JP2004101639A - Wavelength conversion element - Google Patents

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JP2004101639A
JP2004101639A JP2002260154A JP2002260154A JP2004101639A JP 2004101639 A JP2004101639 A JP 2004101639A JP 2002260154 A JP2002260154 A JP 2002260154A JP 2002260154 A JP2002260154 A JP 2002260154A JP 2004101639 A JP2004101639 A JP 2004101639A
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polarization
wavelength conversion
conversion element
wavelength
wall
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Japanese (ja)
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Junji Hirohashi
廣橋淳二
Shiro Shichijo
七条司朗
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Mitsui Chemicals Inc
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Mitsui Chemicals Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a wavelength conversion element utilizing a new structure which has less problems of unevenness of inversion and non-reproducibility of a process arising when a periodic polarizing structure is manufactured and which has a function as the wavelength converting element. <P>SOLUTION: The wavelength converting element is formed of a ferroelectric substrate which has a structure constituted by periodically arranging two kinds of polarizing regions 10 and 20 whose polarizing directions 11 and 21 are not parallel to each other. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体を用いた波長変換素子で、特に周期的な分極構造を有する波長変換素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
光ファイバを用いた通信分野では、大容量で高速なデータ伝送が要求される。特に波長多重(WDM)や光時分割多重(OTDM)は光ファイバの伝送容量を格段に増加できる点で有望視されており、複数のキャリア波長を精度良く制御するための波長制御技術やあるキャリア波長を別のキャリア波長に変換する波長変換技術が重要になる。
【0003】
たとえば既設の光通信ネットワークでは、光ファイバの損失が少ない1.3μm帯をキャリア波長とした単一波長の光伝送が主流であり、一般には都市内の電話通信網を置換する目的で敷設されている。一方、都市間を結ぶ幹線系の光通信ネットワークでは、波長多重伝送に好適な1.5μm帯をキャリア波長とした波長多重の光伝送が主流である。
【0004】
両者の光通信ネットワークを接続する場合、キャリア波長が互いに異なるため、一方のネットワークに流れる光信号をいったん電気信号に変換し、他方のネットワークに適合するキャリア波長を用いた光信号に変換する必要がある。すると、光通信の性能が電気信号処理の能力によって制限されてしまう。
【0005】
そこで、一方のネットワークのキャリア波長を他方のネットワークのキャリア波長に直接に変換できれば、電気信号処理が介在しなくなり、光通信の高い性能を有効に維持できる。そのため、キャリア波長を変換するための光ミキシング技術が不可欠となる。
【0006】
こうした波長変換では、非線形光学効果による第2高調波発生(SHG)、和周波発生(SFG)、差周波発生(DFG)、パラメトリック変換、などを利用するため、非線形光学効果の高い材料が望まれる。
【0007】
関連する先行技術として、特開平10−213826号(特許文献1)、特開2000−10130号(特許文献2)などが、関連する論文として、非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3、非特許文献4などがある。
【0008】
非特許文献1では、導波路構造を持つPPLN(periodically−poled lithiumniobate:周期分極ニオブ酸リチウム)素子を用いた差周波発生による光ミキシングについて記載されている。非特許文献2では、ニオブ酸リチウムLiNbO を用いたQPM(Quasi−Phase Matching:疑似位相整合)素子は、高強度の光が入射すると、フリーキャリア吸収によって局部的に電界が生じ、非線形光学定数が大きく変動する光損傷(Photorefractive damage)について記載されている。非特許文献3,4もニオブ酸リチウムに関する。
【0009】
このように波長変換を行う場合、従来から非線形光学効果の高いニオブ酸リチウムを使用することが多い。
【0010】
これらの材料を波長変換素子として用いる最も一般的な方法として、図8(a)に示すように、自発分極1を有する分極領域3と自発分極1と180°反対方向の分極方向2を有する分極領域4とを周期的に並べた周期分極反転構造を作製しQPMを行う方法がある。周期分極反転構造の作成方法としては、電界印加による、周期的な180°分極構造を作製する方法が広く用いられている(非特許文献5、6)。しかし、180°分極構造の場合、分極壁が任意の方向を取ることが可能である(非特許文献7)。なぜならば、180°の分極構造の場合、元の分極領域と180°分極領域の分極方向(c軸方向)のプラスマイナスの符号のみ変化するだけであり、元の分極領域と180°分極領域のa軸、b軸の方向は符号以外は変化しないため、任意の分極界面を取ることが可能である。そのため、図8(a)の模式図のような理想的な周期分極反転構造を作製しようとしても、図8(b)に示すように分極反転領域4がxy面内で不均一になったり、図8(c)に示すように分極反転領域4が深さ方向で不均一になったり、さらに作製プロセスに再現性がないなどの問題がある(非特許文献8)。
【0011】
【特許文献1】特開平10−213826号
【0012】
【特許文献2】特開2000−10130号
【0013】
【非特許文献1】Ming−Hsien CHOU、 Kirishnan. R. Parameswaran、M.M. Fejer、Igal Brener 著, ”IEICE TRANSACTION OF ELECTRONICS”., (JUNE 2000) VOL.E83−C,NO.6,p.869
【0014】
【非特許文献2】C.Q.Xu,et、H.Okayama、Y.Ogawa著,  ”Journal of Applied Physics”, 2000年  VOL.87,NO.7、p.3203
【0015】
【非特許文献3】栗村直 著、「固体物理」,1994年, Vol.29,No.1, p.75
【0016】
【非特許文献4】古川保典、佐藤正純 著、「日本結晶成長学学会会誌」,1990年, Vol.17, No.3&4, p.277
【0017】
【非特許文献5】L. E. Myers、R.C.Eckardt、M.M.Fejer、R.L.Byer、W.R.Bosenberg、J.W.Pierce.著,” Journal of Optical Society of America”  B 12, (1995) P. 2102、
【0018】
【非特許文献6】J.−P. Meyn、M.E. Klein、D.Woll、R.Wallemstein、D.Rytz著, ”Optics Letters”. 24,  (1999). P1154
【0019】
【非特許文献7】E. Wiesendanger著 ”Czechoslovakia Journal of Physics”B 23,  (1973). P91
【0020】
【非特許文献8】関秀一、阿久津剛史、丸山真幸、中島啓幾、栗村直、北村健二、石月秀貴、平等拓範、Jung Hoon RO、Myoungsik CHA 著、「信学技報」OPE2002−40、(2002)p.19
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、周期分極構造を作製する上で問題となっていた反転の不均一性やプロセスの非再現性の問題が少なく、かつ波長変換としての機能を有する新しい構造を利用した波長変換素子を提供することにある。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明は、強誘電体からなる波長変換素子であり、前記強誘電体が異なる2種類の分極領域を周期的にならべた構造を有し、前記異なる2種類の分極領域の分極方向が互いに非平行であることを特徴とする波長変換素子である。
【0023】
本発明において前記の異なる2種類の分極領域の互いの分極界面が、格子の連続条件を満たすために特定の方向に限定されている界面であることが好ましい。
【0024】
前述のように、従来の周期分極反転構造として用いられている180°分極構造は、分極壁が任意の構造を取ることが可能であるため、作製した分極構造が面内および深さ方向において不均一になったり、プロセスに再現性がないなどの問題点が生じていた。本発明は、分極壁が格子の連続条件により特定の面に限られている分極構造を利用することを特徴とする波長変換素子である。
【0025】
前記波長変換素子は、理論的に特定の面しかもたない分極壁が存在する斜方晶、正方晶、単斜晶であることが望ましい。
また、そのなかでも非線形光学定数の大きいニオブ酸カリウムであることが好ましい。
また、前記分極壁が格子の連続条件により特定の面に限られている分極構造の例としては、ニオブ酸カリウムの60°分極壁、90°分極壁、120°分極壁などがあげられる。
【0026】
実際の波長変換を行う上では、分極壁における反射が起こらないことが望ましい。図2にその一例を示す。図2は90°分極構造の模式図であり、自発分極11を有する分極領域10と自発分極21を有する分極領域20が分域壁15を介して接合している。自発分極方向11と21は90°の角度をなすため、90°分極構造と呼ばれる。元の分極領域10と自発分極方向が90°異なる90°分極領域20では、結晶軸がb軸のみ共通であり、a軸とc軸は互いに90°回転した構造となる。そのため、90°分極壁15は格子の連続条件から、b軸と平行で、a軸c軸からそれぞれ45°なす方向にしか存在することができない。分域壁15で反射が起こらないためには、90°分極構造のように、分極壁15を介した二つの分極領域10と分極領域20において、図2(b)(c)に示す領域10領域20での壁に垂直な面に対する屈折率楕円体の主軸が共通であることが望ましい。この点で90°分極が好ましい。
【0027】
以下、ニオブ酸カリウムの90°分極構造を例にとり、この構造を説明する。
【0028】
本発明における波長変換素子の構造を図1に示す。また、図1のような構造を作成するためのプロセスを示した模式図を図4に示す。図4(a)は分極構造作製前のニオブ酸カリウム単結晶基板33の模式図である。90°分極構造は、図2に示すように、格子の連続条件から、分極壁がa軸とc軸から45°傾きかつb軸と平行な方向にのみ形成される。ここでc軸方向は自発分極方向である。
【0029】
周期的な分極構造を作製するために、図4(a)に示すようにa,c軸から45°傾いた面と垂直に基板33を切り出し、図4(b)に示すように切り出し面に片方にb軸と平行に周期電極31を作製し、反対側の面に全面電極32を作製する。作製した両電極31,32間に電源34により電界を印加することにより、自発分極方向21を有する90°分極領域20を周期的に作製することができた。このとき、分極壁15は理論的に決まった面に限定され、断面方向(z`軸方向)に対して傾いた分極壁やb軸と平行でない分極壁を生じることは無かった。この物理的性質を利用することにより、従来の180°分極周期分極反転構造では図8(c)のように断面方向に対して不均一が生じやすく非常に困難であった厚膜化も容易となる。
【0030】
前記説明において、電極形状は、パターンを形成してある電極であれば、その材料、材質によらない。たとえば、パターン作製のフォトリソグラフィを用い、その上にリフトオフ法により作製したAlやAuなどの金属電極、フォトリソグラフィにより周期的に作製したフォトレジストなどの絶縁層を介して、LiClなどの電界液をコンタクトさせた液体電極、また、これらフォトレジストと金属電極の二つを組みあわせて作製した電極などである。
【0031】
また、上述のパターン電極31の作製は、片面、または両面に作製しても良い。
【0032】
次に、作製した波長変換素子の波長変換特性について説明する。はじめに、図1の波長変換素子の模式図を用いて説明する。光の伝播方向40をy’軸とし、各分極領域10,20における分極壁15に平行な面における屈折率楕円体の主軸方向をx’、z’軸とする。以下では、第二次高調波発生を例にとり説明する。波長λの光を40の方向から入射した場合、非線形光学効果によりλ/2の第二次高調波が発生する。このような波長変換動作をさせるためには、その波長変換の方向に対する非線形光学定数(d定数)、および、擬似位相整合(QPM)を行うための周期が重要となる。90°分極構造を用いた場合の非線形光学定数は、z’軸方向の偏光を入射してz’軸方向の変換光を得るd定数であるd’33はd’33=14.9、x’軸方向の偏光を入射してz’軸方向の変換光を得るd定数であるd’31はd’31=9.1であり、180°分極構造におけるd定数d33=19.5、d31=11.3よりは若干小さくなるものの、波長変換素子としては十分大きな値を保持できる。さらに、青色から赤外までの第二次高調波を発生させるための周期分極構造の周期は、10 ̄80μm程度で180°分極の場合と大きな差は無く、作製技術として十分可能なレベルである。
【0033】
上述のように、180°分極と異なる分極構造のうち、分極壁15が物理的に特定の面しかとりえない分極構造を用いることで、容易に精度の良い周期分極構造を作製することができ、変換効率の優れた波長変換素子を実現することができた。
【0034】
【発明の実施の形態】
(実施例1)
図4の略線的拡大模式図を参照して説明する。ここでは、強誘電体基板としてニオブ酸カリウム(KN)を用い、図4(a)に示すようにa,c軸から45°傾いた面と垂直に2mm厚の基板33を切り出した。切り出し面の片方に、b軸と平行にフォトレジストを用いて17μm周期の周期パターンを作製し、その上から金を蒸着することにより、周期電極31を作製した。反対側の面には金蒸着により全面電極32を作製した。電源34により、作製した両電極31,32間に約140V/mmから200V/mmの台形形状の電界を印加した。この例では、自発分極方向21を有する90°分極領域20を周期的に作製する際、作製した90°分極領域20が広がり過ぎないようにするためため、周期電極31の電極部の幅がフォトレジストによる絶縁層の幅がより5μm細くなるような形状とした。
【0035】
その結果、図5に示す透過顕微鏡像のように周期的な90°分極構造20を作製することができた。このとき、分極壁15は理論的に決まった面に限定され、断面方向に対して斜めに傾いた分極壁やb軸と平行でない分極壁が生じることは無かった。
【0036】
さらに、90°分極構造の場合、分極壁15の移動速度が数分オーダーと180°分極壁の移動速度(数ミリ秒)に比べて非常にゆっくりであるためであり、制御性が非常に優れており、電界印加時間を繊細に制御しなくても再現性よく周期構造を作製することが可能であることがわかった。
【0037】
作製した素子に1.55μmの光を入射し、波長変換動作の確認すると、波長変換された第二高調波の出力を確認することができる。
【0038】
以上の結果から、電界印加法により、180°分極構造ではない異なる2種類の分極構造を用いた周期分極構造による波長変換素子を容易にかつ高精度に作製することができた。
【0039】
(実施例2)
実施例1と同様にして、図5に示すような周期的な90°分極構造20を作製する。作製した分極構造の表面に図6(a)(b)(c)に示すような導波路構造を作製する。以下、具体的に説明する。
【0040】
図6(a)はニオブ酸カリウム単結晶にHeイオンを打ち込むことにより、イオン打ち込み層51と基板4の表面との間に導波路構造52を作製したものである。図6(b)はこの結晶を薄く研磨し、スラブ状の導波路にしたものである。図6(c)はこの結晶を薄く研磨し、ダイサーなどにより、リッジ型の導波路構造52を構成したものである。
【0041】
作製した導波路構造を有する素子に対しても、1.55μmの光を入射し、波長変換動作の確認すると、波長変換された第二高調波の出力を確認することができる。
【0042】
(実施例3)
はじめに、図4(a)のように、実施例1と同様にして、ニオブ酸カリウムの基板を切出し、表面にHeイオンを打ち込むことにより、図7に示すようにイオン打ち込み層51と基板4の表面との間に導波路構造52を作製する。次に、図7(b)のように電極31、32を作製し、実施例1と同様に電界印加をすることにより周期的な90°分極領域20を作製する。このようにして作製した素子は、図6(a)のように、導波路構造を有する波長変換素子となる。
【0043】
作製した導波路構造を有する素子に対しても、1.55μmの光を入射し、波長変換動作の確認すると、波長変換された第二高調波の出力を確認することができる。
【0044】
以上の結果から、電界印加法により、180°分極構造ではない異なる2種類の分極領域を用いた周期分極構造による波長変換素子を容易にかつ高精度に作製することができた。
【0045】
以上の説明は主にKNbO結晶の90°分極構造を例に説明したが、他の分極構造(60°、120°)や、斜方晶、正方晶であるKTiOPO、BaTiO,RbTiOPO、LiBなどにも適用できることは言うまでもない。
【0046】
また、導波路構造を有する素子において導波路構造の作製法としてHeイオンの打ち込みによる作製法、および研磨によるスラブ状の作製法、ダイサー等によるリッジ状導波路の作製法を例にあげたが、そのほかの良く知られている図3に示すような酸によるプロトン交換法、Ti拡散法、Zn拡散法などの金属拡散法による導波路構造52に対しても適用できることは言うまでも無い。
【0047】
また単結晶材料に限定して説明したが、基板上にエピタキまたシャル成長した材料でも適応できることも言うまでもない。
【0048】
【発明の効果】
本発明により、従来180°周期分極構造を用いた波長変換素子においては作製の不均一や、作製の非再現性が問題となっていたが、90°分極構造のように格子の連続条件を満たすために特定の分極壁のみ存在する構造を利用することにより、不均一が少ない周期分極構造を再現性よく作製でき、作製制度のよい波長変換素子を実現することが可能となった。本発明の実用上かつ産業上効果は、これらデバイス特性の向上、作製精度の向上という点で甚大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による波長変換素子を示した模式図である。
【図2】90°分極構造を説明した図である。
(a)90°分極構造の自発分極方向と、理論的に決まっている分極壁を示した図である。
(b)分極領域10における分極壁と平行な断面で切断した屈折率楕円体を示した図である。
(c)分極領域20における分極壁と平行な断面で切断した屈折率楕円体を示した図である。
【図3】プロトン交換法、または金属拡散法により作製した導波路構造を有する本発明による波長変換素子の例である。
【図4】本発明における波長変換素子の作製法の一例を示した模式図である。(a)は本発明における波長変換素子を作製するために準備した基板の模式図である。
(b)は本発明における波長変換素子を作製する電界印加法を示した模式図である。
【図5】本発明における波長変換素子の光学顕微鏡写真の一例である。
【図6】本発明における導波路構造を有する波長変換素子の構造を示した例である。
(a)イオン打ち込みにより導波路構造を作製した場合の例である。
(b)薄く研磨することにより作製したスラブ状導波路構造の例である。
(c)ダイサーなどで細く切出すことにより作製したリッジ型導波路構造の例である。
【図7】導波路構造を有する基板に、本発明による波長変換素子における周期分極構造の作製方法を示した模式図である。
【図8】従来の180°周期分極構造を利用した波長変換素子の模式図である
(a)理想的な波長変換素子の構造である。
(b)自発分極と垂直な面内で不均一が生じた場合の素子の例である。
(c)自発分極と平行な方向で不均一が生じた場合の素子の例である。
【符号の説明】
1: 自発分極方向、     2: 自発分極方向、 3: 分極領域
4: 分極領域、     10: 分極領域、 11: 自発分極方向、
15: 分極壁、   20: 分極領域、   21: 自発分極方向
31:周期電極、   32:全面電極、      33: 基板、
34: 電源、   51: イオン打ち込み層、   52: 導波路
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavelength conversion element using a ferroelectric substance, and more particularly to a wavelength conversion element having a periodic polarization structure.
[0002]
[Prior art]
In the field of communication using optical fibers, large-capacity, high-speed data transmission is required. In particular, wavelength division multiplexing (WDM) and optical time division multiplexing (OTDM) are regarded as promising in that the transmission capacity of optical fibers can be significantly increased, and wavelength control techniques for controlling a plurality of carrier wavelengths with high accuracy and certain carriers are known. A wavelength conversion technique for converting a wavelength to another carrier wavelength becomes important.
[0003]
For example, in an existing optical communication network, optical transmission of a single wavelength using a 1.3 μm band as a carrier wavelength, in which loss of an optical fiber is small, is mainly used, and is generally laid to replace a telephone communication network in a city. I have. On the other hand, in a mainline optical communication network connecting cities, wavelength multiplexing optical transmission using a 1.5 μm band suitable for wavelength multiplexing transmission as a carrier wavelength is mainly used.
[0004]
When connecting both optical communication networks, since the carrier wavelengths are different from each other, it is necessary to convert the optical signal flowing through one network into an electrical signal once, and then convert it into an optical signal using a carrier wavelength compatible with the other network. is there. Then, the performance of optical communication is limited by the capability of electric signal processing.
[0005]
Therefore, if the carrier wavelength of one network can be directly converted to the carrier wavelength of the other network, electric signal processing will not be required and high performance of optical communication can be effectively maintained. Therefore, an optical mixing technique for converting the carrier wavelength is indispensable.
[0006]
In such wavelength conversion, a second harmonic generation (SHG), a sum frequency generation (SFG), a difference frequency generation (DFG), a parametric conversion, and the like due to the non-linear optical effect are used. Therefore, a material having a high non-linear optical effect is desired. .
[0007]
Related prior arts include Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 10-213826 (Patent Document 1) and 2000-10130 (Patent Document 2). Related articles include Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, and Non-Patent Document 2. 3 and Non-Patent Document 4.
[0008]
Non-Patent Document 1 describes optical mixing by difference frequency generation using a PPLN (periodically-poled lithium niobate) element having a waveguide structure. According to Non-Patent Document 2, a QPM (Quasi-Phase Matching) device using lithium niobate LiNbO 3 is such that when high-intensity light is incident, an electric field is locally generated by free carrier absorption, and a nonlinear optical constant is generated. Is described about photorefractive damage in which fluctuates greatly. Non-Patent Documents 3 and 4 also relate to lithium niobate.
[0009]
When performing wavelength conversion in this manner, lithium niobate having a high nonlinear optical effect has been often used.
[0010]
As a most common method of using these materials as a wavelength conversion element, as shown in FIG. 8A, a polarization region 3 having a spontaneous polarization 1 and a polarization having a polarization direction 2 180 ° opposite to the spontaneous polarization 1 are used. There is a method of producing a periodically poled structure in which the regions 4 are periodically arranged and performing QPM. As a method of forming a periodically poled structure, a method of forming a periodic 180 ° polarization structure by applying an electric field is widely used (Non-Patent Documents 5 and 6). However, in the case of a 180 ° polarization structure, the polarization wall can take any direction (Non-Patent Document 7). This is because, in the case of a 180 ° polarization structure, only the plus or minus sign of the polarization direction (c-axis direction) of the original polarization region and the 180 ° polarization region changes, and Since the directions of the a-axis and the b-axis do not change except for the sign, it is possible to take an arbitrary polarization interface. For this reason, even when an ideal periodic domain-inverted structure as shown in the schematic diagram of FIG. 8A is manufactured, the domain-inverted regions 4 become non-uniform in the xy plane as shown in FIG. As shown in FIG. 8C, there are problems that the domain-inverted regions 4 become non-uniform in the depth direction and that the manufacturing process is not reproducible (Non-Patent Document 8).
[0011]
[Patent Document 1] JP-A-10-213826
[Patent Document 2] JP-A-2000-10130
[Non-Patent Document 1] Ming-Hsien CHOU, Kirishnan. R. Parameswaran, M .; M. Fejer, Igal Brener, "IEICE TRANSACTION OF ELECTRONICS". , (JUNE 2000) VOL. E83-C, NO. 6, p. 869
[0014]
[Non-Patent Document 2] C.I. Q. Xu, et. Okayama, Y .; Ogawa, "Journal of Applied Physics", 2000 VOL. 87, NO. 7, p. 3203
[0015]
[Non-Patent Document 3] Nao Kurimura, "Solid State Physics", 1994, Vol. 29, No. 1, p. 75
[0016]
[Non-Patent Document 4] Yasunori Furukawa and Masazumi Sato, "Journal of the Japan Society for Crystal Growth Studies", 1990, Vol. 17, No. 3 & 4, p. 277
[0017]
[Non-Patent Document 5] E. FIG. Myers, R.A. C. Eckardt, M .; M. Fejer, R.A. L. Byer, W.C. R. Bosenberg, J. et al. W. Pierce. Author, "Journal of Optical Society of America", B12, (1995) 2102,
[0018]
[Non-Patent Document 6] -P. Meyn, M .; E. FIG. Klein, D.A. Woll, R .; Wallemstein, D.M. Rytz, "Optics Letters". 24, (1999). P1154
[0019]
[Non-Patent Document 7] Wiesendanger, "Czechoslovakia Journal of Physics", B 23, (1973). P91
[0020]
[Non-Patent Document 8] Shuichi Seki, Takeshi Akutsu, Masayuki Maruyama, Keiki Nakajima, Nao Kurimura, Kenji Kitamura, Hideki Ishizuki, Takinori Equality, Jung Hoon RO, Myungsik CHA, "Religion Technical Report" OPE2002-40 , (2002) p. 19
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to reduce wavelength non-uniformity and non-reproducibility of processes, which are problems in producing a periodically polarized structure, and to use a wavelength conversion function that has a function as a wavelength conversion. It is to provide an element.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a wavelength conversion element made of a ferroelectric substance, wherein the ferroelectric substance has a structure in which two different types of polarization regions are periodically arranged, and the polarization directions of the two different types of polarization regions are different from each other. A wavelength conversion element characterized by being parallel.
[0023]
In the present invention, it is preferable that the mutual polarization interface of the two different types of polarization regions is an interface limited to a specific direction in order to satisfy the continuity condition of the lattice.
[0024]
As described above, in the 180 ° polarization structure used as the conventional periodic polarization inversion structure, since the polarization wall can have an arbitrary structure, the produced polarization structure is not in-plane and in the depth direction. There have been problems such as uniformity and lack of reproducibility in the process. The present invention is a wavelength conversion element using a polarization structure in which a polarization wall is limited to a specific surface due to a continuous condition of a lattice.
[0025]
The wavelength conversion element is desirably an orthorhombic crystal, a tetragonal crystal, or a monoclinic crystal having a polarization wall having only a theoretically specific surface.
Among them, potassium niobate having a large nonlinear optical constant is preferable.
Examples of the polarization structure in which the polarization wall is limited to a specific plane depending on the continuous condition of the lattice include a 60 ° polarization wall, a 90 ° polarization wall, and a 120 ° polarization wall of potassium niobate.
[0026]
In performing actual wavelength conversion, it is desirable that reflection on the polarization wall does not occur. FIG. 2 shows an example. FIG. 2 is a schematic diagram of a 90 ° polarization structure. A polarization region 10 having a spontaneous polarization 11 and a polarization region 20 having a spontaneous polarization 21 are joined via a domain wall 15. Since the spontaneous polarization directions 11 and 21 make an angle of 90 °, they are called a 90 ° polarization structure. In the 90 ° polarization region 20 in which the spontaneous polarization direction differs from the original polarization region 10 by 90 °, only the b axis is common, and the a axis and the c axis are rotated by 90 ° with respect to each other. Therefore, the 90 ° polarization wall 15 can exist only in a direction parallel to the b-axis and at 45 ° from the a-axis and the c-axis, respectively, due to the continuity of the lattice. In order that the reflection does not occur on the domain wall 15, as shown in FIG. 2B and FIG. 2C, in the two polarized regions 10 and 20 via the polarized wall 15 like the 90 ° polarized structure. It is desirable that the major axis of the index ellipsoid with respect to a plane perpendicular to the wall in the region 20 be common. In this regard, 90 ° polarization is preferred.
[0027]
Hereinafter, this structure will be described using a 90 ° polarized structure of potassium niobate as an example.
[0028]
FIG. 1 shows the structure of the wavelength conversion element according to the present invention. FIG. 4 is a schematic diagram showing a process for creating a structure as shown in FIG. FIG. 4A is a schematic diagram of the potassium niobate single crystal substrate 33 before the polarization structure is produced. As shown in FIG. 2, the 90 ° polarization structure is formed only in a direction in which the polarization wall is inclined at 45 ° from the a-axis and the c-axis and is parallel to the b-axis due to the continuous condition of the lattice. Here, the c-axis direction is the direction of spontaneous polarization.
[0029]
In order to produce a periodic polarization structure, the substrate 33 is cut out perpendicular to the plane inclined at 45 ° from the a and c axes as shown in FIG. 4A, and cut out as shown in FIG. 4B. A periodic electrode 31 is formed on one side parallel to the b-axis, and a full-surface electrode 32 is formed on the opposite surface. By applying an electric field between the produced electrodes 31 and 32 by the power supply 34, the 90 ° polarized region 20 having the spontaneous polarization direction 21 could be produced periodically. At this time, the polarization wall 15 was limited to a theoretically determined plane, and no polarization wall inclined with respect to the cross-sectional direction (z`-axis direction) or a polarization wall not parallel to the b-axis was not generated. By utilizing this physical property, it is easy to increase the thickness of the conventional 180-degree periodically poled structure, which is likely to be non-uniform in the cross-sectional direction as shown in FIG. Become.
[0030]
In the above description, the electrode shape does not depend on the material or material as long as the electrode has a pattern formed thereon. For example, by using photolithography for pattern formation, an electric field liquid such as LiCl is formed thereon through a metal electrode such as Al or Au formed by a lift-off method and an insulating layer such as a photoresist periodically formed by photolithography. These include liquid electrodes that have been brought into contact with each other, and electrodes made by combining two of these photoresists and metal electrodes.
[0031]
Further, the above-described pattern electrode 31 may be formed on one side or both sides.
[0032]
Next, the wavelength conversion characteristics of the manufactured wavelength conversion element will be described. First, a description will be given using a schematic diagram of the wavelength conversion element in FIG. The light propagation direction 40 is defined as the y ′ axis, and the principal axis directions of the refractive index ellipsoids in the plane parallel to the polarization wall 15 in each of the polarization regions 10 and 20 are defined as the x ′ and z ′ axes. Hereinafter, the second harmonic generation will be described as an example. When light of wavelength λ is incident from the direction of 40, a second harmonic of λ / 2 is generated due to the nonlinear optical effect. In order to perform such a wavelength conversion operation, a non-linear optical constant (d constant) in the direction of the wavelength conversion and a cycle for performing quasi-phase matching (QPM) are important. The non-linear optical constant in the case of using the 90 ° polarization structure is d'33, which is a d constant for obtaining polarized light in the z'-axis direction by inputting polarized light in the z'-axis direction. D'31, which is a d constant for obtaining converted light in the z 'axis direction by inputting polarized light in the' axis direction ', is d'31 = 9.1, and d constants in the 180 ° polarization structure d33 = 19.5, d31. Although it is slightly smaller than 11.3, it can hold a sufficiently large value as a wavelength conversion element. Furthermore, the period of the periodic polarization structure for generating the second harmonic from blue to infrared is about 10 ̄80 μm, which is not much different from the case of 180 ° polarization, and is a level that is sufficiently possible as a fabrication technique. .
[0033]
As described above, by using a polarization structure in which the polarization wall 15 can physically take only a specific surface among the polarization structures different from the 180 ° polarization, a highly accurate periodic polarization structure can be easily manufactured. Thus, a wavelength conversion element having excellent conversion efficiency can be realized.
[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Example 1)
This will be described with reference to the schematic enlarged schematic diagram of FIG. Here, potassium niobate (KN) was used as the ferroelectric substrate, and a 2 mm-thick substrate 33 was cut out perpendicular to the plane inclined at 45 ° from the a and c axes as shown in FIG. On one of the cut surfaces, a periodic pattern having a period of 17 μm was formed using a photoresist in parallel with the b-axis, and gold was vapor-deposited thereon, thereby forming a periodic electrode 31. The entire surface electrode 32 was formed on the opposite surface by gold evaporation. A trapezoidal electric field of about 140 V / mm to 200 V / mm was applied between the produced electrodes 31 and 32 by the power supply 34. In this example, when the 90 ° polarization region 20 having the spontaneous polarization direction 21 is periodically formed, the width of the electrode portion of the periodic electrode 31 is set to be smaller than the width of the electrode portion in order to prevent the manufactured 90 ° polarization region 20 from spreading too much. The shape was such that the width of the insulating layer made of the resist became thinner by 5 μm.
[0035]
As a result, a periodic 90 ° polarization structure 20 could be produced as shown in the transmission microscope image shown in FIG. At this time, the polarization wall 15 was limited to a theoretically determined plane, and there was no occurrence of a polarization wall inclined obliquely to the cross-sectional direction or a polarization wall not parallel to the b-axis.
[0036]
Furthermore, in the case of a 90 ° polarization structure, the moving speed of the polarizing wall 15 is very slow, on the order of several minutes, compared to the moving speed (several milliseconds) of the 180 ° polarizing wall, and the controllability is very excellent. Thus, it was found that a periodic structure can be produced with good reproducibility without delicately controlling the electric field application time.
[0037]
When 1.55 μm light is incident on the manufactured device and the wavelength conversion operation is confirmed, the output of the wavelength-converted second harmonic can be confirmed.
[0038]
From the above results, it was possible to easily and accurately manufacture a wavelength conversion element using a periodic polarization structure using two different types of polarization structures other than the 180 ° polarization structure by the electric field application method.
[0039]
(Example 2)
A periodic 90 ° polarization structure 20 as shown in FIG. A waveguide structure as shown in FIGS. 6A, 6B and 6C is manufactured on the surface of the manufactured polarization structure. Hereinafter, a specific description will be given.
[0040]
FIG. 6A shows that a waveguide structure 52 is formed between the ion-implanted layer 51 and the surface of the substrate 4 by implanting He ions into a potassium niobate single crystal. FIG. 6B shows a slab-shaped waveguide obtained by thinly polishing this crystal. FIG. 6C shows a structure in which this crystal is polished thinly, and a ridge-type waveguide structure 52 is formed using a dicer or the like.
[0041]
When light of 1.55 μm is incident on the manufactured device having the waveguide structure and the wavelength conversion operation is confirmed, the output of the wavelength-converted second harmonic can be confirmed.
[0042]
(Example 3)
First, as shown in FIG. 4A, a potassium niobate substrate is cut out in the same manner as in Example 1 and He ions are implanted into the surface, so that the ion-implanted layer 51 and the substrate 4 are formed as shown in FIG. A waveguide structure 52 is formed between the substrate and the surface. Next, electrodes 31 and 32 are formed as shown in FIG. 7B, and an electric field is applied in the same manner as in the first embodiment to form a periodic 90 ° polarization region 20. The element manufactured in this manner is a wavelength conversion element having a waveguide structure as shown in FIG.
[0043]
When light of 1.55 μm is incident on the manufactured device having the waveguide structure and the wavelength conversion operation is confirmed, the output of the wavelength-converted second harmonic can be confirmed.
[0044]
From the above results, it was possible to easily and accurately manufacture a wavelength conversion element having a periodic polarization structure using two different types of polarization regions other than the 180 ° polarization structure by the electric field application method.
[0045]
In the above description, the 90 ° polarization structure of the KNbO 3 crystal was mainly described as an example. However, other polarization structures (60 °, 120 °), orthorhombic and tetragonal KTiOPO 4 , BaTiO 3 , and RbTiOPO 4 , LiB 3 O 5 and the like.
[0046]
In addition, in a device having a waveguide structure, as a method of manufacturing a waveguide structure, a method of implanting He ions, a method of forming a slab by polishing, and a method of forming a ridge-shaped waveguide by using a dicer or the like are described as examples. Needless to say, the present invention can also be applied to other well-known waveguide structures 52 formed by a metal diffusion method such as a proton exchange method using an acid, a Ti diffusion method, and a Zn diffusion method as shown in FIG.
[0047]
In addition, although the description has been limited to a single crystal material, it goes without saying that a material grown epitaxially or on a substrate can be applied.
[0048]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the conventional wavelength conversion element using the 180-degree periodic polarization structure, non-uniform production and non-reproducibility of the production have been a problem. Therefore, by using a structure having only a specific polarization wall, a periodic polarization structure with less non-uniformity can be manufactured with good reproducibility, and a wavelength conversion element with a good manufacturing accuracy can be realized. The practical and industrial effects of the present invention are enormous in terms of improving these device characteristics and improving the manufacturing accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a wavelength conversion element according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a 90 ° polarization structure.
(A) is a diagram showing a spontaneous polarization direction of a 90 ° polarization structure and a polarization wall that is theoretically determined.
FIG. 3B is a diagram illustrating a refractive index ellipsoid cut along a cross section parallel to a polarization wall in the polarization region 10.
(C) is a diagram showing a refractive index ellipsoid cut along a cross section parallel to the polarization wall in the polarization region 20.
FIG. 3 is an example of a wavelength conversion element according to the present invention having a waveguide structure manufactured by a proton exchange method or a metal diffusion method.
FIG. 4 is a schematic view illustrating an example of a method for manufacturing a wavelength conversion element according to the present invention. (A) is a schematic diagram of a substrate prepared for manufacturing a wavelength conversion element in the present invention.
(B) is a schematic view showing an electric field application method for producing a wavelength conversion element according to the present invention.
FIG. 5 is an example of an optical microscope photograph of the wavelength conversion element in the present invention.
FIG. 6 is an example showing a structure of a wavelength conversion element having a waveguide structure according to the present invention.
(A) This is an example in which a waveguide structure is manufactured by ion implantation.
(B) This is an example of a slab-like waveguide structure manufactured by thin polishing.
(C) This is an example of a ridge-type waveguide structure manufactured by finely cutting with a dicer or the like.
FIG. 7 is a schematic view showing a method for producing a periodically polarized structure in a wavelength conversion element according to the present invention on a substrate having a waveguide structure.
FIG. 8 is a schematic view of a wavelength conversion element using a conventional 180 ° periodic polarization structure. FIG. 8A shows an ideal wavelength conversion element structure.
(B) This is an example of a device in which non-uniformity occurs in a plane perpendicular to spontaneous polarization.
(C) This is an example of a device in which non-uniformity occurs in a direction parallel to spontaneous polarization.
[Explanation of symbols]
1: Spontaneous polarization direction, 2: Spontaneous polarization direction, 3: Polarized region 4: Polarized region, 10: Polarized region, 11: Spontaneous polarization direction,
15: polarization wall, 20: polarization region, 21: spontaneous polarization direction 31: periodic electrode, 32: whole surface electrode, 33: substrate,
34: power supply, 51: ion implantation layer, 52: waveguide

Claims (5)

強誘電体からなる波長変換素子であり、前記強誘電体が異なる2種類の分極領域を周期的にならべた構造を有し、前記異なる2種類の分極領域の分極方向が互いに非平行であることを特徴とする波長変換素子。A wavelength conversion element made of a ferroelectric, wherein the ferroelectric has a structure in which two different types of polarization regions are periodically arranged, and the polarization directions of the two different types of polarization regions are not parallel to each other. The wavelength conversion element characterized by the above-mentioned. 前記異なる2種類の分極領域の互いの分極界面が、格子の連続条件を満たすために特定の方向に限定されている界面であることを特徴とする請求項1に記載の波長変換素子。2. The wavelength conversion element according to claim 1, wherein a polarization interface between the two different types of polarization regions is an interface limited to a specific direction in order to satisfy a continuity condition of a lattice. 3. 前記強誘電体の異なる分極領域の分極方向が、互いに90度、60度、または120度をなすことを特徴とする請求項1または2に記載の波長変換素子。3. The wavelength conversion element according to claim 1, wherein the polarization directions of the different polarization regions of the ferroelectric are 90 degrees, 60 degrees, or 120 degrees with each other. 4. 前記強誘電体が斜方晶または正方晶のいずれかであることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の波長変換素子。4. The wavelength conversion element according to claim 1, wherein the ferroelectric is one of orthorhombic and tetragonal. 前記強誘電体がニオブ酸カリウムであることを特徴とする請求項4に記載の波長変換素子。The wavelength conversion device according to claim 4, wherein the ferroelectric is potassium niobate.
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