JP2007121515A - Optical element substrate and wavelength conversion device using substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フォトプリンター、ディスプレー、テラヘルツレーザー光源等に用いられる、光学素子基板、及び、該基板を用いた波長変換デバイスに関する。 The present invention relates to an optical element substrate used in a photo printer, a display, a terahertz laser light source, and the like, and a wavelength conversion device using the substrate.
LiNbO3やLiTiO3等の強誘電体結晶は、強い非線形光学効果を持つことからレーザー光の波長変換素子に利用されている。特に、分極方向を周期的に反転させ擬似的に位相整合条件(QPM)を満たすようにした光学素子は大きい非線形定数を利用できるため波長変換効率が高く、分極反転構造の周期を変化させることで広い波長範囲のレーザー光に対して第二高調波発生(SHG)や光パラメトリック発振(OPO)を行えるため様々な検討が行われている。 Ferroelectric crystals such as LiNbO 3 and LiTiO 3 have a strong nonlinear optical effect and are used for laser light wavelength conversion elements. In particular, an optical element that periodically inverts the polarization direction and satisfies the phase matching condition (QPM) in a pseudo manner can use a large nonlinear constant, and therefore has high wavelength conversion efficiency. By changing the period of the polarization inversion structure, Various studies have been made since second harmonic generation (SHG) and optical parametric oscillation (OPO) can be performed on laser light in a wide wavelength range.
このような波長変換素子の作製は、例えば、特許文献1に開示されるように、主に分極方向が揃った誘電体結晶基板の両面(+Z面と−Z面、又は、+C面と−C面と呼ばれる。)に所定の電極パターンを形成し、電圧を印加して電極に挟まれた部分の分極方向を反転させることで行われている。しかし、波長変換効率の高い素子を作製するためには設計値に対して高い精度で反転領域を形成しなければならない。特にバルク型では導波路型より大きい入射ビーム径を想定しているため、厚い基板を広い範囲にわたって均一に分極反転させる必要がある。これらの課題に対して様々な方法が検討されている。
For example, as disclosed in
例えば、特許文献2では、電場を印加するための+Z面側の電極を、目的とする周期より広い周期の複数のセグメントに分けて、個別に電場を印加することで微細な周期の分極反転構造を形成している。特許文献3では、所定のパターンを持つ電極が形成された+Z面側を真空にしておくことで電極間の放電を防ぎ、−Z面側は大気圧にしてコロナ帯電させて電場を印加することで微細周期の分極反転構造を形成している。特許文献4では、+Z面表面の結晶性を劣化させることにより不要な部分の分極反転を抑制し、短周期の分極反転構造を形成し易くしている。
For example, in
これらの方法による分極反転構造の形成には、LiNbO3、LiTaO3等の非線形効果を有する強誘電体結晶が用いられている。中でもLiNbO3、LiTaO3は非線形効果が高く、分極反転構造も安定性が高いため検討が進んでいるが、特にLiNbO3、LiTaO3に不純物としてMgO をドープした結晶(以下、MgO:LN、MgO:LT)は、波長変換により発生した可視光と基本波の相互作用による基本波の吸収(Green Induced IR Absorption: GRIIRA)の問題がなく、高出力の可視光発生用波長変換デバイスとして期待されている。
しかし、特にMgO:LNでは、分極反転した部分の抵抗率が低下し電流が流れ易くなるため、先に分極反転構造が生じた部分が加熱され分極反転構造のムラが発生したり、他の部分へ所定の電界が印加されなくなるため分極反転構造の形成が電界印加の途中で停止するという問題があった。 However, in particular, in MgO: LN, the resistivity of the part where the polarization is reversed decreases and the current flows easily, so that the part where the domain-inverted structure is generated first is heated to cause unevenness of the domain-inverted structure, and other parts. There is a problem that the formation of the domain-inverted structure stops in the middle of the application of the electric field because a predetermined electric field is not applied.
本発明は、上記のような問題点に鑑み、分極反転構造の形成領域に電流が流れ易くなるような強誘電体結晶を用いた場合であっても、高精度の分極反転構造を形成可能とした、光学素子基板、及び、該基板を用いた波長変換デバイスを提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, the present invention can form a highly accurate domain-inverted structure even when a ferroelectric crystal is used so that a current easily flows in the region where the domain-inverted structure is formed. An object of the present invention is to provide an optical element substrate and a wavelength conversion device using the substrate.
請求項1に記載の発明は、2次の非線形効果を持つ強誘電体結晶の自発分極方向を周期的に反転させた構造(分極反転構造)を有する波長変換デバイスを作製するための、強誘電体材料からなる光学素子基板であって、前記分極反転構造が形成される前記光学素子基板の強誘電体層の自発分極と直交する面の一方に対して、分極反転構造形成時に自発分極方向に沿って移動する電荷の移動量を制限する電荷移動制限層を備えた光学素子基板としたことを特徴とする。
The invention according to
請求項2に記載の発明は、前記電荷移動制限層は、前記光学素子基板に対して、Mg、Zn、Se、Inのうち少なくともいずれか1つの不純物を添加又は除去することにより形成される請求項1記載の光学素子基板としたことを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, the charge transfer limiting layer is formed by adding or removing at least one impurity of Mg, Zn, Se, and In to the optical element substrate.
請求項3に記載の発明は、前記電荷移動制限層は、前記光学素子基板を形成する前記強誘電体材料と比較して、異なる不純物濃度を有する前記強誘電体材料からなる請求項1記載の光学素子基板としたことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, the charge transfer limiting layer is made of the ferroelectric material having a different impurity concentration compared to the ferroelectric material forming the optical element substrate. An optical element substrate is provided.
請求項4に記載の発明は、前記強誘電体層と前記電荷移動制限層とは熱拡散接合により接合される請求項3記載の光学素子基板としたことを特徴とする。
The invention according to
請求項5に記載の発明は、前記強誘電体層の反転抗電界をE1、前記強誘電体層の厚さをd1、前記電荷移動制限層の反転抗電界をE2、電荷移動制限層の厚さをd2とすると、
E1・(d1+d2)<=E2・d2・・・式(1)を満たす請求項1から4のいずれか1項に記載の光学素子基板としたことを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, the inversion coercive field of the ferroelectric layer is E1, the thickness of the ferroelectric layer is d1, the inversion coercive field of the charge transfer limiting layer is E2, and the thickness of the charge transfer limiting layer is If d2 is,
E1 · (d1 + d2) <= E2 · d2... An optical element substrate according to any one of
請求項6に記載の発明は、請求項1から5のいずれか1項に記載の光学素子基板を用いた波長変換デバイスとしたことを特徴とする。
The invention according to
本発明によれば、光学素子基板、及び、該基板を用いた波長変換デバイスにおいて、分極反転構造の形成領域に、電流が流れ易くなるような強誘電体結晶を用いた場合であっても、高精度の分極反転構造を形成可能とすることができる。 According to the present invention, in the optical element substrate and the wavelength conversion device using the substrate, even when a ferroelectric crystal that makes it easy for current to flow is used in the region where the domain-inverted structure is formed, A highly accurate domain-inverted structure can be formed.
本発明を実施するための最良の形態は、2次の非線形効果を持つ強誘電体結晶の自発分極方向を周期的に反転させた構造(分極反転構造)を有する波長変換デバイスを作製するための、強誘電体材料からなる光学素子基板において、分極反転構造が形成される光学素子基板の強誘電体層の自発分極と直交する面の一方に対して、分極反転構造形成時に自発分極方向に沿って移動する電荷の移動量を制限する電荷移動制限層を設ける。 The best mode for carrying out the present invention is to produce a wavelength conversion device having a structure (polarization inversion structure) in which the spontaneous polarization direction of a ferroelectric crystal having a second-order nonlinear effect is periodically inverted. In the optical element substrate made of a ferroelectric material, along the spontaneous polarization direction at the time of forming the domain-inverted structure with respect to one of the surfaces orthogonal to the spontaneous polarization of the ferroelectric layer of the optical element substrate on which the domain-inverted structure is formed A charge transfer limiting layer is provided for limiting the amount of charge transfer.
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下に述べる実施形態は本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。 Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are preferable specific examples of the present invention, and thus various technically preferable limitations are given. However, the scope of the present invention is particularly limited in the following description. Unless otherwise described, the present invention is not limited to these embodiments.
(実施形態1)
本実施形態の光学素子基板は、所定の位置に分極反転構造が形成された後は電流が流れないように電荷の移動を制限する構造である電荷移動制限層を設けたことを特徴とする。この電荷移動制限層により、MgO:LNのような、分極反転領域の抵抗率が低下し電流による加熱で分極反転領域のムラが発生しやすい強誘電体結晶においても、高精度の分極反転構造が形成可能となる。以下に具体的に本実施形態の光学素子基板について説明する。
(Embodiment 1)
The optical element substrate of the present embodiment is characterized in that a charge transfer limiting layer having a structure for limiting charge transfer is provided so that no current flows after the polarization inversion structure is formed at a predetermined position. This charge transfer limiting layer reduces the resistivity of the domain-inverted region, such as MgO: LN, and even in a ferroelectric crystal in which unevenness of the domain-inverted region is likely to occur due to heating by a current, a highly accurate domain-inverted structure is provided. It can be formed. The optical element substrate of this embodiment will be specifically described below.
図1は、本実施形態の光学素子基板1の構造を示した断面図である。図1の強誘電体層2は、分極反転構造が形成される部分で、背景技術の欄で述べたように、MgO:LN、MgO:LT等が用いられる。図1に示す強誘電体層2は、−Z面側から+Z面側に向かって分極方向が揃っており、電荷移動制限層3は−Z面側に形成される。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the
上記電荷移動制限層3に用いる材料としては、分極反転前の強誘電体層2より抵抗値が低く、分極反転後の強誘電体層2より抵抗値が高い材料や、所定の電荷が移動するまで電荷を流した後は電荷の移動を停止させる材料(実施形態2に記載)を用いることができる。
As a material used for the charge
例えば、電荷移動制限層3は、不純物濃度が互いに異なる材料であって、強誘電体層2を形成する強誘電体材料と同じ強誘電体材料を用いることができる。また、電荷移動制限層3は、光学素子基板1に対して、Mg、Zn、Se、Inのうちの少なくともいずれか1つの不純物を添加又は除去することにより形成することができる。
For example, the charge
次に、本実施形態の光学素子基板1との比較のため、図4(a)〜(d)を用いて従来の光学素子基板を分極反転させる場合の動作(分極反転構造の形成過程)を説明する。図4(a)〜(d)は、従来の光学素子基板5を分極反転させる場合の動作(分極反転構造の形成過程)を説明するための断面図である。
Next, for comparison with the
尚、図4(a)〜(d)に示す光学素子基板6では、+Z面側に櫛状の電極(+電極4)、−Z面側にベタ電極(−電極5)を形成して光学素子基板6の分極方向と逆の電界を印加している。また、本説明における光学素子基板6は、MgOをドーピングしたLiNbO3(MgO:LN)を用いて形成されているものとする。
In the
まず、+Z面側の電極(+電極4)及び−Z面側の電極(−電極5)を介して、光学素子基板6に電界を印加すると、図4(a)に示すように、+Z面側の電極(+電極4)のエッジ部分から分極反転領域7が発生する。電界印加時間が進むに従って、図4(b)、図4(c)に示すように、分極反転領域7は−Z面に向かって成長していくが、成長速度は場所によって異なっている。
First, when an electric field is applied to the
この間、電流はほとんど流れず、分極反転領域7の一部が−Z面に達して、図4(c)に示すような分極反転構造が形成される。なぜならば、分極反転領域7は横方向に少しずつ広がっていくが、その速度は縦方向の成長に比べて非常に遅いため、他の分極反転領域7が主に縦方向に成長するからである。
During this time, almost no current flows, and a part of the domain-inverted
そして、図4(c)に示すような分極反転領域7が形成されると、分極反転に伴って分極反転領域7の面積に比例した電流が流れる。しかしながら、MgOをドーピングしたLiNbO3では分極反転領域7と未反転領域の界面を通って電流が流れ続けるため、貫通した分極反転領域7の周囲が加熱され分極反転に必要な電界強度(反転抗電界)が低下して分極反転領域7が横方向へ成長しやすくなるため、図4(d)に示すように貫通した分極反転領域7が横方向に大きく広がってしまい、分極反転領域7の一部が消滅するため問題である。
When the domain-inverted
次に、図2(a)〜(d)を用いて本実施形態の光学素子基板1を分極反転させる場合の動作(分極反転構造の形成過程)を説明する。図2(a)〜(d)は、本実施形態の光学素子基板1を分極反転させる場合の動作(分極反転構造の形成過程)を説明するための断面図である。尚、図2(a)〜(d)に示す光学素子基板1では、+Z面側に櫛状の電極(+電極4)、−Z面側にベタ電極(−電極5)を形成して光学素子基板1の分極方向と逆の電界を印加している。
Next, the operation (polarization inversion structure forming process) when the
まず、図2(a)〜(c)では、図4(a)〜(c)を用いて上述した従来の場合と同じように分極反転領域7が成長する。しかし、図2(c)、図2(d)に示すように、分極反転領域7が電界移動制限層3に達した後は分極反転領域7の成長が止まり、反転領域の界面を通る電流が抑制されるため分極反転領域7周辺の加熱が起こらない。従って、先に電荷移動制限層3に達した分極反転領域7が横方向に広がる前に他の分極反転領域7が−Z面に達することが可能となり、従来に比べて均一な分極反転構造が形成できるようになる。
First, in FIGS. 2A to 2C, the domain-inverted
以上説明したように、本実施形態によれば、分極反転構造が形成される光学素子基板の自発分極と直交する面の一方に対して、分極反転構造形成時に自発分極方向に沿って移動する電荷の移動量を制限するための電荷移動制限層が形成されているため、分極反転領域のムラの発生を抑えて分極反転構造の均一性を高めることができる。<請求項1>
また、本実施形態の光学素子基板を利用することにより、高い効率で波長変換が行える波長変換デバイスを供給することが可能となる。<請求項6>
As described above, according to this embodiment, the charge that moves along the direction of spontaneous polarization when the domain-inverted structure is formed with respect to one of the surfaces orthogonal to the spontaneous polarization of the optical element substrate on which the domain-inverted structure is formed. Since the charge transfer limiting layer for limiting the amount of movement is formed, it is possible to suppress the occurrence of unevenness in the domain-inverted region and improve the uniformity of the domain-inverted structure. <Claim 1>
In addition, by using the optical element substrate of the present embodiment, it is possible to supply a wavelength conversion device that can perform wavelength conversion with high efficiency. <Claim 6>
(実施形態2)
本実施形態は、実施形態1の応用例である。従って、実施形態1と共通する部分(構成及び効果)は説明を省略し、特徴部分のみ、添付図面に基づいて以下に説明する。図3は、本実施形態における光学素子基板1の構造を示した断面図である。図3に示すように、本実施形態では、光学素子基板1の強誘電体層2として、5mol%のMgOをドープしたLiNbO3基板、電荷移動制限層3として、ノンドープLiNbO3基板(以下、ノンドープLN)が用いられる。
(Embodiment 2)
The present embodiment is an application example of the first embodiment. Therefore, description of parts (configuration and effects) common to the first embodiment will be omitted, and only characteristic parts will be described below based on the attached drawings. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the
MgO:LN基板(5mol%のMgOをドープしたLiNbO3基板)は分極反転領域7の抵抗値が低下するが、上記ノンドープLiNbO3基板は分極反転した面積に応じた電荷が移動するだけでそれ以上の電流は流れないため、電荷移動制限層3として利用することができる。5mol%のMgO:LNの反転抗電界は室温で約5KV/mm、一方、ノンドープLNの反転抗電界は約21KV/mmである。
The MgO: LN substrate (LiNbO 3 substrate doped with 5 mol% MgO) decreases the resistance value of the domain-inverted
MgO:LN部分が分極反転した領域ではMgO:LNの抵抗値が低下し、印加された電圧に応じた電界は一時的にノンドープLN部分に集中する。従って、ノンドープLN部分が過剰な電解印加によって破壊され、抵抗値が低下するのを避けるためには、MgO:LNの厚さをd1、反転抗電界をE1、ノンドープLNの厚さをd2、反転抗電界をE2として、以下に示す式(1)を満たすようにしておけばよい。
E1・(d1+d2)<=E2・d2・・・式(1)
In the region where the MgO: LN portion is inverted in polarization, the resistance value of MgO: LN decreases, and the electric field corresponding to the applied voltage is temporarily concentrated on the non-doped LN portion. Therefore, in order to prevent the non-doped LN portion from being destroyed by excessive electrolysis and reducing the resistance value, the MgO: LN thickness is d1, the inversion coercive electric field is E1, and the non-doped LN thickness is d2. The coercive electric field is set to E2, and the following formula (1) may be satisfied.
E1 · (d1 + d2) <= E2 · d2 (1)
ところで、本実施形態の光学素子基板1は、強誘電体層2と電荷移動制限層3はドーパントであるMgOの有無以外の違いがないため、熱拡散接合を用いて作製することが好ましい。なぜならば、この熱拡散接合は接着剤を使う必要がないため、接合界面の均一性が高く、接合界面状態のムラによる分極反転構造形成への悪影響を避けることができるからである。
By the way, the
以上説明したように、本実施形態によれば、電荷移動制限層3は強誘電体層2に対してMg、Zn、Se、In等の不純物が異なる濃度で添加、若しくは添加されている点において相違するのみであり、材料特性の違いが少ないため、熱拡散接合により光学素子基板を容易に作成することができる。また、本実施形態によれば、電荷移動制限層と強誘電体層は熱拡散接合により接合されているため、接合界面の均一性が高く、接合界面状態のムラによる分極反転構造形成への悪影響を避けることができる。<請求項4>
As described above, according to the present embodiment, the charge
更に、本実施形態によれば、強誘電体層の反転抗電界をE1、強誘電体層の厚さをd1、電荷移動制限層の反転抗電界をE2、電荷移動制限層の厚さをd2とすると、
E1・(d1+d2)<=E2・d2・・・式(1)
上記式(1)を満たしているため、電荷移動制限層が過剰な電界印加によって破壊されて抵抗値が低下することを避けることができる。<請求項5>
Furthermore, according to this embodiment, the inversion coercive electric field of the ferroelectric layer is E1, the thickness of the ferroelectric layer is d1, the inversion coercive field of the charge transfer limiting layer is E2, and the thickness of the charge transfer limiting layer is d2. Then,
E1 · (d1 + d2) <= E2 · d2 (1)
Since the above formula (1) is satisfied, it can be avoided that the charge transfer limiting layer is destroyed by application of an excessive electric field and the resistance value decreases. <Claim 5>
1 光学素子基板
2 強誘電体層
3 電荷移動制限層
4 +電極
5 −電極
6 光学素子基板(従来)
7 分極反転領域
DESCRIPTION OF
7 Polarization inversion region
Claims (6)
前記分極反転構造が形成される前記光学素子基板の強誘電体層の自発分極と直交する面の一方に対して、分極反転構造形成時に自発分極方向に沿って移動する電荷の移動量を制限する電荷移動制限層を備えたことを特徴とする光学素子基板。 An optical element substrate made of a ferroelectric material for producing a wavelength conversion device having a structure (polarization inversion structure) in which the spontaneous polarization direction of a ferroelectric crystal having a second-order nonlinear effect is periodically reversed. And
Limiting the amount of movement of charges that move along the direction of spontaneous polarization when the domain-inverted structure is formed with respect to one of the surfaces orthogonal to the spontaneous polarization of the ferroelectric layer of the optical element substrate on which the domain-inverted structure is formed An optical element substrate comprising a charge transfer limiting layer.
E1・(d1+d2)<=E2・d2・・・式(1)を満たすことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の光学素子基板。 When the inversion coercive field of the ferroelectric layer is E1, the thickness of the ferroelectric layer is d1, the inversion coercive field of the charge transfer limiting layer is E2, and the thickness of the charge transfer limiting layer is d2.
E1 * (d1 + d2) <= E2 * d2 ... Formula (1) is satisfy | filled, The optical element substrate of any one of Claim 1 to 4 characterized by the above-mentioned.
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US8120842B2 (en) | 2007-03-26 | 2012-02-21 | Ricoh Company, Ltd. | Wavelength conversion device, laser apparatus, image forming apparatus, and display apparatus |
JP2014026158A (en) * | 2012-07-27 | 2014-02-06 | C2C Link Corp | Method for manufacturing laser module |
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