JP3462265B2 - 波長変換素子 - Google Patents
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
- G02F1/377—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
- G02F1/3544—Particular phase matching techniques
- G02F1/3548—Quasi phase matching [QPM], e.g. using a periodic domain inverted structure
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、第２高調波発生(Secon
d Harmonic Generation:SHG）を利用した非線形光学結
晶の導波路を有する波長変換素子に関する。
d Harmonic Generation:SHG）を利用した非線形光学結
晶の導波路を有する波長変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】波長変換素子において、第２高調波発生
を効率よく発生するためには位相整合条件を満たす必要
がある。位相整合方法には、波長変換素子の基板結晶の
複屈折性を利用し角度同調、温度同調、電界同調を用い
て位相整合条件を満たす方法や、導波路のモード分散を
用いることにより、導波路の膜厚、オーバーレイヤ、チ
ェレンコフ放射、疑似位相整合など、種々の方法が試み
られている。
を効率よく発生するためには位相整合条件を満たす必要
がある。位相整合方法には、波長変換素子の基板結晶の
複屈折性を利用し角度同調、温度同調、電界同調を用い
て位相整合条件を満たす方法や、導波路のモード分散を
用いることにより、導波路の膜厚、オーバーレイヤ、チ
ェレンコフ放射、疑似位相整合など、種々の方法が試み
られている。
【０００３】波長変換素子の基板には、ＬｉＴａＯ
3（以下、ＬＴという）、ＬｉＮｂＯ3（以下、ＬＮとい
う）、ＫＴｉＯＰＯ4等の非線形光学定数の大きい強誘
電体が好ましく用いられている。例えば、ＬｉＮｂ1-x
ＴａxＯ2（０≦ｘ≦１）（以下、ＬＮＴという）のバル
ク結晶は融液から引上げるＣＺ法、ＴＳＳＧ法やノズル
を使って結晶を引き下げるマイクロ結晶作製法などで形
成される。しかし、その結晶の高品質化、高均一化、大
型化、導波路化などには難点があった。そこで、ＬＮＴ
結晶薄膜をサファイア等の基板上に形成するスパッタリ
ング法が開発されている。
3（以下、ＬＴという）、ＬｉＮｂＯ3（以下、ＬＮとい
う）、ＫＴｉＯＰＯ4等の非線形光学定数の大きい強誘
電体が好ましく用いられている。例えば、ＬｉＮｂ1-x
ＴａxＯ2（０≦ｘ≦１）（以下、ＬＮＴという）のバル
ク結晶は融液から引上げるＣＺ法、ＴＳＳＧ法やノズル
を使って結晶を引き下げるマイクロ結晶作製法などで形
成される。しかし、その結晶の高品質化、高均一化、大
型化、導波路化などには難点があった。そこで、ＬＮＴ
結晶薄膜をサファイア等の基板上に形成するスパッタリ
ング法が開発されている。
【０００４】また、プラズマ気相成長法によりサファイ
ア基板上にＬＮＴの単結晶膜を作成する方法も、開発さ
れている（特公平５−１１０７８号公報）。これは酸素
プラズマ中でＬｉ、Ｔａ、Ｎｂを酸化させサファイア基
板上にＬＮＴ単結晶膜をエピタキシャル成長させて堆積
している。
ア基板上にＬＮＴの単結晶膜を作成する方法も、開発さ
れている（特公平５−１１０７８号公報）。これは酸素
プラズマ中でＬｉ、Ｔａ、Ｎｂを酸化させサファイア基
板上にＬＮＴ単結晶膜をエピタキシャル成長させて堆積
している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ＬＮＴは高融点、高キ
ュリー点の強誘電体であって、さらに他の強誘電体より
も電機機械結合係数が大きいことが知られている。さら
にＬＮＴは非線形光学定数も大きいので、波長変換素子
の使用に適している。しかしながら、これら諸特性がさ
らに高い強誘電体が波長変換素子の導波路のためには望
まれている。
ュリー点の強誘電体であって、さらに他の強誘電体より
も電機機械結合係数が大きいことが知られている。さら
にＬＮＴは非線形光学定数も大きいので、波長変換素子
の使用に適している。しかしながら、これら諸特性がさ
らに高い強誘電体が波長変換素子の導波路のためには望
まれている。
【０００６】そこで、本発明の目的は、有機金属気相エ
ピタキシ（以下、ＭＯＣＶＤという）法によって、基板
上にＬＮＴに代るＫＬｉＮｂＴａＯ系エピタキシャル層
を有した基板からなる波長変換素子を提供することにあ
る。
ピタキシ（以下、ＭＯＣＶＤという）法によって、基板
上にＬＮＴに代るＫＬｉＮｂＴａＯ系エピタキシャル層
を有した基板からなる波長変換素子を提供することにあ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の波長変換素子
は、基板と、前記基板の表面に堆積されたＫ3Ｌｉ2-xＮ
ｂ5+x-yＴａyＯ15+2x（−０．４≦ｘ≦０．２０，０≦
ｙ≦０．３３）のエピタキシャルクラッド層と、前記エ
ピタキシャルクラッド層上に堆積されたＫ3Ｌｉ2-x'Ｎ
ｂ5+x'-y 'ＴａyＯ15+2x'（−０．４≦ｘ’≦０．２
０，０≦ｙ’≦０．３３）からなり前記エピタキシャル
クラッド層よりも屈折率の大きいエピタキシャル導波路
層と、からなり、前記エピタキシャルクラッド層と前記
エピタキシャル導波路層が、少なくともリチウム（Ｌ
ｉ）、カリウム（Ｋ）、タンタル（Ｔａ）及びニオブ
（Ｎｂ）の有機金属化合物ガスの各々を有機金属気相エ
ピタキシ装置の成長室に配置された前記基板上へ導入
し、前記有機金属化合物ガスの反応により、形成されて
いる、ことを特徴とする。
は、基板と、前記基板の表面に堆積されたＫ3Ｌｉ2-xＮ
ｂ5+x-yＴａyＯ15+2x（−０．４≦ｘ≦０．２０，０≦
ｙ≦０．３３）のエピタキシャルクラッド層と、前記エ
ピタキシャルクラッド層上に堆積されたＫ3Ｌｉ2-x'Ｎ
ｂ5+x'-y 'ＴａyＯ15+2x'（−０．４≦ｘ’≦０．２
０，０≦ｙ’≦０．３３）からなり前記エピタキシャル
クラッド層よりも屈折率の大きいエピタキシャル導波路
層と、からなり、前記エピタキシャルクラッド層と前記
エピタキシャル導波路層が、少なくともリチウム（Ｌ
ｉ）、カリウム（Ｋ）、タンタル（Ｔａ）及びニオブ
（Ｎｂ）の有機金属化合物ガスの各々を有機金属気相エ
ピタキシ装置の成長室に配置された前記基板上へ導入
し、前記有機金属化合物ガスの反応により、形成されて
いる、ことを特徴とする。
【０００８】
【実施例】以下に、本発明による実施例を図面を参照し
つつ説明する。発明者は、ＭＯＣＶＤ法によって基板上
にＬＮＴに代るＫＬｉＮｂＴａＯ系エピタキシャル層を
形成し、このエピタキシャル層が波長変換素子に適する
導波路となることを知見し本発明に到った。
つつ説明する。発明者は、ＭＯＣＶＤ法によって基板上
にＬＮＴに代るＫＬｉＮｂＴａＯ系エピタキシャル層を
形成し、このエピタキシャル層が波長変換素子に適する
導波路となることを知見し本発明に到った。
【０００９】すなわち、ＭＯＣＶＤ装置の反応室に基板
を装填し、これを設定温度まで昇温して反応室内部を設
定気圧まで減圧し、またＭＯＣＶＤ装置の気化器のそれ
ぞれに出発原料として、ジピバロイルメタナトカリウム
［Ｋ（Ｃ11Ｈ19Ｏ2）］（以下、Ｋ（ＤＰＭ）という）
と、ジピバロイルメタナトリチウム［Ｌｉ（Ｃ11Ｈ19Ｏ
2）］（以下、Ｌｉ（ＤＰＭ）という）と、トリクロロ
ビス（ジピバロイルメタナト）ニオブ(V) ［Ｎｂ（Ｃ
11Ｈ19Ｏ2）2Cl3］（以下、Ｎｂ（ＤＰＭ）2Cl3とい
う）と、ジピバロイルメタナトタンタル［Ｔａ（Ｃ11Ｈ
19Ｏ2）］（以下、Ｔａ（ＤＰＭ）という）と、を装填
して、これら出発原料をそれぞれ設定温度に保つことに
より昇華させ有機金属化合物ガスとし、ガスを流量制御
されたＡｒキャリアガスを用いて加熱基板が配置された
反応室へ導き、原料ガスを基板上に流すことによりＫＬ
ｉＮｂＴａＯ系エピタキシャル単結晶薄膜、Ｋ3Ｌｉ2-x
Ｎｂ5+ x-yＴａyＯ15+2xなる式で表される組成を持つ結
晶薄膜が成長できた。そして、基板上のエピタキシャル
層の成分の原子比変えて２層のエピタキシャル単結晶薄
膜を成膜し、エピタキシャル導波路を形成した波長変換
素子を作成した。
を装填し、これを設定温度まで昇温して反応室内部を設
定気圧まで減圧し、またＭＯＣＶＤ装置の気化器のそれ
ぞれに出発原料として、ジピバロイルメタナトカリウム
［Ｋ（Ｃ11Ｈ19Ｏ2）］（以下、Ｋ（ＤＰＭ）という）
と、ジピバロイルメタナトリチウム［Ｌｉ（Ｃ11Ｈ19Ｏ
2）］（以下、Ｌｉ（ＤＰＭ）という）と、トリクロロ
ビス（ジピバロイルメタナト）ニオブ(V) ［Ｎｂ（Ｃ
11Ｈ19Ｏ2）2Cl3］（以下、Ｎｂ（ＤＰＭ）2Cl3とい
う）と、ジピバロイルメタナトタンタル［Ｔａ（Ｃ11Ｈ
19Ｏ2）］（以下、Ｔａ（ＤＰＭ）という）と、を装填
して、これら出発原料をそれぞれ設定温度に保つことに
より昇華させ有機金属化合物ガスとし、ガスを流量制御
されたＡｒキャリアガスを用いて加熱基板が配置された
反応室へ導き、原料ガスを基板上に流すことによりＫＬ
ｉＮｂＴａＯ系エピタキシャル単結晶薄膜、Ｋ3Ｌｉ2-x
Ｎｂ5+ x-yＴａyＯ15+2xなる式で表される組成を持つ結
晶薄膜が成長できた。そして、基板上のエピタキシャル
層の成分の原子比変えて２層のエピタキシャル単結晶薄
膜を成膜し、エピタキシャル導波路を形成した波長変換
素子を作成した。
【００１０】さらに具体的には、出発原料として、Ｋ
（ＤＰＭ）、Ｌｉ（ＤＰＭ）、Ｎｂ（ＤＰＭ）2Cl3及び
Ｔａ（ＤＰＭ）を個別にベローズバルブ付きステンレス
スチール製気化器に封入してＣＶＤソースとした。これ
ら原料をそれぞれ恒温空気浴槽中で設定温度に対して±
１℃以内に保ちつつ、１６０Torrの減圧下で昇華させ流
量調整されたＡｒキャリアガスを用いてフローチャネル
の付いた横型反応装置へ供給した。
（ＤＰＭ）、Ｌｉ（ＤＰＭ）、Ｎｂ（ＤＰＭ）2Cl3及び
Ｔａ（ＤＰＭ）を個別にベローズバルブ付きステンレス
スチール製気化器に封入してＣＶＤソースとした。これ
ら原料をそれぞれ恒温空気浴槽中で設定温度に対して±
１℃以内に保ちつつ、１６０Torrの減圧下で昇華させ流
量調整されたＡｒキャリアガスを用いてフローチャネル
の付いた横型反応装置へ供給した。
【００１１】恒温空気浴槽の設定温度はそれぞれ、Ｋ
（ＤＰＭ）が１８０℃〜２００℃、Ｌｉ（ＤＰＭ）が１
８０℃〜２１０℃、Ｎｂ（ＤＰＭ）2Cl3が１７０℃〜１
９０℃、及びＴａ（ＤＰＭ）が１６０℃〜１９０℃の温
度範囲から適宜選ばれた。反応装置中にはインコネルの
サセプター上に石英トレイを置きその上に基板を配置
し、高周波加熱によって約５００℃〜７００℃で加熱し
た。鏡面研磨した基板を用いた。
（ＤＰＭ）が１８０℃〜２００℃、Ｌｉ（ＤＰＭ）が１
８０℃〜２１０℃、Ｎｂ（ＤＰＭ）2Cl3が１７０℃〜１
９０℃、及びＴａ（ＤＰＭ）が１６０℃〜１９０℃の温
度範囲から適宜選ばれた。反応装置中にはインコネルの
サセプター上に石英トレイを置きその上に基板を配置
し、高周波加熱によって約５００℃〜７００℃で加熱し
た。鏡面研磨した基板を用いた。
【００１２】Ａｒキャリアガスに導かれた原料ガスある
いはそれらの混合物を、加熱基板の置かれたリアクタ内
に層流として流し、この基板上に、種々のエピタキシャ
ルクラッド層を析出させた。この時のそれぞれの原料に
対するＡｒキャリアガスの流量は、Ｋ（ＤＰＭ）では２
００〜４００ｍｌ／分、Ｌｉ（ＤＰＭ）では１００〜２
００ｍｌ／分、Ｎｂ（ＤＰＭ）2Cl3では５〜１３０ｍｌ
／分、及びＴａ（ＤＰＭ）では０〜６０ｍｌ／分の範囲
から適宜選ばれた。また、出発原料からの各酸化物の生
成には酸化反応をともなうため、反応ガスに一定量の酸
素を２００〜４００ｍｌ／分程度添加した。なお、ガス
系はステンレススチールで配管し、真空系に連結してリ
ークバルブにより反応系の圧力を調整した。
いはそれらの混合物を、加熱基板の置かれたリアクタ内
に層流として流し、この基板上に、種々のエピタキシャ
ルクラッド層を析出させた。この時のそれぞれの原料に
対するＡｒキャリアガスの流量は、Ｋ（ＤＰＭ）では２
００〜４００ｍｌ／分、Ｌｉ（ＤＰＭ）では１００〜２
００ｍｌ／分、Ｎｂ（ＤＰＭ）2Cl3では５〜１３０ｍｌ
／分、及びＴａ（ＤＰＭ）では０〜６０ｍｌ／分の範囲
から適宜選ばれた。また、出発原料からの各酸化物の生
成には酸化反応をともなうため、反応ガスに一定量の酸
素を２００〜４００ｍｌ／分程度添加した。なお、ガス
系はステンレススチールで配管し、真空系に連結してリ
ークバルブにより反応系の圧力を調整した。
【００１３】図１に示すように、基板１には、例えばＫ
3Ｌｉ2Ｎｂ5Ｏ15等のＫ3Ｌｉ2-x''Ｎｂ5+x''Ｏ15+2x''
（−0.4≦ｘ''≦0.20，ｘ＋0.0005≦ｘ''≦ｘ＋0.005，
ｘ≠ｘ''≠ｘ'）、Ｂａ6Ｎｂ8Ｔｉ2Ｏ30、Ｂａ5Ｔａ10
Ｏ30またはＫ2ＢｉＮｂ5Ｏ15の結晶基板を用い、それぞ
れの＋ｃ面もしくは−ｃ面上にＫ3Ｌｉ2-xＮｂ5+x-yＴ
ａyＯ15+2xなる組成を持つエピタキシャルクラッド層２
を成長させ、さらにこエピタキシャルクラッド層の上へ
Ｋ3Ｌｉ2-x'Ｎｂ5+x'-y'ＴａyＯ15+2x'なる組成で表さ
れエピタキシャルクラッド層２より屈折率の大きいエピ
タキシャル導波路層３を成長させてスラブ導波路とし
た。
3Ｌｉ2Ｎｂ5Ｏ15等のＫ3Ｌｉ2-x''Ｎｂ5+x''Ｏ15+2x''
（−0.4≦ｘ''≦0.20，ｘ＋0.0005≦ｘ''≦ｘ＋0.005，
ｘ≠ｘ''≠ｘ'）、Ｂａ6Ｎｂ8Ｔｉ2Ｏ30、Ｂａ5Ｔａ10
Ｏ30またはＫ2ＢｉＮｂ5Ｏ15の結晶基板を用い、それぞ
れの＋ｃ面もしくは−ｃ面上にＫ3Ｌｉ2-xＮｂ5+x-yＴ
ａyＯ15+2xなる組成を持つエピタキシャルクラッド層２
を成長させ、さらにこエピタキシャルクラッド層の上へ
Ｋ3Ｌｉ2-x'Ｎｂ5+x'-y'ＴａyＯ15+2x'なる組成で表さ
れエピタキシャルクラッド層２より屈折率の大きいエピ
タキシャル導波路層３を成長させてスラブ導波路とし
た。
【００１４】Ｋ3Ｌｉ2-xＮｂ5+x-yＴａyＯ15+2xはタン
グステンブロンズ型の結晶をなし、基板１に用いたＫ3
Ｌｉ2Ｎｂ5Ｏ15、Ｂａ6Ｎｂ8Ｔｉ2Ｏ30、Ｂａ5Ｔａ10Ｏ
30、Ｋ2ＢｉＮｂ5Ｏ15も同じ結晶系であるため、良好な
エピタキシャルクラッド層２が成長し、その上には伝播
損失の少ないエピタキシャル導波路層３が形成できた。
グステンブロンズ型の結晶をなし、基板１に用いたＫ3
Ｌｉ2Ｎｂ5Ｏ15、Ｂａ6Ｎｂ8Ｔｉ2Ｏ30、Ｂａ5Ｔａ10Ｏ
30、Ｋ2ＢｉＮｂ5Ｏ15も同じ結晶系であるため、良好な
エピタキシャルクラッド層２が成長し、その上には伝播
損失の少ないエピタキシャル導波路層３が形成できた。
【００１５】基本波をこの屈折率の大きいエピタキシャ
ル導波路層３に導波させることにより、良好な光閉じ込
めが達成され、高変換効率の波長変換素子が得られた。
さらに、Ｋ3Ｌｉ2-xＮｂ5+x-yＴａyＯ15+2xはＬＮ、Ｌ
Ｔ、ＬＮＴに比較して、光損傷しきい値が高いので、高
い出力まで安定した動作が得られた。Ｋ3Ｌｉ2-xＮｂ
5+x-yＴａyＯ15+2x及びＫ3Ｌｉ2-x'Ｎｂ5+x'-y'ＴａyＯ
15+2x'の両エピタキシャル層の組成に関しては、−0.4
≦ｘ≦0.20、０≦ｙ≦0.33なる範囲が望ましかった。
ル導波路層３に導波させることにより、良好な光閉じ込
めが達成され、高変換効率の波長変換素子が得られた。
さらに、Ｋ3Ｌｉ2-xＮｂ5+x-yＴａyＯ15+2xはＬＮ、Ｌ
Ｔ、ＬＮＴに比較して、光損傷しきい値が高いので、高
い出力まで安定した動作が得られた。Ｋ3Ｌｉ2-xＮｂ
5+x-yＴａyＯ15+2x及びＫ3Ｌｉ2-x'Ｎｂ5+x'-y'ＴａyＯ
15+2x'の両エピタキシャル層の組成に関しては、−0.4
≦ｘ≦0.20、０≦ｙ≦0.33なる範囲が望ましかった。
【００１６】さらに基本波の波長の揺らぎや、周囲の温
度変化に対しても波長変換素子が安定に動作する為に
は、エピタキシャル導波路層３がエピタキシャルクラッ
ド層２に対して、わずかに屈折率が大きいことが必要で
ある。また、位相整合のために波長変換素子では、基本
波の波長λFと第２高調波の波長λS（＝λF／２）とに
対して、結晶膜の屈折率がほとんど等しくなるような組
成でもって結晶膜を成長させることが必要である。逆
に、結晶膜を成長させたならば、基本波の波長を選ん
で、基本波の波長λFと第２高調波の波長λSに対して、
結晶膜の屈折率がほとんど等しくなるような場合を設定
してもよい。
度変化に対しても波長変換素子が安定に動作する為に
は、エピタキシャル導波路層３がエピタキシャルクラッ
ド層２に対して、わずかに屈折率が大きいことが必要で
ある。また、位相整合のために波長変換素子では、基本
波の波長λFと第２高調波の波長λS（＝λF／２）とに
対して、結晶膜の屈折率がほとんど等しくなるような組
成でもって結晶膜を成長させることが必要である。逆
に、結晶膜を成長させたならば、基本波の波長を選ん
で、基本波の波長λFと第２高調波の波長λSに対して、
結晶膜の屈折率がほとんど等しくなるような場合を設定
してもよい。
【００１７】いずれの場合にも、エピタキシャル導波路
層３がエピタキシャルクラッド層２に対して、屈折率が
大きいことが必要である。このような屈折率の関係を実
現するには、エピタキシャルクラッド層２の組成を規定
するパラメータについて、ｙ＝０の場合には、ｘ＋0.00
05≦ｘ'≦ｘ＋0.005なる範囲を設定すれば良い。なお、
エピタキシャル導波路層３の膜厚については、エピタキ
シャル導波路層３は２〜４μｍが好ましく、正確には、
基本波および第２高調波の波長と、エピタキシャルクラ
ッド層２の屈折率とから、基本波の導波光が基本モード
で伝播するように定める。また、エピタキシャルクラッ
ド層２の膜厚については、導波光のエバネッセントが基
板１に漏れ出ないように少なくとも２μｍ以上は確保す
る必要がある。
層３がエピタキシャルクラッド層２に対して、屈折率が
大きいことが必要である。このような屈折率の関係を実
現するには、エピタキシャルクラッド層２の組成を規定
するパラメータについて、ｙ＝０の場合には、ｘ＋0.00
05≦ｘ'≦ｘ＋0.005なる範囲を設定すれば良い。なお、
エピタキシャル導波路層３の膜厚については、エピタキ
シャル導波路層３は２〜４μｍが好ましく、正確には、
基本波および第２高調波の波長と、エピタキシャルクラ
ッド層２の屈折率とから、基本波の導波光が基本モード
で伝播するように定める。また、エピタキシャルクラッ
ド層２の膜厚については、導波光のエバネッセントが基
板１に漏れ出ないように少なくとも２μｍ以上は確保す
る必要がある。
【００１８】さらに、もっと安価な基板を用いてこのよ
うな波長変換素子を実現するために、第２の実施例とし
て、図２に示すように、基板１にサファイアあるいはＭ
ｇＯを用い、バッファー層４としてＫＮｂＯ3や、例え
ばＫ3Ｌｉ2Ｎｂ5Ｏ15等のＫ3Ｌｉ2-x'''Ｎｂ5+x'''Ｏ
15+2x'''（−0.4≦ｘ'''≦0.20，ｘ＋0.0005≦ｘ'''≦
ｘ＋0.005，ｘ≠ｘ'''≠ｘ'）を薄く臨界膜厚0.1〜0.3
μmで成膜し、その後に、Ｋ3Ｌｉ2-xＮｂ5+x-yＴａyＯ
15+2xなる組成を持つエピタキシャルクラッド層２を成
長させ、さらにこのエピタキシャルクラッド層２の上へ
Ｋ3Ｌｉ2-x'Ｎｂ5+x '-y'ＴａyＯ15+2x'なる組成で表さ
れるエピタキシャル導波路層３を成長させて導波路とし
波長変換素子を形成した。サファイアあるいはＭｇＯの
基板方位は、それぞれ、Ｒ面および(100)面である。こ
の第２の実施例によっても、光損傷しきい値が高く、高
出力まで安定した動作が得られる高変換効率の波長変換
素子が得られた。
うな波長変換素子を実現するために、第２の実施例とし
て、図２に示すように、基板１にサファイアあるいはＭ
ｇＯを用い、バッファー層４としてＫＮｂＯ3や、例え
ばＫ3Ｌｉ2Ｎｂ5Ｏ15等のＫ3Ｌｉ2-x'''Ｎｂ5+x'''Ｏ
15+2x'''（−0.4≦ｘ'''≦0.20，ｘ＋0.0005≦ｘ'''≦
ｘ＋0.005，ｘ≠ｘ'''≠ｘ'）を薄く臨界膜厚0.1〜0.3
μmで成膜し、その後に、Ｋ3Ｌｉ2-xＮｂ5+x-yＴａyＯ
15+2xなる組成を持つエピタキシャルクラッド層２を成
長させ、さらにこのエピタキシャルクラッド層２の上へ
Ｋ3Ｌｉ2-x'Ｎｂ5+x '-y'ＴａyＯ15+2x'なる組成で表さ
れるエピタキシャル導波路層３を成長させて導波路とし
波長変換素子を形成した。サファイアあるいはＭｇＯの
基板方位は、それぞれ、Ｒ面および(100)面である。こ
の第２の実施例によっても、光損傷しきい値が高く、高
出力まで安定した動作が得られる高変換効率の波長変換
素子が得られた。
【００１９】実際には、上記両実施例において、スラブ
導波層をエッチングによりリッジ導波路を形成するこ
と、あるいは導波層３の上にさらにＳｉＯ2をストライ
プ状に装荷する等の方法により導波路を３次元化するこ
ともできる。また、本発明によれば、上記素子の３次元
導波路に交差する周期的分極反転層を形成して、非線形
光学効果による第２高調波出力がその伝播に伴ってコヒ
ーレンス長毎に極大極小を周期的に繰返すことを利用し
て、コヒーレンス長毎に発生する分極の符号を交互に反
転させて、第２高調波の出力の加算により出力を増大さ
せる疑似位相整合（ＱＰＭ）の波長変換素子を形成でき
る。さらに導波路の膜厚、オーバーレイヤなどの種々の
位相整合方法も用いることができる。
導波層をエッチングによりリッジ導波路を形成するこ
と、あるいは導波層３の上にさらにＳｉＯ2をストライ
プ状に装荷する等の方法により導波路を３次元化するこ
ともできる。また、本発明によれば、上記素子の３次元
導波路に交差する周期的分極反転層を形成して、非線形
光学効果による第２高調波出力がその伝播に伴ってコヒ
ーレンス長毎に極大極小を周期的に繰返すことを利用し
て、コヒーレンス長毎に発生する分極の符号を交互に反
転させて、第２高調波の出力の加算により出力を増大さ
せる疑似位相整合（ＱＰＭ）の波長変換素子を形成でき
る。さらに導波路の膜厚、オーバーレイヤなどの種々の
位相整合方法も用いることができる。
【００２０】
【発明の効果】本発明によれば、ＭＯＣＶＤ法を用い、
基板上にＫ3Ｌｉ2-xＮｂ5+x-yＴａyＯ 15+2x単結晶薄膜
をエピタキシャル成長させることにより導波路を形成し
たので、ＬＮ、ＬＴ、ＬＮＴに比して光損傷しきい値が
高く、高出力まで安定した動作が得られる高変換効率の
波長変換素子が得られる。さらに、キャリアーガスの流
量を変えることにより、容易に、結晶組成を変えること
ができるので、導波路の屈折率、膜厚を精密に制御する
ことができ製造容易な波長変換素子が得られる。
基板上にＫ3Ｌｉ2-xＮｂ5+x-yＴａyＯ 15+2x単結晶薄膜
をエピタキシャル成長させることにより導波路を形成し
たので、ＬＮ、ＬＴ、ＬＮＴに比して光損傷しきい値が
高く、高出力まで安定した動作が得られる高変換効率の
波長変換素子が得られる。さらに、キャリアーガスの流
量を変えることにより、容易に、結晶組成を変えること
ができるので、導波路の屈折率、膜厚を精密に制御する
ことができ製造容易な波長変換素子が得られる。
【図１】本発明による実施例の波長変換素子の概略断面
図である。
図である。
【図２】本発明による他の実施例の波長変換素子の概略
断面図である。
断面図である。
１ 基板
２ エピタキシャルクラッド層
３ エピタキシャル導波路層
４ バッファー層
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G02F 1/37
ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (8)
- 【請求項１】 基板と、前記基板の表面に堆積されたＫ
3Ｌｉ2-xＮｂ5+x-yＴａyＯ15+2x（−０．４≦ｘ≦０．
２０，０≦ｙ≦０．３３）のエピタキシャルクラッド層
と、前記エピタキシャルクラッド層上に堆積されたＫ3
Ｌｉ2-x'Ｎｂ5+x'-y 'ＴａyＯ15+2x'（−０．４≦ｘ’
≦０．２０，０≦ｙ’≦０．３３，ｘ＋０．０００５≦
ｘ’≦ｘ＋０．００５，ｘ’≠ｘ）からなり前記エピタ
キシャルクラッド層よりも屈折率の大きいエピタキシャ
ル導波路層と、からなり、 前記エピタキシャルクラッド層と前記エピタキシャル導
波路層が、少なくともリチウム（Ｌｉ）、カリウム
（Ｋ）、タンタル（Ｔａ）及びニオブ（Ｎｂ）の有機金
属化合物ガスの各々を有機金属気相エピタキシ装置の成
長室に配置された前記基板上へ導入し、前記有機金属化
合物ガスの反応により、形成されている、 ことを特徴と
する波長変換素子。 - 【請求項２】 前記有機金属化合物ガスは、少なくとも
リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）、タンタル（Ｔａ）
及びニオブ（Ｎｂ）の有機化合物を昇華させたものであ
る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】 前記基板はタングステンブロンズ型結晶
からなることを特徴とする請求項１記載の波長変換素
子。 - 【請求項４】 前記基板はＫ3Ｌｉ2-x''Ｎｂ5+x''Ｏ
15+2x''（−０．４≦ｘ’’≦０．２０，ｘ＋０．００
０５≦ｘ’’≦ｘ＋０．００５，ｘ≠ｘ’’≠ｘ’）、
Ｂａ6Ｎｂ8Ｔｉ2Ｏ30、Ｂａ5Ｔａ10Ｏ30又はＫ2ＢｉＮ
ｂ5Ｏ15からなることを特徴とする請求項３記載の波長
変換素子。 - 【請求項５】 前記基板はサファイアまたは酸化マグネ
シウムからなり、前記基板及び前記エピタキシャルクラ
ッド層の間に臨界膜厚のＫＮｂＯ3若しくはＫ3Ｌｉ
2-x'''Ｎｂ5+x'''Ｏ15+2x'''（−０．４≦ｘ’’’≦
０．２０，ｘ＋０．０００５≦ｘ’’’≦ｘ＋０．００
５，ｘ≠ｘ’’’≠ｘ’）からなるバッファ層を有する
ことを特徴とする請求項１記載の波長変換素子。 - 【請求項６】 前記バッファ層の膜厚が０．１〜０．３
μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項５記載の波
長変換素子。 - 【請求項７】 前記エピタキシャル導波路層の膜厚が２
〜４μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１記載
の波長変換素子。 - 【請求項８】 前記エピタキシャルクラッド層の膜厚が
２μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の波長
変換素子。
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-
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- 1994-06-21 JP JP13901294A patent/JP3462265B2/ja not_active Expired - Fee Related
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1995
- 1995-06-19 US US08/491,620 patent/US5581396A/en not_active Expired - Fee Related
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