JP2001264554A

JP2001264554A - 光学素子

Info

Publication number: JP2001264554A
Application number: JP2000075318A
Authority: JP
Inventors: Kiminori Mizuuchi; 公典水内; Kazuhisa Yamamoto; 和久山本; Kenji Kitamura; 健二北村; Yasunori Furukawa; 保典古川; Shunji Takegawa; 俊二竹川
Original assignee: National Institute for Materials Science; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: National Institute for Materials Science; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2001-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】ストイキオメトリックＬＮ結晶に形成したプロ
トン交換層を利用することにより、高い屈折率変化量が
実現し、光学素子特性を向上し、プロトン交換層の散乱
損失の低減及びプロトン交換層内の光学定数を向上した
光学素子を提供する。【解決手段】Li/Nbのモル分率が0.95-1.01の範囲のスト
イキオメトリックに近いLiNbO₃結晶基板と、前記結晶表
面近傍に形成されたプロトン交換層とを含む光学素子と
する。プロトン交換は加熱したピロ燐酸中で基板を浸し
て行う。LiNbO₃の結晶基板の表面層はプロトン(H⁺)交換
され、HLiNbO₃が形成され、ＬＮ結晶基板とプロトン交
換層の高い屈折率差が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光回折素子、偏光
子、光スイッチ、ホログラム素子、導波路型光学素子、
変調器、光波長変換素子、音響光学デバイス、電気光学
デバイス、非線形光学デバイス等のLiNbO₃結晶を利用し
た光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ニオブ酸リチウム(LiNbO₃)単結晶（以下
ＬＮとする）の温度−組成比の相関図（相図）は古くか
ら知られており、従来、組成の均質性の高いＬＮを製造
するためには、結晶と融液が同じ組成で平衡共存する一
致溶融（コングルエント）組成であるモル分率が０．４
８５（Ｌｉ／Ｎｂのモル分率は０．９４）の融液から回
転引き上げ法で成長されていた。成長されたアズグロウ
ンＬＮ単結晶は多分域状態となっているため、成長後の
結晶をキュリー温度である１１５０℃以上に加熱した状
態で結晶のＺ軸方向に電圧を印加し、単一分域化した
後、結晶を冷却するポーリング処理を施されていた。単
一分域化処理された結晶は所定の大きさに加工された
後、各種用途に使用されていた。ＬＮは高い光学定数を
有し、かつ大型結晶の成長が容易なため各種の光学素子
に応用されている。

【０００３】ＬＮ結晶の用途の一つとして、プロトン交
換による高屈折率層を利用する方法がある。ＬＮ結晶を
酸中で熱処理すると結晶内のＬｉが酸中のプロトンと交
換され、結晶内にプロトン交換層が形成される。プロト
ン交換層においては、屈折率の異常光成分に対する増加
および常光成分に対する減少が得られ、これを利用した
各種光学デバイスが実現している。例えば、屈折率の増
加を利用しプロトン交換層を光導波路として利用する導
波路型の光学素子、プロトン交換層を周期的に形成した
回折素子への応用等が行われている。また、ＬＮ結晶に
形成したプロトン交換導波路を用いた非線形光学素子へ
の応用が行われている。ＬＮは高い非線形光学定数を有
し、光導波路と組み合わせることで高効率の波長変換が
可能となる。プロトン交換導波路は屈折率変化が大きく
閉じ込めの強い導波路が形成できるため、高効率の波長
変換が実現可能である。周期的な分極反転構造による非
線形グレーティングを利用し、導波路内で基本波と高調
波との位相整合をとることで、高効率の波長変換が行わ
れている。

【０００４】従来LiNbO₃単結晶は、従来組成の均質性の
高いＬＮを製造するためには、結晶と融液が同じ素子で
平衡共存する一致溶融（コングルエント）組成であるLi
₂O/(Nb₂O₅+Li₂O)のモル分率が０．４８５の融液から回
転引き上げ法で成長されていた。形成される結晶のモル
分率は溶液の組成と等しく０．４８５（Ｌｉ／Ｎｂのモ
ル分率は０．９４）であり、キュリー温度は約１１５０
℃であった。これに対し、Li₂O/(Nb₂O₅+Li₂O)のモル分
率が０．４９５〜０．５０２と化学量論比に近いストイ
キオメトリックＬＮ結晶の成長が最近可能になった（特
開平１０−４５４９８号公報）。作製方法は、２重坩堝
法によるもので、結晶引き上げの際に、ニオブ酸リチウ
ム溶液の組成をリチウム成分の過剰なLi₂O/(Nb₂O₅+Li
₂O)のモル分率を０．５６〜０．６０の特定範囲に保っ
た溶液組成とし、自動的に原料を供給する手段を備えた
２重坩堝法を用いる。ストイキオメトリックＬＮはアズ
グロウンで単分域化されているため成長後のポーリング
処理が不要で結晶成長と光学的均質性の良いことを特徴
とする。さらに、コングルエント組成の結晶に対し、キ
ュリー温度が１１８５〜１２１５℃高い特徴を有する。

【０００５】ストイキオメトリックＬＮはコングルエン
ト組成ＬＮに対し、わずかなモル分率の変化であるが、
化学量論比に近づくに従いその結晶特性は大幅に異な
る。特に結晶のモル分率が０．４９５〜０．５０２（Ｌ
ｉ／Ｎｂのモル分率は０．９５〜１．０１）の範囲で従
来のコングルエント組成の結晶とは大きく異なる光学特
性を有する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】光学素子を実現するに
は屈折率変化を利用した光導波路、回折素子等の応用が
一般的であり、特に基板材料よりも高い屈折率を有する
薄膜を利用することで光学素子の形成が容易になる。光
導波路の閉じ込め、回折素子の回折効率等、光学素子の
特性は基板と光学薄膜間の屈折率差に大きく依存し、屈
折率変化が大きいほど高い効率が得られる。ＬＮ結晶は
透過特性の優れた高屈折率材料であり、波長350nm まで
の透過特性を有し、かつ高い屈折率を有する。ＬＮより
高い屈折率を有する光学膜は限られており、透過特性を
も併せ持つ材料はさらに限定される。従って、ＬＮ結晶
上に他の光学薄膜を堆積して光学素子を形成するのが難
しいという問題がある。

【０００７】一方、プロトン交換層は、波長633nm にお
ける屈折率変化量は０．１２程度であり、ＬＮ結晶に形
成される他の屈折率変化の手段（Ti拡散、Zn拡散等の金
属拡散法）に比べ、高い屈折率変化が得られる。さらに
透過特性はＬＮ結晶とほぼ同程度であり、短波長域まで
の透明性を有する。しかしながら、光学素子の特性向上
には基板との屈折率変化のさらなる向上が要求されてい
る。

【０００８】ＬＮを利用した波長変換素子は高い変換効
率が達成されており、高効率で青色、緑色の波長領域の
変換光が確認されている。しかしながら、ＬＮ結晶にお
ける光損傷の発生による出力不安定化が大きな問題とな
っている。光波長変換素子の出力安定化には、耐光損傷
強度の向上が望まれている。ＬＮの耐光損傷強度（光損
傷の発生しない最大光強度）の値は、導波路形状に依存
するが波長４００nm帯の光に対して数ｍＷ程度、Mgドー
プのLN基板に形成したプロトン交換導波路でも数10mW程
度であり、高出力の光波長変換素子を実現するには、耐
光損傷強度の向上が求められている。

【０００９】本発明は、前記従来の問題を解決するた
め、高い屈折率変化量を実現し、光学素子特性を向上
し、さらにプロトン交換層の散乱損失の低減、プロトン
交換層内の光学定数を向上した光学素子を提供すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の光学素子は、Ｌｉ／Ｎｂのモル分率が０．
９５〜１．０１の範囲のストイキオメトリックに近いＬ
ｉＮｂＯ₃ 結晶基板と、前記結晶表面近傍に形成された
プロトン交換層とを含むことを特徴とする。

【００１１】前記光学素子においては、ストイキオメト
リックＬｉＮｂＯ₃ 結晶のキュリー温度が１１８５〜１
２１５℃の範囲であることが好ましい。

【００１２】また前記光学素子においては、基板の一部
に分極反転構造を有する部材が備えられていることが好
ましい。

【００１３】また前記光学素子においては、結晶が、さ
らにMg,Zn,Sc,Inから選ばれる少なくとも一つの元素を
０．１〜４．８モル％ドーピングして含有することが好
ましく、さらに好ましいドーピング量は０．５〜４．８
モル％の範囲であり、とくに好ましいドーピング量は
２．０〜４．８モル％の範囲である。

【００１４】また前記光学素子においては、プロトン交
換層に波長４１５ｎｍ以下の光を伝搬することが可能な
ことが好ましい。

【００１５】また前記光学素子においては、プロトン交
換層の厚みが０．１〜１０μｍの範囲であることが好ま
しく、さらに好ましい厚みは０．４〜２μｍの範囲であ
る。

【００１６】また前記光学素子においては、プロトン交
換導波路に形成したとき、伝搬損失が０．８ｄＢ／ｃｍ
以下であることが好ましく、さらに好ましくは０．５ｄ
Ｂ／ｃｍ以下であり、とくに好ましくは０．２ｄＢ／ｃ
ｍ以下である。

【００１７】また前記光学素子においては反転電圧が４
kV/mm以下であることが好ましい。

【００１８】また前記光学素子においては、分極反転周
期が３μｍ以下であることが好ましい。

【００１９】また前記光学素子においては、プロトン交
換導波路に形成したとき、２０ｍＷ以上の青色光に対し
ても安定な出力が得られることが好ましい。

【００２０】また前記光学素子においては、波長４４
１．６ｎｍにおけるストイキオメトリックＬｉＮｂＯ₃
結晶基板とプロトン交換層との屈折率変化（Δｎ）が
０．２１５以上であることが好ましい。

【００２１】また前記光学素子においては、波長６３
２．８ｎｍにおけるストイキオメトリックＬｉＮｂＯ₃
結晶基板とプロトン交換層との屈折率変化（Δｎ）が
０．１５以上であることが好ましい。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明は、ＬＮ結晶に屈折率変化
の大きな光学薄膜を形成する方法として、基板材料にス
トイキオメトリックＬＮ結晶に着目した点にある。ＬＮ
結晶におけるプロトン交換層が従来の特性と異なり、高
い屈折率変化を有することが、本発明者らによって初め
て見いだされた。さらに、形成されたプロトン交換層が
低損失であり、光学素子の特性を大幅に向上させること
が可能であることも見いだした。屈折率変化の高いプロ
トン交換層の形成が可能になることで、光学素子の耐光
損傷強度の大幅な向上が可能になった。これを利用する
ことで、短波長光に適用する光学素子の特性も飛躍的に
向上することが明らかになった。

【００２３】今回見いだされたプロトン交換特性につい
ても、このモル分率を有するストイキオメトリックＬＮ
特有の効果である。ストイキオメトリックＬＮは、最近
作製が可能になった結晶であり、その光学特性について
は、未だ総てが明らかにされていない。特にプロトン交
換特性については、本発明者らが初めて明らかにしたも
のである。また、この特性を利用した光学素子特性の大
幅な向上については、さらに未開拓な分野であった。

【００２４】従来からコングルエント組成のプロトン交
換特性については、明らかにされていた。各種酸による
プロトン交換、Ｍｇ等の金属添加を行ったコングルエン
トＬＮ等のプロトン交換特性についても詳細に検討され
ていた。しかしながら、その特性はＬＮ結晶には、依存
せず、常に一定の屈折率変化量を表していた。このた
め、基板結晶が変わることで屈折率の高いプロトン交換
層が形成でき、さらに光学素子に適用することで素子特
性の大幅な向上が実現するとの可能性は見いだされてい
なかった。

【００２５】本発明は、ストイキオメトリック組成のＬ
Ｎ結晶基板であるLiNbO₃の表面層のプロトン(H⁺)を交換
することにより、HLiNbO₃を形成し、ＬＮ結晶基板とプ
ロトン交換層の高い屈折率変化量を実現し、光学素子特
性を向上し、さらにプロトン交換層の散乱損失の低減、
プロトン交換層内の光学定数を向上させることができ
る。

【００２６】

【実施例】以下実施例を用いて本発明をさらに具体的に
説明する。

【００２７】（実施例１）ストイキオメトリック組成の
ＬＮ結晶は、特開平１０−４５４９８号公報に開示され
ているものを用いた。Ｌｉ／Ｎｂのモル分率が０．９５
〜１．０１のＬＮを用いることで、結晶内の欠陥密度の
低減が図れ、電気工学定数、非線型光学定数等の各種定
数の増大が確認されている。さらに光散乱が少なく波長
４００〜６００ｎｍの可視光領域での光吸収係数が１ｃ
ｍ^-1以下と光透過特性にも優れている。本発明者らは、
このストイキオメトリックＬＮ結晶が通常のＬＮ結晶に
比べ低い屈折率を有することに着目した。

【００２８】表１に示すようにストイキオメトリックＬ
Ｎ結晶は可視光領域でいずれもＬＮ結晶より低い屈折率
を有する。このことは、ストイキオメトリックＬＮを用
いれば、通常の光学素子に適用している高屈折率膜で
も、より高い屈折率変化が実現でき、光学素子の特性向
上が図れる。そこで、プロトン交換を利用した高屈折率
膜の形成をストイキオメトリックＬＮに適用することを
試みた。プロトン交換はＬＮ結晶内のＬｉとプロトンを
交換することで高い屈折率の層を形成する方法である。

【００２９】

【表１】

【００３０】実験は、ピロ燐酸を用いたプロトン交換層
の形成を行い。プリズムカップラ法による屈折率の測定
を行った。まずプロトン交換について説明する。プロト
ン交換は酸中でＬＮ結晶を熱処理することで結晶内のＬ
ｉと酸中のプロトンが交換される。ピロ燐酸は、高温時
の解離定数が高くＬＮ結晶内のＬｉとの交換比率を高め
ることが可能であるため、高屈折率のプロトン交換層を
実現するのに適している。実験は、２００℃に加熱した
実質的に純粋なピロ燐酸中でＺ板のＬＮ基板を５時間浸
して、結晶表面にプロトン交換層を形成した。その後、
洗浄を行った。プロトン交換層の厚みは１．４μｍであ
った。

【００３１】次に、プリズムカップラによる屈折率の測
定を行った。測定波長は、441.6，532.0，632.8ｎｍの
３波長でそれぞれ屈折率の変化を測定した。比較のため
に通常のＬＮ結晶を同時にプロトン交換し、屈折率変化
を観測した。結果を表２及び図１に示す。

【００３２】

【表２】

【００３３】いずれの波長においても、通常のＬＮ結晶
に形成したプロトン交換層に比べ、基板との屈折率差は
１０％以上程度高い値を示した。これは、基板にストイ
キオメトリックＬＮを用いることで、基板の屈折率差を
低減できたためである。ＬＮ結晶にＭｇをドーピングす
ることで基板の屈折率が低下することは知られている
が、この場合、プロトン交換層の屈折率も基板と同程度
に低下するため、プロトン交換層と基板間の屈折率差の
増大は得られない。ストイキオメトリックＬＮ結晶を用
いることで、高い屈折率差を有するプロトン交換層が実
現できることが初めて見いだされた。ストリキオメトリ
ックＬＮは結晶内のＬｉとＮｂの組成比を完全組成に制
御した結晶であるが、プロトン交換を行えば結晶内のLi
の大半がプロトンと交換されるため、プロトン交換層と
しては、従来のＬＮ結晶と同程度の特性を実現できる。
即ち、従来と同程度の屈折率を有するプロトン交換層が
実現できため、低屈折率のストイキオメトリックＬＮ基
板との間で、高い屈折率変化が実現できたと考えられ
る。

【００３４】もう一つの利点として、ストイキオメトリ
ックＬＮを用いることで、プロトン交換濃度の低いプロ
トン交換層の利用が可能になる。プロトン交換はＬＮ結
晶内のＬｉをプロトンと交換する方法であるが、プロト
ン交換層はＬＮ結晶とは異なる結晶構造、特性を有す
る。即ちＬＮが有する各種光学定数（非線形光学効果、
電気光学効果、音響光学効果等）が大幅に低下する。従
って、これらの光学定数を利用する素子にプロトン交換
を利用する場合、プロトン交換層をアニール処理して、
プロトン交換層のプロトン濃度を低減して光学定数を回
復させて使用する。その場合は屈折率変化量も低下す
る。このとき問題となるのが、プロトン交換濃度に対す
る基板との屈折率変化である。３３０℃で２００分間の
アニール処理によりプロトン交換濃度を１０％以下に低
減することで各光学定数はＬＮ結晶に近い値に回復す
る。しかしながら屈折率変化が大幅に低下するため、光
学素子特性の劣化要因となる。例えば、光導波路として
利用する場合に、屈折率変化量の低下によりその閉じ込
めが強度が弱くなる。これに対し、ストイキオメトリッ
クＬＮを用いると、基板との屈折率差が大きなプロトン
交換層を実現できるため、同様のアニール処理による屈
折率変化が発生しても、より高い屈折率差を実現でき
る。これによって、光学素子特性の大幅な向上が図れ
る。

【００３５】ＬＮ結晶は、強いレーザ光を当てると局所
的な屈折率変化（光励起屈折率変化、通称「光損傷」と
呼んでいる）が現れ、光変調器や光波長変換素子の特性
劣化の要因となっている。一方、この効果を利用した光
メモリー、位相型ホログラムの形成が検討されている。
ストイキオメトリックＬＮはコングルエントＬＮに比
べ、光損傷の発生が顕著であり、光メモリー等への応用
が研究されている。しかしながら、他の光学素子におい
ては、その特性の改善が望まれていた。これを解決する
方法として、結晶にＭｇをドーピングする方法が提案さ
れた。Ｍｇをドーピングすることで、結晶の耐光損傷強
度を向上させる方法は、通常のコングルエント組成のＬ
Ｎでも実証されているが、ストイキオメトリックＬＮと
異なるのは、耐光損傷強度に対する効果である。通常の
コングルエント組成ＬＮではＭｇのドープ量は、５mol%
（０．８重量％）程度いれることで初めて耐光損傷強度
の向上が確認されており、４．８mol%以下では耐光損傷
強度が劣化し、７mol%を越えると結晶性の劣化により光
損傷強度が低下する。結晶内に高い濃度で金属を添加す
るのには限界があるからである。これに対し、ストイキ
オメトリックＬＮは０．２mol%（０．０３重量％）のＭ
ｇドープで従来の５molドープＭｇ：コングルエントＬ
Ｎ以上の耐光損傷強度を示した。さらにＭｇを０．３〜
４．８モル％添加することで、従来のMgドープＬＮに対
し数倍の耐光損傷強度を実現できた。Ｍｇのドープ量が
少ないことから、結晶欠陥等の増大もなく、結晶内の光
の散乱も非常に小さい結晶が得られている。

【００３６】なお、Ｍｇ以外にも、Ｚｎ，Ｓｃ，Ｉｎ等
の添加によっても同様に、耐光損傷強度の大幅な向上が
確認されている。

【００３７】高い屈折率変化量を実現できることで、導
波損失の大幅な低減が図れる。プロトン交換は高い屈折
率差が得られるが、プロトン交換層と基板であるＬＮ結
晶との間で格子歪みが生じるため結晶との境界近傍に結
晶歪みによる散乱が生じる。さらにプロトン交換層内部
にも散乱部が発生し、これがプロトン交換部分の光の透
過特性を劣化させている。プロトン交換で３次元導波路
を形成した場合、導波路の伝搬損失は１〜２ｄＢ／ｃｍ
以上存在する。プロトン交換層をアニール処理すること
で導波損失の低減がはかれるが、高い屈折率変化は実現
できない。これに対し、ストイキオメトリックＬＮ結晶
を用いることで低損失の光導波路の形成が可能となっ
た。ストイキオメトリックＬＮは結晶自体の透過特性に
すぐれ高い透過特性を有する結晶である。さらにプロト
ン交換においてもより高い屈折率変化が実現できるた
め、アニール処理によりプロトン交換濃度をより小さく
押さえることができる。

【００３８】幅５μｍ、深さ０．６μｍの導波路を用い
て波長８３０ｎｍの光を導波したとき、コングルエント
組成のＬＮ結晶に比べ、ストイキオメトリックＬＮに作
製したプロトン交換導波路の伝搬損失は０．２ｄＢ／ｃ
ｍ以下に低減することが可能となった。

【００３９】（実施例２）本実施例では、光波長変換素
子への適用を説明する。光学素子の一つとして、光波長
変換素子に適用した場合の特性について説明する。図２
は、ＭｇドープのストイキオメトリックＬＮ基板１上に
周期的分極反転領域２とプロトン交換光導波路３が形成
された光導波路型擬似位相整合第二次高調波発生（QPM-
SHG,QiasiPhase Match Second Harmonic Genration)デ
バイスの概略構成図である。両面光学研磨された厚み0.
5mmの基板１の＋ｘ面にTaの櫛形電極と平行電極をパタ
ーニングした。周期は3.2μｍで、波長850nmに対して擬
似位相整合するように設計された。―ｘ面は、Taを全面
に蒸着した。櫛形電極と平行電極の間、および櫛形電極
と―ｘ面の裏面電極に、それぞれ電界を印加し、周期的
分極反転領域２を形成した（２次元電界印加法）。スト
イキオメトリックＬＮ結晶は結晶組成のキュリー温度が
１１８５〜１２１５℃と通常のコングルエント組成のＬ
Ｎ（１１５０℃）よりも高く結晶成長温度に近いため、
アズグロウンの状態でも結晶の大部分は単一分域状態と
なっている。このため、従来のコングルエント組成の結
晶成長で必要であった結晶成長後のポーリング処理を必
要とせず、結晶の分極状態は非常に均一化されている。
結晶に周期状の分極反転を形成する際にも、ストイキオ
メトリックＬＮ結晶においては、結晶の均一性に優れて
いるため、均一な分極反転構造の形成が可能になる。通
常のコングルエント組成のＬＮでは、結晶内に小さな分
極反転域（マイクロドメイン）が多数存在するため、微
細な分極反転構造を形成する場合、マイクロドメインに
よる分極反転形状の不均一性が生じる。さらに、ストイ
キオメトリックＬＮにおいては周期状分極反転構造の短
周期化が容易であるという特長を有する。

【００４０】従来のコングルエント組成ＬＮ結晶では、
分極反転に必要な反転電圧が２０ｋＶ／ｍｍ程度と非常
に大きいため、絶縁破壊を避けるため電極間隔を０．５
ｍｍ以下に低減する必要があった。さらに電極周辺部で
の縁電界の発生によりマイクロドメインを介して分極反
転部が電極周辺部に拡大する傾向があり、短周期の分極
反転構造を形成するのが難しかった。短周期でも３μｍ
程度の反転構造を形成するのが難しかった。

【００４１】これに対し、本発明のストイキオメトリッ
クＬＮは、反転電圧が４ｋＶ/mm以下と従来の１／５以
下となり、電極間隔を５倍に拡大できた。従来の組成の
コングルエント組成のＬＮの反転電圧は、２０ｋＶ/mm
程度であり、Ｍｇをドープしても５ｋＶ/mm以上であっ
た。

【００４２】以上のように本発明のストイキオメトリッ
クＬＮは、結晶内の分極構造が非常に均一でありマイク
ロドメインが非常に少ないため、電極周辺部への分極反
転の拡大が防止でき、従来は約３μｍを越えていたが、
本発明では２μｍ以下の短周期分極反転構造の形成も容
易にできることがわかった。

【００４３】電極を除去後、周期的分極反転領域２と直
行方向に、5μｍのストライプ電極をTaで形成し、実施
例１と同様にピロリン酸中でプロトン交換を行った。交
換後３３０℃で２００分間アニールを行い、光導波路型
QPM-SHGデバイスを作製した。得られた光導波路型QPM-S
HGデバイスの端面は、光学研磨された。研磨後、端面の
無反射コートを行った。入出射端面は、基本波光である
波長850nmに対して、無反射コートが形成された。無反
射コートの反射特性は0.03%であった。光導波路型QPM-S
HGデバイスの特性を評価した。構成を図２に示す。基本
波として、AlGaAs系の波長可変DBR半導体レーザ５（波
長850nm）が用いられた。波長可変DBR(Distributed Bra
gg Refrector)半導体レーザは、活性領域６とDBR領域７
の２電極から構成され、DBR領域への注入電流を調整す
ることにより、発振波長を調整することができる。レン
ズ８を用いて光結合を行い、出力100mWに対して光導波
路３の出射端面４より45mWの半導体レーザ光が、光導波
路３が形成された基板表面の反対面から得られた。導波
損失は−０．５dB/cmと従来の導波損失の１／２とな
り、低損失の光導波路が実現できた。ストイキオメトリ
ックＬＮを用いることで結晶の透過率を上げることが可
能となり、同時に、プロトン濃度を低くしても十分高い
屈折率変化量が得られるため、非常に低損失の光導波路
形成が可能になった。さらに、光波長変換素子の変換効
率は約５０％になり、従来の２倍以上に向上することが
できた。これは、導波路損失の低減に加え、基板の非線
形光学定数が向上したためで、ストイキオメトリックＬ
Ｎ結晶はコングルエント組成ＬＮ結晶に比べ１．２倍以
上の非線形光学定数を有するためである。さらに高い屈
折率変化を利用して、光導波路のプロトン濃度を低減す
ることが可能であるため、導波路内の非線形光学定数の
増大が実現し、高効率の光波長変換素子が形成できた。

【００４４】耐光損傷強度の大幅な向上も確認された。
従来コングルエント組成のMgドープＬＮを利用した場
合、数１０ｍＷ以上の青色光（波長：400nm帯）を出力
すると、光損傷による出力の不安定性が生じていた。こ
れに対し、ストイキオメトリックＬＮ結晶を用いること
で50mW以上の青色光に対しても、安定な出力が得られる
ようになった。特に４１５ｎｍ以下の光に対して、耐光
損傷強度の向上は顕著に現れた。この理由としては (1) 均一な周期状分極反転構造の形成が可能になった。 (2) 基板の耐光損傷性が増大した。 (3) プロトン交換層のプロトン交換濃度の低減が可能に
なった。 (4) Ｍｇを高濃度添加が可能になった。の４点の理由による。Ｍｇの高濃度添加に関しては、
０．２mol%以上の添加で耐光損傷強度は大幅に改善され
るが、２mol%以上添加することで、耐損傷強度は７０mW
以上に増大し、さらに３mol%以上添加することで１００
mWの青色光の発生も可能になった。これらのＭｇドープ
量の増大によっても、結晶欠陥、散乱損失の増大は観測
されず、良好な光学特性が得られた。

【００４５】なお、本実施の形態では、光波長変換素子
への応用について説明したが、その他、光導波路を利用
した光スイッチ、偏光子、変調器等への応用についても
同様の素子特性の向上が図れた。これらの素子において
は、ストイキオメトリックＬＮを用いることで、高屈折
率の光導波路の利用が可能になることと、電気光学定数
の増大が図れることで、光学素子の特性が大幅に向上で
きた。

【００４６】（実施例３）ここでは、光学素子として回
折素子に適用した場合について説明する。ＬＮに周期的
なプロトン交換層を形成することで偏向特性を有する回
折素子が実現できる。プロトン交換層は異常光成分に対
して屈折率増大が図れるため、ｘ板のＬＮ結晶に回折素
子を作製すると、異常光成分の光に対して回折素子とし
て作用し、常光成分の光に対しては回折素子として作用
しない偏光特性を有する回折素子が実現できる。回折素
子の回折効率はプロトン交換層の屈折率変化に依存す
る。ストイキオメトリックＬＮ結晶にプロトン交換を利
用した回折素子を形成すると屈折率変化量を１０％以上
高めることが可能となったため、回折効率を１０％以上
高めることが可能になった。さらに、ストイキオメトリ
ックＬＮに形成したプロトン交換層は散乱が少なく、ス
トイキオメトリックＬＮの透過特性がすぐれるため、光
学素子の散乱ノイズを大幅に低減できた。回折素子を光
ディスク等の光学システムに適用する場合、回折素子の
回折効率のみならず、光学素子における散乱ノイズの発
生は大きな問題である。通常のコングルエント組成ＬＮ
を用いると散乱損失が数％存在する。散乱光が、検出器
に入ると検出信号にノイズがのり信号の劣化原因とな
る。ストイキオメトリックＬＮに形成したプロトン交換
層を用いると散乱光は１％以下に低減できるため、散乱
光ノイズが大幅に低減できた。

【００４７】なお、本発明を回折素子に適用する場合
は、プロトン交換層を形成した後、アニーリングはしな
いようが良い。アニーリングするとプロトン交換された
結晶が拡散されてしまい、回折効果が低下するからであ
る。

【００４８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ストイキ
オメトリックＬＮ結晶に形成したプロトン交換層を利用
すると、高い屈折率変化量が実現できるため、光学素子
特性の大幅な向上が実現できる。さらにプロトン交換層
の散乱損失の低減、プロトン交換層内の光学定数の向上
が可能になり、その実用効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の波長に対する屈折率変化量
の関係を表す特性要因図である。

【図２】本発明の一実施例の光波長変換素子の構成図で
ある。

【符号の説明】

１ MgドープLiNbO₃基板２周期的分極反転領域３光導波路４出射端面５波長可変DBR半導体レーザ６活性領域７ DBR領域８レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０２Ｆ 1/355 ５０１Ｇ０２Ｆ 1/377 // Ｇ０２Ｆ 1/377 Ｇ０２Ｂ 6/12 Ｎ (71)出願人 500121621 古川保典埼玉県深谷市上柴町西四丁目17番地15号 (71)出願人 500121643 竹川俊二茨城県つくば市吾妻二丁目11番地801棟403 号 (72)発明者水内公典大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者山本和久大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者北村健二茨城県つくば市吾妻４丁目13番61号 (72)発明者古川保典茨城県つくば市竹園一丁目801番602号 (72)発明者竹川俊二茨城県つくば市吾妻二丁目11番地801棟403 号Ｆターム(参考） 2H047 KA04 KA11 LA02 LA11 LA18 MA03 NA02 NA07 NA08 PA06 PA13 PA14 QA03 RA08 TA05 TA31 TA44 2H079 DA03 HA11 2K002 AB12 BA01 CA03 DA06 FA26 FA27 GA10 HA20 4G077 AA02 BC32 CF10 EB01 FA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｌｉ／Ｎｂのモル分率が０．９５〜１．
０１の範囲のストイキオメトリックに近いＬｉＮｂＯ₃
結晶基板と、前記結晶表面近傍に形成されたプロトン交
換層とを含む光学素子。
【請求項２】前記ストイキオメトリックＬｉＮｂＯ₃
結晶のキュリー温度が１１８５〜１２１５℃の範囲であ
る請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】前記基板の一部に分極反転構造を有する
部材が備えられている請求項１または２に記載の光学素
子。
【請求項４】前記結晶が、さらにMg,Zn,Sc,Inから選
ばれる少なくとも一つの元素を０．１〜４．８モル％ド
ーピングして含有する請求項１〜３のいずれかに記載の
光学素子。
【請求項５】前記プロトン交換層に波長４１５ｎｍ以
下の光を伝搬することが可能な請求項１〜４のいずれか
に記載の光学素子。
【請求項６】プロトン交換層の厚みが０．１〜１０μ
ｍの範囲である請求項１〜５のいずれかに記載の光学素
子。
【請求項７】プロトン交換導波路に形成したとき、伝
搬損失が０．８ｄＢ／ｃｍ以下である請求項１〜６のい
ずれかに記載の光学素子。
【請求項８】反転電圧が４kV/mm以下である請求項３
に記載の光学素子。
【請求項９】分極反転周期が３μｍ以下である請求項
３または８に記載の光学素子。
【請求項１０】プロトン交換導波路に形成したとき、
２０ｍＷ以上の青色光に対しても安定な出力が得られる
請求項１〜９のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１１】波長４４１．６ｎｍにおけるストイキ
オメトリックＬｉＮｂＯ₃ 結晶基板とプロトン交換層と
の屈折率変化（Δｎ）が０．２１５以上である請求項１
に記載の光学素子。
【請求項１２】波長６３２．８ｎｍにおけるストイキ
オメトリックＬｉＮｂＯ₃ 結晶基板とプロトン交換層と
の屈折率変化（Δｎ）が０．１５以上である請求項１に
記載の光学素子。