CN101952773A - 波长转换元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种波长转换元件(1)，包括：支持基板(8)；波长转换用基板(2)，其由强介电性单晶所构成的Z板构成，形成有周期极化反转结构，厚度为10μm以上、100μm以下；设置在所述波长转换用基板的底面(2b)的缓冲层(6)；和将所述支持基板(8)和所述缓冲层(6)粘结，厚度为0.6μm以上、2.0μm以下的有机树脂粘结剂层(7)。

Description

波长转换元件
技术领域
本发明涉及一种波长转换元件。
背景技术
如铌酸锂和钽酸锂单晶那样的非线性光学结晶的二次非线性光学常数较高，通过在这些结晶中形成周期性的极化反转结构，可实现准相位匹配(Quasi-Phase-Matched：QPM)方式的二次谐波发生(Second-Harmonic-Generation：SHG)装置。又，通过在该周期极化反转结构内形成波导，可实现高效的SHG装置，并能够广泛应用于光通信、医学、光化学、各种光计测等领域。
本申请人在日本专利公开2005-55528号专利申请中，提出了将法布里-珀罗(Fabry-Perot)型宽接触条形半导体激光器激振元件的输出光作为基本波对由非线性光学结晶构成的平板光波导(スラブ光導波路)进行入射，从平板光波导输出蓝色激光的技术。这里，平板光波导通过将铌酸锂钾等的非线性光学单晶的Z板研磨薄而制作而成。
发明内容
发明者尝试了使得从固体半导体激光光源出射的基本波朝向平板光波导入射，以产生二次谐波。此时，掺杂氧化镁的铌酸锂单晶的Z板用作为平板光波导，在该平板光导波中通过电压施加法形成周期极化反转结构。该Z板以树脂粘结剂与其他的较厚的支持基板粘结。
但是，这样实际制作这样的波长转换元件时，在激发二次谐波时，会产生以下不希望得到的现象。即，二次谐波输出的偏差比预想的要大，一部分元件的二次谐波的输出显著下降。又，制作元件对外部的光纤进行光轴调整时，使得激光入射到元件对光量进行计测。此时，元件的端面的附近树脂粘结层燃烧，在端面附近产生粘结破坏。
本发明的课题是，在平板光波导中形成周期极化反转结构，在该平板光波导相对支持基板粘结的结构的波长转换元件中，防止波长转换光的输出下降或变动，防止粘结层的燃烧导致的端面破环，以得到稳定的高输出。
本发明的波长转换元件，包括：支持基板；波长转换用基板，其由强介电性单晶所构成的Z板构成，形成有周期极化反转结构，该波长转换用基板的厚度为10μm以上、100μm以下；设置在所述波长转换用基板的底面的缓冲层；和将所述支持基板和所述缓冲层粘结，厚度为0.6μm以上、2.0μm以下的有机树脂粘结剂层。
发明者，研究了上述波长转换光的输出下降和粘结层燃烧的原因，发现由于周期分极反转结构、缓冲层和树脂粘结层之间的相互作用，对应于树脂粘结层的膜厚产生转换光的输出下降和粘结层的燃烧。
于是，基于上述认知发现，通过使得就在周期极化反转结构和缓冲层的正下方的树脂粘结层的膜厚在0.6μm以上、2.0μm以下，可稳定转换光的输出并将该输出维持得较高，且能够防止树脂粘结层的燃烧导致的端部破环，从而获得本发明。
附图说明
图1是本发明的实施方式涉及的波长转换元件1的示意图。
图2是示意性显示比较例的波长转换元件的图。
图3是示意性显示比较例的波长转换元件的图。
具体实施方式
下面参照附图，对本发明的作用效果进行更加详细的说明。
图1是本发明涉及的波长转换元件1的示意图。
在本实施例中，由强介电性的单晶构成的Z板2中，以一定周期形成有从上表面2a延伸到底面2b的极化反转部3。Z板是指极化反转方向为从基板的上表面朝向下表面延伸的基板。相邻的极化反转部3之间，分别留有非极化反转部4。极化反转部3和非极化反转部4以一定周期交替形成多个，从而构成周期极化反转结构5。波长转换用基板2的底面2b上形成缓冲层6。本实施例中，支持基板8通过有机树脂粘结层7粘结在缓冲层6之下。
又，在图1中虽未示出，但是在基板2的上表面2a侧也可形成缓冲层，其上也可进一步粘结其他的支持基板。
然后，使得基本波如箭头A那样从图未示的光源向入射面2c入射时，通过周期极化反转结构5接收波长转换，波长转换光从出射面2d如箭头B所示的那样出射。转换光的波长根据从光的传送方向看的极化反转周期来确定。
在本发明中，通过有机树脂粘结剂使得支持基板和缓冲层粘结，并限定有机树脂粘结剂层7的厚度t为0.6μm以上、2.0μm以下。下面描述这样限定的理由和作用效果。
通过对经过周期极化反转结构的波长转换光的损失增大的原因进行各种研究，得到以下的结论。下面参考图2对其进行说明。
首先，在强介电性单晶的Z基板上形成周期极化反转结构的情况下，基板的底面上，有极化反转部3相对非极化反转部4稍许后退的倾向。结果，在基板的底面上，产生微小的凹凸。在其上设置缓冲层6的话，在缓冲层6的表面上也会转印有波长转换用基板2的底面上的微小的凹凸。
当有机树脂粘结剂层7过薄时，尤其是不到0.6μm的情况下，树脂粘结剂难以进入缓冲层6的表面的微小的凹部内，有形成微小气泡9的倾向。在周期极化反转结构5内的传输光由于多个这样的气泡9的影响朝向外部扩散，导致光的损失。这样的光的损失就是导致波长转换光的输出下降的原因。
这样，发明者发现，通过将有机树脂粘结剂层7的厚度t限定为0.6μm以上，可填充缓冲层表面的微细的凹凸，防止气泡9的产生，能提高波长转换光的输出，并使得输出稳定。
另一方面，如图3所示，当有机树脂粘结剂层7过厚时，尤其是当t超过2.0μm的情况下，的确可以填充缓冲层6的表面的凹凸，防止气泡的产生。但是，不希望得到的结果是，由于在周期极化反转结构5中被波长转换后的波长转换光被有机树脂粘结剂层7所吸收，树脂层7发热，端部燃烧。这样的发热、燃烧在基本波的情况下不会发生，这是由周期极化反转结构产生的波长转换光所特有的现象。
又，在由强介电性单晶构成的波长转换用基板2不是Z板，而是X板、Y板、胶印X板的情况下，波长转换用基板2的底面2b不露出周期极化反转结构，因此不产生由此导致的凹凸。因此，不会产生由于缓冲层6的表面凹凸引起的所述树脂粘结剂层的燃烧或光损失导致的波长转换光的输出降低。
又，即使在波长转换部不是周期极化反转结构的情况下，波长转换用基板2的底面2b也不露出周期极化反转结构，也不会发生由此导致的凹凸。这样就不会产生由于缓冲层6的表面凹凸引起的所述树脂粘结剂层的燃烧或光损失导致的波长转换光的输出降低。即，本发明是基于在上述特定结构中发现了特有的问题点而做出的发明，并在此方面具有创造性。
在本发明中，波长转换用基板2的厚度T为10μm以下、100μm以下。通过使其为10μm以上，使得基本波容易入射到波导，基本波的结合效率提高。从这一观点来看，波长转换用基板2的厚度最好在20μm以上。
又，通过使得波长转换用基板2的厚度T在100μm以下，可提高波导光能量密度。从这一观点来看，最好波长转换用基板2的厚度在80μm以下。
构成波长转换用基板的强介电性单晶只要能够进行光调制即可，没有特别的规定，可例举出铌酸锂、钽酸锂、铌酸锂-钽酸锂固溶体、铌酸锂钾、KTP、GaAs和水晶等。
为了使得单晶光波导的耐光损伤性进一步提高，可使强介电性单晶中含有从由镁(Mg)、锌(Zn)、钪(Sc)和铟(In)构成的组中选择出的一种以上的金属元素，最好是镁。强介电性单晶中，作为掺杂成分，可使其含有烯土类元素。该烯土元素作为激光器激振用的添加元素。该烯土类元素最好是Nd、Er、Tm、Ho、Dy、Pr。
缓冲层6的材质可以例示有氧化硅、氟化镁、氮化硅、铝、五氧化钽。
缓冲层6的厚度c没有特别限定。但是，缓冲层的厚度c过小的话，光传输损失会增加，因此从这一观点考虑，c最好是0.2μm以上。又，缓冲层的厚度c过大的话，缓冲层的形成变得困难，从这一观点来看，c最好是2.0μm以下、1.5μm以上。
构成有机树脂粘结剂层的有机树脂粘结剂，没有特别限定，可以是紫外线固化型粘结剂，热固化型粘结剂等。有机树脂粘结剂的具体例没有特别限定，可以例示有丙烯类粘结剂、热固化型粘结剂、紫外线固化型粘结剂。
实施例
(实施例1)
制作如图1所示的实施方式中的光转换元件。
具体来说，在厚度为0.5mm的掺杂5％的MgO的铌酸锂Z基板上，以光刻法形成周期7.0μm的梳子状周期电极。在该基板的整个背面形成电极膜之后，施加脉冲电压。以氟硝酸溶液进行蚀刻，确认形成了周期极化反转结构。形成周期极化反转结构5之后，通过溅射法形成厚度0.4μm的SiO2缓冲层6。
在厚度0.5mm的非掺杂铌酸锂基板上涂布丙烯类粘结剂之后，粘贴所述的掺杂MgO的铌酸锂基板。此时，粘结剂层的厚度t为0.6μm。对掺杂MgO的铌酸锂基板的表面进行磨削、研磨直到厚度为50μm。光波导形成之后，通过溅射法形成厚度0.5μm的Ta2O5包层(オ一バ一クラッド)。通过切开机切断为长5mm、宽8.0mm的元件之后，进行端面研磨后，施加了反射防止膜。
在该波导中，采用Nd:YAG激光器进行光学特性测定。激光器的激振输出调整为5W，该基本光通过透镜在波导端面上聚光，96％与波导结合，得到100mW的SHG的输出。
(实施例2)
和实施例一样地制作波长转换元件。但是粘结剂层7的厚度t为2.0μm。Nd:YAG激光器的激振输出调整为5W，该基本光通过透镜在波导端面聚光后，95％可与波导结合，得到93mW的SHG输出。
(比较例1)
在厚度0.5mm的非掺杂铌酸锂基板上涂布粘结剂之后，和所述掺杂MgO的铌酸锂基板贴合。此时，粘结层厚度为0.3μm。对掺杂MgO的铌酸锂基板的表面进行磨削、研磨直到厚度为50μm。
光波导形成之后，通过溅射法形成厚度0.5μm的Ta2O5包层。通过切开机切断为长5mm、宽8.0mm的元件之后，进行端面研磨。此时，端面部露出气泡9，平板波导的一部分剥离。
在该波导中，采用Nd:YAG激光器进行光学特性测定。激光器的激振输出调整为2W，该基本光通过透镜在波导端面上聚光，其结果65％能与波导结合，得到58mW的SHG输出。
(比较例2)
使得比较例1中的粘结剂层的厚度t为0.5μm。通过切开机切断为长5mm、宽8.0mm的元件之后，进行端面研磨。此时，端面部露出气泡9，平板波导的一部分剥离。
在该波导中，采用Nd:YAG激光器进行光学特性测定。激光器的激振输出调整为2W，该基本光通过透镜在波导端面上聚光，其结果70％能与波导结合，得到65mW的SHG输出。
(比较例3)
使得比较例1中的粘结剂层的厚度t为3.0μm。在该波导中，采用Nd:YAG激光器进行光学特性测定。激光器的激振输出调整为5W，该基本光通过透镜在波导端面上聚光，其结果95％可与波导结合，得到98mW的SHG输出，但是，其后端面的粘结层产生了燃烧破环。
(比较例4)
使得比较例1中的粘结剂层的厚度t为2.2μm。在该波导中，采用Nd:YAG激光器进行光学特性测定。激光器的激振输出调整为5W，该基本光通过透镜在波导端面上聚光，其结果96％能与波导结合，得到99mW的SHG输出，但是，端面的粘结层产生了部分燃烧，SHG输出降低到40mW。
接着，制作和实施例1相同的波长转换元件，进行和实施例1一样的SHG输出测定，并观测波长转换元件的外观。但是，波长转换用基板的厚度、支持基板的厚度，如表1所示变更。SHG输出和观察到的现象如表1所示。
表1
Figure BPA00001207076000061
如果波长转换用基板的厚度不到10μm，结合效率降低。又，如果粘结剂层的厚度为0.5μm，端面露出气泡，从而SHG输出降低。又，如果粘结剂层的厚度为2.1μm，端面的粘结层一部分燃烧而破损。
本发明对特定实施方式进行了说明，但是本发明不限于上述特定的实施方式，在不脱离请求范围的前提下，可进行种种变更和改变来实施。

Claims (1)

1.一种波长转换元件，其特征在于，包括：
支持基板；
波长转换用基板，其由强介电性单晶所构成的Z板构成，形成有周期极化反转结构，该波长转换用基板的厚度为10μm以上、100μm以下；
设置在所述波长转换用基板的底面的缓冲层；和
将所述支持基板和所述缓冲层粘结，厚度为0.6μm以上、2.0μm以下的有机树脂粘结剂层。
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