JPH0593932A - 波長変換素子の製造方法 - Google Patents
波長変換素子の製造方法Info
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- JPH0593932A JPH0593932A JP3255165A JP25516591A JPH0593932A JP H0593932 A JPH0593932 A JP H0593932A JP 3255165 A JP3255165 A JP 3255165A JP 25516591 A JP25516591 A JP 25516591A JP H0593932 A JPH0593932 A JP H0593932A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 非線形光学効果を利用した分極反転型の波長
変換素子の構成に関するものである。この波長変換素子
は、分極反転周期と変換波長の整合条件が厳しく入射光
の波長変動に対する許容度が狭く、光源への戻り光によ
る入射光の波長変動による波長変換素子の出力変動が大
きい。これを解決するため波長変換素子からの戻り光を
低減し、安定な出力を得る。 【構成】 波長変換素子には光導波路と分極反転層が形
成されている。この素子の入射部を斜めに形成すること
により、光源への戻り光を減少させる。
変換素子の構成に関するものである。この波長変換素子
は、分極反転周期と変換波長の整合条件が厳しく入射光
の波長変動に対する許容度が狭く、光源への戻り光によ
る入射光の波長変動による波長変換素子の出力変動が大
きい。これを解決するため波長変換素子からの戻り光を
低減し、安定な出力を得る。 【構成】 波長変換素子には光導波路と分極反転層が形
成されている。この素子の入射部を斜めに形成すること
により、光源への戻り光を減少させる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、コヒーレント光源を応
用した、光情報処理、光応用計測制御分野に使用される
波長変換素子の製造方法に関するものである。
用した、光情報処理、光応用計測制御分野に使用される
波長変換素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】誘電体の分極を強制的に反転させる分極
反転は誘電体に周期的な分極反転層を形成することによ
り表面弾性波を利用した光周波数変調器や非線形分極の
分極反転を利用した波長変換素子などに利用される。特
に非線形光学物質の非線形分極を周期的に反転すること
が可能になれば非常に変換効率の高い第二高調波発生素
子を作製することができる。これによって半導体レーザ
などの光を変換すると小型の短波長光源が実現でき、印
刷、光情報処理、光応用計測制御分野などに応用できる
ため盛んに研究が行われている。
反転は誘電体に周期的な分極反転層を形成することによ
り表面弾性波を利用した光周波数変調器や非線形分極の
分極反転を利用した波長変換素子などに利用される。特
に非線形光学物質の非線形分極を周期的に反転すること
が可能になれば非常に変換効率の高い第二高調波発生素
子を作製することができる。これによって半導体レーザ
などの光を変換すると小型の短波長光源が実現でき、印
刷、光情報処理、光応用計測制御分野などに応用できる
ため盛んに研究が行われている。
【０００３】図９に従来の波長変換素子の構成図を示
す。以下1.06μｍの波長の基本波に対する高調波発生
（波長0.53μｍ）について図を用いて詳しく述べる。
（E.J.Lim, M.M.Fejer, R.L.Byer , "Second harmonicg
eneration of blue and green light in periodically-
poled planar lithiumniobate waveguides", ＩＧＷ
Ｏ，1988年、参照）．図９に示されるようにLiNbO 3基板
２１に光導波路２２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２３（分極反転層）が形成さ
れている。基本波と発生する高調波の伝搬定数の不整合
を分極反転層２３の周期構造で補償することにより高効
率に高調波を出すことができる。光導波路２２の入射面
２４に基本波Ｐ１を入射すると、光導波路２２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。 このような従来の波長変換素子は分極反転構造
を基本構成要素としていた。この素子の分極反転層の製
造方法について図８を用いて説明する。
す。以下1.06μｍの波長の基本波に対する高調波発生
（波長0.53μｍ）について図を用いて詳しく述べる。
（E.J.Lim, M.M.Fejer, R.L.Byer , "Second harmonicg
eneration of blue and green light in periodically-
poled planar lithiumniobate waveguides", ＩＧＷ
Ｏ，1988年、参照）．図９に示されるようにLiNbO 3基板
２１に光導波路２２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２３（分極反転層）が形成さ
れている。基本波と発生する高調波の伝搬定数の不整合
を分極反転層２３の周期構造で補償することにより高効
率に高調波を出すことができる。光導波路２２の入射面
２４に基本波Ｐ１を入射すると、光導波路２２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。 このような従来の波長変換素子は分極反転構造
を基本構成要素としていた。この素子の分極反転層の製
造方法について図８を用いて説明する。
【０００４】同図（ａ）で非線形光学結晶であるＬｉＮ
ｂＯ3基板１００にＴｉ１０１のパターンをリフトオフ
と蒸着により幅数μｍの周期で形成していた。次に同図
（ｂ）で１１００℃程度の温度で熱処理を行いLiNbO3基
板１と分極が反対向きに反転した分極反転層１０２を形
成した。次に同図（ｃ）で安息香酸（２００℃）中で３
０分熱処理を行った後３５０℃でアニールを行い光導波
路１０３を形成する。上記安息香酸処理により作製され
る光波長変換素子は波長1.06μｍの基本波Ｐ１に対し
て、光導波路の長さを１ｍｍ、基本波Ｐ１のパワーを１
ｍＷにしたとき高調波Ｐ２のパワー０．５ｎＷが得られ
ていた。基本波が４０ｍＷ入射したとすると８００ｎＷ
の高調波出力が可能である。この場合１ｃｍの素子での
１Ｗ当りの変換効率は５％／Ｗ・ｃｍである。
ｂＯ3基板１００にＴｉ１０１のパターンをリフトオフ
と蒸着により幅数μｍの周期で形成していた。次に同図
（ｂ）で１１００℃程度の温度で熱処理を行いLiNbO3基
板１と分極が反対向きに反転した分極反転層１０２を形
成した。次に同図（ｃ）で安息香酸（２００℃）中で３
０分熱処理を行った後３５０℃でアニールを行い光導波
路１０３を形成する。上記安息香酸処理により作製され
る光波長変換素子は波長1.06μｍの基本波Ｐ１に対し
て、光導波路の長さを１ｍｍ、基本波Ｐ１のパワーを１
ｍＷにしたとき高調波Ｐ２のパワー０．５ｎＷが得られ
ていた。基本波が４０ｍＷ入射したとすると８００ｎＷ
の高調波出力が可能である。この場合１ｃｍの素子での
１Ｗ当りの変換効率は５％／Ｗ・ｃｍである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記のような分極反転
層の製造方法では分極反転層は深さ方向と同時に横方向
にも広がる。そのためマスクパターンの間隔に対し、分
極反転層の深さを深くし過ぎると、熱処理時に分極反転
層が横方向につながり、周期的な分極反転層が形成でき
ないという問題があった。このため分極反転層と光導波
路とのオーバラップが小さくなり、高い変換効率の波長
変換素子が形成できないという問題がある。具体的に
は、波長１．０６μｍの波長変換を行うため、周期６μ
ｍの分極反転層を形成しようとすると、分極反転層は
０．８μｍ以下となり光導波路の深さ１．５μｍに対し
浅い反転層しかできない。このため１ｃｍの素子での１
Ｗ当りの変換効率は５％／Ｗ・ｃｍ2と低かった。
層の製造方法では分極反転層は深さ方向と同時に横方向
にも広がる。そのためマスクパターンの間隔に対し、分
極反転層の深さを深くし過ぎると、熱処理時に分極反転
層が横方向につながり、周期的な分極反転層が形成でき
ないという問題があった。このため分極反転層と光導波
路とのオーバラップが小さくなり、高い変換効率の波長
変換素子が形成できないという問題がある。具体的に
は、波長１．０６μｍの波長変換を行うため、周期６μ
ｍの分極反転層を形成しようとすると、分極反転層は
０．８μｍ以下となり光導波路の深さ１．５μｍに対し
浅い反転層しかできない。このため１ｃｍの素子での１
Ｗ当りの変換効率は５％／Ｗ・ｃｍ2と低かった。
【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、プロトン交換と熱処理を基本とした分極
反転層形成方法に新たな工夫を加えることにより反転層
の横方法の拡散を制御し深い分極反転層をもつ波長変換
素子を提供するものである。つまり、Ｃ板（結晶のＣ軸
に垂直な面で切り出した基板）のＬｉＮｂ(1-X)Ｔａ
(X-1)Ｏ3（０≦Ｘ≦１）基板の表面にストライプ状のプ
ロトン交換層を形成する工程と、前記プロトン交換層上
にストライプ状の金属膜を形成する工程と、前記ＬｉＮ
ｂ (1-X)Ｔａ(X-1)Ｏ3（０≦Ｘ≦１）基板を加熱手段に
よって熱処理し分極反転層を形成する工程とを備えたも
のである。
解決するため、プロトン交換と熱処理を基本とした分極
反転層形成方法に新たな工夫を加えることにより反転層
の横方法の拡散を制御し深い分極反転層をもつ波長変換
素子を提供するものである。つまり、Ｃ板（結晶のＣ軸
に垂直な面で切り出した基板）のＬｉＮｂ(1-X)Ｔａ
(X-1)Ｏ3（０≦Ｘ≦１）基板の表面にストライプ状のプ
ロトン交換層を形成する工程と、前記プロトン交換層上
にストライプ状の金属膜を形成する工程と、前記ＬｉＮ
ｂ (1-X)Ｔａ(X-1)Ｏ3（０≦Ｘ≦１）基板を加熱手段に
よって熱処理し分極反転層を形成する工程とを備えたも
のである。
【０００７】また本発明は高効率の波長変換素子を作製
するためにＣ板（結晶のＣ軸に垂直な面で切り出した基
板）のＬｉＮｂ(1-X)Ｔａ(X-1)Ｏ3（０≦Ｘ≦１）基板
の表面にストライプ状のプロトン交換層を形成する工程
と、前記プロトン交換層上にストライプ状の金属膜を形
成する工程と、前記ＬｉＮｂ(1-X)Ｔａ(X-1)Ｏ3（０≦
Ｘ≦１）基板を加熱手段によって熱処理し分極反転層を
形成する工程と前記ＬｉＮｂ(1-X)Ｔａ(X-1)Ｏ3（０≦
Ｘ≦１）基板上に光導波路を形成する工程とを備えたも
のである。
するためにＣ板（結晶のＣ軸に垂直な面で切り出した基
板）のＬｉＮｂ(1-X)Ｔａ(X-1)Ｏ3（０≦Ｘ≦１）基板
の表面にストライプ状のプロトン交換層を形成する工程
と、前記プロトン交換層上にストライプ状の金属膜を形
成する工程と、前記ＬｉＮｂ(1-X)Ｔａ(X-1)Ｏ3（０≦
Ｘ≦１）基板を加熱手段によって熱処理し分極反転層を
形成する工程と前記ＬｉＮｂ(1-X)Ｔａ(X-1)Ｏ3（０≦
Ｘ≦１）基板上に光導波路を形成する工程とを備えたも
のである。
【０００８】
【作用】本発明は前述した方法により、LiTaO3結晶に周
期的なプロトン交換を形成した後、プロトン交換層上に
金属膜を装荷し、これを赤外線加熱装置で高速加熱処理
することにより、プロトン交換部分のみ高速で短時間に
熱処理を行い、従来実現していなかった短周期でかつ深
い分極反転層の形成を可能にしすることができる。そし
て、この分極反転層を用いて波長変換素子を作製するこ
とにより短波長変換が可能でかつ高効率な波長変換素子
を製造することができる。
期的なプロトン交換を形成した後、プロトン交換層上に
金属膜を装荷し、これを赤外線加熱装置で高速加熱処理
することにより、プロトン交換部分のみ高速で短時間に
熱処理を行い、従来実現していなかった短周期でかつ深
い分極反転層の形成を可能にしすることができる。そし
て、この分極反転層を用いて波長変換素子を作製するこ
とにより短波長変換が可能でかつ高効率な波長変換素子
を製造することができる。
【０００９】以下にその理由を述べる。LiTaO3結晶にお
ける分極反転層の形成はプロトン交換層を形成し、これ
を熱処理することにより作製する。これはプロトン交換
を行うと、プロトン交換LiTaO3が形成され、この部分の
キュリー点が低下する。これをLiTaO3結晶のキュリー点
以下かつプロトン交換LiTaO3のキュリー点以上で熱処理
するとプロトン交換LiTaO3がキュリー点に達する。この
とき焦電効果で発生した電界が基板全体にかかっている
ためプロトン交換部分の分極が反転する。しかしプロト
ン交換層は、熱拡散によって広がっていくため加熱処理
の昇温、加熱時にプロトン交換層の拡散が発生し、周期
の短い分極反転層では反転層どうしが横方向につながっ
てしまい、周期構造が形成されなかった。
ける分極反転層の形成はプロトン交換層を形成し、これ
を熱処理することにより作製する。これはプロトン交換
を行うと、プロトン交換LiTaO3が形成され、この部分の
キュリー点が低下する。これをLiTaO3結晶のキュリー点
以下かつプロトン交換LiTaO3のキュリー点以上で熱処理
するとプロトン交換LiTaO3がキュリー点に達する。この
とき焦電効果で発生した電界が基板全体にかかっている
ためプロトン交換部分の分極が反転する。しかしプロト
ン交換層は、熱拡散によって広がっていくため加熱処理
の昇温、加熱時にプロトン交換層の拡散が発生し、周期
の短い分極反転層では反転層どうしが横方向につながっ
てしまい、周期構造が形成されなかった。
【００１０】そこでプロトン交換層上に金属膜を装荷し
これを赤外線加熱装置によって加熱すると、LiTaO3基板
は赤外線をほとんど吸収しないめ、金属膜のみが赤外線
を吸収し金属膜直下のプロトン交換層部分の温度を急激
に上昇させる。昇温速度を上げることにより短時間で熱
処理を完了し、プロトン交換層の拡散を防止できる。ま
たプロトン交換層が部分的に加熱されるため、プロトン
交換層の横方向の拡散が抑制され、短周期の分極反転層
の形成が可能になった。
これを赤外線加熱装置によって加熱すると、LiTaO3基板
は赤外線をほとんど吸収しないめ、金属膜のみが赤外線
を吸収し金属膜直下のプロトン交換層部分の温度を急激
に上昇させる。昇温速度を上げることにより短時間で熱
処理を完了し、プロトン交換層の拡散を防止できる。ま
たプロトン交換層が部分的に加熱されるため、プロトン
交換層の横方向の拡散が抑制され、短周期の分極反転層
の形成が可能になった。
【００１１】
【実施例】図１に波長変換素子の構成図を示す。１はＣ
板の−Ｃ表面のLiTaO3基板、４は分極反転層、５はプロ
トン交換導波路、６は波長８００ｎｍの基本波、７は波
長４００ｎｍの第二高調波である。図１において４の分
極反転層とは、基板の分極反転に対し、分極の方向が逆
転している部分で１のLiTaO3基板の場合、分極の方向は
＋Ｃ方向で、分極反転層の分極の方向は−Ｃ方向であ
る。この分極反転層の周期は基本波の波長、導波路の屈
折率で異なるが基本波の波長が８００ｎｍのとき１次の
周期が約３．５μｍ、３次で約１０．５μｍである（分
極反転の周期は１次の周期の奇数次倍になる。分極反転
において位相整合条件が成立し波長変換が行われるの
は、周期がこの奇数次の周期に一致したときのみであ
る。但し、次数が増加するに従い変換効率はその次数の
２乗分の１に低下する）。
板の−Ｃ表面のLiTaO3基板、４は分極反転層、５はプロ
トン交換導波路、６は波長８００ｎｍの基本波、７は波
長４００ｎｍの第二高調波である。図１において４の分
極反転層とは、基板の分極反転に対し、分極の方向が逆
転している部分で１のLiTaO3基板の場合、分極の方向は
＋Ｃ方向で、分極反転層の分極の方向は−Ｃ方向であ
る。この分極反転層の周期は基本波の波長、導波路の屈
折率で異なるが基本波の波長が８００ｎｍのとき１次の
周期が約３．５μｍ、３次で約１０．５μｍである（分
極反転の周期は１次の周期の奇数次倍になる。分極反転
において位相整合条件が成立し波長変換が行われるの
は、周期がこの奇数次の周期に一致したときのみであ
る。但し、次数が増加するに従い変換効率はその次数の
２乗分の１に低下する）。
【００１２】ここで図２では分極反転していない素子
と、１次周期の分極反転素子と３次周期の分極反転素子
の第二高調波の出力を表す。図に示すとおり、１次の周
期とは基本波（波長λ）の実効屈折率をＮω、高調波
（波長λ／２）の実効屈折率をＮ2ωとしたとき、１次
の周期ΛはΛ＝λ／（２（Ｎ2ω−Ｎ2ω））で表され、
３次の周期とは１次の周期Λの３倍の周期で表される。
実効屈折率とは光が実際に感じる屈折率である。周期の
次数が小さいほど出力は高いことが分かる。
と、１次周期の分極反転素子と３次周期の分極反転素子
の第二高調波の出力を表す。図に示すとおり、１次の周
期とは基本波（波長λ）の実効屈折率をＮω、高調波
（波長λ／２）の実効屈折率をＮ2ωとしたとき、１次
の周期ΛはΛ＝λ／（２（Ｎ2ω−Ｎ2ω））で表され、
３次の周期とは１次の周期Λの３倍の周期で表される。
実効屈折率とは光が実際に感じる屈折率である。周期の
次数が小さいほど出力は高いことが分かる。
【００１３】図１に示す波長変換素子において、光導波
路導波路に入射された基本波は分極反転層において第二
高調波に変換され、波長８００ｎｍの基本波を入射する
と波長４００ｎｍの青色の第二高調波を発生することが
できる。このとき反転周期は変換効率に影響し、３次の
分極反転層の効率は１次の分極反転層の効率の約１／９
になる。
路導波路に入射された基本波は分極反転層において第二
高調波に変換され、波長８００ｎｍの基本波を入射する
と波長４００ｎｍの青色の第二高調波を発生することが
できる。このとき反転周期は変換効率に影響し、３次の
分極反転層の効率は１次の分極反転層の効率の約１／９
になる。
【００１４】図３は、第１の実施例における波長変換素
子製造方法の工程図を示すもので分極反転層の形成方法
である。図３において、１はＣ板のLiTaO3基板、２はＴ
ａ膜、３プロトン交換層、４は分極反転層、８はマスク
の幅Ｗ、９は周期Λ、１０はＴａ膜である。ただし、分
極反転処理とは、LiTaO3結晶をキュリー温度近くまで温
度を上げて、一定方向にそろっている結晶の分極を部分
的に反転させる処理である。波長変換素子製造方法につ
いて、以下その製造方法を説明する。（ａ）−Ｃ板のLi
TaO3基板１上にスパッタリング法によりTa膜２を300A形
成する。（ｂ）Ta膜上にフォトレジストを塗布した後、
通常のフォトリソグラフィ法により周期Λごとに幅Ｗの
ストライプを１０ｍｍに渡って基板のＹ伝搬方向に形成
する（周期Λは１〜５０μｍ、ＷはΛ／２とした）。
（ｃ）ＣＦ4雰囲気中でドライエッチングでＴａマスク
にレジストのパターンを転写する。（ｄ）２６０℃のピ
ロ燐酸中で２０分間熱処理しプロトン交換層を形成す
る。（ｅ）プロトン交換層上にＴａ膜１０を３００Ａ堆
積する。（ｆ）Ｔａ膜上にフォトレジストを塗布した
後、通常のフォトリソグラフィ法とドライエッチングに
よりプロトン交換層以外のＴａ膜を除去する。（ｇ）赤
外線加熱装置によりＬｉＴａＯ3基板を加熱した。赤外
線加熱装置とは赤外線ランプによって試料を加熱する装
置で高速の昇温速度を実現できる。また広い範囲で温度
上昇を制御できる加熱装置である。このとき昇温速度を
0.1〜100℃／秒の間で変えて加熱した。サンプルはプロ
トン交換層上にＴａ膜を装荷したものと装荷しないもの
で比較した。また熱処理の温度は５５０℃及び５７０℃
であった。なお用いたLiTaO3基板のキュリー温度は６０
４℃であった。
子製造方法の工程図を示すもので分極反転層の形成方法
である。図３において、１はＣ板のLiTaO3基板、２はＴ
ａ膜、３プロトン交換層、４は分極反転層、８はマスク
の幅Ｗ、９は周期Λ、１０はＴａ膜である。ただし、分
極反転処理とは、LiTaO3結晶をキュリー温度近くまで温
度を上げて、一定方向にそろっている結晶の分極を部分
的に反転させる処理である。波長変換素子製造方法につ
いて、以下その製造方法を説明する。（ａ）−Ｃ板のLi
TaO3基板１上にスパッタリング法によりTa膜２を300A形
成する。（ｂ）Ta膜上にフォトレジストを塗布した後、
通常のフォトリソグラフィ法により周期Λごとに幅Ｗの
ストライプを１０ｍｍに渡って基板のＹ伝搬方向に形成
する（周期Λは１〜５０μｍ、ＷはΛ／２とした）。
（ｃ）ＣＦ4雰囲気中でドライエッチングでＴａマスク
にレジストのパターンを転写する。（ｄ）２６０℃のピ
ロ燐酸中で２０分間熱処理しプロトン交換層を形成す
る。（ｅ）プロトン交換層上にＴａ膜１０を３００Ａ堆
積する。（ｆ）Ｔａ膜上にフォトレジストを塗布した
後、通常のフォトリソグラフィ法とドライエッチングに
よりプロトン交換層以外のＴａ膜を除去する。（ｇ）赤
外線加熱装置によりＬｉＴａＯ3基板を加熱した。赤外
線加熱装置とは赤外線ランプによって試料を加熱する装
置で高速の昇温速度を実現できる。また広い範囲で温度
上昇を制御できる加熱装置である。このとき昇温速度を
0.1〜100℃／秒の間で変えて加熱した。サンプルはプロ
トン交換層上にＴａ膜を装荷したものと装荷しないもの
で比較した。また熱処理の温度は５５０℃及び５７０℃
であった。なお用いたLiTaO3基板のキュリー温度は６０
４℃であった。
【００１５】先ず第一に、0.1℃／秒の昇温速度で分極
反転層を形成し、分極反転層を形成したところ、分極反
転層は周期は３０μｍ以上のものしか形成されなかっ
た。これは分極反転層が形成される温度はLiTaO3基板の
キュリー温度近傍で約４５０℃〜６００℃であるが昇温
速度が遅いとこの温度に達する前にプロトン交換層が熱
拡散で広がってしまい、周期的に形成したプロトン交換
層が横方向につながったためである。図４にその様子を
示す。１はＬｉＴａＯ3基板、４は分極反転層である。
図４（ａ）は周期的分極反転層が形成された場合、図４
（ｂ）は横方向に反転層がつながった場合を示す。図５
には昇温速度と形成可能な最小分極反転周期の関係を求
めた。昇温速度を上げるに従い形成可能な分極反転周期
は減少した、さらにプロトン交換層上に金属膜を装荷す
ることにより、形成可能な分極反転層周期が減少した。
反転層を形成し、分極反転層を形成したところ、分極反
転層は周期は３０μｍ以上のものしか形成されなかっ
た。これは分極反転層が形成される温度はLiTaO3基板の
キュリー温度近傍で約４５０℃〜６００℃であるが昇温
速度が遅いとこの温度に達する前にプロトン交換層が熱
拡散で広がってしまい、周期的に形成したプロトン交換
層が横方向につながったためである。図４にその様子を
示す。１はＬｉＴａＯ3基板、４は分極反転層である。
図４（ａ）は周期的分極反転層が形成された場合、図４
（ｂ）は横方向に反転層がつながった場合を示す。図５
には昇温速度と形成可能な最小分極反転周期の関係を求
めた。昇温速度を上げるに従い形成可能な分極反転周期
は減少した、さらにプロトン交換層上に金属膜を装荷す
ることにより、形成可能な分極反転層周期が減少した。
【００１６】また、図６に分極反転層の幅と深さの関係
を示す。幅２μｍにおいて、形成可能な反転層の深さは
０．１℃／秒の昇温速度では０μｍ、１００℃／秒の温
度上昇ではＴａ膜１０が無い場合で１．７μｍ、Ｔａ膜
１０を付けることで２．５μｍまで増加した。これはプ
ロトン交換層上に金属膜を装荷し、これを赤外線加熱で
加熱することにより昇温速度を上げ、熱処理時に拡散す
るプロトン交換層の広がりを低減できる。また金属膜は
赤外線吸収係数が基板に比べ桁違いに大きいため赤外線
加熱によって部分的に急速に加熱される。従ってその直
下のプロトン交換層が部分的に加熱されるため、分極反
転層の横方向の広がりがさらに抑圧される。その結果プ
ロトン交換層内に形成される分極反転層の横方法の広が
りを防止し、より深い反転層が形成できる。これによっ
て短周期の分極反転層の形成が可能になった。
を示す。幅２μｍにおいて、形成可能な反転層の深さは
０．１℃／秒の昇温速度では０μｍ、１００℃／秒の温
度上昇ではＴａ膜１０が無い場合で１．７μｍ、Ｔａ膜
１０を付けることで２．５μｍまで増加した。これはプ
ロトン交換層上に金属膜を装荷し、これを赤外線加熱で
加熱することにより昇温速度を上げ、熱処理時に拡散す
るプロトン交換層の広がりを低減できる。また金属膜は
赤外線吸収係数が基板に比べ桁違いに大きいため赤外線
加熱によって部分的に急速に加熱される。従ってその直
下のプロトン交換層が部分的に加熱されるため、分極反
転層の横方向の広がりがさらに抑圧される。その結果プ
ロトン交換層内に形成される分極反転層の横方法の広が
りを防止し、より深い反転層が形成できる。これによっ
て短周期の分極反転層の形成が可能になった。
【００１７】一方、短波長光源として、現在コンパクト
ディスクや光メモリなどに要望されているのは波長４８
０ｎｍ以下の青色の光であり、青色光が発生可能な波長
変換素子を形成することは特に重要である。また波長変
換素子の変換効率を考慮すると、このような青色光の波
長変換の変換効率は５次以上の分極反転周期の素子を作
製しても変換効率は非常に低いものになり、実用には不
十分である。
ディスクや光メモリなどに要望されているのは波長４８
０ｎｍ以下の青色の光であり、青色光が発生可能な波長
変換素子を形成することは特に重要である。また波長変
換素子の変換効率を考慮すると、このような青色光の波
長変換の変換効率は５次以上の分極反転周期の素子を作
製しても変換効率は非常に低いものになり、実用には不
十分である。
【００１８】そこで変換効率の高い分極反転層による波
長変換素子が必となる。このような短波長の光源が実現
可能な分極反転周期は３次の分極反転周期で１２μｍ以
下、１次の分極反転周期で４μｍ以下である。図５の昇
温速度と形成可能な最小分極反転周期の関係より必要な
加熱処理時の昇温速度を求めると、３次の分極反転層で
０．８℃／秒以上、１次の分極反転で１５℃／秒以上の
速度が必要である。以上の結果、高出力、高効率の波長
変換素子を作製するには０．８℃／秒以上の昇温速度で
加熱する必要がある。
長変換素子が必となる。このような短波長の光源が実現
可能な分極反転周期は３次の分極反転周期で１２μｍ以
下、１次の分極反転周期で４μｍ以下である。図５の昇
温速度と形成可能な最小分極反転周期の関係より必要な
加熱処理時の昇温速度を求めると、３次の分極反転層で
０．８℃／秒以上、１次の分極反転で１５℃／秒以上の
速度が必要である。以上の結果、高出力、高効率の波長
変換素子を作製するには０．８℃／秒以上の昇温速度で
加熱する必要がある。
【００１９】次に以上の方法で作製した分極反転層上に
プロトン交換導波路を形成し波長変換素子を作製して特
性評価を行った。プロトン交換導波路の作製方法を図７
に示す。図７において１はＣ板のLiTaO3基板、４は分極
反転、１１はＴａマスク、１２はプロトン交換導波路で
ある。作製方法は層昇温速度５０℃／秒で分極反転処理
した周期４μｍ（１次の分極反転層）を形成した後、
（ａ）分極反転形成のためのＴａ膜１０を除去すした
後、基板表面にＴａ膜をスパッタリング法により３４０
Ａ成膜する。（ｂ）フォト・ドライエッチングによりマ
スクパターンをけいせいする。（ｃ）２６０℃のピロ燐
酸中で１０分間熱処理するとプロトン交換光導波路が形
成される。（ｄ）Ｔａマスクを酸により除去し、導波路
の両端面を光学研磨し波長変換素子を形成した。波長８
００ｎｍ、出力４０ｍＷの半導体レーザの光６を集光光
学系により集光し作製した波長変換素子に入射した。導
波路より、出射される基本波及び第二高調波をレンズで
コリメートしパワーメータで測定した。その結果、７の
波長４００ｎｍの第二高調波の出力は３．２ｍＷであ
り、このときの変換効率は２０％／１００ｍＷ・ｃｍ2
という非常に高効率の波長変換が行われた。これは金属
装荷なしに形成した分極反転層による波長変換素子の変
換効率（１２．５％）の１．６倍である。さらに基本光
のパワーを増大させて２００ｍＷまで導波させたが光損
傷による変動は観測されなかった。以上の結果安定で高
効率な波長変換素子が作製できた。
プロトン交換導波路を形成し波長変換素子を作製して特
性評価を行った。プロトン交換導波路の作製方法を図７
に示す。図７において１はＣ板のLiTaO3基板、４は分極
反転、１１はＴａマスク、１２はプロトン交換導波路で
ある。作製方法は層昇温速度５０℃／秒で分極反転処理
した周期４μｍ（１次の分極反転層）を形成した後、
（ａ）分極反転形成のためのＴａ膜１０を除去すした
後、基板表面にＴａ膜をスパッタリング法により３４０
Ａ成膜する。（ｂ）フォト・ドライエッチングによりマ
スクパターンをけいせいする。（ｃ）２６０℃のピロ燐
酸中で１０分間熱処理するとプロトン交換光導波路が形
成される。（ｄ）Ｔａマスクを酸により除去し、導波路
の両端面を光学研磨し波長変換素子を形成した。波長８
００ｎｍ、出力４０ｍＷの半導体レーザの光６を集光光
学系により集光し作製した波長変換素子に入射した。導
波路より、出射される基本波及び第二高調波をレンズで
コリメートしパワーメータで測定した。その結果、７の
波長４００ｎｍの第二高調波の出力は３．２ｍＷであ
り、このときの変換効率は２０％／１００ｍＷ・ｃｍ2
という非常に高効率の波長変換が行われた。これは金属
装荷なしに形成した分極反転層による波長変換素子の変
換効率（１２．５％）の１．６倍である。さらに基本光
のパワーを増大させて２００ｍＷまで導波させたが光損
傷による変動は観測されなかった。以上の結果安定で高
効率な波長変換素子が作製できた。
【００２０】なお、本実施例では分極反転層の作製方向
をＹ伝搬方向としたがＸ伝搬方向でも同様な素子が作製
できる。
をＹ伝搬方向としたがＸ伝搬方向でも同様な素子が作製
できる。
【００２１】なお、本実施例では基板にLiTaO3基板を用
いたが他にLiNbO3またはMgO、Nb、NdなどをドープしたL
iTaO3またはLiNbO3基板でも同様な素子が作製できる。
いたが他にLiNbO3またはMgO、Nb、NdなどをドープしたL
iTaO3またはLiNbO3基板でも同様な素子が作製できる。
【００２２】なお、本実施例では加熱装置として赤外線
加熱装置を用いたが、他にフラッシュランプ加熱装置、
ＣＯ2レーザ加熱装置など昇温速度の高い加熱装置でも
同様な素子が作製できる。
加熱装置を用いたが、他にフラッシュランプ加熱装置、
ＣＯ2レーザ加熱装置など昇温速度の高い加熱装置でも
同様な素子が作製できる。
【００２３】なお、本実施例では、イオン交換にピロ燐
酸を用いたが、他にオルト燐酸、安息香酸、硫酸、など
も用いることができる。
酸を用いたが、他にオルト燐酸、安息香酸、硫酸、など
も用いることができる。
【００２４】なお、本実施例では耐イオン化のマスクと
して、Ｔａ膜を用いたが、他にTa2O 5、Pt、Auなど耐酸
性を有する膜なら用いることができる。
して、Ｔａ膜を用いたが、他にTa2O 5、Pt、Auなど耐酸
性を有する膜なら用いることができる。
【００２５】なお、本実施例では金属層荷膜として、Ｔ
ａ膜を用いたが、他にTi、Pt、Auなど耐熱性を有する膜
なら用いることができる。
ａ膜を用いたが、他にTi、Pt、Auなど耐熱性を有する膜
なら用いることができる。
【００２６】なお、本実施例では光導波路としてプロト
ン交換導波路を用いたが、他にＴｉ拡散導波路、Ｎｂ拡
散導波路、イオン注入導波路など他の光導波路も用いる
ことができる。
ン交換導波路を用いたが、他にＴｉ拡散導波路、Ｎｂ拡
散導波路、イオン注入導波路など他の光導波路も用いる
ことができる。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、LiTaO3結晶に周期
的なプロトン交換層を形成し、これを熱処理して分極反
転層を形成するときに、プロトン交換層上に金属膜を装
荷することにより温度上昇速度を上げることにができ分
極反転処理温度に達するまでのプロトン交換層の拡散を
防ぎ、プロトン交換層内に形成される分極反転の横広が
りを防止することができた。またプロトン交換層を部分
的に熱処理することにより反転層の横方向の広がりをさ
らに抑圧し、その結果非常に短周期で深い分極反転層の
形成が可能になり、その実用効果は大きい。
的なプロトン交換層を形成し、これを熱処理して分極反
転層を形成するときに、プロトン交換層上に金属膜を装
荷することにより温度上昇速度を上げることにができ分
極反転処理温度に達するまでのプロトン交換層の拡散を
防ぎ、プロトン交換層内に形成される分極反転の横広が
りを防止することができた。またプロトン交換層を部分
的に熱処理することにより反転層の横方向の広がりをさ
らに抑圧し、その結果非常に短周期で深い分極反転層の
形成が可能になり、その実用効果は大きい。
【００２８】また、この反転層を用いて分極反転型の波
長変換素子を形成すると、深い反転層によって高効率の
反転層が形成でき、その実用効果は大きい。
長変換素子を形成すると、深い反転層によって高効率の
反転層が形成でき、その実用効果は大きい。
【図１】本発明の実施例の波長変換素子の構成斜視図
【図２】波長変換素子長と第二高調波出力の関係を示す
図
図
【図３】分極反転層の製造方法の工程断面図
【図４】分極反転層の横広がりを示す断面図
【図５】熱処理時の昇温速度と作製可能な分極反転周期
の関係を示す図
の関係を示す図
【図６】分極反転層の幅と深さの関係を示す図
【図７】波長変換素子の導波路の製造方法のを示す工程
斜視図
斜視図
【図８】従来の波長変換素子の製造方法を示す工程断面
図
図
【図９】従来の波長変換素子の構造斜視図
１ LiTaO3基板 ２ Ｔａ膜 ３ プロトン交換層 ４ 分極反転層 ５ プロトン交換導波路 ６ 基本波 ７ 第二高調波 ８ マスク幅Ｗ ９ 周期Λ １０ Ｔａ膜 １１ Ｔａマスク １２ プロトン交換導波路 ２１ LiTaO3基板 ２２ プロトン交換導波路 ２３ 分極反転層 ２４ 入射部 １００ LiNbO3基板 １０１ Ｔｉパターン １０２ 分極反転層 １０３ 光導波路
Claims (4)
- 【請求項１】Ｃ板（結晶のＣ軸に垂直な面で切り出した
基板）のＬｉＮｂ(1-X )Ｔａ(X-1)Ｏ3（０≦Ｘ≦１）基
板の表面に、ストライプ状のプロトン交換層を形成する
工程と、前記プロトン交換層上にストライプ状の金属膜
を形成する工程と、前記ＬｉＮｂ(1-X)Ｔａ(X-1)Ｏ
3（０≦Ｘ≦１）基板を加熱手段によって熱処理し分極
反転層を形成する工程とを備えたことを特徴とする波長
変換素子の製造方法。 - 【請求項２】Ｃ板（結晶のＣ軸に垂直な面で切り出した
基板）のＬｉＮｂ(1-X )Ｔａ(X-1)Ｏ3（０≦Ｘ≦１）基
板の表面にストライプ状のプロトン交換層を形成する工
程と、前記プロトン交換層上にストライプ状の金属膜を
形成する工程と、前記ＬｉＮｂ(1-X)Ｔａ(X-1)Ｏ3（０
≦Ｘ≦１）基板を加熱手段によって熱処理し、分極反転
層を形成する工程と、前記ＬｉＮｂ(1-X)Ｔａ(X-1)Ｏ3
（０≦Ｘ≦１）基板上に光導波路を形成する工程とを備
えたことを特徴とする波長変換素子の製造方法。 - 【請求項３】加熱手段として赤外線加熱装置を用いる請
求項１または請求項２記載の波長変換素子の製造方法。 - 【請求項４】加熱手段によって熱処理し分極反転層を形
成する工程として昇温速度Ｓで温度Ｔまで加熱する行程
と、温度Ｔで熱処理する行程とを有し、かつ前記昇温速
度Ｓの値が０．８℃／秒＜Ｓの関係を満足し、かつ前記
熱処理温度Ｔが前記LiTaO3基板のキュリー温度以下であ
る加熱手段として赤外線加熱装置を用いる請求項１また
は請求項２記載の波長変換素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3255165A JP2921209B2 (ja) | 1991-10-02 | 1991-10-02 | 波長変換素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3255165A JP2921209B2 (ja) | 1991-10-02 | 1991-10-02 | 波長変換素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0593932A true JPH0593932A (ja) | 1993-04-16 |
| JP2921209B2 JP2921209B2 (ja) | 1999-07-19 |
Family
ID=17274967
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3255165A Expired - Fee Related JP2921209B2 (ja) | 1991-10-02 | 1991-10-02 | 波長変換素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2921209B2 (ja) |
-
1991
- 1991-10-02 JP JP3255165A patent/JP2921209B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2921209B2 (ja) | 1999-07-19 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |