JP2002250949A - Optical waveguide element, optical wavelength converting element and method for manufacturing optical waveguide element - Google Patents

Optical waveguide element, optical wavelength converting element and method for manufacturing optical waveguide element

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JP2002250949A JP2001071508A JP2001071508A JP2002250949A JP 2002250949 A JP2002250949 A JP 2002250949A JP 2001071508 A JP2001071508 A JP 2001071508A JP 2001071508 A JP2001071508 A JP 2001071508A JP 2002250949 A JP2002250949 A JP 2002250949A
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    • G02F2202/20LiNbO3, LiTaO3

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a stable oscillation by reducing a fluctuation of output even when increasing output of exit light from an optical waveguide in an optical waveguide type device. SOLUTION: An optical waveguide element 1A is provided with a three- dimensional optical waveguide 4 consisting of a bulk shaped non-linear optical crystal, a substrate 2 joined to the optical waveguide 4, and a joining layer 3 consisting of amorphous material which joins the optical waveguide 4 to the substrate 2. The joining layer 3 or the substrate 2 functions as an under clad of the optical waveguide 4. The optical waveguide is formed by machining (for example, grinding or dicing) or laser beam machining.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば擬似位相整
合方式の第二高調波発生デバイスに適した光導波路素子
およびその製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical waveguide device suitable for, for example, a quasi-phase matching type second harmonic generation device and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】光情報処理技術全般において、高密度光
記録を実現するためには、波長400−430nm程度
の青色光を,30mW以上の出力で安定的に発振する青
色光レーザーが要望されており、開発競争が行われてい
る。青色光光源としては、赤外光を基本波として発振す
るレーザーと、疑似位相整合方式の第二高調波発生素子
とを組み合わせた光導波路型の波長変換素子が期待され
ている。
2. Description of the Related Art In general optical information processing technology, in order to realize high-density optical recording, a blue light laser which oscillates blue light having a wavelength of about 400 to 430 nm stably at an output of 30 mW or more has been demanded. And there is a development competition. As a blue light source, an optical waveguide type wavelength conversion element combining a laser oscillating with infrared light as a fundamental wave and a quasi-phase matching type second harmonic generation element is expected.

【0003】ニオブ酸リチウム単結晶を用いた第二高調
波発生装置においては、結晶中を伝搬する光の出力が大
きくなると、光損傷によって結晶中で屈折率の変動を引
き起こすため、高出力化には限界がある。また、光の波
長が短いほど、光損傷が顕著となる。ニオブ酸リチウム
にMgOを添加した基板を用いると、光損傷に対する耐
性が増すことが知られており、この際のMgOの添加割
合は通常5mol%程度である。
In a second harmonic generator using a lithium niobate single crystal, when the output of light propagating through the crystal increases, the refractive index fluctuates in the crystal due to optical damage. Has limitations. Further, as the wavelength of the light is shorter, the optical damage becomes more remarkable. It is known that the use of a substrate obtained by adding MgO to lithium niobate increases the resistance to optical damage, and the addition ratio of MgO at this time is usually about 5 mol%.

【0004】例えば、「Electronics Le
tters、24thApril,1997年.Vo
l.33,No.9」の806−807頁の記載によれ
ば、MgOをドープしたニオブ酸リチウム基板に周期分
極反転構造を形成し、この構造に対して直交する方向へ
と向かってプロトン交換光導波路を形成することによっ
て、光導波路型の第二高調波発生装置を実現している。
[0004] For example, "Electronics Le"
ters, 24th April, 1997. Vo
l. 33, no. According to page 9, pages 806 to 807, a periodically poled structure is formed on a MgO-doped lithium niobate substrate, and a proton exchange optical waveguide is formed in a direction orthogonal to the structure. Thus, an optical waveguide type second harmonic generator is realized.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、このタイプの
第二高調波発生装置においては、青色光の発振出力を増
加させると、光損傷によって、安定した出力を得ること
ができなかった。例えば、MgOを5mol%ドープし
たニオブ酸リチウムに周期分極反転構造を形成し、この
構造に対して直交する方向へと向かってプロトン交換光
導波路を形成し、波長420nmの青色光を発振させる
場合、出力が10mW以上、特には15mW程度以上に
なると、光損傷によって、出射ビームや出力の変動が大
きくなっていた。こうした出射ビームやその出力の変動
の原因は明確ではなかった。
However, in the second harmonic generator of this type, when the oscillation output of blue light is increased, a stable output cannot be obtained due to optical damage. For example, when a periodically poled structure is formed in lithium niobate doped with 5 mol% of MgO, a proton exchange optical waveguide is formed in a direction orthogonal to the structure, and blue light having a wavelength of 420 nm is oscillated. When the output was 10 mW or more, especially about 15 mW or more, the output beam and output fluctuated greatly due to optical damage. The cause of such a change in the output beam and its output was not clear.

【0006】本発明の課題は、光導波路型デバイスにお
いて、光導波路からの出射光の出力を増加させたときに
も、出力の変動を少なくし、安定した発振を可能とする
ことである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an optical waveguide device in which, even when the output of the light emitted from the optical waveguide is increased, the fluctuation of the output is reduced and stable oscillation is possible.

【0007】また、本発明の課題は、疑似位相整合方式
を利用した波長変換素子において、出射光の波長を短く
し、好ましくは青色領域にし、かつ光導波路からの出射
光の出力を増加させたときにも、出力の変動を少なく
し、安定した発振を可能とすることである。
Another object of the present invention is to provide a wavelength conversion element utilizing a quasi phase matching method, in which the wavelength of emitted light is shortened, preferably in the blue region, and the output of emitted light from the optical waveguide is increased. In some cases, it is an object to reduce fluctuations in output and to enable stable oscillation.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、バルク状の非
線形光学結晶からなる三次元光導波路と、この光導波路
に対して接合されている基板と、光導波路と基板とを接
合している非晶質材料からなる接合層とを備えているこ
とを特徴とする、光導波路素子に係るものである。
According to the present invention, a three-dimensional optical waveguide made of a bulk nonlinear optical crystal, a substrate joined to the optical waveguide, and the optical waveguide and the substrate are joined. An optical waveguide device, comprising: a bonding layer made of an amorphous material.

【0009】また、本発明は、バルク状の非線形光学結
晶からなる三次元光導波路と、この光導波路のアンダー
クラッドとを備えており、三次元光導波路が非線形光学
結晶の機械加工によって光の閉じ込めが可能な厚さへと
成形されており、アンダークラッドが非晶質材料からな
ることを特徴とする、光導波路素子に係るものである。
Further, the present invention includes a three-dimensional optical waveguide made of a bulk nonlinear optical crystal and an under clad of the optical waveguide, and the three-dimensional optical waveguide is confined by mechanical processing of the nonlinear optical crystal. The optical waveguide device according to claim 1, wherein the under cladding is formed of an amorphous material.

【0010】また、本発明は、バルク状の非線形光学結
晶からなる光導波路成形用材料をこれとは別体の基板へ
と接合層を介して接合し、この際前記結晶の屈折率より
も接合層の屈折率を低くし、次いで前記材料を加工する
ことによって光導波路を成形することを特徴とする、光
導波路素子の製造方法に係るものである。
Further, according to the present invention, a material for forming an optical waveguide formed of a bulk nonlinear optical crystal is bonded to a separate substrate via a bonding layer. The present invention relates to a method for manufacturing an optical waveguide element, characterized in that an optical waveguide is formed by lowering a refractive index of a layer and then processing the material.

【0011】また、本発明は、バルク状の非線形光学結
晶からなる光導波路成形用材料をこれとは別体の基板へ
と接合し、この際前記結晶の屈折率よりも基板の屈折率
を低くし、次いで前記材料を加工することによって光導
波路を成形することを特徴とする、光導波路素子の製造
方法に係るものである。
The present invention also relates to a method for joining an optical waveguide molding material made of a bulk nonlinear optical crystal to a separate substrate, wherein the refractive index of the substrate is lower than that of the crystal. Then, an optical waveguide is formed by processing the above-mentioned material, and relates to a method of manufacturing an optical waveguide element.

【0012】また、本発明は、スラブ状の非線形光学結
晶からなる3次元光導波路と、光導波路の上面および下
面に非晶質材料からなるクラッド層を有する光波長変換
素子に係るものである。
Further, the present invention relates to an optical wavelength conversion element having a three-dimensional optical waveguide made of a slab-shaped nonlinear optical crystal and a cladding layer made of an amorphous material on the upper and lower surfaces of the optical waveguide.

【0013】本発明者は、バルク状の非線形光学結晶か
らなる三次元光導波路を、接合層を介して、あるいは接
合層を介することなく直接に、基板へと接合し、光導波
路の下地となる接合層あるいは基板をアンダークラッド
として利用することで、光導波路内を伝搬する光の出力
を高くし、および/または波長を短くしても、光損傷が
著しく抑制され、出力の変動等が防止されることを見出
し、本発明に到達した。
The inventor of the present invention joins a three-dimensional optical waveguide made of a bulk nonlinear optical crystal to a substrate via a bonding layer or directly without a bonding layer, and forms a base of the optical waveguide. By using the bonding layer or the substrate as the under cladding, even if the output of the light propagating in the optical waveguide is increased and / or the wavelength is shortened, the optical damage is remarkably suppressed, and the fluctuation of the output is prevented. And found the present invention.

【0014】本発明について、図1を参照しつつ、更に
説明する。
The present invention will be further described with reference to FIG.

【0015】図1に示す光導波路素子1Aにおいては、
基板2の表面2a上に、接合層3を介して、光導波路4
が接合されている。光導波路4はリッジ型のものであ
り、光導波路4の横断面方向の両側にはそれぞれ平板形
状の延設部15が延設されている。本例では、更に各延
設部15の各末端(溝7の外側)に、肉厚部分8が形成
されている。各延設部15の上方は、リッジ型光導波路
を成形するための空間ないし溝7が形成されている。5
は、周期分極反転構造である。本例では、光導波路の上
部に、非分極反転部分6が残留しているが、これはなく
してもよい。この結果、リッジ型の光導波路4は、接合
層3を介して、別体の支持基板2上に、いわば浮遊する
形態をとっている。こうした形態の三次元光導波路は類
例がない。「三次元光導波路」とは、導波路の高さ方向
(上下方向)および横方向(左右方向)に光を閉じ込め
る光導波路をいう。
In the optical waveguide device 1A shown in FIG.
An optical waveguide 4 is provided on the surface 2 a of the substrate 2 via the bonding layer 3.
Are joined. The optical waveguide 4 is of a ridge type, and plate-like extending portions 15 are respectively extended on both sides of the optical waveguide 4 in the cross-sectional direction. In this example, a thick portion 8 is further formed at each end (outside of the groove 7) of each extension portion 15. Above each extending portion 15, a space or groove 7 for forming a ridge-type optical waveguide is formed. 5
Is a periodically poled structure. In this example, the non-polarization inversion portion 6 remains above the optical waveguide, but this may be omitted. As a result, the ridge-type optical waveguide 4 has a so-called floating form on the separate support substrate 2 via the bonding layer 3. There is no example of such a three-dimensional optical waveguide. “Three-dimensional optical waveguide” refers to an optical waveguide that confine light in the height direction (vertical direction) and lateral direction (left-right direction) of the waveguide.

【0016】こうした三次元光導波路は、非線形光学結
晶を加工、例えば機械加工やレーザー加工することによ
って物理的に加工し、成形することによって得られる。
Such a three-dimensional optical waveguide can be obtained by physically processing and shaping a nonlinear optical crystal by, for example, machining or laser processing.

【0017】これに対して、従来の三次元光導波路は、
通常次のように形成されている。 (1)非線形光学結晶からなる基板の表面領域を変質さ
せ、その組成を部分的に変化させることによって、基板
の表面領域に屈折率の高い変質層、例えばチタン拡散層
やプロトン交換層を設ける。 (2)非線形光学結晶からなる基板の表面に、基板より
も屈折率が高い単結晶膜を形成し、この単結晶膜を細長
い平面形状に加工する。
On the other hand, the conventional three-dimensional optical waveguide is
Usually, it is formed as follows. (1) By altering the surface region of the substrate made of the nonlinear optical crystal and partially changing the composition, an altered layer having a high refractive index, for example, a titanium diffusion layer or a proton exchange layer is provided in the surface region of the substrate. (2) A single crystal film having a refractive index higher than that of the substrate is formed on the surface of the substrate made of the nonlinear optical crystal, and the single crystal film is processed into an elongated planar shape.

【0018】しかし、単結晶膜を形成した後に、単結晶
膜中に例えば周期分極反転構造を形成することは困難で
ある。一方、前述したように、ニオブ酸リチウム単結晶
基板の表面領域に、周期分極反転構造を有するプロトン
交換層を形成し、これを光導波路として使用することは
知られている。しかし、こうした第二高調波発生装置は
光損傷が大きい。
However, it is difficult to form, for example, a periodically poled structure in the single crystal film after forming the single crystal film. On the other hand, as described above, it is known that a proton exchange layer having a periodically poled structure is formed in the surface region of a lithium niobate single crystal substrate and used as an optical waveguide. However, such a second harmonic generator suffers significant optical damage.

【0019】こうした第二高調波発生装置において、例
えば400−430nmの短波長の光を高い出力で伝搬
させたときに、光損傷が起きる原因は、光導波路内に閉
じ込められた光の出力密度が、結晶の耐光損傷のしきい
値を超えてしまうことが原因とも考えられる。
In such a second harmonic generation device, when light having a short wavelength of, for example, 400 to 430 nm is propagated at a high output, optical damage is caused by an output density of light confined in the optical waveguide. It is also considered that the reason is that the threshold value of the light resistance damage of the crystal is exceeded.

【0020】しかし、本発明者が、図1のような装置を
試作し、短波長の光を高い出力密度で伝搬させてみたと
ころ、光導波路から出射する第二高調波の出力変動が抑
制され、光導波路内の光損傷が抑制されていることを見
出した。つまり、例えば400−430nmの短波長の
光を高い出力で伝搬させたときにも、光導波路内に閉じ
込められた光の出力密度が、結晶が本来有する耐光損傷
のしきい値を超えておらず、余裕があることがわかっ
た。これと同時に、プロトン交換法によって光導波路を
形成した場合の光損傷は、プロトン交換過程における表
面領域の結晶性の劣化と、これに伴う耐光損傷特性の低
下によることを発見した。
However, when the present inventor prototyped the device as shown in FIG. 1 and propagated a short wavelength light at a high power density, the output fluctuation of the second harmonic emitted from the optical waveguide was suppressed. It was found that optical damage in the optical waveguide was suppressed. In other words, even when light having a short wavelength of, for example, 400 to 430 nm is propagated at a high output, the output density of the light confined in the optical waveguide does not exceed the threshold of light resistance that the crystal originally has. I found that I could afford it. At the same time, it has been found that the optical damage when the optical waveguide is formed by the proton exchange method is caused by the deterioration of the crystallinity of the surface region in the proton exchange process and the deterioration of the light damage resistance property accompanying the deterioration.

【0021】この結果、本発明によって、極めて光損傷
の少ない、光の出力変動の抑制された光導波路素子を提
供できる。
As a result, according to the present invention, it is possible to provide an optical waveguide device with extremely small optical damage and with suppressed fluctuation of light output.

【0022】これと共に、機械加工等によって形成され
たバルク状の三次元光導波路を、非晶質材料からなる接
合層を介して基板へと接着した点が重要である。例え
ば、三次元光導波路を基板に対して接合層を介すること
なく接合した場合には、接合後の温度降下過程におい
て、あるいは接合後の温度変化によって、基板と光導波
路との間での熱膨張差によって、光導波路に多大な応力
が加わる。なぜなら、基板と光導波路との間に必ず組成
の差による熱膨張差があることに加えて、基板の結晶方
位と光導波路の結晶方位とが異なっていること,そして
基板の方が光導波路よりもはるかに大きく、嵩高いこと
から、基板から光導波路の方へと大きな応力が加わり、
光導波路内に歪みを生じさせる。このため、光導波路内
を伝搬する光の導波モードが変化したり、光損傷が生じ
やすい。
At the same time, it is important that the bulk three-dimensional optical waveguide formed by machining or the like is bonded to the substrate via a bonding layer made of an amorphous material. For example, when a three-dimensional optical waveguide is bonded to a substrate without a bonding layer, the thermal expansion between the substrate and the optical waveguide occurs during a temperature drop process after bonding or due to a temperature change after bonding. Due to the difference, a large stress is applied to the optical waveguide. This is because, in addition to the difference in thermal expansion due to the composition difference between the substrate and the optical waveguide, the crystal orientation of the substrate is different from that of the optical waveguide. Is much larger and bulky, so a large stress is applied from the substrate to the optical waveguide,
This causes distortion in the optical waveguide. For this reason, the waveguide mode of light propagating in the optical waveguide changes, and optical damage is likely to occur.

【0023】また、接合層の材質としてかりに単結晶を
使用すると、やはり接合層における結晶方位と光導波路
における結晶方位との相違に起因して、光導波路内に歪
みが生じやすい。また、接合層の材質としてかりに多結
晶を使用した場合、接合層側に光導波路からしみ出した
光が、接合層内において結晶粒界等で散乱し、伝搬損失
が増大する。
When a single crystal is used as the material of the bonding layer, distortion is apt to occur in the optical waveguide due to the difference between the crystal orientation in the bonding layer and the crystal orientation in the optical waveguide. Further, when polycrystal is used as a material for the bonding layer, light that has leaked out of the optical waveguide to the bonding layer side is scattered in the bonding layer at a crystal grain boundary or the like, and the propagation loss increases.

【0024】これに対して、本発明では、バルク状の三
次元光導波路を基板上に接合することによって、バルク
が本来有する良好な結晶性を利用するのに加えて、光導
波路が直接接触するのが接合層であって基板ではなく、
接合層が基板に比べてはるかに嵩が小さいことから、接
合層の方に応力が逃げやすく、このため接合層から光導
波路に大きな応力が加わりにくい。その上、接合層が非
晶質材料からなっていることから、接合層に加わった応
力が分散し易く、光導波路の歪みが更に減少する。
On the other hand, in the present invention, by joining a bulk three-dimensional optical waveguide on a substrate, the bulk optical waveguide is brought into direct contact in addition to utilizing the inherent good crystallinity of the bulk. Is the bonding layer, not the substrate,
Since the bonding layer is much smaller in volume than the substrate, the stress is easily released to the bonding layer, and therefore, a large stress is hardly applied from the bonding layer to the optical waveguide. In addition, since the bonding layer is made of an amorphous material, the stress applied to the bonding layer is easily dispersed, and the distortion of the optical waveguide is further reduced.

【0025】なお、信学技報「TECHNICAL R
EPORT OF IEICE US95−24:EM
D95−20:CPM95−32(1995−07)第
31−38頁の記載によれば、ニオブ酸リチウム基板を
タンタル酸リチウム基板に直接接合し、ニオブ酸リチウ
ム基板を薄片化し、光導波路構造を試作している。これ
は基板表面に吸着した水酸基の分子間力を利用して、基
板同士を直接に接合するものであり、本発明とは異な
る。
In addition, IEICE Technical Report "TECHNICAL R"
EPORT OF IEICE US95-24: EM
According to D95-20: CPM95-32 (1995-07), pp. 31-38, a lithium niobate substrate is directly bonded to a lithium tantalate substrate, the lithium niobate substrate is thinned, and a prototype optical waveguide structure is manufactured. are doing. In this method, the substrates are directly joined to each other by utilizing the intermolecular force of the hydroxyl group adsorbed on the substrate surface, which is different from the present invention.

【0026】また、特開平7−225403号公報の記
載によれば、非線形光学材料からなるコアと、コアを囲
むクラッド基板とからなる光導波路素子が開示されてい
るが、本発明のようなバルク状の三次元光導波路を基板
に非晶質材料を介して接合した構造とは異なる。
According to Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-225403, an optical waveguide device comprising a core made of a nonlinear optical material and a clad substrate surrounding the core is disclosed. This is different from a structure in which a three-dimensional optical waveguide is joined to a substrate via an amorphous material.

【0027】本発明においては、少なくとも光導波路内
に周期分極反転構造を形成し、光導波路素子を高調波発
生用素子として機能させることができる。この場合に
は、基本波よりも波長の短い(エネルギーの高い)光が
光導波路内を伝搬するために、本発明の作用効果が特に
大きい。
In the present invention, a periodically poled structure is formed at least in the optical waveguide, so that the optical waveguide element can function as an element for generating harmonics. In this case, light having a shorter wavelength (higher energy) than the fundamental wave propagates in the optical waveguide, so that the effect of the present invention is particularly large.

【0028】本発明の素子を高調波発生装置、特に第二
高調波発生装置として使用した場合には、高調波の波長
は330−550nmが好ましく、400−430nm
が特に好ましい。
When the device of the present invention is used as a harmonic generator, particularly a second harmonic generator, the wavelength of the harmonic is preferably from 330 to 550 nm, more preferably from 400 to 430 nm.
Is particularly preferred.

【0029】好適な実施形態においては、光導波路が、
接合層あるいは基板から突出するリッジ型の光導波路で
ある。
In a preferred embodiment, the optical waveguide comprises:
A ridge-type optical waveguide protruding from the bonding layer or the substrate.

【0030】また、好適な実施形態においては、光導波
路の横断面方向の両側に向かって延びる一対の延設部を
設ける。こうした延設部は、光導波路の基板上での接合
状態を安定にする。また、光導波路の両側に延設部を設
けることで、光の伝搬状態も対称的になる。
In a preferred embodiment, a pair of extending portions extending toward both sides of the optical waveguide in the cross-sectional direction are provided. Such an extension stabilizes the bonding state of the optical waveguide on the substrate. Further, by providing the extending portions on both sides of the optical waveguide, the light propagation state is also symmetric.

【0031】光導波路を構成する非線形光学結晶は特に
限定されないが、周期分極反転構造を形成しやすい強誘
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(LiTaO3 )、ニオブ酸
リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、K3 Li2 Nb
515の各単結晶が特に好ましい。
The nonlinear optical crystal constituting the optical waveguide is not particularly limited, but is preferably a ferroelectric single crystal which can easily form a periodically poled structure, and is preferably a lithium niobate (LiNbO.sub.3).
3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), lithium niobate-lithium tantalate solid solution, K 3 Li 2 Nb
Each single crystal of 5 O 15 is particularly preferred.

【0032】こうした結晶中には、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(M
g)、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。
In such a crystal, magnesium (M) is used in order to further improve the light damage resistance of the three-dimensional optical waveguide.
g), one or more metal elements selected from the group consisting of zinc (Zn), scandium (Sc) and indium (In), and magnesium is particularly preferred.

【0033】周期分極反転構造を光導波路内に形成する
場合には、分極反転特性(条件)が明確であるとの観点
から、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、又はこれらにマグネシ
ウムを添加したものが特に好ましい。
When a periodically poled structure is formed in an optical waveguide, lithium niobate single crystal, lithium niobate-lithium tantalate solid solution single crystal, Or those obtained by adding magnesium to them are particularly preferable.

【0034】接合層を設ける場合には、基板の材質は特
に限定されず、所定の構造強度を有していればよい。た
だし、光導波路と熱膨張係数等の物性値が近い方が好ま
しく、ニオブ酸リチウム(LiNbO3 )、タンタル酸
リチウム(LiTaO3 )、ニオブ酸リチウム−タンタ
ル酸リチウム固溶体、K3 Li2 Nb5 15の各単結晶
が特に好ましい。
When a bonding layer is provided, the material of the substrate
The present invention is not limited to this, and may have a predetermined structural strength. Was
However, it is preferable that physical properties such as the coefficient of thermal expansion are close to those of the optical waveguide.
Lithium niobate (LiNbO)Three ), Tantalic acid
Lithium (LiTaO)Three ), Lithium niobate-tanta
Lithium luate solid solution, KThree LiTwo NbFive O 15Each single crystal
Is particularly preferred.

【0035】また、基板の表面に、他の膜を形成するこ
ともできる。この膜形成方法としては、液相エピタキシ
ャル法、スパッタリング法、蒸着法、スピンコート法、
化学的気相成長法などがある。膜の材質は限定されない
が、例えば酸化珪素、五酸化ニオブ、五酸化タンタル、
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を例示できる。
Further, another film can be formed on the surface of the substrate. As the film forming method, a liquid phase epitaxial method, a sputtering method, a vapor deposition method, a spin coating method,
There is a chemical vapor deposition method and the like. The material of the film is not limited, for example, silicon oxide, niobium pentoxide, tantalum pentoxide,
Examples thereof include lithium niobate, lithium tantalate, and lithium niobate-lithium tantalate solid solution.

【0036】基板の少なくとも表面領域をアンダークラ
ッドとして機能させる場合には、基板の少なくとも表面
領域の屈折率を、光導波路材質の屈折率よりも低くする
必要がある。
When at least the surface region of the substrate functions as an under cladding, the refractive index of at least the surface region of the substrate needs to be lower than the refractive index of the material of the optical waveguide.

【0037】接合層の材質の屈折率は、光導波路の材質
の屈折率よりも低くすることが必要である。この屈折率
差は、5%以上であることが好ましく、10%以上であ
ることが更に好ましい。また、接合層の材質は、有機樹
脂やガラス(特に好ましくは低融点ガラス)が好まし
い。有機樹脂としては、アクリル系樹脂、エポキシ系樹
脂、シリコーン樹脂等を例示できる。ガラスとしては、
酸化珪素を主成分とする低融点ガラスが好ましい。
It is necessary that the refractive index of the material of the bonding layer be lower than the refractive index of the material of the optical waveguide. This difference in refractive index is preferably 5% or more, and more preferably 10% or more. Further, the material of the bonding layer is preferably an organic resin or glass (particularly preferably low-melting glass). Examples of the organic resin include an acrylic resin, an epoxy resin, and a silicone resin. As glass,
Low-melting glass containing silicon oxide as a main component is preferable.

【0038】また、接合層をアンダークラッドとして機
能させるためには、接合層の厚さは、0.1μm以上で
あることが好ましく、0.2μm以上であることが更に
好ましい。また、三次元光導波路の位置的な安定性の観
点からは、接合層の厚さを3μm以下とすることが好ま
しい。
In order for the bonding layer to function as an under clad, the thickness of the bonding layer is preferably 0.1 μm or more, and more preferably 0.2 μm or more. Further, from the viewpoint of the positional stability of the three-dimensional optical waveguide, the thickness of the bonding layer is preferably set to 3 μm or less.

【0039】図1(a)、(b)の光導波路素子を製造
するには、例えば以下の方法による。即ち、図2(a)
に示すように、光導波路成形用材料9の表面に、周期分
極反転構造5を形成しておく。基板2の表面2aに、光
導波路成形用材料9の構造5側の表面(接合面)9aを
接合する。次いで、図2(b)に示すように、光導波路
成形用材料9の背面(非接合面)9bを研削加工し、材
料9Aを薄くする。この段階では、光を厚さ方向に閉じ
込め得る寸法まで材料9Aを薄くすることは困難である
ので、次に図1に示すように溝7を形成し、リッジ構造
の光導波路4を形成する。このときに光導波路の厚さも
調節する。こうした加工は、例えばダイシング加工装置
やレーザー加工装置によって可能であるが、ダイシング
加工のような機械的加工が好ましい。
In order to manufacture the optical waveguide device shown in FIGS. 1A and 1B, for example, the following method is used. That is, FIG.
As shown in (1), the periodically poled structure 5 is formed on the surface of the optical waveguide molding material 9. A surface (bonding surface) 9a of the optical waveguide molding material 9 on the structure 5 side is bonded to the surface 2a of the substrate 2. Next, as shown in FIG. 2B, the back surface (non-joining surface) 9b of the optical waveguide molding material 9 is ground to thin the material 9A. At this stage, it is difficult to reduce the thickness of the material 9A to such a size that light can be confined in the thickness direction. Therefore, as shown in FIG. 1, the groove 7 is formed, and the optical waveguide 4 having a ridge structure is formed. At this time, the thickness of the optical waveguide is also adjusted. Such processing can be performed by, for example, a dicing processing apparatus or a laser processing apparatus, but mechanical processing such as dicing processing is preferable.

【0040】周期分極反転構造の形成法は限定されな
い。電気光学結晶基板、例えばニオブ酸リチウム基板に
周期分極反転構造を形成する方法としては、Ti内拡散
法、Li2 O外拡散法、SiO2 装荷熱処理法、Ti熱
酸化法、プロトン交換熱処理法、電子ビーム走査照射
法、電圧印加法、コロナ帯電法等が好ましい。これらの
方法の中で、深い周期分極反転構造を精度良く形成する
という観点から、XカットまたはYカット、あるいはそ
のオフカット基板を使用する場合には、電圧印加法が特
に好ましい。また、Zカット基板を使用する場合にはコ
ロナ帯電法あるいは電圧印加法で行うことが特に好まし
い。
The method for forming the periodically poled structure is not limited. As a method of forming a periodically poled structure on an electro-optic crystal substrate, for example, a lithium niobate substrate, a diffusion method in Ti, a diffusion method in Li 2 O, a heat treatment method for loading SiO 2 , a thermal oxidation method in Ti, a proton exchange heat treatment method, An electron beam scanning irradiation method, a voltage application method, a corona charging method and the like are preferable. Among these methods, the voltage application method is particularly preferable when an X-cut or Y-cut or its off-cut substrate is used from the viewpoint of forming a deep periodically poled structure with high accuracy. When a Z-cut substrate is used, it is particularly preferable to carry out the method by a corona charging method or a voltage application method.

【0041】光導波路の高さを所定の寸法に研削加工す
る方法としては、光導波路底面に対して垂直に回転する
切削用外周刃と光導波路底面との間隔を所定の高さに設
定し、切削加工することにより、光導波路の厚さを必要
値とすることが好ましい。その理由は以下のとおりであ
る。
As a method of grinding the height of the optical waveguide to a predetermined dimension, a distance between the cutting outer peripheral blade rotating perpendicular to the optical waveguide bottom and the optical waveguide bottom is set to a predetermined height. It is preferable that the thickness of the optical waveguide be set to a required value by cutting. The reason is as follows.

【0042】従来、略平板形状の被加工物の厚さを研削
加工して調製する場合、被加工物の表面を、この表面と
平行に回転する外周刃によって研削することが一般的で
あった。しかし、この方法では、外周刃の回転面の僅か
な傾斜によって、厚さが不均一になりやすいので、幅数
μm、長さ1mm程度の細長い形状の光導波路の高さ
を、サブミクロンのオーダーで制御することは困難であ
った。
Conventionally, when the thickness of a substantially flat workpiece is prepared by grinding, it is common practice to grind the surface of the workpiece with an outer peripheral blade rotating in parallel with the surface. . However, in this method, the thickness is likely to be non-uniform due to a slight inclination of the rotating surface of the outer peripheral blade. Was difficult to control.

【0043】これに対して、底面に垂直に回転する切削
用外周刃と光導波路底面との間隔を所定高さに設定して
切削加工すれば、外周刃の高さを調節することによっ
て、高さ方向の調節を容易に行えるし、この際の精度
は、一般的な加工装置の持つ加工精度(サブミクロンオ
ーダー)にならう。
On the other hand, if the gap between the cutting outer peripheral blade rotating perpendicular to the bottom surface and the bottom surface of the optical waveguide is set to a predetermined height, and the cutting is performed, the height of the outer peripheral blade is adjusted to thereby increase the height. The adjustment in the vertical direction can be easily performed, and the accuracy at this time is similar to the processing accuracy (submicron order) of a general processing apparatus.

【0044】図4の光導波路素子1Bのように、延設部
の肉厚部分8を省略することができる。肉厚部分8は、
例えば前述したダイシング加工装置によって除去でき
る。
As in the optical waveguide device 1B shown in FIG. 4, the thick portion 8 of the extension can be omitted. The thick part 8
For example, it can be removed by the dicing apparatus described above.

【0045】また、リッジ構造を形成するのに際して
は、基板にも溝を形成することができる。例えば図5の
光導波路素子1Cは、基本的には図1の光導波路素子1
Aと同様のものであるが、基板2にも溝2cが形成され
ており、リッジ構造8の両側の溝17が基板2の内部に
まで入っている。この結果、リッジ構造18は、基板の
突起2bと、突起2b上の接合層3と、接合層3上の光
導波路4とからなっている。
In forming the ridge structure, a groove can be formed in the substrate. For example, the optical waveguide device 1C of FIG.
A is similar to A, but a groove 2c is also formed in the substrate 2, and grooves 17 on both sides of the ridge structure 8 extend into the substrate 2. As a result, the ridge structure 18 includes the protrusion 2b of the substrate, the bonding layer 3 on the protrusion 2b, and the optical waveguide 4 on the bonding layer 3.

【0046】図6の光導波路素子1Dにおいても、光導
波路素子1Cと同様に、基板に溝2cが形成されてお
り、これによって基板2の突起1bが形成されている。
なお、20は、接合層3と同じ材質であるが、肉厚部分
8は除去されている。
In the optical waveguide device 1D of FIG. 6, as in the case of the optical waveguide device 1C, the groove 2c is formed in the substrate, and the projection 1b of the substrate 2 is thereby formed.
Incidentally, 20 is the same material as the bonding layer 3, but the thick portion 8 is removed.

【0047】図1、図4、図5、図6においては、光導
波路の下部が分極反転部分5であり、上部が非反転部分
6であった。しかし、光導波路の全体が分極反転部分と
なる場合もある。また、光導波路の上部が分極反転部分
5になり、下部が非反転部分6になる場合もある。
In FIGS. 1, 4, 5 and 6, the lower portion of the optical waveguide is the domain-inverted portion 5 and the upper portion is the non-inverted portion 6. However, in some cases, the entire optical waveguide becomes a domain-inverted portion. Also, the upper part of the optical waveguide may be the domain-inverted part 5 and the lower part may be the non-inverted part 6.

【0048】本発明の一実施形態においては、いわゆる
誘電体装荷型の三次元光導波路を利用できる。例えば図
7の光導波路素子1Eにおいては、基板2の表面2aに
接合層3を介して三次元光導波路10、一対の延設部1
5および一対の肉厚部8が接合されている。三次元光導
波路10と延設部15とは、肉薄部分を構成しており、
この肉薄部分の厚さは、光の厚さ方向への閉じ込めが可
能な厚さに設定されている。肉薄部分の表面に所定の誘
電体層12を形成することによって、誘電体層12の上
に三次元光導波路10を形成している。本例では誘電体
層12は接合層3内に突出している。
In one embodiment of the present invention, a so-called dielectric-loaded three-dimensional optical waveguide can be used. For example, in the optical waveguide device 1E of FIG. 7, the three-dimensional optical waveguide 10 and the pair of extension portions 1 are provided on the surface 2a of the substrate 2 with the bonding layer 3 interposed therebetween.
5 and a pair of thick portions 8 are joined. The three-dimensional optical waveguide 10 and the extending portion 15 constitute a thin portion,
The thickness of the thin portion is set to a thickness that allows light to be confined in the thickness direction. The three-dimensional optical waveguide 10 is formed on the dielectric layer 12 by forming a predetermined dielectric layer 12 on the surface of the thin portion. In this example, the dielectric layer 12 protrudes into the bonding layer 3.

【0049】図7の光導波路素子を製造するには、例え
ば以下の方法による。即ち、図8(a)に示すように、
光導波路成形用材料9の表面に、周期分極反転構造5を
形成し、更に誘電体層12を形成しておく。誘電体層1
2の材質は、材料9よりも屈折率が高ければ特に限定さ
れないが、例えば五酸化ニオブが好ましい。基板2の表
面2aに、光導波路成形用材料9の接合面9aを接合す
る。次いで、図8(b)に示すように、材料9の背面
(非接合面)9bを研削加工し、材料9Aを薄くする。
次いで、図7に示すように凹部11を形成し、肉厚部分
8と肉薄部分10、15とを形成する。こうした加工は
前述の加工方法を転用できる。
In order to manufacture the optical waveguide device shown in FIG. 7, for example, the following method is used. That is, as shown in FIG.
The periodically poled structure 5 is formed on the surface of the optical waveguide forming material 9, and the dielectric layer 12 is further formed. Dielectric layer 1
The material of No. 2 is not particularly limited as long as it has a higher refractive index than the material 9, but for example, niobium pentoxide is preferable. The bonding surface 9 a of the optical waveguide molding material 9 is bonded to the surface 2 a of the substrate 2. Next, as shown in FIG. 8B, the back surface (non-joining surface) 9b of the material 9 is ground to thin the material 9A.
Next, as shown in FIG. 7, a concave portion 11 is formed, and a thick portion 8 and thin portions 10 and 15 are formed. For such processing, the above-described processing method can be diverted.

【0050】図9の光導波路素子1Fのように、延設部
の肉厚部分8を省略することができる。
As in the case of the optical waveguide device 1F shown in FIG. 9, the thick portion 8 of the extending portion can be omitted.

【0051】また、誘電体は、光導波路の上側(基板と
は反対側)に装荷することができる。図10の光導波路
素子1Gにおいては、光導波路10の上に誘電体12を
装荷している。また、図11の光導波路素子1Hにおい
ては、光導波路10の上に誘電体12を装荷しており、
かつ図10の素子において延設部の肉厚部分8を省略し
ている。
The dielectric can be loaded above the optical waveguide (on the side opposite to the substrate). In the optical waveguide device 1G of FIG. 10, a dielectric 12 is loaded on the optical waveguide 10. Further, in the optical waveguide device 1H of FIG. 11, the dielectric 12 is loaded on the optical waveguide 10,
In addition, in the element of FIG. 10, the thick portion 8 of the extension portion is omitted.

【0052】本発明においては、図1において、溝7の
深さを更に大きくして接合層3内まで溝を形成すること
によって、延設部15を除去することもできる。この場
合には、例えば図12に示す素子1Jのように、溝7は
接合層3に達し、リッジ型の光導波路4が接合層3から
直接に突出する。
In the present invention, the extended portion 15 can be removed by further increasing the depth of the groove 7 in FIG. 1 and forming the groove to the inside of the bonding layer 3. In this case, as in an element 1J shown in FIG. 12, for example, the groove 7 reaches the bonding layer 3, and the ridge-type optical waveguide 4 projects directly from the bonding layer 3.

【0053】また、少なくとも光導波路を被覆するオー
バーコート層を設けることができる。図13は、この実
施形態に係る素子1Kを示す。この素子の光導波路4側
の表面はオーバーコート層21によって被覆されてい
る。
Further, an overcoat layer covering at least the optical waveguide can be provided. FIG. 13 shows an element 1K according to this embodiment. The surface of this element on the optical waveguide 4 side is covered with an overcoat layer 21.

【0054】これによって、光導波路の表面が大気に直
接には触れず、オーバーコート層に接触するようにな
る。このため、例えば光導波路表面に粗れや微細な欠け
が発生していた場合に、光導波路が大気に露出している
場合と比べて、光の散乱が少なくなる。
As a result, the surface of the optical waveguide does not come into direct contact with the atmosphere, but comes into contact with the overcoat layer. For this reason, for example, when the surface of the optical waveguide is rough or finely chipped, light scattering is reduced as compared with the case where the optical waveguide is exposed to the atmosphere.

【0055】オーバーコート層の材質は限定されない
が、例えば、酸化珪素(SiO2 )、五酸化ニオブ、五
酸化タンタル、あるいは各種樹脂材料等が好ましい。
Although the material of the overcoat layer is not limited, for example, silicon oxide (SiO 2 ), niobium pentoxide, tantalum pentoxide, or various resin materials are preferable.

【0056】好適な実施形態においては、本発明の光導
波路素子は一対の延設部と、延設部から接合層の方へと
向かって突出するリッジ形状の光導波路を備えている。
図14は、この実施形態に係る素子1Lを示す。
In a preferred embodiment, the optical waveguide device of the present invention includes a pair of extended portions, and a ridge-shaped optical waveguide projecting from the extended portions toward the bonding layer.
FIG. 14 shows an element 1L according to this embodiment.

【0057】基板2に対して、一対の肉厚部分8、一対
の延設部26および延設部から接合層3へと向かって突
出する光導波路24が設けられている。肉厚部分8と光
導波路24との間には一対の溝23が形成されており、
溝23内には非晶質材料22が充填されている。非晶質
材料の充填物22は、接合層3と連続していることが好
ましい。
The substrate 2 is provided with a pair of thick portions 8, a pair of extending portions 26, and an optical waveguide 24 projecting from the extending portions toward the bonding layer 3. A pair of grooves 23 is formed between the thick portion 8 and the optical waveguide 24,
The groove 23 is filled with an amorphous material 22. The filling 22 of the amorphous material is preferably continuous with the bonding layer 3.

【0058】本例では、光導波路24は、周期分極反転
部分5と、分極反転していない突出部25とからなって
おり、分極反転部分5が、基板2に近い先端側に設けら
れている。
In this embodiment, the optical waveguide 24 is composed of the periodically poled portion 5 and the protrusion 25 that has not been poled, and the poled portion 5 is provided on the tip side near the substrate 2. .

【0059】このような構造によれば、光導波路の表面
が非晶質材料に接触する。このため、例えば光導波路表
面に粗れや微細な欠けが発生していた場合に、光導波路
が大気に露出している場合と比べて、光の散乱が少なく
なる。従って、光挿入損失のバラツキが小さくなる。
According to such a structure, the surface of the optical waveguide comes into contact with the amorphous material. For this reason, for example, when the surface of the optical waveguide is rough or finely chipped, light scattering is reduced as compared with the case where the optical waveguide is exposed to the atmosphere. Therefore, the variation of the optical insertion loss is reduced.

【0060】こうした素子の製法は、特に限定されない
が、前述の製法を転用することが好ましい。即ち、図1
5(a)に示すように、光導波路成形用材料9の表面
に、周期分極反転構造5を形成しておく。次いで、前述
した機械加工やレーザー加工によって、図15(b)に
示すように、所定形状の溝23を形成し、一対の溝23
の間にリッジ構造の光導波路24を形成する。
The method for producing such an element is not particularly limited, but it is preferable to divert the above-mentioned method. That is, FIG.
As shown in FIG. 5A, the periodically poled structure 5 is formed on the surface of the optical waveguide molding material 9. Next, as shown in FIG. 15B, a groove 23 having a predetermined shape is formed by the aforementioned machining or laser processing, and a pair of grooves 23 is formed.
An optical waveguide 24 having a ridge structure is formed therebetween.

【0061】次いで、図15(c)に示すように、基板
2の表面2aに、光導波路成形用材料9の構造5側の表
面(接合面)9aを接合する。この際、溝23内には非
晶質材料22が充填されるようにする。次いで、光導波
路成形用材料9の背面(非接合面)9bを研削加工し、
材料9を薄くし、図14の肉厚部分8および延設部26
を形成する。
Next, as shown in FIG. 15C, the surface (bonding surface) 9 a of the optical waveguide molding material 9 on the structure 5 side is bonded to the surface 2 a of the substrate 2. At this time, the amorphous material 22 is filled in the groove 23. Next, the back surface (non-joining surface) 9b of the optical waveguide molding material 9 is ground.
The material 9 is thinned, and the thick portion 8 and the extension portion 26 shown in FIG.
To form

【0062】好適な実施形態においては、光導波路の横
断面方向の両側に向かって延びる一対の延設部を備えて
いる場合に、高調波発生素子の基本波の波長および波長
変換波の波長の双方に対してシングルモード伝搬とな
る。特に好ましくは、光導波路の幅が1−10μmであ
り、光導波路の延設部からの高さが0.2−5μmであ
り、延設部の厚さが0.5−5μmである。
In a preferred embodiment, when a pair of extending portions extending toward both sides in the cross-sectional direction of the optical waveguide is provided, the wavelength of the fundamental wave of the harmonic generation element and the wavelength of the wavelength-converted wave are reduced. Single mode propagation for both. Particularly preferably, the width of the optical waveguide is 1-10 μm, the height from the extending portion of the optical waveguide is 0.2-5 μm, and the thickness of the extending portion is 0.5-5 μm.

【0063】この実施形態について説明する。This embodiment will be described.

【0064】励起光、波長変換光共にシングルモード条
件になる導波路構造を見出すために、有限要素法による
光導波路構造解析手法を用いて詳細な検討を行ない、実
験によって特性を確認した。この結果、例えば図1の導
波路がこの条件を満たし、かつ高性能を実現する導波路
寸法トレランスが極めて大きいために、製作が容易であ
る事を見出した。
In order to find a waveguide structure that satisfies the single mode condition for both the pump light and the wavelength-converted light, a detailed study was performed using an optical waveguide structure analysis method by the finite element method, and the characteristics were confirmed by experiments. As a result, it has been found that, for example, the waveguide of FIG. 1 satisfies this condition and has a very large waveguide dimensional tolerance for realizing high performance, and is therefore easy to manufacture.

【0065】図1の素子は、三次元光導波路4の部分
と、この両側に延びる一対の延設部15を備えている。
このような構造は、図3、図4、図13、図14の素子
にも見られる。
The device shown in FIG. 1 has a portion of the three-dimensional optical waveguide 4 and a pair of extending portions 15 extending on both sides thereof.
Such a structure is also seen in the devices of FIGS. 3, 4, 13 and 14.

【0066】励起光の波長λ1=810nm、変換光の
波長λ2=405nmとして具体的検討を行った。本検
討においては、図16に示すモデルに基づいて検討し
た。ここで、2は基板であり、3は接合層であり、4は
リッジ部分であり、30は図3の構造を計算する目的で
便宜上分割した導電路の下部分である。
A specific study was performed with the wavelength of the excitation light λ1 = 810 nm and the wavelength of the converted light λ2 = 405 nm. In this study, examination was made based on the model shown in FIG. Here, 2 is a substrate, 3 is a bonding layer, 4 is a ridge portion, and 30 is a lower portion of a conductive path divided for the purpose of calculating the structure of FIG.

【0067】励起光レーザと導波路基本モード(波長λ
1)との間で直接光結合をとった場合の結合損失の計算
結果の一例を、図17、図18に示す。図17、図18
における計算例では、リッジ部分4と延設部15の材質
は、同一の非線形光学材料とし、本非線形光学材料は、
波長λ1に対して屈折率2.14、波長λ2に対して屈折率
2.29とした。また、接合層3の屈折率は、λ1、λ2の
両波長に対して屈折率1.51とした。また、本導波路と結
合させる励起光レーザーのスポットとして、x方向半径
1.5μm、y方向半径1.0μmのガウシアンビーム
を想定した。
The pump light laser and the waveguide fundamental mode (wavelength λ
FIGS. 17 and 18 show examples of the calculation results of the coupling loss when direct optical coupling is performed with 1). FIG. 17, FIG.
In the calculation example in the above, the material of the ridge portion 4 and the extension portion 15 is the same nonlinear optical material, and the nonlinear optical material is
2.14 refraction index for wavelength λ1, refraction index for wavelength λ2
It was 2.29. The refractive index of the bonding layer 3 was 1.51 for both wavelengths λ1 and λ2. In addition, a Gaussian beam having a radius of 1.5 μm in the x direction and a radius of 1.0 μm in the y direction was assumed as a spot of the excitation light laser to be coupled with the present waveguide.

【0068】リッジ部分4の幅wを横軸にとった。導波
路モードフィールドと、励起光レーザを想定したx方向
直径3μm、y方向直径2μmのガウシアンビームとの
結合損失ηを、縦軸に示す。図17では、リッジ部分4
の高さt1を1.0μmに固定し、図18ではt1を2.0
μmに固定した。各グラフにおいて、延設部の厚さt2
を1.0−4.0mmの間で変更した。図17、図18
に実線で示した部分が、シングルモード伝搬領域であ
る。
The width w of the ridge portion 4 is plotted on the horizontal axis. The vertical axis shows the coupling loss η between the waveguide mode field and a Gaussian beam having a diameter of 3 μm in the x direction and a diameter of 2 μm in the y direction assuming an excitation light laser. In FIG. 17, the ridge portion 4
Is fixed at 1.0 μm, and in FIG.
It was fixed to μm. In each graph, the thickness t2 of the extension portion
Was changed between 1.0-4.0 mm. FIG. 17, FIG.
A portion indicated by a solid line in FIG.

【0069】各グラフでは、リッジ部分4の幅Wには、
ある閾値wsが存在する。例えば、t1=1.0μm、t
2が2.0 μm以上のときに、各閾値以下のwのもとでは
シングルモード伝搬となることが分かる。wsは、図1
7においては、4−10μmの範囲内で変動している。
ただし、wが必要以上に小さくなると、スラブモードに
近い状態となり、カットオフ状態になる(ηが大きくな
る)。t2が1.0 μm程度以下になると、閉じ込めの極め
て強い状態となり、シングルモード条件を満たすにはw
〜1.0 μm以下になり、結合損失も大きくなる。
In each graph, the width W of the ridge portion 4 is:
There is a certain threshold ws. For example, t1 = 1.0 μm, t
It can be seen that when 2 is 2.0 μm or more, single mode propagation occurs under w below each threshold. ws is shown in FIG.
In No. 7, the value fluctuated within a range of 4 to 10 μm.
However, if w becomes unnecessarily small, the state becomes close to the slab mode, and a cutoff state occurs (η increases). When t2 is about 1.0 μm or less, the state of confinement becomes extremely strong.
1.01.0 μm or less, and the coupling loss also increases.

【0070】図17の計算例では、リッジ部分4の幅w
=2.5μm、リッジ部分4の高さt1=1.0μm、延
設部の厚さt2=1.5μmの近傍で、導波路がシングル
モードとなる範囲で、結合損失が最小となる最適構造と
なる。
In the calculation example of FIG. 17, the width w of the ridge portion 4 is
= 2.5 μm, height t1 of the ridge portion 4 = 1.0 μm, and thickness of the extension t2 = 1.5 μm. In the vicinity of a single mode mode of the waveguide, an optimum structure that minimizes the coupling loss. Becomes

【0071】図18の計算例においても、同様に、w=
2.5μm、t1=2.0μm、t2=1.5μm近傍の導
波路構造が、最適構造である。
Similarly, in the calculation example of FIG. 18, w =
A waveguide structure near 2.5 μm, t1 = 2.0 μm, and t2 = 1.5 μm is the optimum structure.

【0072】本計算例では、t1として1.0 及び2.0 μm
の場合についてのみ記したが、他のt1についても、同様
なシングルモード伝搬領域が得られることは自明であ
る。t1を大きくとることで、導波路の閉じ込めが強くな
るため閾値wsは低下することを計算・実験で確認して
いる。
In this calculation example, t1 is 1.0 and 2.0 μm
However, it is obvious that a similar single mode propagation region can be obtained for the other t1. It has been confirmed by calculation and experiment that the threshold value ws is reduced by increasing the value of t1, thereby increasing the confinement of the waveguide.

【0073】また、t2についても、t2=1.0,1.5,2.0,2.
5,3.0,3.5,4.0 μmの各場合についてのみ記したが、他
のt2においても同様なシングルモード伝搬領域が存在す
る。t2を大きくすることで、導波路の閉じ込めが弱い状
況となるため、閾値wsは増加する。一方、t2を小さく
することで導波路の閉じ込めが強くなり、wsが減少す
る傾向がある。
For t2, t2 = 1.0, 1.5, 2.0, 2.
Although described only for the cases of 5, 3.0, 3.5, and 4.0 μm, a similar single mode propagation region exists at other t2. Increasing t2 results in a situation where the confinement of the waveguide is weak, and thus the threshold value ws increases. On the other hand, by reducing t2, the confinement of the waveguide becomes stronger, and ws tends to decrease.

【0074】また、リッジ部分4、延設部15の屈折率
(n1)と下地層30の屈折率(n2)との比屈折率差
(n1−n2)/n2と、リッジ部分4、延設部15の
屈折率(n1)とエアーの屈折率(光導波路をオーバー
コートする場合にエアーの代わりにオーバーコート層の
屈折率)(n2)との比屈折率差(n1−n2)/n2
との、一方あるいは双方が大きくなれば、屈折率n1、
n2の大きさに係わらず、導波路の閉じ込めが強い状態
となり、wsが減少する。一方、前記の比屈折率差の一
方あるいは双方が小さくなれば、n1、n2の大小に係
わらず、導波路の閉じ込めが弱くなり、wsが増加する
ことも自明である。
Further, the relative refractive index difference (n1-n2) / n2 between the refractive index (n1) of the ridge portion 4 and the extension portion 15 and the refractive index (n2) of the base layer 30; The relative refractive index difference (n1-n2) / n2 between the refractive index (n1) of the portion 15 and the refractive index of air (the refractive index of the overcoat layer instead of air when overcoating the optical waveguide) (n2).
If one or both of these becomes large, the refractive index n1,
Regardless atmosphere of n2, confinement of the waveguide becomes high state, ws is reduced. On the other hand, when one or both of the relative refractive index differences are reduced, it is obvious that the confinement of the waveguide is weakened and ws is increased regardless of the magnitude of n1 and n2.

【0075】本計算例において、励起光レーザのスポッ
ト半径としてx方向1.5μm、y 方向1.0 μmの場合の
みについてのみ示したが、励起レーザのスポット半径
は、用途・動作波長により適当な材料・組成,構造・寸
法が選ばれ、その組み合わせによってその大きさが決ま
る。また、場合によっては、レンズを介して光導波路と
結合させることも可能であり、これらの事を考慮すると
実効的なスポット径は、0.5μm程度から5μm程度
の異なった大きさになる。
In this calculation example, only the case where the spot radius of the excitation light laser is 1.5 μm in the x direction and 1.0 μm in the y direction is shown. , Structure and dimensions are selected, and their size is determined by their combination. In some cases, the light spot can be coupled to an optical waveguide via a lens. In view of these facts, the effective spot diameter is different from about 0.5 μm to about 5 μm.

【0076】例えば、実効的スポット径の小さいレーザ
を使用した場合、励起光レーザと本光導波路の結合損失
ηが極小となるw及びt2は減少し、あるいは、励起光レ
ーザのスポット径を大きくした場合、w及びt2は増加す
ることになる。
For example, when a laser having a small effective spot diameter is used, w and t2 at which the coupling loss η between the excitation light laser and the present optical waveguide is minimized are reduced, or the spot diameter of the excitation light laser is increased. In that case, w and t2 will increase.

【0077】本検討では一例を示したが、一般的な非線
形光学結晶あるいは非線形ポリマ材料の屈折率として
は、動作環境温度によって屈折率が大幅に変化する事を
考慮すると1.3 から2.5 程度の範囲、接着層の屈折率と
して1.3 から2.0 の範囲をとる。従って、用いられるレ
ーザの実効的スポット径に対して、本発明によるシング
ルモード条件を満たしつつ、且つレーザとの結合損失を
小さくする構造としては、リッジ型光導波路の形状が、
リッジ部分4の幅1〜10μm、リッジ部物4の高さ0.
2 〜5 μm、延設部15および下地層30の厚さ0.5 〜
5 μmの範囲で、シングルモードが得られる。
Although an example has been shown in this study, the refractive index of a general nonlinear optical crystal or nonlinear polymer material is in the range of 1.3 to 2.5 in consideration of the fact that the refractive index greatly changes depending on the operating environment temperature. The refractive index of the adhesive layer ranges from 1.3 to 2.0. Therefore, for the effective spot diameter of the laser used, while satisfying the single mode condition according to the present invention, and as a structure to reduce the coupling loss with the laser, the shape of the ridge type optical waveguide,
The width of the ridge portion 4 is 1 to 10 μm, and the height of the ridge portion 4 is 0.
2 to 5 μm, thickness of extension 15 and underlayer 30 0.5 to
In the range of 5 μm, a single mode can be obtained.

【0078】また、本検討でクラッドとして機能する基
板層がある場合、および基板層がない場合の両モデルに
対して検討結果が同様となることも自明である。
It is also obvious that the results of the study are the same for both models with a substrate layer functioning as a cladding and without a substrate layer.

【0079】(接合層の屈折率について)光導波路型の
光波長変換素子を形成する場合、光導波路における基本
波、高調波のモードの重なりが変換効率に大きく影響を
与える。導波モードの形状は接合層の屈折率に影響され
る。図19に導波路と接合層の屈折率差と電界分布の関
係を示す。波長850nm 、導波路LiNbO3(屈折率2.166 )
とし、基板はLiTaO3(屈折率2.158)で計算した。
屈折率差が増大するに従い、モードプロファイルの対称
性が増大し、かつ閉じ込めが向上した。図19から分か
るように、導波路と接合層の屈折率差Δnが5%以上の
ときにモードの対称性が増加し、高効率化がはかれるた
め好ましい。さらに、Δnが10%以上になると閉じ込
めが強化され変換効率の向上が可能になった。
(Regarding the Refractive Index of the Bonding Layer) In the case of forming an optical waveguide type optical wavelength conversion element, the overlapping of the fundamental and harmonic modes in the optical waveguide greatly affects the conversion efficiency. The shape of the guided mode is affected by the refractive index of the bonding layer. FIG. 19 shows the relationship between the refractive index difference between the waveguide and the bonding layer and the electric field distribution. Wavelength 850 nm, waveguide LiNbO3 (refractive index 2.166)
The substrate was calculated using LiTaO3 (refractive index: 2.158).
As the refractive index difference increased, the symmetry of the mode profile increased and the confinement improved. As can be seen from FIG. 19, when the refractive index difference Δn between the waveguide and the bonding layer is 5% or more, the symmetry of the mode is increased and the efficiency is improved, which is preferable. Further, when Δn becomes 10% or more, confinement is strengthened, and conversion efficiency can be improved.

【0080】(シングルモード条件の成立)導波路型の
光波長変換素子において、高効率の波長変換を行うに
は、光導波路のシングルモード伝搬の条件成立が不可欠
である。特に、基本波(変換された光の波長<基本波の
場合)に対して光導波路がシングルモード条件を満足す
ることが望ましい。その理由は、導波路に基本波を入力
した場合に、マルチモード導波路では、伝搬する基本波
が複数の導波モードに分散する可能性がある。光波長変
換素子において、変換効率は基本波のパワー密度に依存
するため、マルチモード導波路において基本波の伝搬モ
ードが分散すると変換効率が極端に低下する原因とな
る。さらに、導波する伝搬モードが分散することで出力
が不安定になるという問題が生じる。
(Satisfaction of Single Mode Condition) In a waveguide type optical wavelength conversion element, the condition of single mode propagation in an optical waveguide is indispensable for performing high-efficiency wavelength conversion. In particular, it is desirable that the optical waveguide satisfies the single mode condition with respect to the fundamental wave (when the wavelength of the converted light <the fundamental wave). The reason is that when a fundamental wave is input to the waveguide, the propagating fundamental wave may be dispersed into a plurality of waveguide modes in the multi-mode waveguide. In the optical wavelength conversion element, since the conversion efficiency depends on the power density of the fundamental wave, if the propagation mode of the fundamental wave is dispersed in the multi-mode waveguide, the conversion efficiency becomes extremely low. In addition, there is a problem that the output becomes unstable due to dispersion of the propagation mode to be guided.

【0081】光導波路におけるシングルモード条件につ
いて述べる。波長800nmの光に対して、MgO ドープLiNbO
3を導波層としたときの接合層との屈折率差dnとシン
グルモード条件を満足する最大の厚みの関係を、図20
に示した。屈折率差Δn=5%でシングルモード深さは
約1μmとなる。屈折率差が大きくなるとシングルモー
ド条件はさらに厳しくなる。この結果は、上記の閉じ込
めの強い光導波路を実現するための接合層との屈折率
(5%以上)を実現するには、導波路層の厚みを1μm
以下に制御しなければならないことを示している。とこ
ろが、導波路の厚みを薄くすると導波モードのアスペク
ト比が増大し、出射光のモードプロファルのアスペクト
比がこれに比例するため、光のレンズ系で集光する場合
に出射光のビーム整形等が必要になる。さらに、導波路
に光を結合させる場合にも通常の半導体レーザや固体レ
ーザのビームプロファイルと大きく異なるため、結合効
率の低下の原因になる。さらに導波路の厚み変動に対す
実効屈折率の変化が大きくなるため導波路の不均一性
が増大する。これを改善するには、導波路のシングルモ
ード深さの増大が必要となる。半導体レーザとの高効率
結合を考えるとシングルモード深さは1μm以上必要と
なるため、接合層の屈折率としては光導波路との屈折率
差5%以下の材料が必要となるが、この条件では、上述
した対称性に優れ、かつ閉じこめの強い光導波路構造の
実現が難しくなる。
The single mode condition in the optical waveguide will be described. For light with a wavelength of 800 nm, MgO-doped LiNbO
FIG. 20 shows the relationship between the refractive index difference dn from the bonding layer and the maximum thickness satisfying the single mode condition when 3 is a waveguide layer.
It was shown to. When the refractive index difference Δn = 5%, the single mode depth is about 1 μm. As the refractive index difference increases, the single mode condition becomes more severe. This result indicates that the thickness of the waveguide layer must be 1 μm in order to realize a refractive index (5% or more) with the bonding layer for realizing the optical waveguide with strong confinement.
The following shows what must be controlled. However, when the thickness of the waveguide is reduced, the aspect ratio of the guided mode increases, and the aspect ratio of the mode profile of the emitted light is proportional to this. Is required. Further, when light is coupled into the waveguide, the beam profile is significantly different from the beam profile of a normal semiconductor laser or solid-state laser, which causes a reduction in coupling efficiency. Further, since the change in the effective refractive index with respect to the fluctuation in the thickness of the waveguide increases, the non-uniformity of the waveguide increases. To improve this, it is necessary to increase the single mode depth of the waveguide. Considering high-efficiency coupling with a semiconductor laser, a single-mode depth of 1 μm or more is required. Therefore, a material having a refractive index difference of 5% or less from the optical waveguide is required as the refractive index of the bonding layer. Thus, it is difficult to realize an optical waveguide structure having excellent symmetry and strong confinement.

【0082】そこで、シングルモード深さの増大方法と
して新たな導波路構造を提案する。導波路の深さ方向の
屈折率分布として、図21に示すように、導波路、接合
層(接合層の屈折率<基板の屈折率)、基板の3層構造
をとった場合、導波路を伝搬する光の電界分布が基板側
に存在する状態において、光導波路のシングルモード条
件は、導波路と接合層の屈折率差ではなく、導波路と基
板の屈折率差に大きく依存することを見いだした。即
ち、光導波路の屈折率に近い基板を用いることで導波路
のシングルモード条件を大幅に緩和できる。
Accordingly, a new waveguide structure is proposed as a method for increasing the single mode depth. As a refractive index distribution in the depth direction of the waveguide, as shown in FIG. 21, when a three-layer structure of a waveguide, a bonding layer (refractive index of the bonding layer <refractive index of the substrate), and a substrate is adopted, In the state where the electric field distribution of the propagating light exists on the substrate side, it is found that the single mode condition of the optical waveguide largely depends on the refractive index difference between the waveguide and the substrate, not the refractive index difference between the waveguide and the bonding layer. Was. That is, by using a substrate having a refractive index close to that of the optical waveguide, the single mode condition of the waveguide can be greatly reduced.

【0083】具体的には、図20に示した屈折率差とシ
ングルモード深さの関係は、屈折率差を導波路と基板の
屈折率差に置き換えてほぼ同じ関係が成立する。即ちシ
ングルモードとなる導波路の深さを1μm以上にするに
は、基板と導波路の屈折率差を5%以下に設定すること
で可能となる。一方、光導波路に存在する導波光の電界
分布は接合層の屈折率で制御できる。上述したように、
接合層の屈折率を導波路の屈折率より5%以上小さくす
ることで導波モードの電界分布の対称性向上および閉じ
こめ強化を実現できる。接合層を設けることで導波路の
シングルモード条件と導波モードの電界分布を独立に設
計できる。(ただしこの条件は、導波モードの電界分布
が基板側に存在するときに限られる。その理由は、接合
層が厚くなりすぎると導波モードが基板側に存在しなく
なり、導波路と接合層の屈折率差によりシングルモード
条件が成立するためである。)
More specifically, the relationship between the refractive index difference and the single mode depth shown in FIG. 20 is substantially the same as the relationship between the refractive index difference and the refractive index difference between the waveguide and the substrate. That is, the depth of the single-mode waveguide can be set to 1 μm or more by setting the refractive index difference between the substrate and the waveguide to 5% or less. On the other hand, the electric field distribution of the guided light existing in the optical waveguide can be controlled by the refractive index of the bonding layer. As mentioned above,
By making the refractive index of the bonding layer smaller than the refractive index of the waveguide by 5% or more, it is possible to improve the symmetry of the electric field distribution of the waveguide mode and enhance the confinement. By providing the bonding layer, the single mode condition of the waveguide and the electric field distribution of the waveguide mode can be independently designed. (However, this condition is limited only when the electric field distribution of the guided mode exists on the substrate side. The reason is that if the bonding layer becomes too thick, the guided mode will not exist on the substrate side, and the waveguide and the bonding layer will not be present. This is because the single mode condition is satisfied by the refractive index difference.

【0084】接合層を介した導波路の条件としては、以
下の2点が必要である。接合層の屈折率が基板の屈折率
より低いこと 導波路を伝搬する導波モードの電界分布が基板に存在す
る。具体的には、基板における電界強度が導波路におけ
る電界強度の最大値の1/1000以上存在することが
必要である。これ以上小さい値になると導波モードに対
する基板の影響が現れなくなる。
The following two conditions are required as conditions for the waveguide via the bonding layer. The refractive index of the bonding layer is lower than the refractive index of the substrate. An electric field distribution of a waveguide mode propagating through the waveguide exists in the substrate. Specifically, it is necessary that the electric field strength in the substrate is at least 1/1000 of the maximum value of the electric field strength in the waveguide. When the value is smaller than this, the influence of the substrate on the waveguide mode does not appear.

【0085】図22、図23は、接合層を有する場合と
有さない場合の電界分布を表したもので、接合層を有す
ることで導波路の閉じ込めが大幅に増大し、対称性も増
すことがわかる。この結果、導波路内における基本波と
高調波のオーバラップの増大が図れ、接合層を有する導
波路において変換効率は2倍以上増大することがわかっ
た。
FIGS. 22 and 23 show electric field distributions with and without a bonding layer. The presence of the bonding layer greatly increases the confinement of the waveguide and increases the symmetry. I understand. As a result, it was found that the overlap between the fundamental wave and the higher harmonic wave in the waveguide could be increased, and that the conversion efficiency in the waveguide having the bonding layer was increased by a factor of two or more.

【0086】(接合層の厚み)接合層の厚みについて述
べる。接合層の厚みが増大すると、上述したように導波
路への基板の影響がなくなるためシングルモード条件の
成立が困難になる。一方、接合層の厚みが減少すると接
合層の厚みが導波路の実効屈折率に与える影響が増加す
る。このことは光導波路デバイスの均一性が接合層の厚
みに大きく依存することを表している。導波路型の光波
長変換素子は位相整合波長許容度が0.1nm 程度と非常に
厳しい、このため導波路の不均一性により部分的に位相
整合の異なる場合、変換効率が極端に低下する原因とな
る。
(Thickness of Bonding Layer) The thickness of the bonding layer will be described. When the thickness of the bonding layer is increased, the influence of the substrate on the waveguide is eliminated as described above, so that it is difficult to satisfy the single mode condition. On the other hand, when the thickness of the bonding layer decreases, the effect of the thickness of the bonding layer on the effective refractive index of the waveguide increases. This indicates that the uniformity of the optical waveguide device largely depends on the thickness of the bonding layer. The waveguide type optical wavelength conversion element has a very tight phase matching wavelength tolerance of about 0.1 nm. Become.

【0087】図24は、接合層の厚みと位相整合波長の
関係を示したものである。接合層の厚みが0.1μm以
下の場合、接合層の厚みに対する位相整合波長の依存性
は大きい。0.15μm以上になると依存性が徐々に低
下し、0.2μm以下ではさらに依存性が小さくなるた
め、好ましい、接合層の厚みは、位相整合波長が接合層
の厚み依存性が小さくなる厚みが必要であり、同時に導
波モードの電界分布が基板側に存在する程度に薄くする
必要がある。
FIG. 24 shows the relationship between the thickness of the bonding layer and the phase matching wavelength. When the thickness of the bonding layer is 0.1 μm or less, the phase matching wavelength greatly depends on the thickness of the bonding layer. When the thickness is 0.15 μm or more, the dependency gradually decreases, and when the thickness is 0.2 μm or less, the dependency is further reduced. Therefore, the thickness of the bonding layer is preferably such that the phase matching wavelength is less dependent on the thickness of the bonding layer. At the same time, it is necessary to reduce the thickness so that the electric field distribution of the waveguide mode exists on the substrate side.

【0088】上記説明は、導波路の深さ方向の電界分布
について述べたが、装荷導波路、リッジ導波路、機械加
工導波路等いずれの導波路においても適用可能である。
導波路の横方向閉じ込めを実現するには、これらの構造
をとる必要がある。
In the above description, the electric field distribution in the depth direction of the waveguide is described. However, the present invention can be applied to any waveguide such as a loaded waveguide, a ridge waveguide, and a machined waveguide.
In order to realize the lateral confinement of the waveguide, it is necessary to adopt these structures.

【0089】(オフカット基板を使用した周期分極反転
構造の形成)高効率の光波長変換素子を構成するために
は、周期分極反転構造と、光導波路を伝搬する光とのオ
ーバーラップの増大が重要である。光導波路形状として
波長820nm程度の基本波から波長410nm程度の
第二高調波を発生させるケースを想定すると、光導波路
の深さは2μm程度になるため、周期状の分極反転の深
さは2μm以上必要となる。
(Formation of Periodically Poled Structure Using Off-Cut Substrate) In order to construct a highly efficient optical wavelength conversion element, the overlap between the periodically poled structure and light propagating through the optical waveguide must be increased. is important. Assuming a case where a second harmonic having a wavelength of about 410 nm is generated from a fundamental wave having a wavelength of about 820 nm as an optical waveguide shape, the depth of the optical waveguide is about 2 μm, and the depth of the periodic polarization inversion is 2 μm or more. Required.

【0090】深い分極反転構造を形成する方法として、
結晶軸を基板表面に対して傾けたオフカット基板を用い
る方法がある。例えば、Xオフカット基板においては、
X板(結晶のX軸が基板表面に対して垂直な基板)のX
軸、Z軸を、Y軸を中心としてθ傾斜させている。Yオ
フカット基板においては、Y板(結晶のY軸が基板表面
に対して垂直な基板)のY軸、Z軸を、X軸を中心とし
てθ傾斜させている。こうしたXオフカット基板、Yオ
フカット基板を使用して分極反転構造を形成することに
よって、深い分極反転構造を形成することが可能とな
り、これによって光波長変換素子の高効率化が実現す
る。分極反転深さは、オフカット角が増加するのにつれ
て増大する。例えば、周期分極反転構造の周期を3μm
としたとき、オフカット角θ=1.5°の場合には分極
反転深さ1μm、θ=3°で1.7μm、θ=5°で
2.5μm程度の周期分極反転構造を実現できる。従っ
て、光導波路と周期分極反転構造との十分なオーバーラ
ップを実現するためには、オフカット角θが3°以上で
ある基板が望ましい。
As a method of forming a deep domain inversion structure,
There is a method using an off-cut substrate in which the crystal axis is inclined with respect to the substrate surface. For example, in an X off-cut substrate,
X of X plate (substrate with X axis of crystal perpendicular to substrate surface)
The axis and the Z axis are inclined by θ about the Y axis. In a Y-offcut substrate, the Y-axis and the Z-axis of a Y-plate (a substrate in which the Y-axis of the crystal is perpendicular to the substrate surface) are inclined by θ about the X-axis. By forming a domain-inverted structure using such an X-off cut substrate and a Y-off-cut substrate, it is possible to form a deep domain-inverted structure, thereby realizing high efficiency of the optical wavelength conversion element. The polarization inversion depth increases as the off-cut angle increases. For example, if the period of the periodically poled structure is 3 μm
When the off-cut angle θ is 1.5 °, a periodically poled structure having a domain inversion depth of 1 μm, 1.7 μm at θ = 3 °, and 2.5 μm at θ = 5 ° can be realized. Therefore, in order to realize a sufficient overlap between the optical waveguide and the periodically poled structure, a substrate having an off-cut angle θ of 3 ° or more is desirable.

【0091】しかし、オフカット基板に分極反転構造を
形成する際には、以下の課題がある。 (1)プロトン交換光導波路をオフカット基板に適用す
る場合、オフカット角に比例して伝搬損失が増大する。 (2)Yオフカット基板にプロトン交換光導波路を形成
すると、Xオフカット基板の場合の2倍以上の伝搬損失
が存在する。
However, there are the following problems when forming a domain-inverted structure on an off-cut substrate. (1) When the proton exchange optical waveguide is applied to an off-cut substrate, the propagation loss increases in proportion to the off-cut angle. (2) When a proton exchange optical waveguide is formed on a Y off-cut substrate, there is a propagation loss more than twice that in the case of an X off-cut substrate.

【0092】即ち、従来、光導波路型の波長変換素子に
使用されているプロトン交換光導波路の場合、オフカッ
ト基板による深い分極反転を利用しようとすると、光導
波路の伝搬損失により特性が劣化する結果となり、せい
ぜいθが3°未満のXオフカット基板しか使用されてい
ない。Yオフカット基板を用いた場合には、光導波路の
伝搬損失が4−5dB/cm以上となり、第二高調波発
生素子の特性を大幅に劣化させるため、プロトン交換
導波路では使用するのが難しい、という問題があった。
これらの光導波路での伝搬損失の原因は、プロトン交換
時に発生する化学損傷によるものである。
That is, in the case of a proton exchange optical waveguide conventionally used in an optical waveguide type wavelength conversion element, if deep polarization reversal by an off-cut substrate is to be used, the characteristics are deteriorated due to the propagation loss of the optical waveguide. At most, only X off-cut substrates having θ of less than 3 ° are used. In the case of using the Y off-cut substrate, the propagation loss of the optical waveguide becomes 4-5dB / cm or more, in order to significantly degrade the characteristics of the second harmonic generation device, a proton exchanged optical <br/> waveguide There was a problem that it was difficult to use.
The cause of the propagation loss in these optical waveguides is due to chemical damage generated during proton exchange.

【0093】これらの課題を解決する方法として、本発
明の光波長変換素子は非常に有効である。本発明の光波
長変換素子は、プロトン交換工程を用いずに光導波路の
形成が可能なため、化学損傷は生じない。従って、従来
使用の難しかった、3°以上のオフカット角を有するX
オフカット基板やYオフカット基板の使用が可能とな
る。θ=5°のX、Yオフカット基板を利用した場合、
Xカット基板では2dB/cm以上、Yオフカット基板
では4−5dB/cm以上の導波損失が存在した。しか
し、本発明の構成では、θ=5°のオフカット基板を利
用した場合でも、伝搬損失1dB/cm以下の伝搬損失
の低い光導波路を形成することが可能となった。その結
果、深い分極反転と低損失の導波路構造を利用すること
で、第二高調波発生素子の変換効率を2倍以上高めるこ
とが可能となった。
As a method for solving these problems, the optical wavelength conversion device of the present invention is very effective. Since the optical wavelength conversion device of the present invention can form an optical waveguide without using a proton exchange step, no chemical damage occurs. Therefore, X which has an off-cut angle of 3 ° or more, which has been difficult to use conventionally,
Off-cut substrates and Y-off-cut substrates can be used. When an X, Y off-cut substrate with θ = 5 ° is used,
The X-cut substrate has a waveguide loss of 2 dB / cm or more, and the Y-off cut substrate has a waveguide loss of 4-5 dB / cm or more. However, with the configuration of the present invention, it is possible to form an optical waveguide having a low propagation loss of 1 dB / cm or less even when an off-cut substrate with θ = 5 ° is used. As a result, the conversion efficiency of the second harmonic generation element can be increased by a factor of two or more by using a waveguide structure with deep polarization reversal and low loss.

【0094】更に、Yオフカット基板(X軸が基板表面
と平行な基板)を用いることで、より高効率の光波長変
換素子の構造が得られることが明らかになった。従来用
いられているXオフカット基板に比べて、Yオフカット
基板においては一層厚い分極反転構造が形成されること
が見出された。Xオフカット基板に比べて、Yオフカッ
ト基板の場合は、1.2倍深い分極反転部分が得られ
た。この結果、光波長変換素子の変換効率を1.2倍に
高めることが可能となった。また、分極反転周期に関し
ても、Yオフカット基板に形成された反転構造は、より
短周期化が可能であり、短波長の光波長変換素子を実現
するのに有利であった。従来のプロトン交換光導波路を
用いた光波長変換素子では、Yオフカット基板は導波損
失が大きいために検討されてこなかったが、本発明の光
波長変換素子を用いることで、低損失の導波路構造の形
成が可能となり、高効率の光波長変換素子が実現可能に
なった。
Further, it has been clarified that the use of a Y off-cut substrate (a substrate whose X axis is parallel to the substrate surface) can provide a more efficient light wavelength conversion element structure. It has been found that a thicker domain-inverted structure is formed on a Y off-cut substrate than on a conventionally used X-off cut substrate. In the case of the Y-offcut substrate, a domain-inverted portion 1.2 times deeper than that of the X-offcut substrate was obtained. As a result, it has become possible to increase the conversion efficiency of the optical wavelength conversion element by 1.2 times. Regarding the polarization inversion period, the inversion structure formed on the Y off-cut substrate can shorten the period, which is advantageous for realizing a short wavelength light wavelength conversion element. In a conventional optical wavelength conversion device using a proton-exchanged optical waveguide, the Y-off-cut substrate has not been studied because the waveguide loss is large, but by using the optical wavelength conversion device of the present invention, a low-loss waveguide is realized. A waveguide structure can be formed, and a highly efficient optical wavelength conversion element has been realized.

【0095】(素子の変形例)本発明の一実施形態にお
いては、三次元光導波路が、延設部に対して、基板から
遠ざかる方向に突出する突出部と、基板に接近する方向
に突出する突出部とを備えている。図27に示す素子1
Mは、この実施形態に係るものである。
(Modification of Element) In one embodiment of the present invention, the three-dimensional optical waveguide projects from the extending portion in a direction away from the substrate and in a direction approaching the substrate. And a projection. Element 1 shown in FIG.
M relates to this embodiment.

【0096】素子1Mにおいては、基板2の表面と、三
次元光導波路34および一対の延設部15とが、接合層
3Aによって接合されている。三次元光導波路は、基板
2の方向に向かって延びる突出部34bと、基板から遠
ざかる方向に延びる突出部34aと、突出部34aと3
4bとの間に挟まれた中央部34cとを備えている。突
出部34aと34bとは、中央部34cから見てほぼ対
称な形態をしている。
In the element 1M, the surface of the substrate 2, the three-dimensional optical waveguide 34 and the pair of extending portions 15 are joined by the joining layer 3A. The three-dimensional optical waveguide includes a projection 34b extending toward the substrate 2, a projection 34a extending away from the substrate, and projections 34a and 3b.
4b. The protruding portions 34a and 34b have a substantially symmetrical shape when viewed from the central portion 34c.

【0097】このような形態の三次元光導波路を採用す
ると、光導波路中を伝搬する光のビームの横断面形状が
真円形状に近くなる。従って、素子を外部の光ファイバ
ーに結合したときの結合損失が一層低減される。あるい
は、光導波路を伝搬する光を集光し、焦点合わせをする
ときのエネルギー損失が低減される。
When a three-dimensional optical waveguide having such a configuration is employed, the cross-sectional shape of a light beam propagating in the optical waveguide becomes close to a perfect circle. Therefore, the coupling loss when the element is coupled to an external optical fiber is further reduced. Alternatively, energy loss at the time of focusing and focusing light propagating through the optical waveguide is reduced.

【0098】また、基板2の表面2aに凹部や突起を形
成することも可能である。特に好適な実施形態において
は、三次元光導波路と基板の表面との間では接合層の厚
さを大きくし、延設部と基板表面との間では接合層の厚
さを小さくする。あるいは、基板表面の凹部の上に三次
元光導波路を設ける。これによって、三次元光導波路に
接合層および基板側から加わる応力が、より一層低減さ
れる。
Further, it is possible to form a concave portion or a protrusion on the surface 2a of the substrate 2. In a particularly preferred embodiment, the thickness of the bonding layer is increased between the three-dimensional optical waveguide and the surface of the substrate, and the thickness of the bonding layer is reduced between the extending portion and the surface of the substrate. Alternatively, a three-dimensional optical waveguide is provided on the concave portion on the substrate surface. Thus, the stress applied to the three-dimensional optical waveguide from the bonding layer and the substrate side is further reduced.

【0099】図28は、この実施形態に係る素子1Nを
示す。基板2の表面2aには凹部31が形成されてい
る。三次元光導波路4および一対の延設部15が基板表
面2aに対して接合層3を介して接合されている。凹部
31の上に三次元光導波路4が位置しており、凹部31
中にも接合層の材料32が充填されている。この結果、
接合層の厚さは、三次元光導波路と基板の間では相対的
に大きく、延設部と基板の間では相対的に小さい。
FIG. 28 shows an element 1N according to this embodiment. A concave portion 31 is formed on the surface 2 a of the substrate 2. The three-dimensional optical waveguide 4 and the pair of extending portions 15 are joined to the substrate surface 2a via the joining layer 3. The three-dimensional optical waveguide 4 is located on the concave portion 31,
The material 32 of the bonding layer is also filled therein. As a result,
The thickness of the bonding layer is relatively large between the three-dimensional optical waveguide and the substrate, and relatively small between the extension and the substrate.

【0100】こうした実施形態においては、三次元光導
波路と基板の間における接合層の厚さと、延設部と基板
の間における接合層の厚さとの比率は、10−1:1と
することが好ましい。
In such an embodiment, the ratio between the thickness of the bonding layer between the three-dimensional optical waveguide and the substrate and the thickness of the bonding layer between the extended portion and the substrate may be 10-1: 1. preferable.

【0101】また、好適な実施形態においては、基板表
面に凹部が設けられており、この凹部中に三次元光導波
路の少なくとも一部が位置している。図29は、この実
施形態に係る素子1Pを示す。
In a preferred embodiment, a concave portion is provided on the substrate surface, and at least a part of the three-dimensional optical waveguide is located in the concave portion. FIG. 29 shows an element 1P according to this embodiment.

【0102】素子1Pにおいては、基板2の表面2aに
凹部31が形成されている。また、三次元光導波路24
Aは基板2の方向へと向かって突出しており、光導波路
24Aの先端部分が凹部31内に位置している。凹部3
1内に接合層の材料32が充填されている。この素子の
表面はほぼ平坦であるので、前出した作用効果が得られ
る。
In the element 1 P, a concave portion 31 is formed on the surface 2 a of the substrate 2. Also, the three-dimensional optical waveguide 24
A protrudes toward the substrate 2, and the tip of the optical waveguide 24 </ b> A is located in the recess 31. Recess 3
1 is filled with the material 32 of the bonding layer. Since the surface of this element is substantially flat, the above-mentioned effects can be obtained.

【0103】更に、図30に示す素子1Qにおいては、
基板2の表面2aに凹部31が形成されている。また、
三次元光導波路34は一対の突出部34aおよび34b
を備えており、突出部34bの先端が凹部31内に位置
している。
Further, in the element 1Q shown in FIG.
A concave portion 31 is formed on the surface 2 a of the substrate 2. Also,
The three-dimensional optical waveguide 34 has a pair of protrusions 34a and 34b.
And the tip of the protruding portion 34 b is located in the recess 31.

【0104】また、三次元光導波路と基板との間、ある
いは延設部と基板との間には、基板表面の全面にわたっ
て接合層が連続的に設けられている必要はない。例え
ば、三次元光導波路と基板との間の一部が空隙となって
いたり、この空隙中に接合材料以外の充填材料が充填さ
れていてよい。また、延設部と基板との間の一部が空隙
となっていたり、この空隙中に接合材料以外の充填材料
が充填されていてよい。
It is not necessary that a bonding layer is continuously provided over the entire surface of the substrate between the three-dimensional optical waveguide and the substrate or between the extension and the substrate. For example, a part between the three-dimensional optical waveguide and the substrate may be a gap, or the gap may be filled with a filler material other than the bonding material. Further, a portion between the extension portion and the substrate may be a gap, or a filling material other than the bonding material may be filled in the gap.

【0105】また、接合層が複数種類の材質からなって
いてよい。例えば、図31の素子1Rにおいては、基板
2の表面2aと延設部15および三次元光導波路4との
間が、二種類の接合層3Bおよび3Cによって接合され
ている。
The bonding layer may be made of a plurality of types of materials. For example, in the element 1R of FIG. 31, the surface 2a of the substrate 2 and the extending portion 15 and the three-dimensional optical waveguide 4 are joined by two kinds of joining layers 3B and 3C.

【0106】以下、更に具体的な実施例について述べ
る。 (実施例1)図1に示す光導波路素子1Aを製造した。
具体的には、3度オフカット基板のX面(87°Zカッ
ト)のMgOを5mol%ドープしたニオブ酸リチウム
材料9(厚さ0.5mm)に、電圧印加法によって、周
期3.2μm、分極反転深さ2μmの周期分極反転構造
5を形成した。具体的には、図25、図26に示すよう
に、オフカット(3度)X板21(MgOドープニオブ
酸リチウム製)にピッチ3.2μmの周期で分極反転構
造25を電圧印加法によって生成させた。基板21の表
面21aに櫛形電極23とストライプ電極22とをZ方
向に向かって伸びるように、かつ互いに対向するように
形成した。基板21の裏面21bには一様な平面電極2
4を形成した。櫛形電極23と平面電極24との間(V
1)、および櫛形電極23とストライプ電極22との間
(V2)に、それぞれV1=5kV/mm、V2=5k
V/mmの電圧を印加することにより、周期状の分極反
転構造25を形成した。
Hereinafter, more specific examples will be described. Example 1 An optical waveguide device 1A shown in FIG. 1 was manufactured.
Specifically, on a lithium niobate material 9 (thickness: 0.5 mm) doped with 5 mol% of MgO on the X-plane (87 ° Z-cut) of a three-degree off-cut substrate, a period of 3.2 μm was applied by a voltage application method. A periodically poled structure 5 having a poled depth of 2 μm was formed. Specifically, as shown in FIGS. 25 and 26, the domain-inverted structure 25 is generated on the off-cut (three-degree) X plate 21 (made of MgO-doped lithium niobate) at a pitch of 3.2 μm by a voltage application method. Was. On the surface 21a of the substrate 21, a comb-shaped electrode 23 and a stripe electrode 22 were formed so as to extend in the Z direction and face each other. A uniform planar electrode 2 is formed on the back surface 21b of the substrate 21.
4 was formed. Between the comb electrode 23 and the plane electrode 24 (V
1) and V1 = 5 kV / mm and V2 = 5 k between the comb electrode 23 and the stripe electrode 22 (V2), respectively.
By applying a voltage of V / mm, a periodically poled structure 25 was formed.

【0107】ここで、基板21はオフカットされている
ので、形成された反転パターンは、基板の分極方向(P
s)に沿って延びており、従って基板表面21aから基
板の内部へと向かって、表面21aに対して3度傾斜す
る方向へと延びている。
Here, since the substrate 21 is off-cut, the formed inverted pattern has a polarization direction (P
s), and thus extends from the substrate surface 21a to the inside of the substrate in a direction inclined at 3 degrees with respect to the surface 21a.

【0108】次いで、材料9の接合面9aと、基板2
(xカットのニオブ酸リチウム基板、厚さ1mm)の表
面2aとを接着した。接着剤としては、酸化珪素を主成
分とする低融点ガラスを使用した。接着温度は約500
℃とした。接着層3の厚さは約0.5μmとした。
Next, the bonding surface 9a of the material 9 and the substrate 2
(The x-cut lithium niobate substrate, thickness 1 mm) was bonded to the surface 2a. As the adhesive, a low-melting glass mainly containing silicon oxide was used. Adhesion temperature is about 500
° C. The thickness of the adhesive layer 3 was about 0.5 μm.

【0109】次いで、材料9を機械研削装置によって研
削加工し、材料9Aの厚さを50μmとした。次いで、
ダイシング加工装置を用いて、図1、図3に示すリッジ
構造を形成した。この際、図3において、延設部15の
厚さAを1μmとし、光導波路4の高さ(リッジ高さ)
Bを1.5μmとし、リッジ構造の幅Cを4μmとし
た。ダイシングブレードとしては、レジンボンドのダイ
ヤモンド砥石「SD6000」(外径φ約52mm、厚
さ0.1mm)を使用した。ブレードの回転数は30,
000rpmとし、ブレードの送り速度を1.0mm/
秒とした。リッジ構造を形成した後、基板をその横断面
方向に切断し、長さ10mmの素子を形成した。光導波
路4の両端面を化学機械研磨した。
Next, the material 9 was ground by a mechanical grinding device to reduce the thickness of the material 9A to 50 μm. Then
The ridge structure shown in FIGS. 1 and 3 was formed using a dicing machine. At this time, in FIG. 3, the thickness A of the extension portion 15 is set to 1 μm, and the height (ridge height) of the optical waveguide 4 is set.
B was 1.5 μm, and the width C of the ridge structure was 4 μm. As the dicing blade, a resin-bonded diamond grindstone “SD6000” (outer diameter φ about 52 mm, thickness 0.1 mm) was used. The blade rotation speed is 30,
000 rpm and the blade feed speed is 1.0 mm /
Seconds. After forming the ridge structure, the substrate was cut in the cross-sectional direction to form a device having a length of 10 mm. Both end surfaces of the optical waveguide 4 were chemically and mechanically polished.

【0110】この素子を使用し、チタン−サファイアレ
ーザーを使用し、第二高調波を発生させた。位相整合波
長が850nmであり、第二高調波の波長は425nm
であった。SHG変換効率は約500%/Wであった。
基本波の入射出力が100mWのときに、50mWの第
二高調波出力が得られ、第二高調波において、光損傷等
による特性劣化は観測されなかった。基本波出力と第二
高調波出力との関係を表1に示す。
Using this device, a second harmonic was generated using a titanium-sapphire laser. The phase matching wavelength is 850 nm, and the wavelength of the second harmonic is 425 nm.
Met. The SHG conversion efficiency was about 500% / W.
When the incident power of the fundamental wave was 100 mW, a second harmonic output of 50 mW was obtained, and no characteristic deterioration due to optical damage or the like was observed in the second harmonic. Table 1 shows the relationship between the fundamental wave output and the second harmonic output.

【0111】[0111]

【表1】 [Table 1]

【0112】(比較例1)実施例1と同様に、3度オフ
カット基板のX面(87°Zカット)のMgOを5mo
l%ドープしたニオブ酸リチウム材料9(厚さ0.5m
m)に、電圧印加法によって、周期3.2μm、分極反
転深さ2μmの周期分極反転構造5を形成した。
(Comparative Example 1) In the same manner as in Example 1, 3 times of MgO on the X-plane (87 ° Z-cut) of the off-cut substrate was 5 mo.
1% doped lithium niobate material 9 (0.5 m thick)
m), a periodically poled structure 5 having a period of 3.2 μm and a polarization reversal depth of 2 μm was formed by a voltage application method.

【0113】次いで、ピロリン酸を用いたプロトン交換
法によって、基板の分極反転パターンに対して垂直な方
向へと延びる三次元光導波路を形成した。具体的には、
タンタルからなるマスクによって、基板の表面をマスク
した。この際、マスクには、幅4μmの細長い直線的な
開口を形成しておいた。この基板を、200℃に加熱さ
れたピロリン酸中に10分間浸漬した。マスクを基板か
ら除去し、基板を大気中で350°で4時間アニール処
理し、三次元光導波路を形成した。基板を切断し、長さ
10mmの素子を作成した。光導波路の両端面を化学機
械研磨した。
Next, a three-dimensional optical waveguide extending in a direction perpendicular to the domain-inverted pattern of the substrate was formed by a proton exchange method using pyrophosphoric acid. In particular,
The surface of the substrate was masked with a mask made of tantalum. At this time, an elongated linear opening having a width of 4 μm was formed in the mask. This substrate was immersed in pyrophosphoric acid heated to 200 ° C. for 10 minutes. The mask was removed from the substrate, and the substrate was annealed in air at 350 ° for 4 hours to form a three-dimensional optical waveguide. The substrate was cut to form a device having a length of 10 mm. Both ends of the optical waveguide were chemically and mechanically polished.

【0114】この素子を使用し、チタン−サファイアレ
ーザーを使用し、第二高調波を発生させた。位相整合波
長が850nmであり、第二高調波の波長は425nm
であった。SHG変換効率は約500%/Wであった。
第二高調波出力が約15mWに達するまでは、光損傷等
の特性劣化を起こすことはなく、安定した第二高調波の
発振が可能であった。しかし、第二高調波の出力が約1
5mWを超えると、光損傷によって出射ビームの変動が
生じた。この出力が20mWに達すると、第二高調波の
安定した発振は不可能であった。
Using this device, a second harmonic was generated using a titanium-sapphire laser. The phase matching wavelength is 850 nm, and the wavelength of the second harmonic is 425 nm.
Met. The SHG conversion efficiency was about 500% / W.
Until the output of the second harmonic reached about 15 mW, deterioration of characteristics such as optical damage did not occur, and stable oscillation of the second harmonic was possible. However, the output of the second harmonic is about 1
Above 5 mW, the output beam fluctuated due to optical damage. When this output reached 20 mW, stable oscillation of the second harmonic was impossible.

【0115】(実施例2)図6に示す光導波路素子1D
を製造した。具体的には、実施例1と同様にして、3度
オフカット基板のX面(87°Zカット)のMgOを5
mol%ドープしたニオブ酸リチウム材料9(厚さ0.
5mm)に、電圧印加法によって、周期3.2μm、分
極反転深さ2μmの周期分極反転構造5を形成した。
(Embodiment 2) Optical waveguide device 1D shown in FIG.
Was manufactured. Specifically, MgO on the X-plane (87 ° Z-cut) of the three-time off-cut substrate was reduced to 5 in the same manner as in Example 1.
mol% doped lithium niobate material 9 (thickness of 0.
5 mm), a periodic domain inversion structure 5 having a period of 3.2 μm and a domain inversion depth of 2 μm was formed by a voltage application method.

【0116】次いで、材料9の接合面上に、分極反転パ
ターンの方向とは垂直な方向に、幅4μm、厚さ300
nmの縞状(ストライプ状)のNb25 膜(誘電体
層)を形成した。
Next, a width of 4 μm and a thickness of 300 μm were formed on the bonding surface of the material 9 in a direction perpendicular to the direction of the domain inversion pattern.
An Nb 2 O 5 film (dielectric layer) having a stripe shape (stripe shape) of nm was formed.

【0117】次いで、材料9の接合面9aと、基板2の
表面2a(xカットのニオブ酸リチウム基板、厚さ1m
m)とを接着した。接着剤としては、エポキシ系の室温
硬化型樹脂を使用した。接着層3の厚さは約0.5μm
とした。
Next, the bonding surface 9a of the material 9 and the surface 2a of the substrate 2 (x-cut lithium niobate substrate, 1 m thick)
m). As the adhesive, an epoxy-based room temperature-curable resin was used. The thickness of the adhesive layer 3 is about 0.5 μm
And

【0118】次いで、材料9を機械研削装置によって研
削加工し、材料9Aの厚さを20μmとした。次いで、
ダイシング加工装置を用いて、図6に示す凹部11を形
成した。この際、延設部15の厚さが3μmとなるよう
にした。ダイシングブレードとしては、レジンボンドの
ダイヤモンド砥石「SD5000」(外径φ約52m
m、厚さ0.1mm)を使用した。ブレードの回転数は
10,000rpmとし、ブレードの送り速度を0.5
mm/秒とした。基板をその横断面方向に切断し、長さ
10mmの素子を形成した。光導波路の両端面を化学機
械研磨した。
Next, the material 9 was ground by a mechanical grinding device to make the thickness of the material 9A 20 μm. Then
The concave portion 11 shown in FIG. 6 was formed using a dicing device. At this time, the thickness of the extension portion 15 was set to 3 μm. As a dicing blade, a resin-bonded diamond grindstone “SD5000” (outer diameter φ about 52 m
m, thickness 0.1 mm). The rotation speed of the blade is 10,000 rpm, and the feed speed of the blade is 0.5.
mm / sec. The substrate was cut in the cross-sectional direction to form a device having a length of 10 mm. Both ends of the optical waveguide were chemically and mechanically polished.

【0119】この素子を使用し、チタン−サファイアレ
ーザーを使用し、第二高調波を発生させた。位相整合波
長が850nmであり、第二高調波の波長は425nm
であった。SHG変換効率は約500%/Wであった。
基本波の入射出力が100mWのときに、50mWの第
二高調波出力が得られ、第二高調波において、光損傷等
による特性劣化は観測されなかった。
Using this device, a second harmonic was generated using a titanium-sapphire laser. The phase matching wavelength is 850 nm, and the wavelength of the second harmonic is 425 nm.
Met. The SHG conversion efficiency was about 500% / W.
When the incident power of the fundamental wave was 100 mW, a second harmonic output of 50 mW was obtained, and no characteristic deterioration due to optical damage or the like was observed in the second harmonic.

【0120】(実施例3)図15(a)−(c)の手順
に従い、図14に示す素子1Lを製造した。
Example 3 An element 1L shown in FIG. 14 was manufactured according to the procedures shown in FIGS.

【0121】具体的には、実施例1と同様にして、3度
オフカット基板のX面(87°Zカット)のMgOを5
mol%ドープしたニオブ酸リチウム材料9に、電圧印
加法によって、周期2.8μm、分極反転深さ2. 5μ
mの周期分極反転構造5を形成した。
More specifically, in the same manner as in the first embodiment, MgO on the X-plane (87 ° Z-cut) of
The mol.-doped lithium niobate material 9 was subjected to a voltage application method by a period of 2.8 μm and a polarization inversion depth of 2.5 μm
m of periodically poled structures 5 were formed.

【0122】次いで、材料9の表面に、エキシマレーザ
ーを用いたレーザー加工によって、深さ1.5μm、幅
5μmの溝23を2列形成した。一対の溝23間の間隔
は5μmにした。
Next, two rows of grooves 23 having a depth of 1.5 μm and a width of 5 μm were formed on the surface of the material 9 by laser processing using an excimer laser. The interval between the pair of grooves 23 was 5 μm.

【0123】次いで、材料9の溝加工した表面9aを、
基板2(Xカットのニオブ酸リチウム基板、厚さ1m
m)の表面2aとを接着した。接着剤としては、アクリ
ル系の室温硬化型樹脂を使用した。接合層3の厚さは約
0.3μmとした。溝23中は接着剤によって充填され
ている。
Next, the grooved surface 9a of the material 9 is
Substrate 2 (X-cut lithium niobate substrate, 1 m thick
m) was adhered to the surface 2a. As the adhesive, an acrylic room temperature-curable resin was used. The thickness of the bonding layer 3 was about 0.3 μm. The groove 23 is filled with an adhesive.

【0124】次いで、材料9を機械研削装置によって研
削加工し、図14の構造を得た。肉厚部分8の厚さは3
μmにした。この基板をその横断面方向に切断し、長さ
10mmの素子を形成した。光導波路の両端面を化学機
械研磨した。
Next, the material 9 was ground by a mechanical grinding device to obtain the structure shown in FIG. The thickness of the thick part 8 is 3
μm. This substrate was cut in the cross-sectional direction to form a device having a length of 10 mm. Both ends of the optical waveguide were chemically and mechanically polished.

【0125】この素子を使用し、チタン−サファイヤレ
ーザーを使用し、第二高調波を発生させた。位相整合波
長は820nmであり、第二高調波の波長は410nm
であった。基本波の入力が100mWのときに、60m
Wの第二高調波が得られ、光損傷等による特性劣化は観
測されなかった。
Using this device, a second harmonic was generated using a titanium-sapphire laser. The phase matching wavelength is 820 nm, and the wavelength of the second harmonic is 410 nm.
Met. When input of fundamental wave is 100mW, 60m
A second harmonic of W was obtained, and no characteristic deterioration due to optical damage or the like was observed.

【0126】(実施例4)MgOを5mol%ドープし
たZカットのニオブ酸リチウム材料9(厚さ0.3m
m)にコロナ帯電法によって周期2.8μmの周期分極
反転構造を形成した。具体的には、基板の+Z面にピッ
チ2.7μmの周期分極反転構造を形成し、基板の−Z
面にコロナワイヤを走査することによって、分極反転構
造を生成させた。分極反転構造は、基板の厚み方向の全
体にわたって均一に形成されていた。
Example 4 Z-cut lithium niobate material 9 doped with 5 mol% of MgO (thickness: 0.3 m)
m), a periodically poled structure having a period of 2.8 μm was formed by a corona charging method. Specifically, a periodically poled structure having a pitch of 2.7 μm is formed on the + Z plane of the substrate,
By scanning the surface with a corona wire, a domain-inverted structure was generated. The domain-inverted structure was formed uniformly over the entire thickness of the substrate.

【0127】次いで、材料9からY方向に幅0.5mm
の短冊状のプレートを切り出し、プレートの切断面
(X)を化学機械研磨した。
Next, a width of 0.5 mm from the material 9 in the Y direction
Was cut out, and the cut surface (X) of the plate was chemically and mechanically polished.

【0128】次いで、前記短冊状のプレートのX面と、
基板(単結晶シリコン、厚さ0.35mm)を接着し
た。接着剤としては、アクリル系室温硬化型樹脂を使用
した。接着層3の厚さは約0.3μmとした。次いで、
材料9を機械研削装置によって研削し、材料9Aの厚さ
を3.5μmとした。次いで、材料9Aの表面に、エキ
シマレーザーを用いたレーザー加工によって、深さ2μ
m、幅5μmの溝23を2列形成した。一対の溝23間
の間隔は4μmにした。
Next, the X-plane of the strip-shaped plate,
The substrate (single crystal silicon, thickness 0.35 mm) was bonded. Acrylic room temperature curing resin was used as the adhesive. The thickness of the adhesive layer 3 was about 0.3 μm. Then
The material 9 was ground by a mechanical grinding device to make the thickness of the material 9A 3.5 μm. Next, the surface of the material 9A was subjected to laser processing using an excimer laser to a depth of 2 μm.
Two rows of grooves 23 having a width of 5 μm and a width of 5 μm were formed. The interval between the pair of grooves 23 was 4 μm.

【0129】次いで、基板をその横断面方向に切断し、
長さ10mmの素子を形成した。光導波路の両端面を化
学機械研磨した。
Next, the substrate is cut in the direction of its cross section,
An element having a length of 10 mm was formed. Both ends of the optical waveguide were chemically and mechanically polished.

【0130】この素子を使用し、チタン−サファイアレ
ーザーを使用し、第二高調波を発生させた。位相整合波
長は820nmであり、第二高調波の波長は410nm
であった。基本波の入力が150mWのときに100m
Wの第二高調波が得られ、光損傷等による特性劣化は観
測されなかった。
Using this device, a second harmonic was generated using a titanium-sapphire laser. The phase matching wavelength is 820 nm, and the wavelength of the second harmonic is 410 nm.
Met. 100m when the fundamental wave input is 150mW
A second harmonic of W was obtained, and no characteristic deterioration due to optical damage or the like was observed.

【0131】[0131]

【発明の効果】以上から明らかなように、本発明によれ
ば、光導波路型デバイスにおいて、光導波路からの出射
光の出力を増加させたときにも、出力の変動を少なく
し、安定した発振を実現できる。
As is apparent from the above, according to the present invention, in the optical waveguide device, even when the output of the light emitted from the optical waveguide is increased, the fluctuation of the output is reduced and the stable oscillation is achieved. Can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(a)は、本発明の一実施形態に係る光導波路
素子1Aを概略的に示す断面図であり、リッジ型の三次
元光導波路4および周期分極反転構造5が形成されてい
る。(b)は、図1(a)の素子を概略的に示す斜視図
である。
FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing an optical waveguide device 1A according to an embodiment of the present invention, in which a ridge-type three-dimensional optical waveguide 4 and a periodically poled structure 5 are formed. . FIG. 2B is a perspective view schematically showing the element of FIG.

【図2】(a)、(b)は、図1の光導波路素子の作成
プロセスを概略的に示す断面図である。
FIGS. 2 (a) and 2 (b) are cross-sectional views schematically showing a process for producing the optical waveguide device of FIG.

【図3】図1の素子のリッジ構造の部分の拡大図であ
る。
FIG. 3 is an enlarged view of a ridge structure portion of the device of FIG. 1;

【図4】本発明の他の実施形態に係る光導波路素子1B
を概略的に示す断面図であり、図1の素子から肉厚部分
8が除去されている。
FIG. 4 is an optical waveguide device 1B according to another embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the device of FIG. 1 from which a thick portion 8 is removed.

【図5】本発明の他の実施形態に係る光導波路素子1C
を概略的に示す断面図であり、基板2に溝2cが形成さ
れている。
FIG. 5 is an optical waveguide device 1C according to another embodiment of the present invention.
Is a cross-sectional view schematically showing a substrate 2 in which a groove 2c is formed.

【図6】本発明の他の実施形態に係る光導波路素子1D
を概略的に示す断面図であり、基板2に溝2cが形成さ
れており、図5の素子から肉厚部分8が除去されてい
る。
FIG. 6 is an optical waveguide device 1D according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a substrate 2 in which a groove 2c is formed, and a thick portion 8 is removed from the device of FIG.

【図7】本発明の他の実施形態に係る光導波路素子1E
を概略的に示す断面図であり、誘電体装荷型の光導波路
10が形成されている。
FIG. 7 is an optical waveguide device 1E according to another embodiment of the present invention.
1 is a cross-sectional view schematically showing a dielectric-loaded optical waveguide 10.

【図8】(a)、(b)は、図7の光導波路素子の作成
プロセスを概略的に示す断面図である。
FIGS. 8A and 8B are cross-sectional views schematically showing a process for producing the optical waveguide device of FIG. 7;

【図9】本発明の他の実施形態に係る光導波路素子1F
を概略的に示す断面図であり、図7の光導波路素子から
肉厚部分が除去されている。
FIG. 9 is an optical waveguide device 1F according to another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing the optical waveguide device of FIG. 7, in which a thick portion is removed.

【図10】本発明の他の実施形態に係る光導波路素子1
Gを概略的に示す断面図であり、誘電体12が光導波路
10上に装荷されている。
FIG. 10 is an optical waveguide device 1 according to another embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing G, in which a dielectric 12 is loaded on the optical waveguide 10.

【図11】本発明の他の実施形態に係る光導波路素子1
Hを概略的に示す断面図であり、図10の素子から肉厚
部分8が除去されている。
FIG. 11 is an optical waveguide device 1 according to another embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing H, with the thick portion 8 removed from the device of FIG. 10.

【図12】本発明の一実施形態に係る素子1Jを概略的
に示す断面図であり、溝7が接合層3内にまで形成され
ており、延設部15が除去されている。
FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing an element 1J according to an embodiment of the present invention, in which a groove 7 is formed in the bonding layer 3 and an extension 15 is removed.

【図13】本発明の他の実施形態に係る素子1Kを概略
的に示す断面図であり、素子の表面全体にオーバーコー
ト層21が形成されており、光導波路を被覆している。
FIG. 13 is a cross-sectional view schematically showing a device 1K according to another embodiment of the present invention, in which an overcoat layer 21 is formed on the entire surface of the device and covers the optical waveguide.

【図14】本発明の他の実施形態に係る素子1Lを概略
的に示す断面図であり、素子1Lが、一対の延設部26
と、延設部26から接合層3側へと向かって突出するリ
ッジ型の光導波路24とを備えている。
FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing an element 1L according to another embodiment of the present invention.
And a ridge-type optical waveguide 24 protruding from the extension 26 toward the bonding layer 3.

【図15】(a)、(b)、(c)は、図14の素子の
製造工程を示す断面図である。
FIGS. 15A, 15B, and 15C are cross-sectional views showing the steps of manufacturing the device of FIG.

【図16】本発明の素子において、一対の延設部をリッ
ジ型の光導波路の両側に形成した場合の、基本波(励起
光)および高調波のシングルモード伝搬条件を計算する
モデルを示す。
FIG. 16 shows a model for calculating a single mode propagation condition of a fundamental wave (excitation light) and a harmonic when a pair of extending portions are formed on both sides of a ridge-type optical waveguide in the device of the present invention.

【図17】リッジ部分4の高さt1を1.0μmとし、
リッジ部分4の幅wと延設部15の厚さt2とを変化さ
せた場合の導波路のシングルモード条件を示すグラフで
ある。
FIG. 17 shows the height t1 of the ridge portion 4 set to 1.0 μm,
6 is a graph showing a single mode condition of the waveguide when the width w of the ridge portion 4 and the thickness t2 of the extension portion 15 are changed.

【図18】リッジ部分4の高さt1を2.0μmとし、
リッジ部分4の幅wと延設部15の厚さt2とを変化さ
せた場合の導波路のシングルモード条件を示すグラフで
ある。
FIG. 18 shows that the height t1 of the ridge portion 4 is 2.0 μm,
6 is a graph showing a single mode condition of the waveguide when the width w of the ridge portion 4 and the thickness t2 of the extension portion 15 are changed.

【図19】光導波路と接合層の屈折率差と電界分布の関
係を示すグラフである。
FIG. 19 is a graph showing a relationship between a refractive index difference between an optical waveguide and a bonding layer and an electric field distribution.

【図20】MgO ドープLiNbO3を光導波路としたときの光
導波路と接合層との屈折率差dnと、シングルモード条
件を満足する最大の厚みとの関係を示すグラフである。
FIG. 20 is a graph showing the relationship between the refractive index difference dn between the optical waveguide and the bonding layer when MgO-doped LiNbO3 is used as the optical waveguide, and the maximum thickness satisfying the single mode condition.

【図21】導波路、接合層(接合層の屈折率<基板の屈
折率)、基板の3層構造をとった場合の、各層の屈折率
の関係を示す模式図である。
FIG. 21 is a schematic diagram showing the relationship between the refractive index of each layer when a three-layer structure of a waveguide, a bonding layer (refractive index of the bonding layer <refractive index of the substrate), and a substrate is adopted.

【図22】接合層を有する場合の導波光強度と深さとの
関係を示すグラフである。
FIG. 22 is a graph showing the relationship between the intensity of guided light and the depth when a bonding layer is provided.

【図23】接合層を有しない場合の導波光強度と深さと
の関係を示すグラフである。
FIG. 23 is a graph showing the relationship between the guided light intensity and the depth when no bonding layer is provided.

【図24】接合層の厚みと位相整合波長および実効屈折
率との関係を示すグラフである。
FIG. 24 is a graph showing the relationship between the thickness of the bonding layer, the phase matching wavelength, and the effective refractive index.

【図25】オフカット基板に電圧印加法を適用している
状態を示す斜視図である。
FIG. 25 is a perspective view showing a state in which a voltage application method is applied to an off-cut substrate.

【図26】オフカット基板における分極反転パターンの
方向を示す模式図である。
FIG. 26 is a schematic diagram showing the direction of a domain-inverted pattern on an off-cut substrate.

【図27】本発明の一実施形態に係る素子1Mを示す断
面図であり、三次元光導波路34が一対の突出部34a
および34bを備えている。
FIG. 27 is a cross-sectional view showing an element 1M according to an embodiment of the present invention, in which the three-dimensional optical waveguide 34 includes a pair of protrusions 34a.
And 34b.

【図28】本発明の一実施形態に係る素子1Nを示す断
面図であり、基板2の表面2a側に凹部31が形成され
ている。
FIG. 28 is a sectional view showing an element 1N according to one embodiment of the present invention, in which a concave portion 31 is formed on the surface 2a side of the substrate 2.

【図29】本発明の一実施形態に係る素子1Pを示す断
面図であり、基板2の表面2a側に凹部31が形成され
ており、光導波路24Aの一部が凹部31内に挿入され
ている。
FIG. 29 is a cross-sectional view showing an element 1P according to an embodiment of the present invention, in which a concave portion 31 is formed on the surface 2a side of the substrate 2, and a part of the optical waveguide 24A is inserted into the concave portion 31. I have.

【図30】本発明の一実施形態に係る素子1Qを示す断
面図であり、基板2の表面2a側に凹部31が形成され
ており、三次元光導波路34が一対の突出部34aおよ
び34bを備えており、突出部34bが凹部31内に挿
入されている。
FIG. 30 is a cross-sectional view showing an element 1Q according to an embodiment of the present invention, in which a concave portion 31 is formed on the surface 2a side of the substrate 2, and the three-dimensional optical waveguide 34 has a pair of protrusions 34a and 34b. The projection 34 b is inserted into the recess 31.

【図31】本発明の一実施形態に係る素子1Rを示す断
面図であり、二種類の接合層3Bおよび3Cを使用して
いる。
FIG. 31 is a cross-sectional view showing an element 1R according to an embodiment of the present invention, using two types of bonding layers 3B and 3C.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1A、1B、1C、1D、1E、1F、1G、1H、1
J、1K、1L、1M、1N、1P、1Q、1R 光導
波路素子 2 基板 2a基板の表面 2
b 基板の突起 2c 基板の溝 3、3A、3B、3C 接合層 4、24 リッ
ジ型の三次元光導波路 5 周期分極反転構造 7 溝 8 肉厚
部分 9光導波路成形用材料 9a 材料
9の接合面 10 誘電体装荷型の三次元光導波
路 11 凹部 12 誘電体層
15、26一対の延設部 17 リッジ構造の両
側の溝 18 リッジ構造 21 オーバーコート層 22 溝23に充填さ
れた非晶質材料 23 光導波路24と肉厚部分8との間の溝 3
0 光導波路4の下地層 34 一対の突出部を
有する三次元光導波路
1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G, 1H, 1
J, 1K, 1L, 1M, 1N, 1P, 1Q, 1R Optical waveguide element 2 Substrate 2a Substrate surface 2
b Projection of substrate 2c Groove of substrate 3, 3A, 3B, 3C Bonding layer 4, 24 Ridge type three-dimensional optical waveguide 5 Periodically poled structure 7 Groove 8 Thick portion 9 Optical waveguide forming material 9a Material 9 bonding surface REFERENCE SIGNS LIST 10 dielectric-loaded three-dimensional optical waveguide 11 recess 12 dielectric layer
15, 26 A pair of extending portions 17 Grooves on both sides of the ridge structure 18 Ridge structure 21 Overcoat layer 22 Amorphous material filled in the groove 23 23 A groove between the optical waveguide 24 and the thick portion 8 3
0 Underlayer of optical waveguide 4 34 Three-dimensional optical waveguide having a pair of protrusions

フロントページの続き (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 川口 竜生 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 吉野 隆史 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 今枝 美能留 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 青木 謙治 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 三冨 修 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内 Fターム(参考) 2K002 AA01 AB12 CA03 CA22 CA25 DA06 FA27 GA04 HA20 Continued on the front page (72) Inventor Kazuhisa Yamamoto 1006 Kazuma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Tatsuo Kawaguchi 2-56 Sudacho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi Japan (72) Inventor Takashi Yoshino 2-56, Suda-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi Prefecture Inside Nihon Insulator Co., Ltd. (72) Inventor Kenji Aoki 2-56, Suda-cho, Mizuho-ku, Nagoya, Aichi Prefecture Inside Nihon Insulators Co., Ltd. F term in the company (reference) 2K002 AA01 AB12 CA03 CA22 CA25 DA06 FA27 GA04 HA20

Claims (45)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】バルク状の非線形光学結晶からなる三次元
光導波路と、この光導波路に対して接合されている基板
と、前記光導波路と前記基板とを接合している非晶質材
料からなる接合層とを備えていることを特徴とする、光
導波路素子。
1. A three-dimensional optical waveguide made of a bulk nonlinear optical crystal, a substrate joined to the optical waveguide, and an amorphous material joining the optical waveguide and the substrate. An optical waveguide device comprising: a bonding layer.
【請求項2】前記接合層が前記光導波路のアンダークラ
ッドとして機能することを特徴とする、請求項1記載の
光導波路素子。
2. The optical waveguide device according to claim 1, wherein said bonding layer functions as an under clad of said optical waveguide.
【請求項3】前記基板が前記光導波路のアンダークラッ
ドとして機能することを特徴とする、請求項1記載の光
導波路素子。
3. The optical waveguide device according to claim 1, wherein said substrate functions as an under clad of said optical waveguide.
【請求項4】少なくとも前記光導波路内に周期分極反転
構造が形成されており、前記光導波路素子が高調波発生
用素子として機能することを特徴とする、請求項1−3
のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。
4. The optical waveguide device according to claim 1, wherein a periodically poled structure is formed at least in said optical waveguide, and said optical waveguide element functions as an element for generating harmonics.
The optical waveguide device according to claim 1.
【請求項5】前記光導波路の横断面形状が略矩形である
ことを特徴とする、請求項1−4のいずれか一つの請求
項に記載の光導波路素子。
5. The optical waveguide device according to claim 1, wherein a cross-sectional shape of said optical waveguide is substantially rectangular.
【請求項6】前記光導波路が前記非線形光学結晶の機械
加工によって形成されていることを特徴とする、請求項
1−5のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。
6. The optical waveguide device according to claim 1, wherein the optical waveguide is formed by machining the nonlinear optical crystal.
【請求項7】前記光導波路が前記接合層から突出するリ
ッジ型の光導波路であることを特徴とする、請求項1−
6のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。
7. The optical waveguide according to claim 1, wherein said optical waveguide is a ridge-type optical waveguide protruding from said bonding layer.
The optical waveguide device according to claim 6.
【請求項8】前記光導波路の横断面方向の両側に向かっ
て延びる一対の延設部を備えていることを特徴とする、
請求項1−7のいずれか一つの請求項に記載の光導波路
素子。
8. An optical waveguide comprising a pair of extending portions extending toward both sides in a cross-sectional direction of the optical waveguide.
An optical waveguide device according to any one of claims 1 to 7.
【請求項9】前記光導波路が前記延設部から前記接合層
に向かって突出していることを特徴とする、請求項8記
載の光導波路素子。
9. The optical waveguide device according to claim 8, wherein said optical waveguide protrudes from said extending portion toward said bonding layer.
【請求項10】前記各延設部の外側にそれぞれバルク状
の非線形光学結晶からなる肉厚部分を備えており、前記
肉厚部分と前記光導波路との間に凹部が形成されてお
り、この凹部内に前記非晶質材料が充填されていること
を特徴とする、請求項9記載の光導波路素子。
10. A thick portion made of a bulk nonlinear optical crystal is provided outside each of the extending portions, and a concave portion is formed between the thick portion and the optical waveguide. 10. The optical waveguide device according to claim 9, wherein the concave portion is filled with the amorphous material.
【請求項11】前記光導波路が誘電体装荷型の光導波路
であり、前記光導波路を形成するための誘電体層を備え
ていることを特徴とする、請求項1−10のいずれか一
つの請求項に記載の光導波路素子。
11. The optical waveguide according to claim 1, wherein said optical waveguide is a dielectric-loaded optical waveguide, and further comprises a dielectric layer for forming said optical waveguide. The optical waveguide device according to claim.
【請求項12】前記誘電体層が前記接合層を挟んで前記
基板と対向していることを特徴とする、請求項11記載
の光導波路素子。
12. The optical waveguide device according to claim 11, wherein said dielectric layer faces said substrate with said bonding layer interposed therebetween.
【請求項13】前記高調波発生素子の基本波の波長およ
び波長変換波の波長の双方に対してシングルモード伝搬
となることを特徴とする、請求項8−12のいずれか一
つの請求項に記載の光導波路素子。
13. The method according to claim 8, wherein single-mode propagation is performed for both the wavelength of the fundamental wave and the wavelength of the converted wavelength wave of said harmonic generation element. An optical waveguide device as described in the above.
【請求項14】前記光導波路の幅が1−10μmであ
り、前記光導波路の前記延設部からの高さが0.2−5
μmであり、前記延設部の厚さが0.5−5μmである
ことを特徴とする、請求項13記載の光導波路素子。
14. The optical waveguide according to claim 1, wherein the width of the optical waveguide is 1 to 10 μm, and the height of the optical waveguide from the extending portion is 0.2 to 5 μm.
14. The optical waveguide device according to claim 13, wherein the thickness of the extension is 0.5-5 [mu] m.
【請求項15】前記接合層の屈折率が前記基板の屈折率
よりも低いことを特徴とする、請求項1−14のいずれ
か一つの請求項に記載の光導波路素子。
15. The optical waveguide device according to claim 1, wherein a refractive index of said bonding layer is lower than a refractive index of said substrate.
【請求項16】前記接合層の屈折率が前記光導波路の屈
折率より5%以上低いことを特徴とする、請求項1−1
4のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。
16. The optical fiber according to claim 1, wherein the refractive index of said bonding layer is lower than that of said optical waveguide by 5% or more.
The optical waveguide device according to claim 4.
【請求項17】前記基板の屈折率が前記光導波路の屈折
率よりわずかに低く、かつ前記光導波路を伝搬する光導
波モードの電界分布が前記基板に存在することを特徴と
する、請求項1−14のいずれか一つの請求項に記載の
光導波路素子。
17. The substrate according to claim 1, wherein a refractive index of said substrate is slightly lower than a refractive index of said optical waveguide, and an electric field distribution of an optical waveguide mode propagating through said optical waveguide exists in said substrate. The optical waveguide device according to any one of -14.
【請求項18】前記基板の屈折率と前記導波路の屈折率
との差が5%以下であることを特徴とする、請求項17
記載の光導波路素子。
18. The method according to claim 17, wherein a difference between a refractive index of said substrate and a refractive index of said waveguide is 5% or less.
An optical waveguide device as described in the above.
【請求項19】前記接合層が酸化珪素を主成分とするガ
ラスからなることを特徴とする、請求項1−18のいず
れか一つの請求項に記載の光導波路素子。
19. The optical waveguide device according to claim 1, wherein said bonding layer is made of glass containing silicon oxide as a main component.
【請求項20】前記光導波路が、LiNbx Ta(1-x)
3 (0≦x≦1)を主成分とする非線形光学材料から
なることを特徴とする、請求項1−19のいずれか一つ
の請求項に記載の光導波路素子。
20. The optical waveguide according to claim 11, wherein the optical waveguide is LiNb x Ta (1-x).
20. The optical waveguide device according to claim 1, wherein the optical waveguide device is made of a nonlinear optical material containing O 3 (0 ≦ x ≦ 1) as a main component.
【請求項21】前記接合層が酸化珪素を主成分とするガ
ラスからなり、前記接合層の厚さが0.1μm以上であ
ることを特徴とする、請求項20記載の光導波路素子。
21. The optical waveguide device according to claim 20, wherein said bonding layer is made of glass containing silicon oxide as a main component, and said bonding layer has a thickness of 0.1 μm or more.
【請求項22】少なくとも前記光導波路を被覆するオー
バーコート層を備えていることを特徴とする、請求項1
−21のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。
22. An apparatus according to claim 1, further comprising an overcoat layer covering at least said optical waveguide.
The optical waveguide device according to claim 21.
【請求項23】バルク状の非線形光学結晶からなる三次
元光導波路と、この光導波路のアンダークラッドとを備
えており、前記三次元光導波路が前記非線形光学結晶の
機械加工によって光の閉じ込めが可能な厚さへと成形さ
れており、前記アンダークラッドが非晶質材料からなる
ことを特徴とする、光導波路素子。
23. A three-dimensional optical waveguide comprising a bulk nonlinear optical crystal, and an under cladding of the optical waveguide, wherein the three-dimensional optical waveguide can confine light by machining the nonlinear optical crystal. An optical waveguide device, wherein the optical waveguide device is formed to have an appropriate thickness, and the undercladding is made of an amorphous material.
【請求項24】前記光導波路に対して接合されている基
板を備えており、前記アンダークラッドが前記光導波路
と前記基板とを接合している接合層であることを特徴と
する、請求項23記載の光導波路素子。
24. The semiconductor device according to claim 23, further comprising a substrate joined to the optical waveguide, wherein the under cladding is a joining layer joining the optical waveguide and the substrate. An optical waveguide device as described in the above.
【請求項25】前記光導波路に対して接合されている基
板と、前記光導波路と前記基板とを接合している接合層
とを備えており、前記基板も前記アンダークラッドとし
て機能することを特徴とする、請求項23記載の光導波
路素子。
25. A semiconductor device comprising: a substrate joined to the optical waveguide; and a joining layer joining the optical waveguide and the substrate, wherein the substrate also functions as the under cladding. The optical waveguide device according to claim 23, wherein:
【請求項26】少なくとも前記光導波路内に周期分極反
転構造が形成されており、前記光導波路素子が高調波発
生用素子として機能することを特徴とする、請求項23
−25のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。
26. A semiconductor device according to claim 23, wherein a periodically poled structure is formed at least in said optical waveguide, and said optical waveguide element functions as an element for generating harmonics.
The optical waveguide device according to claim 25.
【請求項27】前記光導波路の横断面形状が略矩形であ
ることを特徴とする、請求項23−26のいずれか一つ
の請求項に記載の光導波路素子。
27. The optical waveguide device according to claim 23, wherein a cross-sectional shape of said optical waveguide is substantially rectangular.
【請求項28】前記光導波路がリッジ型の光導波路であ
ることを特徴とする、請求項23−27のいずれか一つ
の請求項に記載の光導波路素子。
28. The optical waveguide device according to claim 23, wherein said optical waveguide is a ridge type optical waveguide.
【請求項29】前記光導波路が誘電体装荷型の光導波路
であり、前記光導波路を形成するための誘電体層を備え
ていることを特徴とする、請求項23−28のいずれか
一つの請求項に記載の光導波路素子。
29. The optical waveguide according to claim 23, wherein the optical waveguide is a dielectric-loaded optical waveguide, and further comprises a dielectric layer for forming the optical waveguide. The optical waveguide device according to claim.
【請求項30】前記接合層の屈折率が前記基板の屈折率
よりも低いことを特徴とする、請求項24−29のいず
れか一つの請求項に記載の光導波路素子。
30. The optical waveguide device according to claim 24, wherein a refractive index of said bonding layer is lower than a refractive index of said substrate.
【請求項31】前記接合層の屈折率が前記導波路の屈折
率より5%以上低いことを特徴とする、請求項24−2
9のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。
31. The method according to claim 24, wherein the refractive index of the bonding layer is lower than that of the waveguide by 5% or more.
The optical waveguide device according to claim 9.
【請求項32】前記基板の屈折率が前記光導波路の屈折
率よりわずかに低く、かつ前記光導波路を伝搬する光導
波モードの電界分布が前記基板に存在することを特徴と
する、請求項24−29のいずれか一つの請求項に記載
の光導波路素子。
32. The substrate according to claim 24, wherein the refractive index of the substrate is slightly lower than the refractive index of the optical waveguide, and an electric field distribution of an optical waveguide mode propagating through the optical waveguide exists in the substrate. The optical waveguide device according to any one of -29.
【請求項33】前記基板の屈折率と前記光導波路の屈折
率との差が5%以下であることを特徴とする、請求項3
2記載の光導波路素子。
33. The method according to claim 3, wherein a difference between a refractive index of the substrate and a refractive index of the optical waveguide is 5% or less.
3. The optical waveguide device according to 2.
【請求項34】前記非晶質材料が酸化珪素を主成分とす
るガラスであることを特徴とする、請求項23−33の
いずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。
34. The optical waveguide device according to claim 23, wherein said amorphous material is glass containing silicon oxide as a main component.
【請求項35】前記光導波路が、LiNbx Ta(1-x)
3 (0≦x≦1)を主成分とする非線形光学材料から
なることを特徴とする、請求項23−34のいずれか一
つの請求項に記載の光導波路素子。
35. The optical waveguide according to claim 30, wherein the optical waveguide is LiNb x Ta (1-x).
The optical waveguide device according to any one of claims 23 to 34, wherein the optical waveguide device is made of a nonlinear optical material containing O 3 (0 ≦ x ≦ 1) as a main component.
【請求項36】前記非晶質材料が酸化珪素を主成分とす
るガラスであり、前記非晶質材料の厚さが0.1μm以
上であることを特徴とする、請求項35記載の光導波路
素子。
36. The optical waveguide according to claim 35, wherein the amorphous material is glass containing silicon oxide as a main component, and the thickness of the amorphous material is 0.1 μm or more. element.
【請求項37】前記三次元光導波路が、バルク状の非線
形光学結晶からなる光導波路成形用材料の加工によって
形成されており、前記光導波路成形用材料がオフカット
基板からなり、前記非線形光学結晶のC軸が前記オフカ
ット基板の表面の法線に対して傾斜していることを特徴
とする、請求項1−36のいずれか一つの請求項に記載
の光導波路素子。
37. The three-dimensional optical waveguide is formed by processing an optical waveguide molding material made of a bulk nonlinear optical crystal, wherein the optical waveguide molding material is made of an off-cut substrate, and the nonlinear optical crystal is made of an off-cut substrate. 37. The optical waveguide device according to claim 1, wherein a C-axis of the optical waveguide device is inclined with respect to a normal to a surface of the off-cut substrate.
【請求項38】前記非線形光学結晶のC軸が前記オフカ
ット基板の表面の法線に対して3°以上、87°以下傾
斜していることを特徴とする、請求項37記載の光導波
路素子。
38. The optical waveguide device according to claim 37, wherein a C-axis of said nonlinear optical crystal is inclined by 3 ° or more and 87 ° or less with respect to a normal to a surface of said off-cut substrate. .
【請求項39】前記非線形光学結晶のX軸が前記オフカ
ット基板の表面に対して平行であることを特徴とする、
請求項37または38記載の光導波路素子。
39. An X-axis of the nonlinear optical crystal is parallel to a surface of the off-cut substrate.
An optical waveguide device according to claim 37 or 38.
【請求項40】バルク状の非線形光学結晶からなる光導
波路成形用材料をこれとは別体の基板へと非晶質材料か
らなる接合層を介して接合し、この際前記非線形光学結
晶の屈折率よりも前記接合層の屈折率を低くし、次いで
前記光導波路成形用材料を加工することによって前記三
次元光導波路を成形することを特徴とする、光導波路素
子の製造方法。
40. A material for forming an optical waveguide made of a bulk nonlinear optical crystal is bonded to a separate substrate via a bonding layer made of an amorphous material. A method of manufacturing the optical waveguide element, wherein the three-dimensional optical waveguide is formed by lowering the refractive index of the bonding layer than the refractive index, and then processing the optical waveguide forming material.
【請求項41】バルク状の非線形光学結晶からなる光導
波路成形用材料をこれとは別体の基板へと非晶質材料か
らなる接合層を介して接合し、この際前記非線形光学結
晶の屈折率よりも前記基板の屈折率を低くし、次いで前
記光導波路成形用材料を加工することによって前記三次
元光導波路を成形することを特徴とする、光導波路素子
の製造方法。
41. A material for molding an optical waveguide made of a bulk nonlinear optical crystal is bonded to a separate substrate via a bonding layer made of an amorphous material. A method of manufacturing the optical waveguide element, wherein the three-dimensional optical waveguide is formed by lowering the refractive index of the substrate than the refractive index, and then processing the optical waveguide forming material.
【請求項42】前記光導波路成形用材料の前記基板への
接合面側に予め周期分極反転構造を形成し、この後に前
記光導波路成形用材料を前記基板へと接合することを特
徴とする、請求項40または41記載の光導波路素子の
製造方法。
42. A method of forming a periodically poled structure on the bonding surface side of the optical waveguide molding material to the substrate, and thereafter bonding the optical waveguide molding material to the substrate. The method for manufacturing an optical waveguide device according to claim 40 or 41.
【請求項43】前記光導波路成形用材料を前記基板に接
合した後、前記光導波路成形用材料を機械加工すること
を特徴とする、請求項40−42のいずれか一つの請求
項に記載の光導波路素子の製造方法。
43. The optical waveguide molding material according to claim 40, wherein after bonding the optical waveguide molding material to the substrate, the optical waveguide molding material is machined. A method for manufacturing an optical waveguide device.
【請求項44】スラブ状の非線形光学結晶からなる3次
元光導波路と、前記光導波路の上面および下面に非晶質
材料からなるクラッド層を有する光波長変換素子。
44. An optical wavelength conversion element having a three-dimensional optical waveguide made of a slab-shaped nonlinear optical crystal and a cladding layer made of an amorphous material on upper and lower surfaces of the optical waveguide.
【請求項45】前記光導波路が、導波光に対するシング
ルモード条件を満足していることを特徴とする、請求項
44記載の光波長変換素子。
45. The optical wavelength conversion device according to claim 44, wherein said optical waveguide satisfies a single mode condition for guided light.
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