１ （１）　　ｊＪ木波レーザ光波長（入）を０．８３μｍ
としたときｗ本渡レーザ光波Ｒ６こおｉＪる常光屈折率
（ｎ、）が２．１５１第２高調波における異常屈折郭（
ｎｏ）が２．２６１である厚さ０．５胴のＺカット１−
ｉＴａ０３単結晶基板の上に液相エピター１−ソヤル成
長法により基本波レーザ光波長における常光屈折率（ｎ
ｏｒ）が２．２６４、第２高調波における異常屈折率（
ｎ□）が２．２６３である。ＬｉＮｂ０Ｊ薄膜を成長さ
せた後、表面を鏡面研磨し２、このＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　０
３薄膜を導波層とするスラブ型導波路を作成した。

（２）　　前記スラブ型導波路の膜厚をイオンビームエ
ツチングにより、位相整合膜厚２．５０μｍ±（１，０
５μＦ＋１に調整した。

（３）前記（１）及び（２）で得られたスラブ型導波路
を；゛Ａトリソゲラフイーにより、幅１０μｍ、膜厚２
．５０μｍ±０．０５μｍ、段差１μｍのりッソ型θ）
チャンネル型導波路を作成した。

（４）　　（３）で得られたチャンネル型導波路の↓、
にＲＦスパック法により基本レーザ光波長における常光
屈折率（ｎｏｃ）が１．９００、第２高調波における異
常光屈折率（ｎｅｃ）が１．９００である。Ｚｎ　Ｏ薄
膜を５１１ｍの厚さに形成して、ＺｎＯ薄膜をクラット
層とする二層構造のチャンネル型導波路とした。

（５）　　（４）得られたチャンネル型導波路の両端面
をハフ研磨により鏡面研磨して端面からの先入出射を可
能とし第２高調波発什素子とした。

このようにして得られた本発明の第２高調波発生素子（
ＳＨＧ素了素子用い、波長０．８３μｍ、４０ｍＷの半
導体レーザを光源としてＳ　ｌ−Ｉ　Ｃ出力を測定し７
その結果を第１表に示した。

実施例２ （１）実施例１の（］）〜（３）と同様の方法により幅
１０ｐｍ、膜厚２．　７０　ｕｒｎ＋ｏ、　　０８　ｌ
１ｍ、段差１゜４μｍのりッジ型のチャンネル型導波路
を形成し。

た。

（２）　　（１）てｉワられたチャンネル型導波路の上
にＲＦスパッタ法により基本波レーザ光波長における常
光屈折率（ｎ、ｏｃ）が２．７１０、第２高調波におけ
る異常光屈折率（ｎｅｃ）が］、、７３０であるＭｇＯ
薄膜を８μｍの厚さに形成して、ＭｇＯ薄膜をクラッド
層とする三層構造のチャンネル型導波路とした。

（３）　　（２）で得られたチャンネル型導波路の両端
面を実施例１の（５）と同様の方法にて研磨し第２高調
波発生素子とした。

このようにして得られた本発明の第２高調波発生素子（
ＳＨＧ素子）を用い、波長０．８３μｍ、４０ｍＷの半
導体レーザを光源としてＳＨＧ出力を測定しその結果を
第１表に示した。

実施例３ （１）　　実施例１の（１）〜（２）と同様の方法によ
り膜厚２゜２０μｍ±０．０３μｍ、スラブ型のチャン
ネル型導波路を作成した。

（２１（］）で得られたスラブ型導波路の上にＲＦスパ
ッタ法により、基本波レーザ光波長における常光屈折率
（ｎ０ｃ）が１．７１０、第２高調波における異常光屈
折率（ｎｅｃ）が１．７３０である。

Ａ１．０３薄膜を４μｍの厚さに形成して、Ａｌ２Ｏ３
薄膜を上層部とする三層構造のスラブ型導波路とした。

（３）　　（２）で得られたスラブ型導波路の両端面を
実施例１の（５）と同様の方法にて研磨し第２高調波発
生素子とした。

このようにして得られた本発明の第２高調波発生素子（
ＳＨＧ素子）を用い、波長０．８３ｐｍ、４０ｍＷの半
導体レーザを光源としてＳ　ＨＧ出力で測定しその結果
を第１表に示した。

比較例１ 実施例１の（１）〜（５）と同様の条件及び方法で幅１
０μｍ１膜厚２．５０μｍ±０．０５μｍ５段差１μｍ
のりッジ型のチャンネル型導波路からなる第２高調発生
素子（ＳＨＧ素子）を作成した。このようにして得られ
たＳＨＧ素子を用いて実施例１と同様の条件でＳＨＧ出
力を測定しその結果を第１表に示した。

比較例２ 比較例１と同様にして輻１０μｍ、膜厚２．７０μｍ±
０．０８μｍ、段差１．４μｍのりッジ型のチャンネル
型導波路からなるＳＨＧ素子を作成、ＳＨＧ出力を測定
し、その結果を第１表に示した。

比較例３ 実施例１の（１）〜（２）と同様の方法により、ＪＩＩ
厚２．２０１ｔｍ±０．０３ｔｔｍ、スラブ型のチャン
ネル型導波路からなるＳＨＧ素子を作成、Ｓ　ＨＧ出力
を測定し、その結果を第１表に示した。

第 ■ 表 実施例 Ｓ　ＨＧ出力（ｍ　Ｗ　） ２．３ ２．８ ２゜　１ 比較例 ＳＨＧ出力（ｍ　Ｗ　） ０．３ ０．４ ０．２ 以上の実施例及び比較例よりわかるようにＺｎＯ１Ｍ　
ｇ−Ａ　Ｉ　２０ａなどの薄膜を薄膜導波層−Ｉ−８に
クラッド層として設けた本発明の第２高調波発牛素ｒ−
は、同じ膜厚精度の導波路を用いても位相整合膜ｊｆに
対する許容範囲が広くなった結果、クラッド層を設けて
いないものに比べ約８倍のＳＨＧ出力が得られた。

（発明の効果］ 以１−述べたよう０こ、本発明によれば極めて高いＳ　
ＨＧ出力を有する薄膜導波路構造の第２高調波発生素子
を提供することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に薄膜導波層が形成されてなる第２高調波発
   生素子であって、 前記薄膜導波層上には、クラッド層が形成されてなり、
   前記クラッド層は、関係式１）および２）を満たすこと
   を特徴とする第２高調波発生素子。 ｎ＿ｏ＿ｓ−０．５０≦ｎ＿ｏ＿ｃ≦ｎ＿ｏ＿ｓ−０．
   ０５・・・式１）ｎ＿ｅ＿ｓ−０．７０≦ｎ＿ｅ＿ｃ≦
   ｎ＿ｅ＿ｓ−０．１５・・・式２）ｎ＿ｏ＿ｓ：基本波
   レーザ光波長（λμｍ）における基板の常光屈折率 ｎ＿ｏ＿ｃ：基本波レーザ光波長（λμｍ）におけるク
   ラッド層の常光屈折率 ｎ＿ｅ＿ｓ：第２高調波波長（λμｍ／２）における基
   板の異常光屈折率 ｎ＿ｅ＿ｃ：第２高調波波長（λμｍ／２）におけるク
   ラッド層の異常光屈折率 ２、前記基板は、タンタル酸リチウム単結晶である請求
   項１に記載の第２高調波発生素子。 ３、前記薄膜導波層は、ニオブ酸リチウム単結晶である
   請求項１に記載の第２高調波発生素子。