JP4557264B2

JP4557264B2 - 波長変換素子

Info

Publication number: JP4557264B2
Application number: JP2007058369A
Authority: JP
Inventors: 隆史吉野
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2007-03-08
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2027-03-08
Also published as: US7633672B2; US20080218847A1; JP2008224708A

Description

本発明は、波長変換素子に関するものである。

強誘電体の分極を強制的に反転させる分極反転構造を周期的に形成することで、表面弾性波を利用した光周波数変調器や、非線型分極の分極反転を利用した光波長変換素子などを実現することができる。特に、非線型光学材料の非線型分極を周期的に反転することが可能となれば、高効率な波長変換素子を作製することができ、これを用いて固体レーザなどの光を変換すれば、印刷、光情報処理、光応用計測制御などの分野に応用できる小型軽量の短波長光源を構成することができる。

強誘電体非線型光学材料に周期状の分極反転構造を形成する手法としては、いわゆる電圧印加法が知られている。この方法では、強誘電体単結晶の基板の一方の主面に櫛形電極を形成し、他方の主面に一様電極を形成し、両者の間にパルス電圧を印加する。こうした方法は、特許文献１、２、３に記載されている。
特開平８−２２０５７８特開２００５−７０１９５特開２００５−７０１９４

ニオブ酸リチウム単結晶などの非線型光学材料から第二高調波を発生させるためには、単結晶に周期状の分極反転を形成する必要がある。そして、周期分極反転構造を強誘電体単結晶基板に形成した後に、基板表面に機械加工やレーザー加工によってリッジ型チャンネル光導波路を形成する。この際、リッジ型光導波路の内部に、周期分極反転構造が位置するようにすることで、光導波路に入射した基本波を高調波へと変調する。

しかし、周期分極反転構造を形成した領域にリッジ型光導波路を形成し、基本波を入射させた場合、素子外の光ファイバーなどへの結合効率が低くなる場合があり、また光の伝搬損失が増大する傾向が見られた。これによって、高調波出力が低くなることが判明してきた。これは、周期分極反転構造をスラブ導波路として使用した場合には見られなかった現象であり、予測を超えたものであった。

本発明の課題は、周期分極反転構造の形成されたリッジ型光導波路を有する波長変換素子を形成するのに際して、高調波の発生効率を向上させることである。

本発明に係る波長変換素子は、
周期分極反転構造の形成された、リッジ幅３．０〜６．０μｍ、リッジ高さ０．５〜３．０μｍのリッジ型光導波路を有する光導波路基板、
支持基板、
光導波路基板のリッジ型光導波路と反対側の面に設けられたバッファ層、および
バッファ層と支持基板との間に設けられた接着層を備えており、リッジ型光導波路内で波長変換を行う波長変換素子であって、
リッジ型光導波路の各側壁面と上側平面との間の各エッジ部にそれぞれＲ面が形成されており，Ｒ面における曲率半径が、１．０μｍ以上、リッジ型光導波路のリッジ幅の２／５以下であることを特徴とする。

本発明者は、リッジ導波路型波長変換素子を作製する際に、リッジ部の形状に注目した。そして、リッジ部を加工する歳に、リッジ部が台形形状になるために、光導波モードも台形形状になり、歪んでくることを確認した。このような非対称に歪んだ伝播モードが、結合効率劣化や伝搬損失増大の原因になることを見いだした。

本発明者は、このような新たな知見を踏まえ、リッジ部を形成した後に、リッジ部の表面、特にエッジ部を柔らかい研磨パッドで研磨することにより、エッジ部をＲ面状に加工することを想到した。そして、研磨後のリッジ型光導波路における伝搬モードを確認したところ、伝播モードの形状が対称性の高い形状に改善されていることを見いだした。そして、この結果として、Ｒ面形成前に比べて高調波出力が顕著に向上することを確認し、本発明に到達した。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る波長変換素子１を示す模式図であり、図１（ｂ）は、リッジ部８のエッジ部８ａを拡大して示す図である。図２は、比較例の波長変換素子１１を示す模式図である。

図１の素子１では、光導波路基板５の背面５ａ側にバッファ層４が形成されている。支持基板２の表面２ａに対して、光導波路基板５のバッファ層４が接着層３によって接合されている。光導波路基板５の表面は加工されており、リッジ型光導波路８、リッジ型光導波路８の両側にある溝７および各溝の外側に形成された延在部６を備えている。９は肉薄部であり、１０はリッジ型光導波路８のうちの底部である。リッジ型光導波路８の上面８ｂと側壁面８ｃとの境界にはエッジ部８ａが設けられている。リッジ型光導波路８内には周期分極反転構造３０が設けられている。

図２の素子１１では、光導波路基板１５の背面側にバッファ層４が形成されている。支持基板２の表面２ａに対して、光導波路基板１５のバッファ層４が接着層３によって接合されている。光導波路基板１５の表面は加工されており、リッジ型光導波路１８、リッジ型光導波路１８の両側にある溝１７および各溝の外側に形成された延在部１６を備えている。９は肉薄部であり、１０はリッジ型光導波路１８のうちの底部である。リッジ型光導波路１８の上面１８ｂと側面１８ｃとの境界にはエッジ部１８ａが設けられている。

ここで、従来の波長変換素子では、リッジ型光導波路１８のリッジ部１８ａに特にＲ加工が施されていなかった。リッジ型光導波路１８は、レーザー加工やエッチング加工によって形成可能であるが、加工はかなり難しく、加工後の形状は必然的に台形になる。例えば図３（ａ）に示すように、リッジ型光導波路１８の上面１８ｂにおけるリッジ幅ａは、リッジ型光導波路１８の底部における幅よりも小さくなり、側壁面１８ｃは傾斜している。

このリッジ型光導波路１８内を伝搬する光ビーム１０は、大きく歪む傾向があることがわかった。非対称に歪んだ伝播モードが結合効率劣化や伝搬損失増大の原因になる。

これに対して、本発明では、図１（ｂ）に示すように、リッジ型光導波路８のエッジ部８ａにＲ面を形成する。この結果、図３（ｂ）に示すように、伝播モード２２の形状が、対称性の高い形状に改善されていることを見いだした。そして、この結果として、Ｒ面形成前に比べて高調波出力が顕著に向上することを確認した。

リッジ型光導波路のエッジ部をＣ面とした場合には本発明のような効果は得られなかった。すなわち、本発明は、単にエッジ部を面取り加工することではなく、Ｒ面を選択することで、伝搬モードの形態が高調波出力の増大に寄与するように変化することを発見した点にある。

エッジ部８ａにＲ面が形成されているが、Ｒ面における曲率半径Ｒは１．０μｍ以上である。

Ｒ面の曲率半径Ｒの上限は、リッジ型光導波路のリッジ幅ａの２／５以下である。ただし、リッジ型光導波路のリッジ幅ａは以下のように定義される。すなわち、リッジ型光導波路の側面８ｃにおける接線をＡとし、上面８ｂにおける接線をＢとする。接戦ＡとＢとの交点間の距離をリッジ幅ａとする。

リッジ幅ａは３．０〜６．０μｍであり、４．０〜５．０μｍであることが更に好ましい。リッジ高さｂは０．５〜３．０μｍであり、１．５〜２．５μｍであることが更に好ましい。

リッジ部を加工してＲ面を形成する方法は特に限定されないが、以下を例示できる。
軟質研磨パッドとコロイダルシリカによる表面研磨法
フッ硝酸によるエッチング法

光導波路基板を構成する材質は時に限定されないが、強誘電体単結晶が好ましく、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５の各単結晶が特に好ましい。

強誘電体単結晶中には、三次元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。分極反転特性（条件）が明確であるとの観点からは、ニオブ酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウムータンタル酸リチウム固溶体単結晶、タンタル酸リチウム単結晶にそれぞれマグネシウムを添加したものが特に好ましい。また、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。

光導波路基板としては、いわゆるＺカット基板，オフカットＸ板、オフカットＹ板を使用することが特に好適である。オフカットＸ板、オフカットＹ板を使用する場合には、オフカット角度は特に限定されない。特に好ましくは、オフカット角度は１°以上であり、あるいは、２０°以下である。

支持基板の材質は、絶縁性が高く、材質内の体積抵抗率が均一で、所定の構造強度を有していることが必要である。この材質としては、シリコン、サファイア、水晶、ガラス、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ＭｇＯドープニオブ酸リチウム、ＭｇＯドープタンタル酸リチウム、ＺｎＯドープニオブ酸リチウム、ＺｎＯドープタンタル酸リチウムを例示できる。

光導波路基板と支持基体とを接着する接着剤の材質は特に限定されないが、アクリル系、エポキシ系の紫外線硬化型、熱硬化型、併用型の樹脂を例示できる。

リッジ型光導波路を形成する方法は特に限定されない。例えば、リッジ型光導波路は、レーザーアブレーション加工、研削加工、ドライエッチング、ウエットエッチングによって形成可能である。

本発明によって形成された周期状分極反転部は、このような分極反転部を有する任意の光学デバイスに対して適用できる。このような光学デバイスは、例えば、第二高調波発生素子等の高調波発生素子を含む。第二高調波発生素子として使用した場合には、高調波の波長は３３０−１６００ｎｍが好ましい。

図１に示すような波長変換素子１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基板上に、周期6.53μｍ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。周期分極反転を形成した後、厚さ0.6umのＳｉＯ_２アンダークラッド４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２に接着剤を塗布した後、前記のＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板と貼り合せ、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の表面を厚さ3.8μｍとなるまで研削、研磨で削り落とした。

次に、レーザーアブレーション加工法により、周期分極反転の先端部から10um離れた位置に導波路の中心が来るようにリッジ導波路を形成した。形成したリッジ部の幅aが４．５μｍであり, リッジ部の高さｂが２μｍであった。リッジ部の形成後、その表面をスエード系の研磨パッドとシリカ系砥粒を使用し、５分間研磨した。Ｒ面の曲率半径Ｒは１．８μｍとした。

表面研磨後、スパッタ法により厚さ０．５μｍのTa2O5膜を導波路表面に成膜した。ダイサーで長さ12mm、幅1.4mmで素子を切断した後、両端を端面研磨した。その後、両端に反射防止膜を施した。

この導波路において半導体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、85mWが導波路に結合できた。半導体レーザーの波長を温度によって可変させて位相整合する波長に調節した時に、最高25ｍＷのSHG出力が得られた。その際の基本光の波長は1061.2ｎｍであった。

また、エッジ部における曲率半径Ｒを、表１に示すように種々変更し、上記と同様にしてＳＨＧ出力を測定した。この結果を表１に示す。

このように、リッジ型導波路の上部エッジ部を研磨によってＲ面加工することにより、伝播モード形状の対称性が改善された。その結果、結合効率が増大し、かつ伝播ロスも低減し、変換効率が大幅に改善された。

なお、前記エッジ部をＲ面加工せず、Ｃ面を形成し、上のようにしてＳＨＧ出力を測定した。この結果、出力は１１ｍＷであった。

（ａ）は、本発明の一実施形態に係る波長変換素子１を示す模式図であり、（ｂ）は、エッジ部８ａの拡大図である。比較例に係る波長変換素子１１を示す模式図である。（ａ）は、比較例のリッジ型光導波路における伝搬モードを示す模式図であり、（ｂ）は、本発明例のリッジ型光導波路における伝搬モードを示す模式図である。

符号の説明

１波長変換素子２支持基板３接着層４バッファ層５光導波路基板６延在部７溝８リッジ型光導波路８ａエッジ部８ｂリッジ型光導波路の上面８ｃリッジ型光導波路の側面２１従来例の伝搬モード２２本発明例の伝搬モードａリッジ型光導波路のリッジ幅ｂリッジ高さＡ側面８ｃの接線Ｂ上面８ｂの接線ＯＲ面の曲率中心ＲＲ面の曲率半径

Claims

周期分極反転構造の形成された、リッジ幅３．０〜６．０μｍ、リッジ高さ０．５〜３．０μｍのリッジ型光導波路を有する光導波路基板、
支持基板、
前記光導波路基板の前記リッジ型光導波路と反対側の面に設けられたバッファ層、および
前記バッファ層と前記支持基板との間に設けられた接着層を備えており、前記リッジ型光導波路内で波長変換を行う波長変換素子であって、
前記リッジ型光導波路の各側壁面と上側平面との間の各エッジ部にそれぞれＲ面が形成されており，前記Ｒ面における曲率半径が、１．０μｍ以上、前記リッジ型光導波路の前記リッジ幅の２／５以下であることを特徴とする、波長変換素子。