JPH0593930A - 光波長変換素子およびその製造方法 - Google Patents
光波長変換素子およびその製造方法Info
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- JPH0593930A JPH0593930A JP3255162A JP25516291A JPH0593930A JP H0593930 A JPH0593930 A JP H0593930A JP 3255162 A JP3255162 A JP 3255162A JP 25516291 A JP25516291 A JP 25516291A JP H0593930 A JPH0593930 A JP H0593930A
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- Japan
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 非線形光学効果を用いた光波長変換素子およ
びその製造方法に関するもので光導波路から出射される
ビームのアスペクト比を１に近付ける。 【構成】 LiTaO3基板１に分極反転層３が形成されてい
る。この上にプロトン交換法により作製された光導波路
２が形成されており、この光導波路２の出射部５の厚み
が光導波路の厚みに対して大きくなっており出射される
高調波Ｐ２のビームのアスペクト比がほぼ１となってい
る。 【効果】 出射されるビームのアスペクト比が１に近く
ビームの利用効率を大幅に向上することができる。
びその製造方法に関するもので光導波路から出射される
ビームのアスペクト比を１に近付ける。 【構成】 LiTaO3基板１に分極反転層３が形成されてい
る。この上にプロトン交換法により作製された光導波路
２が形成されており、この光導波路２の出射部５の厚み
が光導波路の厚みに対して大きくなっており出射される
高調波Ｐ２のビームのアスペクト比がほぼ１となってい
る。 【効果】 出射されるビームのアスペクト比が１に近く
ビームの利用効率を大幅に向上することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、コヒ−レント光を利用
する光情報処理分野、あるいは光応用計測制御分野に使
用する光波長変換素子およびその製造方法に関するもの
である。
する光情報処理分野、あるいは光応用計測制御分野に使
用する光波長変換素子およびその製造方法に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】図４に従来の光導波路を基本とした光波
長変換素子の構成図を示す。以下0.84μｍの波長の基本
波に対する高調波発生（波長0.42μｍ）について図を用
いて詳しく述べる。（K.Mizuuchi, K.Yamamoto and T.T
aniuchi, Applied Physics Letters, Vol 58, 2732ペー
ジ, 1991年６月号、参照）．図４に示されるようにLiTa
O3基板１に光導波路２が形成され、さらに光導波路２に
は周期的に分極の反転した層３（分極反転層）が形成さ
れている。基本波Ｐ１と発生する高調波Ｐ２の伝搬定数
の不整合を分極反転層３と非分極反転層４との周期構造
で補償することにより高効率に高調波Ｐ２を出すことが
できる。光導波路２の入射面１０に基本波Ｐ１を入射す
ると、光導波路２から高調波Ｐ２が効率良く発生され、
光波長変換素子として動作する。
長変換素子の構成図を示す。以下0.84μｍの波長の基本
波に対する高調波発生（波長0.42μｍ）について図を用
いて詳しく述べる。（K.Mizuuchi, K.Yamamoto and T.T
aniuchi, Applied Physics Letters, Vol 58, 2732ペー
ジ, 1991年６月号、参照）．図４に示されるようにLiTa
O3基板１に光導波路２が形成され、さらに光導波路２に
は周期的に分極の反転した層３（分極反転層）が形成さ
れている。基本波Ｐ１と発生する高調波Ｐ２の伝搬定数
の不整合を分極反転層３と非分極反転層４との周期構造
で補償することにより高効率に高調波Ｐ２を出すことが
できる。光導波路２の入射面１０に基本波Ｐ１を入射す
ると、光導波路２から高調波Ｐ２が効率良く発生され、
光波長変換素子として動作する。
【０００３】このような従来の光波長変換素子はプロト
ン交換法により作製された光導波路を基本構成要素とし
ていた。この素子の製造方法について説明する。まずLi
TaO3基板１に通常のフォトプロセスとドライエッチング
を用いてＴａを周期状にパターニングする。次にＴａパ
ターンが形成されたLiTaO3基板１にピロ燐酸中で２６０
℃、３０分間プロトン交換を行いＴａで覆われていない
スリット直下に厚み０．８μｍのプロトン交換層を形成
する。次に５９０℃の温度で１０分間熱処理する。これ
により分極反転層が形成される。プロトン交換層直下は
Ｌｉが減少しておりキュリー温度が低下するため部分的
に分極反転を行うことができる。次にＨＦ：ＨＮＦ3の
１：１混合液にて２分間エッチングしＴａを除去する。
さらに上記分極反転層中にプロトン交換を用いて光導波
路２を形成する。光導波路２用マスクとしてＴａをスト
ライプ状にパターニングを行うことでＴａマスクに幅５
μｍ、長さ１２ｍｍのスリットを形成する。このＴａマ
スクで覆われた基板に２６０℃、１６分間プロトン交換
を行い０．５μｍの高屈折率層を形成する。Ｔａマスク
を除去した後、３８０℃で１０分間熱処理を行う。プロ
トン交換された保護マスクのスリット直下の領域は屈折
率が０．０３程度上昇した光導波路２となる。この従来
の方法により作製される光波長変換素子は波長0.84μｍ
の基本波Ｐ１に対して、光導波路２の長さを９ｍｍ、基
本波Ｐ１のパワーを２７ｍＷにしたとき高調波Ｐ２のパ
ワーは０．１３ｍＷ、変換効率０．５％が得られてい
た。１Ｗ当りの変換効率は１８％／Ｗである。
ン交換法により作製された光導波路を基本構成要素とし
ていた。この素子の製造方法について説明する。まずLi
TaO3基板１に通常のフォトプロセスとドライエッチング
を用いてＴａを周期状にパターニングする。次にＴａパ
ターンが形成されたLiTaO3基板１にピロ燐酸中で２６０
℃、３０分間プロトン交換を行いＴａで覆われていない
スリット直下に厚み０．８μｍのプロトン交換層を形成
する。次に５９０℃の温度で１０分間熱処理する。これ
により分極反転層が形成される。プロトン交換層直下は
Ｌｉが減少しておりキュリー温度が低下するため部分的
に分極反転を行うことができる。次にＨＦ：ＨＮＦ3の
１：１混合液にて２分間エッチングしＴａを除去する。
さらに上記分極反転層中にプロトン交換を用いて光導波
路２を形成する。光導波路２用マスクとしてＴａをスト
ライプ状にパターニングを行うことでＴａマスクに幅５
μｍ、長さ１２ｍｍのスリットを形成する。このＴａマ
スクで覆われた基板に２６０℃、１６分間プロトン交換
を行い０．５μｍの高屈折率層を形成する。Ｔａマスク
を除去した後、３８０℃で１０分間熱処理を行う。プロ
トン交換された保護マスクのスリット直下の領域は屈折
率が０．０３程度上昇した光導波路２となる。この従来
の方法により作製される光波長変換素子は波長0.84μｍ
の基本波Ｐ１に対して、光導波路２の長さを９ｍｍ、基
本波Ｐ１のパワーを２７ｍＷにしたとき高調波Ｐ２のパ
ワーは０．１３ｍＷ、変換効率０．５％が得られてい
た。１Ｗ当りの変換効率は１８％／Ｗである。
【０００４】また、発生したＳＨＧによるビームをＮＡ
０．３のコリメーターレンズで平行にした後、ＮＡ０．
６のフォーカスレンズで集光し回折限界までの集光ビー
ムが得られていた。
０．３のコリメーターレンズで平行にした後、ＮＡ０．
６のフォーカスレンズで集光し回折限界までの集光ビー
ムが得られていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記のような光導波路
を基本とした光波長変換素子では光導波路より出射され
る高調波のビームが縦横対称ではなく角度にして縦（光
導波路の厚み方向）が３０度、横（光導波路の幅方向）
が７度の広がり角を有しておりアスペクト比４の非対称
なビームであった。そのため縦横ともに回折限界までの
集光を得るためにはコリメーターレンズにてビームを蹴
ることとなり集光に利用される高調波出力は４０％程度
損失するといった問題があった。
を基本とした光波長変換素子では光導波路より出射され
る高調波のビームが縦横対称ではなく角度にして縦（光
導波路の厚み方向）が３０度、横（光導波路の幅方向）
が７度の広がり角を有しておりアスペクト比４の非対称
なビームであった。そのため縦横ともに回折限界までの
集光を得るためにはコリメーターレンズにてビームを蹴
ることとなり集光に利用される高調波出力は４０％程度
損失するといった問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するため光波長変換素子の構成に新たな工夫を加え
ることによりアスペクト比が１に近いビームの発生が可
能な光波長変換素子を提供するものである。つまり、本
発明は非線形光学結晶中に分極反転層および厚みｄ１を
持つ光導波路を有し前記光導波路の出射部の厚みｄ２が
ｄ２＞ｄ１の関係となるという手段を有するものであ
る。
解決するため光波長変換素子の構成に新たな工夫を加え
ることによりアスペクト比が１に近いビームの発生が可
能な光波長変換素子を提供するものである。つまり、本
発明は非線形光学結晶中に分極反転層および厚みｄ１を
持つ光導波路を有し前記光導波路の出射部の厚みｄ２が
ｄ２＞ｄ１の関係となるという手段を有するものであ
る。
【０００７】
【作用】本発明の光波長変換素子は光波長変換素子の光
導波路の出射部の厚みを広げることで出射ビームの縦横
比つまりアスペクト比を１に近付けることができる。こ
のようにな構成の光波長変換素子はビームの利用効率が
大幅に向上する。
導波路の出射部の厚みを広げることで出射ビームの縦横
比つまりアスペクト比を１に近付けることができる。こ
のようにな構成の光波長変換素子はビームの利用効率が
大幅に向上する。
【０００８】
【実施例】第１の実施例として本発明の光波長変換素子
の製造方法について図を使って説明する。図１は本発明
の光波長変換素子の構成図である。LiTaO3基板１に周期
状に分極反転層３が形成されている。この分極反転層３
を横切って光導波路２が形成されている。基本波Ｐ１は
光波長変換素子の入射面１０より入射し光導波路２で高
調波Ｐ２に変換され光波長変換素子の出射面１２より出
射される。出射面１２近傍には出射部５として光導波路
２より厚みが厚い層が形成されている。光導波路２の厚
みをｄ１、出射部５の厚みをｄ２とするとｄ２＞ｄ１の
関係となっている。ｄ２の厚みを最適化することにより
縦横対称（アスペクト比１）な高調波Ｐ２のビームが出
射されることとなる。
の製造方法について図を使って説明する。図１は本発明
の光波長変換素子の構成図である。LiTaO3基板１に周期
状に分極反転層３が形成されている。この分極反転層３
を横切って光導波路２が形成されている。基本波Ｐ１は
光波長変換素子の入射面１０より入射し光導波路２で高
調波Ｐ２に変換され光波長変換素子の出射面１２より出
射される。出射面１２近傍には出射部５として光導波路
２より厚みが厚い層が形成されている。光導波路２の厚
みをｄ１、出射部５の厚みをｄ２とするとｄ２＞ｄ１の
関係となっている。ｄ２の厚みを最適化することにより
縦横対称（アスペクト比１）な高調波Ｐ２のビームが出
射されることとなる。
【０００９】次に本発明の光波長変換素子の製造方法に
ついて説明を行う。図２はその製造工程図である。同図
（ａ）でまずLiTaO3基板１に通常のフォトプロセスとド
ライエッチングを用いてＴａ６ａを周期状にパターニン
グする。次にＴａ６ａによるパターンが形成されたLiTa
O3基板１に２６０℃、３０分間プロトン交換を行いスリ
ット直下に厚み０．８μｍのプロトン交換層を形成した
後、５９０℃の温度で１０分間熱処理する。これにより
分極反転層３が形成される。プロトン交換層はＬｉが減
少しておりキュリー温度が低下するため部分的に分極反
転ができる。次にＨＦ：ＨＮＦ3の１：１混合液にて２
分間エッチングしＴａ６ａを除去する。次に上記分極反
転層３中にプロトン交換を用いて光導波路２を形成す
る。同図（ｂ）で光導波路用マスクとしてＴａをストラ
イプ状にパターニングを行った後、Ｔａマスクに幅４μ
ｍ、長さ１２ｍｍのスリットが形成されたものに２６０
℃、１６分間ピロ燐酸中でプロトン交換を行った。これ
により厚み０．５μｍの高屈折率層７が形成される。次
に同図（ｃ）でＴａマスクを除去した後、出射部上のみ
に厚み１０００ＡのＴａ８をパターン化したものを赤外
線加熱装置で３０秒間熱処理を行った。Ｔａ８は赤外線
を直接吸収し光導波路２に対してより高温となる。光導
波路は４２０℃となり、また出射部は５００℃となって
いた。熱処理により均一化されロスが減少した上に高屈
折率層７に非線形性が戻る。熱処理により高屈折率層７
は広がり屈折率が０．０３程度上昇した厚み１．８μｍ
の光導波路２および厚み４μｍの出射部５となる。この
ように出射部の厚みｄ２が光導波路の厚みｄ１より大き
くなるのはそれぞれの熱処理温度Ｔ２とＴ１の関係がＴ
２＞Ｔ１であり、これが拡散速度の違いとなり厚みの差
が生じたためである。最後に蒸着によりSiO2を３０００
Ａ付加した。
ついて説明を行う。図２はその製造工程図である。同図
（ａ）でまずLiTaO3基板１に通常のフォトプロセスとド
ライエッチングを用いてＴａ６ａを周期状にパターニン
グする。次にＴａ６ａによるパターンが形成されたLiTa
O3基板１に２６０℃、３０分間プロトン交換を行いスリ
ット直下に厚み０．８μｍのプロトン交換層を形成した
後、５９０℃の温度で１０分間熱処理する。これにより
分極反転層３が形成される。プロトン交換層はＬｉが減
少しておりキュリー温度が低下するため部分的に分極反
転ができる。次にＨＦ：ＨＮＦ3の１：１混合液にて２
分間エッチングしＴａ６ａを除去する。次に上記分極反
転層３中にプロトン交換を用いて光導波路２を形成す
る。同図（ｂ）で光導波路用マスクとしてＴａをストラ
イプ状にパターニングを行った後、Ｔａマスクに幅４μ
ｍ、長さ１２ｍｍのスリットが形成されたものに２６０
℃、１６分間ピロ燐酸中でプロトン交換を行った。これ
により厚み０．５μｍの高屈折率層７が形成される。次
に同図（ｃ）でＴａマスクを除去した後、出射部上のみ
に厚み１０００ＡのＴａ８をパターン化したものを赤外
線加熱装置で３０秒間熱処理を行った。Ｔａ８は赤外線
を直接吸収し光導波路２に対してより高温となる。光導
波路は４２０℃となり、また出射部は５００℃となって
いた。熱処理により均一化されロスが減少した上に高屈
折率層７に非線形性が戻る。熱処理により高屈折率層７
は広がり屈折率が０．０３程度上昇した厚み１．８μｍ
の光導波路２および厚み４μｍの出射部５となる。この
ように出射部の厚みｄ２が光導波路の厚みｄ１より大き
くなるのはそれぞれの熱処理温度Ｔ２とＴ１の関係がＴ
２＞Ｔ１であり、これが拡散速度の違いとなり厚みの差
が生じたためである。最後に蒸着によりSiO2を３０００
Ａ付加した。
【００１０】上記のような工程により光導波路２および
出射部５が製造された。この光導波路２の厚みｄは１．
８μｍであり分極反転層３の厚み２．０μｍに比べ小さ
く有効に波長変換される。分極反転層３の周期は１０．
８μｍであり波長０．８４ｎｍに対して動作する。ま
た、この光導波路２の非分極反転層４と分極反転層３の
屈折率変化はなく、光が導波する場合の伝搬損失は小さ
い。光導波路２に垂直な面を光学研磨し入射面１０およ
び出射面１２を形成した。このようにして光波長変換素
子が製造できる。また、この素子の長さは１０ｍｍであ
る。基本波Ｐ１として半導体レーザ光（波長０．８４μ
ｍ）を入射部より導波させたところシングルモード伝搬
し、波長０．４２μｍの高調波Ｐ２が出射部より基板外
部に取り出された。光導波路２の伝搬損失は1dB/cmと小
さく高調波Ｐ２が有効に取り出された。基本波４０ｍＷ
の入力で１ｍＷの高調波（波長０．４２μｍ）を得た。
出射された高調波のビームの広がり角は厚み方向１０
度、幅方向７度のアスペクト比１．４のほぼ対称なビー
ムであった。このビームをＮＡ０．５のコリメーターレ
ンズで平行光にしＮＡ０．６のフォーカスレンズで集光
しスポットサイズ０．６μｍの回折限界までのビームが
得られた。また、利用効率は９５％であった。図３に光
導波路の厚みとアスペクト比の関係を示す。このように
出射部の光導波路厚みを大きくすることでアスペクト比
を１に近付けることが可能となる。
出射部５が製造された。この光導波路２の厚みｄは１．
８μｍであり分極反転層３の厚み２．０μｍに比べ小さ
く有効に波長変換される。分極反転層３の周期は１０．
８μｍであり波長０．８４ｎｍに対して動作する。ま
た、この光導波路２の非分極反転層４と分極反転層３の
屈折率変化はなく、光が導波する場合の伝搬損失は小さ
い。光導波路２に垂直な面を光学研磨し入射面１０およ
び出射面１２を形成した。このようにして光波長変換素
子が製造できる。また、この素子の長さは１０ｍｍであ
る。基本波Ｐ１として半導体レーザ光（波長０．８４μ
ｍ）を入射部より導波させたところシングルモード伝搬
し、波長０．４２μｍの高調波Ｐ２が出射部より基板外
部に取り出された。光導波路２の伝搬損失は1dB/cmと小
さく高調波Ｐ２が有効に取り出された。基本波４０ｍＷ
の入力で１ｍＷの高調波（波長０．４２μｍ）を得た。
出射された高調波のビームの広がり角は厚み方向１０
度、幅方向７度のアスペクト比１．４のほぼ対称なビー
ムであった。このビームをＮＡ０．５のコリメーターレ
ンズで平行光にしＮＡ０．６のフォーカスレンズで集光
しスポットサイズ０．６μｍの回折限界までのビームが
得られた。また、利用効率は９５％であった。図３に光
導波路の厚みとアスペクト比の関係を示す。このように
出射部の光導波路厚みを大きくすることでアスペクト比
を１に近付けることが可能となる。
【００１１】なお、このような処理を行うには急速加熱
が可能で金属の赤外線吸収を利用できる赤外線加熱装置
が適している。
が可能で金属の赤外線吸収を利用できる赤外線加熱装置
が適している。
【００１２】次に本発明の光波長変換素子の製造方法を
用いた第２の実施例について説明する。光波長変換素子
の構成は実施例１と同様である。光導波路２は燐酸中で
のプロトン交換により作製した後、温度分布を持ったヒ
ーターを用いて１０分間熱処理を行った。光導波路上の
温度は３８０℃、出射部上の温度は４５０℃である。作
製された光導波路の厚みは２．２μｍ、幅４μｍ、長さ
は９ｍｍ，出射部の厚みは３．５μｍ、幅５μｍ、長さ
は１ｍｍである。分極反転の周期は３．６μｍ、分極反
転層の厚みは１．５μｍである。波長８４０ｎｍに対し
てこの実施例での変換効率は１次の分極反転周期を用い
ているため高く４０ｍＷ入力で１０％である。出射され
たビームのアスペクト比は１．７、集光時の利用効率は
９０％であった。また、光損傷はなく高調波出力は非常
に安定していた。
用いた第２の実施例について説明する。光波長変換素子
の構成は実施例１と同様である。光導波路２は燐酸中で
のプロトン交換により作製した後、温度分布を持ったヒ
ーターを用いて１０分間熱処理を行った。光導波路上の
温度は３８０℃、出射部上の温度は４５０℃である。作
製された光導波路の厚みは２．２μｍ、幅４μｍ、長さ
は９ｍｍ，出射部の厚みは３．５μｍ、幅５μｍ、長さ
は１ｍｍである。分極反転の周期は３．６μｍ、分極反
転層の厚みは１．５μｍである。波長８４０ｎｍに対し
てこの実施例での変換効率は１次の分極反転周期を用い
ているため高く４０ｍＷ入力で１０％である。出射され
たビームのアスペクト比は１．７、集光時の利用効率は
９０％であった。また、光損傷はなく高調波出力は非常
に安定していた。
【００１３】なお実施例では非線形光学結晶としてLiTa
O3を用いたがLiNbO3、KNbO3、ＫＴＰ等の強誘電体にも
適用可能である。
O3を用いたがLiNbO3、KNbO3、ＫＴＰ等の強誘電体にも
適用可能である。
【００１４】
【発明の効果】以上説明したように本発明の光波長変換
素子によれば、光波長変換素子の光導波路の出射部の厚
みを大きくすることにより出射されるビームのアスペク
ト比を１に近付けることができる。これにより光波長変
換素子から出射されるビームの利用効率を大幅に向上さ
せることができその実用的価値は極めて大きい。
素子によれば、光波長変換素子の光導波路の出射部の厚
みを大きくすることにより出射されるビームのアスペク
ト比を１に近付けることができる。これにより光波長変
換素子から出射されるビームの利用効率を大幅に向上さ
せることができその実用的価値は極めて大きい。
【図１】本発明の第１の実施例の光波長変換素子の構成
図
図
【図２】本発明の第１の実施例の光波長変換素子の製造
方法の工程図
方法の工程図
【図３】光導波路厚みとアスペクト比の関係を示す図
【図４】従来の光波長変換素子の構成図
１ LiTaO3基板 ２ 光導波路 ３ 分極反転層 ５ 出射部 Ｐ１ 基本波 Ｐ２ 高調波
Claims (4)
- 【請求項１】非線形光学結晶中に分極反転層、および厚
みｄ1を持つ光導波路を有し、前記光導波路の出射部の
厚みｄ2がｄ2＞ｄ1の関係となることを特徴とする光波
長変換素子。 - 【請求項２】分極反転層を有する非線形光学結晶中にプ
ロトン交換法により高屈折率層を形成した後、熱処理温
度Ｔ１で光導波路を熱処理温度Ｔ２で出射部を形成し、
なおかつＴ２＞Ｔ１なる関係となるように熱処理温度を
設定することを特徴とする光波長変換素子の製造方法。 - 【請求項３】非線形光学結晶がＬｉＮｂxＴａ1-xＯ
3（０≦Ｘ≦１）基板である請求項１記載の光波長変換
素子または同２記載の光波長変換素子の製造方法。 - 【請求項４】赤外線加熱装置を用いて熱処理することを
特徴とする請求項２記載の光波長変換素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3255162A JP2921207B2 (ja) | 1991-10-02 | 1991-10-02 | 光波長変換素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3255162A JP2921207B2 (ja) | 1991-10-02 | 1991-10-02 | 光波長変換素子およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0593930A true JPH0593930A (ja) | 1993-04-16 |
| JP2921207B2 JP2921207B2 (ja) | 1999-07-19 |
Family
ID=17274926
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3255162A Expired - Fee Related JP2921207B2 (ja) | 1991-10-02 | 1991-10-02 | 光波長変換素子およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2921207B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07209535A (ja) * | 1994-01-24 | 1995-08-11 | Ngk Insulators Ltd | 光導波路基板の製造方法 |
-
1991
- 1991-10-02 JP JP3255162A patent/JP2921207B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07209535A (ja) * | 1994-01-24 | 1995-08-11 | Ngk Insulators Ltd | 光導波路基板の製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2921207B2 (ja) | 1999-07-19 |
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