JP2000241842A

JP2000241842A - 光波長変換素子および短波長光発生装置

Info

Publication number: JP2000241842A
Application number: JP11042398A
Authority: JP
Inventors: Kiminori Mizuuchi; 公典水内; Makoto Minakata; 皆方　　誠
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2000-09-08

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の光波長変換素子は光損傷による出力の不
安定化により、高出力化が難しかった。また、従来の光
導波路は非線形性が低く、導波モード間のオーバラップ
が小さかったために、高効率化には限界があった。【解決手段】ZnOを熱拡散することで、基板１内部に高
屈折率部分を有する屈折率分布が形成され、対称構造の
光導波路３が構成できる。これによって、導波モード間
のオーバラップを大幅に改善できる。さらにZnO拡散に
よる光導波路３は、耐光損傷強度に優れ、高い非線形性
を有するため、高効率で高出力の光波長変換素子が実現
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光メモリ、光情報
処理、光応用計測分野等に使用される光波長変換素子並
びにコヒーレント光源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】２次の非線形光学効果を利用した光波長
変換素子は、光の波長を半分に変換できる。これを利用
すると、半導体レーザの波長変換による小型の短波長光
源を実現できるため、盛んに研究が行われている。

【０００３】図６に従来の光波長変換素子の構成を示
す。Ｚ板のLiNbO₃基板２１上に周期状の分極反転構造２
２を形成し、さらに基板表面にプロトン交換光導波路２
３を形成している。光導波路の端面より光導波路内に基
本波を入射すると、周期状の分極反転構造により第二高
調波（以下ＳＨＧとする）に波長変換される。高い非線
形性を有するLiNbO₃やLiTaO₃を用いることで高効率の波
長変換が可能であり、波長800nm帯の基本波に対し、200
%/W以上の変換効率で波長変換を行い数mWの青色ＳＨＧ
光の発生が実現されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の光波長変換素子
では、青色光以下の短波長領域における耐光損傷強度が
弱いため、高出力のＳＨＧ光を得ることが困難である。
例えばLiNbO₃を用いた場合で数mW、LiNbO₃に比べ耐光損
傷強度の強いLiTaO₃を用いた場合でも10mW程度のＳＨＧ
光しか得られず、さらに高出力のＳＨＧ光に対しては、
出力が不安定になるという問題があった。この原因は、
ＳＨＧ光により光損傷が発生し、導波路の屈折率変化を
誘発してＳＨＧの出力を不安定にするためである。

【０００５】また、従来の光波長変換素子は高効率化に
限界があった。これは、従来の光波長変換素子がプロト
ン交換導波路のような非対称構造（基板の深さ方向に対
して表面の屈折率が最も高く、内部に行くに従い屈折率
が減少する）の光導波路を用いていることに起因する。
光導波路型の光波長変換素子の変換効率は、導波路内に
おける基本波とＳＨＧとの電界分布のオーバラップの大
きさに依存する。ところが、基本波とＳＨＧとでは波長
が異なるため波長分散により電界分布が異なる。特に、
非対称構造の導波路では、波長分散による電界分布の違
いが非常に大きくなり、導波モード間のオーバラップが
極端に減少するためＳＨＧ素子の変換効率を大幅に低下
させてしまう。

【０００６】また、従来の光波長変換素子は基板表面に
光導波路が露出しているため、表面状態の影響を導波光
が受けやすく、導波ロスの増大の原因となっていた。ま
た、基板表面のダストや汚れによる特性の劣化が生じや
すいという問題があった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
手段として本発明は、LiNb_(1-X)Ta_XO₃（０≦Ｘ≦１）基
板と、前記基板に形成した周期状の分極反転と、前記基
板表面に形成した光導波路とを有し、前記光導波路のコ
アの部分にZnOが添加されている光波長変換素子であ
る。

【０００８】また、ZnOをドープしたLiNb_(1-X)Ta_XO
₃（０≦Ｘ≦１）基板と、前記基板に形成した周期状の
分極反転とを有する光波長変換素子である。

【０００９】また、LiNb_(1-X)Ta_XO₃（０≦Ｘ≦１）基板
と、前記基板表面近傍に形成したZnOが添加された層
と、前記基板に形成した周期状の分極反転と、前記基板
表面に形成した光導波路と、を有する光波長変換素子で
ある。

【００１０】また、上記いずれか記載の光波長変換素子
と、半導レーザとを有し、前記半導体レーザから出射さ
れた光を前記光波長変換素子により波長変換している短
波長光発生装置である。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明は、LiNbO₃またはLiTaO₃結
晶の耐光損傷性の向上を目的として結晶内にZnOをドー
ピングすることを提案する。従来から、これらの結晶に
ZnOが拡散できることは、知られていたが、分極反転型
の光波長変換素子に使用した場合の耐光損傷性について
は明らかにされていなかった。本発明者は、ZnOをLiNbO
₃にドーピングすることで、その耐光損傷強度が２桁以
上に飛躍的に向上することを見出した。さらに、ZnO拡
散により形成した光導波路が基板内部に屈折率のピーク
を有する内部埋め込み型の光導波路が形成できることを
発案した。そこで、この結晶を用いて、光波長変換素子
を構成することを提案する。

【００１２】以下に本発明の実施の形態を図面を参照し
ながら説明する。

【００１３】（実施の形態１）本実施の形態１では、Zn
O拡散による光導波路を用いた光波長変換素子について
説明する。

【００１４】本発明の光波長変換素子の構成図を図１に
示す。Ｚ板のLiNbO₃基板１に周期状の分極反転２が形成
されており、基板１の表面近傍にZnO拡散による光導波
路３が形成されている。光導波路部分はZnOを熱拡散す
ることにより形成さているため、光導波路のコアの部分
が、ZnOが添加されたとしたLiNbO₃からなっている。光
導波路３に入射した波長850nmの基本波４は波長変換さ
れ波長425nmのＳＨＧ光５となって出射される。本発明
の光波長変換素子はZnO拡散の光導波路により高効率の
変換が可能である。またそれに加え、耐光損傷性に優れ
るため高出力ＳＨＧ光を安定に出力することができる。
その理由を以下に説明する。

【００１５】まず最初に、高効率特性について述べる。

【００１６】従来からLiNbO₃またはLiTaO₃結晶にZnOを
堆積し、これを高温で熱処理することにより基板内にZn
Oを拡散し光導波路が形成されることが報告されてい
た。我々は、ZnO拡散による光導波路形成について種々
検討を行ったところ、ZnO拡散光導波路が特異な屈折率
分布を有することを見出した。これは、図２に示すよう
に、ZnO拡散部分の屈折率分布が、ZnOの濃度に比例する
のではなく、基板の内部に高屈折率部分を有する分布を
持っていることである。このため、ZnOにより形成され
る光導波路は基板内部に屈折率のピークを有する対称構
造の光導波路となり、変換効率の大幅な向上が実現し
た。図３に非対称構造(a)と対称構造(b)の光導波路にお
ける導波光の電界分布を示す。非対称構造の光導波路で
は、基本波とＳＨＧ光との電界分布が大きく異なりオー
バラップが小さいが、対称構造の光導波路では、基本波
とＳＨＧ光のピーク位置が一致し非対称構造に比べオー
バラップが非常に大きいことが分かる。解析では1.5倍
〜２倍に変換効率が向上することが明らかになった。

【００１７】さらに、従来の光波長変換素子に用いられ
ていたプロトン交換導波路においては光導波路内での非
線形光学定数が基板の50〜80％に劣化する。これは変換
効率が25〜64％に低下することを示しており、プロトン
交換光導波路による変換効率の低下が生じていた。とこ
ろがZnO拡散による非線形光学定数の劣化は全くないこ
とが判明した。これは、高非線形性を有する光導波路形
成が可能となることを示しており、実際の素子におい
て、従来の２〜４倍の高効率の光波長変換素子が実現で
きた。

【００１８】また、導波路が基板内部に存在するため、
表面での散乱等による導波損失が大幅に低減できた。こ
のため、導波路の伝搬損失は0.2dB/cm以下になり、従来
のＳＨＧ素子の1dB/cm程度に比べて、大幅な伝搬損失の
低減が成された。これにより光波長変換素子の高効率化
が達成された。なお、導波路の屈折率ピークの位置であ
るが、実験では表面より、0.5〜５μｍの範囲で形成さ
れることが分かった。SHGの変換効率が最も高くなるの
は、導波路が深さ方向に対称になる場合であるが、あま
り深い導波路では導波路の閉じ込めが低下するため、効
率低下の原因となる。変換効率が最も高いのは、屈折率
ピークが0.5〜３μｍ程度であり、さらに望ましくは0.5
〜１μｍであった。ピークの位置が0.5μｍ以下になる
と、伝搬損失が増大し、またオーバラップが減少するた
め変換効率は低下した。以上に示すように、ZnO拡散光
導波路を用いると、・光導波路の対称化による導波モード間オーバラップの
向上・光導波路の高非線形化・導波損失の低減が達成され、従来の光波長変換素子に比べ１０倍以上の
飛躍的な高効率化が可能となった。

【００１９】一方、従来の方法でも、基板内部に屈折率
のピークを有する内部埋め込み型光導波路の形成方法が
報告されている。例えば、Ti拡散により光導波路を形成
した後、光導波路表面にMgOを拡散し、表面近傍の屈折
率を低下させることで、基板内部に屈折率のピークを有
する光導波路の形成が可能である。しかしながら、この
方法では、導波路作製プロセスが複雑になり、作製に時
間がかかるという問題がある。また光導波路の中心部が
Ti拡散により形成されているため、光損傷に弱いという
問題がある。また、表面にMgO拡散層を形成した後、プ
ロトン交換光導波路を形成することで内部埋め込み型の
光導波路形成も可能であるが、プロトン交換により形成
した光導波路は、非線形性が劣化するという問題があ
る。ZnO拡散は、簡単なプロセスで、内部埋め込み型の
光導波路形成が可能であり。かつ高非線形性を有し、耐
光損傷性に優れるという利点を有している。

【００２０】次に、対光損傷強度について述べる。

【００２１】耐光損傷強度は、ZnO拡散導波路を用いる
ことで、大幅に改善した。光損傷は不純物順位が光励起
により自由電荷を放出し、これが分極方向に電界を発生
することにより屈折率変動を誘発する。ZnOを拡散する
と、結晶の抵抗が一桁以上低下するため、分極方向の誘
起電界が減少し、光損傷による屈折率変動が抑圧され
る。ZnO拡散を行うと光損傷強度は飛躍的に向上した。
通常のLiNbO₃を用いたプロトン交換光導波路は、基板に
対し耐光損傷強度は向上しているが、それでも数mWの青
色ＳＨＧ光が発生すると、出力が不安定になる現象が観
測された。ところが、ZnO拡散光導波路を用いると、数1
0mWのＳＨＧ出力に対して、光損傷の影響は全く観測さ
れず、高出力のＳＨＧ出力の発生が可能となった。

【００２２】次に、作製プロセスについて述べる。

【００２３】光導波路形成は、LiNbO₃基板にスパッタリ
ング法によりZnOを６０nm堆積した。これをフォトリソ
グラフィ法によりパターニングし、エッチングによりス
トライプ状のZnOパターンを形成した。さらに、基板を
加熱して、ZnOの拡散を行った。拡散温度について検討
したが、700〜,800℃程度では、拡散後に基板表面が荒
れているのが観測された。また１０００℃以上になると
基板からLi₂Oが抜ける外拡散が発生し、基板荒れ、屈折
率変化等の影響が生じた。また、基板のキュリー温度を
越えるため、拡散後に結晶を単一分極にするポーリング
処理が必要となった。以上の結果、拡散温度としては、
面荒れ、外拡散が無く、かつキュリー温度を越えない９
００℃程度が良いことが分かった。そこで、拡散温度を
９００℃に固定し、ZnO熱拡散特性について調べた。と
ころが、拡散係数を測定したところ、約 6.5x10^-12cm²
/secであり、かなり拡散速度が早いことが分かった。こ
のため、導波路の深さおよび幅方向の拡散距離が大き
く、形成された光導波路は10μm以上の幅および厚みを
有することが明らかになった。

【００２４】ところが、大きな断面積形状の光導波路は
光波長変換素子の高効率化には問題である。光波長変換
素子の変換効率は導波光のパワー密度に依存するため、
高効率化には閉じ込めの強い光導波路が必要であり、通
常数μm程度の導波路形状（幅、厚み）のものが使用さ
れる。また、光導波路の大きさは、光導波路をシングル
モード伝搬条件にするためにも必要不可欠で、この観点
からも、光導波路形状を数μ程度にするのが望ましい。
ところが、900℃程度の温度形成したZnO熱拡散光導波路
は、これらの条件を満足することができなかった。ま
た、拡散速度を抑制するために、拡散温度を低下させる
と、前述したように基板表面が荒れ、光導波路の伝搬損
失が極端に増大するという問題が生じた。

【００２５】我々は、熱拡散速度を抑圧する方法につい
て種々の検討を行った結果、ZnOを拡散する基板に特別
な処理を施すことでこれが可能となることが分かった。
即ち、LiNbO₃基板にあらかじめ他の物質を拡散しておく
ことで、ZnOの拡散が抑圧されることを見出した。即
ち、拡散は、拡散源の濃度差によって生じるため、基板
内の拡散源濃度を高めてやれば、後から拡散する物質の
拡散速度が低減できからである。我々が、ZnO拡散の抑
圧に用いたのはMgOである。MgOは、熱拡散が容易であ
り、基板の非線形光学定数を劣化させない。また、拡散
による屈折率変化は、減少する方向なので、ZnO熱拡散
により屈折率増大で光導波路を形成する効果に影響を与
えない。さらに、MgOを拡散すると、基板の耐光損傷強
度が大幅に向上するため、光波長変換素子の耐光損傷強
度が向上する、等の利点がある。

【００２６】作製プロセスは、基板表面にMgOを堆積
し、これを熱拡散する。その後、ZnOを上述の方法で熱
拡散し、ストライプ状の光導波路を形成した。MgOを拡
散することで、ZnOの熱拡散は抑圧され、900℃の拡散温
度で幅、深さ、が約３μmの内部埋め込み型の対称構造
の光導波路が形成可能となった。作製した光導波路に周
期状の分極反転を形成し、上述した高効率の光波長変換
素子が実現できた。

【００２７】なお、本実施の形態では、MgOを熱拡散し
たLiNbO₃を用いたが、MgOをドーピングした結晶を用い
ても同様の結果が得られる。MgOドープのLiNbO₃基板を
用いると、MgO熱拡散プロセスが必要でないため、プロ
セスの簡略化が図れる。

【００２８】なお、本実施の形態では、ZnO拡散による
埋め込み型の光導波路を用いたが、他に、リッジ型の光
導波路も使用できる。リッジ型導波路は、ZnOをスラブ
状に熱拡散した導波路を形成した後、基板表面をリッジ
状に加工することで形成できる。リッジ型導波路は光導
波路の横方向閉じ込めが強化されるため、変換効率の向
上が可能となり有効である。

【００２９】なお、本実施の形態では、基板にLiNbO₃基
板を用いたが他にMgO、Nb、NdなどをドープしたLiNb
O₃、またはLiTaO₃またはその混合物であるLiTa_(1-x)Nb_x
O₃（０≦x≦１）基板、でも同様な素子が作製できる。L
iTaO₃、LiNbO₃はともに、高い非線形性を有するため、
高効率の光波長変換素子が作製できる。

【００３０】なお、本実施の形態では、基板にＺ板を用
いたが、他に、ＸまたはＹ板をもちいてもよい。Ｘまた
はＹ板は、導波光の偏光方向がTEモードとなり半導体レ
ーザの導波モードと一致する。このため、半導体レーザ
と光波長変換素子間の高効率の結合が可能となり、小型
の短波長光源が実現できる。

【００３１】（実施の形態２）本実施の形態２では、Zn
OをドーピングしたLiNbO₃結晶（ZnO:LiNbO₃）を用いた
光波長変換素子について説明する。ZnOをドーピングし
たLiNbO₃はチョクラルスキー法により容易に引き上げる
ことができる。そこで、この結晶を用いたバルク型のＳ
ＨＧ素子について説明する。Ｃ板のZnO:LiNbO₃の＋Ｃ面
に櫛形電極を形成し、−Ｃ面に形成した電極との間に電
界を印加し、周期状の分極反転構造を形成した。分極反
転周期は約３．２μmで０．５ｍｍ厚基板の表面から裏
面にかけて均一な分極反転構造が形成できた。素子長は
１０ｍｍで、基板の端面を光学研磨し、入出力部を形成
した。波長850nmの基本波をレンズ系により集光し、入
射部より入力した。基本波は波長変換され出射部より、
波長425nmのＳＨＧ光を得た。従来のLiNbO₃を用いた光
波長変換素子では、ＳＨＧ出力が数１００μＷ以上にな
るとＳＨＧ光の出射ビームが変形し、ｍＷ以上のＳＨＧ
出力に対しては、ＳＨＧ出力が変動して安定な特性が得
られないという問題があった。ところが、本発明の光波
長変換素子は、数１０ｍＷのＳＨＧ出力に対しても、出
力変動および、出力ビームの変形等の光損傷による影響
は全く観測されず、安定な出力が得られることが明らか
になった。

【００３２】ZnOをドーピングした結晶の特性は、ドー
ピング濃度に大きく左右されるが、耐光損傷特性も同様
であった。まず引き上げられる結晶性から考慮すると、
５mol%程度以下のドーピングは容易であったが、1０mol
%以上になると良好な結晶が引き上げられないという問
題があった。また、耐光損傷強度は1mol%以下のドーピ
ングに対しては、耐光損傷の大幅な改善は観測されなか
った。３mol%以上になると、LiNbO₃基板の１０倍程度の
耐光損傷強度を示し、５mol%〜8mol%では２桁以上の耐
光損傷強度の改善が見られた。９mol%を過ぎると結晶性
が悪くなるため、あまり大幅な耐光損傷強度の向上は観
測されなかった。以上の結果、ZnOドープによる耐光損
傷強度の向上は３〜１０mol%程度で観測された。さらに
５〜8mol%では２桁以上の特性改善が達成されより望ま
しいことが分かった。

【００３３】次に、分極反転の形成について述べる。

【００３４】青色光発生用の光波長変換素子を実現する
には、周期状の分極反転構造の形成が必要不可欠であ
る。しかしながら、結晶によっては、短周期の周期状の
分極反転形成が極端に難しい場合が多い。例えば、従来
のLiNbO₃では、Ｚ板のLiNbO₃結晶の＋Ｚ面に櫛形電極を
−Ｚ面に平面電極を形成し、電極間にパルス状で高電圧
（20kV/mm程度）の電圧を印加することで周期状の分極
反転構造が形成される。ところが、分極反転が短周期に
なると、均一な分極反転形成が困難になり、基板厚みを
薄くする必要がある。例えば、LiNbO₃の場合、分極反転
周期が１０μm以上の場合、基板厚みは1mm以下、周期が
５μm程度になると基板厚みは0.5mm以下、青色ＳＨＧ光
の発生に必要な周期３μm程度の分極反転を形成するに
は0.2mm以下の基板を用いる必要がある。さらに、周期
３μm程度の分極反転を均一に形成するには作製面積が1
mm²程度に制限されるため、高効率化のため相互作用長
を増大することができなかった。また、基板が薄くなる
と、バルク型のＳＨＧ素子として使用する際、作用長が
制限されるという問題がある。また光学系のアライメン
ト等も複雑になる。さらに、作製プロセスの際のハンド
リングが極端に難しくなり、作製の歩留まりが低下す
る、等の問題が生じる。基板として望ましいのは0.5mm
以上の厚みである。

【００３５】ところが、ZnOドーピングのLiNbO₃を用い
ると、電界印加による分極反転形成が非常に容易になる
ことが明らかになった。印加電圧はLiNbO₃とほぼ同一で
あるが、反転特性が良好で、周期３μm程度の分極反転
形成が、０．５mm厚基板に容易に形成できることが分か
った。さらに、分極反転面積も10mm²以上に渡り均一に
分極反転可能であり、ZnOドーピング基板を用いること
で、周期状分極反転プロセスが非常に容易になることが
分かった。また、この様な分極反転特性の改善が観測さ
れたのは、ドーピング濃度では８mol%以下の濃度のサン
プルであり、8mol%以上のZnOがドーピングされたサンプ
ルでは、結晶性が悪いため、分極反転特性の再現性に乏
しいという問題があった。

【００３６】なお、本実施の形態では、基板にLiNbO₃基
板を用いたが他にMgO、Nb、NdなどをドープしたLiNb
O₃、またはLiTaO₃またはその混合物であるLiTa_(1-x)Nb_x
O₃（０≦x≦１）基板、でも同様な素子が作製できる。L
iTaO₃、LiNbO₃はともに、高い非線形性を有するため、
高効率の光波長変換素子が作製できる。MgOをドーピン
グした基板は分極反転が難しいが、ZnOをドーピングす
ることにより、反転特性が改善され、短周期で均一な分
極反転構造が容易に形成可能となるため有効である。

【００３７】なお、本実施の形態ではバルク型の光波長
変換素子について説明したが、基板表面近傍に光導波路
を形成することで、同様の構成による光導波路型の光波
長変換素子が構成できる。光導波路を用いることで、光
の閉じ込めが強化され、長い相互作用長が達成できるた
め、高効率の光波長変換素子が形成できるため有効であ
る。

【００３８】なお、本実施の形態では、基板にＺ板を用
いたが、他に、ＸまたはＹ板をもちいてもよい。Ｘまた
はＹ板は、導波光の偏光方向がTEモードとなり半導体レ
ーザの導波モードと一致する。このため、半導体レーザ
と光波長変換素子間の高効率の結合が可能となり、小型
の短波長光源が実現できるため有効である。

【００３９】（実施の形態３）本発明の実施の形態３で
は、ZnO拡散を利用した光波長変換素子の構成について
述べる。ZnOを熱拡散した基板を用いることにより、耐
光損傷性に優れた光波長変換素子を形成することができ
た。

【００４０】本発明の光波長変換素子の構成図を図４に
示す。Ｚ板のLiNbO₃基板１の＋Ｚ表面にZnO拡散層６が
形成され、その中に周期状の分極反転２および光導波路
３が形成されている。光導波路はプロトン交換により形
成されている。光導波路３に入射した波長850nmの基本
波４は波長変換され波長425nmのＳＨＧ光５となって出
射される。本発明の光波長変換素子は高効率の変換が可
能であり、耐光損傷性に優れるため高出力ＳＨＧ光を安
定に出力することができる。その理由を以下に説明す
る。

【００４１】耐光損傷強度の向上について説明する。

【００４２】ZnOをLiNbO₃基板にドーピングすること
で、耐光損傷強度に強い基板が得られる。同様の効果
が、ZnOを基板に熱拡散することにより達成される。光
導波路型のSHG素子に用いる場合、光が導波するのは基
板の表面近傍に形成した光導波路部分であるため、耐光
損傷強度が必要となるのは、結晶の表面近傍である。従
って、この部分に耐光損傷強度の強いZnO拡散層を設け
ることで、耐光損傷性に優れた光波長変換素子が形成で
きる。

【００４３】LiNbO₃基板にZnOをスパッタリング法で堆
積し、これを９００℃で８時間熱拡散した。拡散深さは
１０μm以上であった。この基板の＋Ｚ面に櫛形電極を
形成し、−Ｚ面に平面電極を形成した。電極間にパルス
電圧を印加して周期状の分極反転（周期：約3.2μm）を
形成した。その後、ストライプ状にプロトン交換を施
し、光導波路を形成する。導波路は幅４μm、深さ２μm
程度であった。

【００４４】導波路端面より波長850nmの基本波を励起
したところ、分極反転により波長変換され、ＳＨＧ光を
発生した。導波路厚みに対して、拡散層は十分深いた
め、導波路の耐光損傷性は大幅に向上し、数１０mWのＳ
ＨＧ光に対しても、出力変動が見られず、安定なＳＨＧ
光発生が可能となった。

【００４５】分極反転特性について説明する。

【００４６】前述したように、ZnOをドーピングするこ
とで分極反転特性が改善され、均一な短周期構造が、0.
5mm厚基板においても容易形成できることを示した。こ
の特性は、ZnO拡散により形成したLiNbO₃基板において
も同様に観測できた。ZnOを拡散したのは分極反転核が
形成される＋Ｚ面である。櫛形電極もこの面に形成した
が、＋Ｚ面にZnOを拡散することで、分極反転特性が改
善された。ドーピング基板を用いた場合と同様に、0.5m
m厚基板に周期３μm程度、面積10mm²の分極反転構造を
均一に形成することに成功した。なお、−Ｚ面に同様の
分極反転構造を形成しようとしてZnOを熱拡散したが、
均一な周期構造の形成は難しかった。これは、分極反転
核の発生即ち、分極反転の発生が＋Ｚ面から生じるた
め、この面における分極反転特性が全体の分極反転特性
を左右するためと考えれる。

【００４７】なお、本実施の形態では、基板にＺ板を用
いたが、他に、ＸまたはＹ板をもちいてもよい。Ｘまた
はＹ板は、導波光の偏光方向がTEモードとなり半導体レ
ーザの導波モードと一致する。このため、半導体レーザ
と光波長変換素子間の高効率の結合が可能となり、小型
の短波長光源が実現できる。

【００４８】ＸまたはＹ板のLiNbO₃基板を用いた場合の
分極反転特性について述べる。ＸまたはＹ板に分極反転
を形成するには、基板の同一表面に櫛形電極（＋Ｚ側）
とストライプ電極（−Ｚ側）を形成し、両電極間に電圧
を印加することで分極反転を形成する。これは、Ｘまた
はＹ板においては結晶の分極方法が基板平面と平行に存
在するからである。電極間隔は約100μmであり、電極間
にパルス状の電圧を印加する。基板平面で電圧を印加す
る場合、電界が基板の深さ方向に分布しないため、深い
分極反転の形成が難しい。例えばLiNbO₃、LiTaO₃でのと
もに１μm以下の深さの分極反転構造しか形成できな
い。これは光導波路（深さ２μm程度）に対して浅いた
め、導波光と分極反転とのオーバラップが十分でなく、
変換効率低下の原因となっていた。ところが、ZnOを表
面に拡散することで分極反転が深まることが見出され
た。実験では、周期３μmの分極反転を形成したとこ
ろ、深さ２μm程度の分極反転が均一に形成されている
のが発見された。これは、ZnO拡散により分極反転がよ
り反転し易くなっているため、分極反転が深さ方向に増
大したためと考えられる。ZnO拡散した基板を用いるこ
とで非常に深い分極反転構造の形成が可能となった。こ
れによって、分極反転と光導波路とのオーバラップが増
大し、従来のＸまたはＹ板のLiNbO₃素子に比べ、２倍以
上の高効率化が可能となった。

【００４９】なお、ＸまたはＹ板の場合は分極反転特性
は基板の結晶方向（±Ｘ、±Ｙ）、またはＸ、Ｙによる
分極反転特性の違いは観測されなかった。

【００５０】なお、本実施の形態では、基板にLiNbO₃基
板を用いたが他にMgO、Nb、NdなどをドープしたLiNb
O₃、またはLiTaO₃またはその混合物であるLiTa_(1-x)Nb_x
O₃（０≦x≦１）基板、でも同様な素子が作製できる。L
iTaO₃、LiNbO₃はともに、高い非線形性を有するため、
高効率の光波長変換素子が作製できる。MgOをドーピン
グした基板は分極反転が難しいが、ZnOをドーピングす
ることにより、反転特性が改善され、短周期で均一な分
極反転構造が容易に形成可能となる。

【００５１】なお、本実施の形態では、ZnOを拡散した
基板を用いたが、ZnO:LiNbO₃を基板表面に液層成長させ
た。基板を用いても良い。液層成長させることで結晶性
の優れた結晶が形成可能となるため、変換効率の高い素
子が実現できる。

【００５２】なお、本実施の形態では、プロトン交換を
用いた埋め込み型の光導波路を用いたが、リッジ構造の
光導波路も使用できる。リッジ構造にすることで、光導
波路の横方向の閉じ込めを向上させることができ、高効
率の光波長変換素子を構成できるため有効である。

【００５３】（実施の形態４）本実施の形態４では、上
述した実施の形態の光波長変換素子を用いた短波長光源
について述べる。

【００５４】レーザ光源と光波長変換素子を用いて、短
波長光源が構成できる。図５に本実施の形態の短波長光
源を示す。レーザ１２からでた基本波は、光波長変換素
子１４により波長変換され、ＳＨＧ１１となって出射さ
れる。例えば波長800nm帯の半導体レーザを用いると波
長400nm帯の青色のSHG光が得られ、小型の青色光源が実
現できる。

【００５５】安定な小型短波長光源は、高密度光記録、
カラーレーザプリンター、医用、バイオなどの幅広い分
野での応用が可能となる。波長680nm帯の赤色半導体レ
ーザを基本波として用いることで、波長340nmの紫外光
発生が可能となり、作製が困難な小型の紫外光源が実現
できる。バイオ、蛍光寿命測定、特殊計測等への応用が
可能となる。また、レーザをパルス駆動すると高いピー
クパワーの基本波が得られるため、高効率の波長変換が
可能になる。例えは、ＣＷ駆動では最大出力４０ｍＷ程
度の半導体レーザでも、パルス駆動することで数１００
ｍＷの高いピークパワーの発生が可能となり、ＳＨＧ出
力としても数１０ｍＷのものが得られる。高いピークパ
ワーを持ったＳＨＧ光は、蛍光寿命測定等に応用するこ
とで、不純物検出等が可能となる。また、半導体レーザ
を高周波のＲＦ駆動することで、高いピークパワーをも
ったパルス列発振が可能となり、平均パワーでＣＷ駆動
の半導体レーザに比べ５倍以上の変換効率向上が可能と
なった。高出力の小型光源として優れた特性を示した。

【００５６】高出力のＳＨＧ光を発生した場合、光損傷
による出力の不安定性が問題となる。本実施の形態で示
した素子においては、ZnOにより耐光損傷強度が大幅に
向上したため、１０ｍＷを越えるＳＨＧ出力を発生した
場合でも安定な特性が得られた。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明により、Zn
O熱拡散光導波路を光波長変換素子に適用することで、
耐光損傷強度の大幅な特性向上が達成される。さらに、
導波路構造が対称構造となるため導波モード間のオーバ
ラップの向上、並びに光導波路の高非線形化が可能とな
るため、高効率かつ高出力の光波長変換素子が実現可能
となりその実用効果は大きい。

【００５８】また、ZnOドープの基板を用いることで、
耐光損傷強度に優れた光波長変換素子が実現できる。さ
らに、ZnOドーピング基板を用いることで、電界印加に
よる分極反転特性が大幅に改善され、短周期の分極反転
構造が広い面積に均一に形成可能となり、分極反転が可
能な基板厚みが２倍以上になる。このため、相互作用長
の増大による高効率化が図れ、その実用効果は大きい。

【００５９】また、ZnO拡散基板を用いると、耐光損傷
性に優れた高効率、高出力特性を有する光波長変換素子
が実現できる。ZnOを表面に拡散することで、耐光損傷
強度の向上ならびに、分極反転特性の改善が可能となる
ため、その実用効果は大きい。

【００６０】また、レーザ光源を光波長変換素子により
波長変換することで、短波長光源が実現できる。安定な
特性の光波長変換素子を用いることにより、出力の安定
な光源が作製できるため、その実用効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の光波長変換素子の構成
斜視図

【図２】ZnO拡散部分の屈折率分布を表す特性要因図

【図３】光導波路内の電界分布を表す特性要因図 (a)非対称光導波路内の電界分布 (b)対称光導波路内の電界分布

【図４】本発明の別の実施の形態の光波長変換素子の構
成斜視図。

【図５】本発明の一実施の形態の短波長光発生装置

【図６】従来の光波長変換素子の構成斜視図

【符号の説明】

１Ｚ板のLiNbO₃基板２分極反転３光導波路４基本波５ＳＨＧ光６ ZnO拡散層１１ SHG １２半導体レーザ１３集光光学系１４光波長変換素子２１Ｚ板LiNbO₃基板２２分極反転構造２３プロトン交換導波路

フロントページの続き (72)発明者皆方誠静岡県浜松市広沢１−22−６合同宿舎５ −52 Ｆターム(参考） 2K002 AA01 AA04 AB12 CA03 CA22 CA30 DA05 DA06 FA03 FA28 HA20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 LiNb_(1-X)Ta_XO₃（０≦Ｘ≦１）基板と、前記基板に形成した周期状の分極反転と、前記基板表面に形成した光導波路とを有し、前記光導波路のコアの部分にはZnOが添加されているこ
とを特徴とする光波長変換素子。
【請求項２】前記光導波路の屈折率分布が、前記基板
表面から0.5ないし３μｍにピークを有するように配さ
れたことを特徴とする請求項１記載の光波長変換素子。
【請求項３】 ZnOをドープしたLiNb_(1-X)Ta_XO₃（０≦
Ｘ≦１）基板と、前記基板に形成した周期状の分極反転
とを有することを特徴とする光波長変換素子。
【請求項４】前記基板表面に光導波路を有することを
特徴とする請求項３記載の光波長変換素子。
【請求項５】 LiNb_(1-X)Ta_XO₃（０≦Ｘ≦１）基板と、前記基板表面近傍に形成したZnOが添加された層と、前記基板に形成した周期状の分極反転と、前記基板表面に形成した光導波路と、を有することを特徴とする光波長変換素子。
【請求項６】前記ZnOが添加された層がZnO熱拡散層で
あることを特徴とする請求項５記載の光波長変換素子。
【請求項７】前記光導波路の屈折率分布が、前記基板
表面から0.5ないし３μｍにピークを有するように配さ
れたことを特徴とする請求項６記載の光波長変換素子。
【請求項８】前記ZnOが添加された層が、前記基板上
にZnOが添加されたLiNb _(1-X)Ta_XO₃（０≦Ｘ≦１）結晶
を液層成長させることにより形成されていることを特徴
とする請求項５記載の光波長変換素子。
【請求項９】前記光導波路がリッジ型光導波路である
ことを特徴とする請求項１、２、４、５、６、７、８の
いずれか記載の光波長変換素子。
【請求項１０】前記基板がMgOをドープしたLiNb_(1-X)
Ta_XO₃（０≦Ｘ≦１）であることを特徴とする請求項１
〜９のいずれか記載の光波長変換素子。
【請求項１１】請求項１〜１０のいずれか記載の光波
長変換素子と、半導レーザとを有し、前記半導体レーザから出射された光を前記光波長変換素
子により波長変換することを特徴とする短波長光発生装
置。