JP2007272062A - Wavelength conversion element and optical module - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a wavelength conversion element provided with a pseudo-phase matching structure for outputting higher light density than the conventional, and to provide an optical module. <P>SOLUTION: A first region, having a first crystal axis oriented in a first direction to a substrate 30 and a second region, having a second crystal axis orientated in a second direction different from the first direction are formed on a semiconductor core layer 37, alternately repeated cyclically with respect to a light wave guide direction and the substrate 30. The wavelength conversion element has semiconductor clad layers 36, 38 of refractive indexes lower than that of the semiconductor core layer 37 by being formed vertically of the semiconductor core layer 37. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、波長変換素子及び光モジュールに関し、より詳しくは、化合物半導体からなる擬似位相整合構造を備えた波長変換素子と、この波長変換素子を備える光モジュールに関する。   The present invention relates to a wavelength conversion element and an optical module, and more particularly to a wavelength conversion element having a quasi-phase matching structure made of a compound semiconductor and an optical module including the wavelength conversion element.

強誘電体非線形光学結晶の誘電分極方向を周期的に180度反転させることにより擬似的に位相整合をとる擬似位相整合(QPM:Quasi-phase Matching)は、下記の非特許文献1に記載されているように1962年にArmstrong 等によって発表された。   Non-patent document 1 below describes quasi-phase matching (QPM: Quasi-phase Matching) in which quasi-phase matching is performed by periodically reversing the dielectric polarization direction of a ferroelectric nonlinear optical crystal by 180 degrees. As announced by Armstrong et al. In 1962.

QPMによれば、角度整合等の位相調整が困難な材料に対しても非線形光学効果を効率良く取り出すことが可能になる。そのような擬似位相整合を可能にする強誘電体結晶として、ニオブ酸リチウム(LN:LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LT:LiTaO3)が知られている。 According to the QPM, it is possible to efficiently extract the nonlinear optical effect even for a material in which phase adjustment such as angle matching is difficult. As ferroelectric crystals that enable such quasi-phase matching, lithium niobate (LN: LiNbO 3 ) and lithium tantalate (LT: LiTaO 3 ) are known.

強誘電体の分極を強制的に反転させる分極反転は、例えば、LN基板表面に周期的にTiを拡散することにより部分的にキュリー温度を下げ、熱処理によって行われることが、非特許文献2に記載されている。   Non-Patent Document 2 discloses that the polarization reversal forcibly reversing the polarization of the ferroelectric is performed by, for example, partially lowering the Curie temperature by periodically diffusing Ti on the surface of the LN substrate and performing heat treatment. Are listed.

また、下記の特許文献1、特許文献2には、分極反転層が周期的に形成された強誘電体層を第二高調波発生(SHG:Second Harmonic Generation)用の波長変換素子として使用することが記載されている。     Also, in the following Patent Document 1 and Patent Document 2, a ferroelectric layer in which a polarization inversion layer is periodically formed is used as a wavelength conversion element for second harmonic generation (SHG). Is described.

特許文献2には、周期的な分極反転層を形成する方法として、電子ビーム照射、電界印可を用いることが記載されている。     Patent Document 2 describes the use of electron beam irradiation and electric field application as a method of forming a periodic domain-inverted layer.

しかし、電子ビーム照射、電界印可又はTiの拡散の手法によって強誘電体層に微細な分極位相反転層を高精度に形成することは難しい。   However, it is difficult to form a fine polarization phase inversion layer on the ferroelectric layer with high precision by electron beam irradiation, electric field application, or Ti diffusion.

また、強誘電体結晶は高い強度の基本波の入力に対して劣化しやすい。これは、LN、LTはイルメナイト構造を有し、結晶内の電荷の移動による空間電荷が作る電界の方向の違いによってドメインを決めているので、高強度の基本波光の照射によってその電界の方向が変わり易いことによる。そのような光損傷を抑制するためにMgOやZnOなどをLN、LTにドープすることが知られている。   In addition, the ferroelectric crystal is easily deteriorated with respect to the input of a fundamental wave having a high intensity. This is because LN and LT have an ilmenite structure, and the domain is determined by the difference in the direction of the electric field created by the space charge due to the movement of charges in the crystal. Because it is easy to change. In order to suppress such optical damage, it is known to dope MgN, ZnO or the like into LN and LT.

以上のような強誘電体層に対して、非特許文献3には、GaAs/AlAsの非線形光学定数の差を利用した表面入射型のSHG波長変換素子が記載されている。この光学素子は、GaAs基板の(311)B面上に垂直にGaAs/AlAsからなる分極反転層と分極非反転層を形成した構造を有し、垂直方向に基本波を入射するようになっている。   For the ferroelectric layer as described above, Non-Patent Document 3 describes a front-illuminated SHG wavelength conversion element that utilizes the difference in the nonlinear optical constant of GaAs / AlAs. This optical element has a structure in which a polarization inversion layer and a polarization non-inversion layer made of GaAs / AlAs are formed vertically on the (311) B surface of a GaAs substrate, and a fundamental wave is incident in the vertical direction. Yes.

しかし、この構造では、同一基板上にSHG波長変換素子と端面発光型半導体レーザを形成しようとする場合に、光接続が難しくなる。   However, with this structure, optical connection becomes difficult when an SHG wavelength conversion element and an edge-emitting semiconductor laser are to be formed on the same substrate.

これに対して、非特許文献4には、基板面上の水平方向に周期分極反転GaN(PPGaN)を形成して非線形光学素子を構成することが記載されており、SHG効果が確認されている。   On the other hand, Non-Patent Document 4 describes that a nonlinear optical element is formed by forming periodically poled GaN (PPGaN) in the horizontal direction on the substrate surface, and the SHG effect is confirmed. .

その周期的反転GaNの形成方法として、まず、サファイア基板上にAlNバッファを介してGaN層を形成し、ついで、AlN/GaN 及びサファイア基板を所定の深さまでエッチングして周期的なストライプを形成し、その後に、ストライプ状のAlN/GaNと凹状のサファイア基板の上に、GaNをMBE法により720℃の高温で成長させる方法が採用されている。これによれば、ストライプ状の、AlN/GaNの上でGa極性のGaNが成長し、その間のサファイア基板上ではN 極性のGaNが成長する。
J.A.Armstrong, N.Bloembergen, J.Ducuing and P.s.Pershan, Phys. Rev. 127(1962), 1918 エレクトロニクスレター(Electron. Lett.) 1989年25号 731頁) NS.Nakagawa, N.Yamada, N.Mikosiba, D.E.Mars, Applied Physics Letters, 66 (1995), 2159 A.Chowdhury, Hock M.Ng, M. Bhardwaj, N.G. Weimann, Applied Physics Letters, 82 (2003), 1326 特開平4−276725号公報 特開2001−337355号公報
As a method of forming the periodically inverted GaN, first, a GaN layer is formed on the sapphire substrate via an AlN buffer, and then the AlN / GaN and sapphire substrate are etched to a predetermined depth to form periodic stripes. Thereafter, a method of growing GaN at a high temperature of 720 ° C. by MBE on a striped AlN / GaN and a concave sapphire substrate is employed. According to this, Ga-polar GaN grows on the striped AlN / GaN, and N-polar GaN grows on the sapphire substrate therebetween.
JAArmstrong, N. Bloembergen, J. Ducuing and PsPershan, Phys. Rev. 127 (1962), 1918 Electronics Letter (Electron. Lett., 1989, 25, 731) NS.Nakagawa, N. Yamada, N. Mikosiba, DEMars, Applied Physics Letters, 66 (1995), 2159 A.Chowdhury, Hock M.Ng, M. Bhardwaj, NG Weimann, Applied Physics Letters, 82 (2003), 1326 JP-A-4-276725 JP 2001-337355 A

しかし、サファイア基板上に形成したGa極性のGaNとN極性のGaNを基板の水平方向に周期的に形成しただけの素子は、適正なモード設計が難しく高い光密度を出力することができない。   However, an element in which Ga-polar GaN and N-polar GaN formed on a sapphire substrate are only periodically formed in the horizontal direction of the substrate is difficult to design an appropriate mode and cannot output a high light density.

本発明の目的は、従来よりも高い光密度を出力することができる擬似位相整合構造を備えた波長変換素子及び光モジュールを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a wavelength conversion element and an optical module having a quasi-phase matching structure that can output a higher light density than before.

上記の課題を解決するための本発明の第1の態様は、基板上に形成され、且つ、前記基板に対して第1の方向に配向する第1の結晶軸を有する第1の領域と前記第1の方向とは異なる第2の方向に配向する第2の結晶軸を有する第2の領域が光導波方向に対して交互に周期的に繰り返される半導体コア層と、前記基板上に形成され、且つ、前記半導体コア層の上下に形成されて前記半導体コア層よりも低屈折率の半導体クラッド層とを有することを特徴とする波長変換素子である。   According to a first aspect of the present invention for solving the above-described problems, a first region formed on a substrate and having a first crystal axis oriented in a first direction with respect to the substrate, and the first region A second region having a second crystal axis oriented in a second direction different from the first direction is formed on the substrate, and the semiconductor core layer is alternately and periodically repeated in the optical waveguide direction. A wavelength conversion element comprising: a semiconductor clad layer formed above and below the semiconductor core layer and having a lower refractive index than the semiconductor core layer.

本発明の第2の態様は、前記第1の態様に係る波長変換素子において、前記半導体コア層及び前記半導体クラッド層は、前記第1の結晶軸を有する領域と前記第2の結晶軸を有する領域が前記光導波方向に対して交互に周期的に繰り返される半導体層の平坦面の上に形成されていることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the wavelength conversion element according to the first aspect, the semiconductor core layer and the semiconductor clad layer have a region having the first crystal axis and the second crystal axis. The region is formed on a flat surface of a semiconductor layer that is alternately and periodically repeated in the optical waveguide direction.

本発明の第3の態様は、前記第1又は第2の態様に係る波長変換素子において、少なくとも上側の前記半導体クラッド層にリッジストライプ構造が形成されていることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the wavelength conversion element according to the first or second aspect, a ridge stripe structure is formed at least in the upper semiconductor clad layer.

本発明の第4の態様は、前記第1乃至第3の態様のいずれかに係る波長変換素子において、前記半導体コア層と前記半導体クラッド層の組み合わせは、GaNとAlGaN、InGaNとGaN、AlGaNとAlNのうちのいずれかであることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the wavelength conversion element according to any one of the first to third aspects, the combination of the semiconductor core layer and the semiconductor clad layer includes GaN and AlGaN, InGaN and GaN, and AlGaN. It is one of AlN.

本発明の第5の態様は、前記第1乃至第4の態様のいずれかに係る波長変換素子において、前記半導体コア層は、その一端から入射する基本波が少なくとも前記基板の面に対する垂直方向で単一の横モードとなって伝搬する構造を有することを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the wavelength conversion element according to any one of the first to fourth aspects, the fundamental wave incident from one end of the semiconductor core layer is at least perpendicular to the surface of the substrate. It has a structure that propagates as a single transverse mode.

本発明の第6の態様は、前記第1乃至第5の態様のいずれかに係る波長変換素子において、前記半導体コア層のうち前記第一領域と前記第二領域は異なる結晶歪を有することを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the wavelength conversion element according to any one of the first to fifth aspects, the first region and the second region of the semiconductor core layer have different crystal strains. Features.

本発明の第7の態様は、前記第1乃至第6の態様のいずれかに係る波長変換素子において、前記第1の結晶軸は前記基板に対して+c軸に配向し、前記第2の結晶軸は前記基板に対して−c軸配向することを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, in the wavelength conversion element according to any one of the first to sixth aspects, the first crystal axis is oriented in the + c axis with respect to the substrate, and the second crystal The axis is oriented in the −c axis with respect to the substrate.

本発明の第8の態様は、前記第1乃至第7の態様のいずれかに係る波長変換素子において、前記半導体コア層のうちの光入射側の入射端面と光出射側の出射端面の少なくとも一方には単層又は複合層の光学コーティングを有することを特徴とする。   According to an eighth aspect of the present invention, in the wavelength conversion element according to any one of the first to seventh aspects, at least one of an incident end face on the light incident side and an outgoing end face on the light exit side of the semiconductor core layer. Is characterized by having a single-layer or composite optical coating.

本発明の第9の態様は、前記第1乃至第8の態様のいずれかに係る波長変換素子において、前記基板は、サファイア、シリコン、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、炭化シリコンのうち少なくとも1種類であり、
前記半導体コア層は、窒素を含有するIII-V族化合物半導体である
ことを特徴とする。
According to a ninth aspect of the present invention, in the wavelength conversion element according to any one of the first to eighth aspects, the substrate is at least one of sapphire, silicon, gallium nitride, aluminum nitride, and silicon carbide. ,
The semiconductor core layer is a group III-V compound semiconductor containing nitrogen.

本発明の第10態様は、前記第1乃第9のいずれかに記載の波長変換素子と、基本波の光を出力する発光素子と、前記基本波を前記波長変換素子に導くための光導波手段とを有することを特徴とする発光装置。   According to a tenth aspect of the present invention, there is provided the wavelength converter according to any one of the first to ninth aspects, a light emitting element that outputs fundamental light, and an optical waveguide for guiding the fundamental to the wavelength converter. And a light emitting device.

本発明の第11態様は、前記第1乃第9のいずれかに記載の波長変換素子複数個有し、さらに、複数の前記波長変換素子のそれぞれに光を別々に導くための光導波手段と、複数の前記波長変換素子のそれぞれに異なる波長の光を前記光導波手段を介して照射する複数の発光素子とを有することを特徴とする発光装置である。   According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided a plurality of wavelength conversion elements according to any one of the first to ninth aspects, and an optical waveguide means for separately guiding light to each of the plurality of wavelength conversion elements. A light emitting device comprising: a plurality of light emitting elements that irradiate each of the plurality of wavelength conversion elements with light having different wavelengths via the optical waveguide means.

本発明によれば、基板上に、周期分極反転構造を有する半導体よりなる高屈折率のコア層とそれより低屈折率のクラッド層とを形成したので、高密度でSHG変換効率を高めることができる。また、そのような多層構造によれば、コア層に格子歪みを生じさせて分極の大きさを増強することができ、さらにSHG変換効率を高めることが可能になる。   According to the present invention, the high refractive index core layer made of a semiconductor having a periodically poled structure and the lower refractive index cladding layer are formed on the substrate, so that the SHG conversion efficiency can be increased at high density. it can. In addition, according to such a multilayer structure, it is possible to increase the magnitude of polarization by causing lattice distortion in the core layer, and to further increase the SHG conversion efficiency.

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1〜図3は、本発明の第1実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
1-3 is sectional drawing which shows the manufacturing process of the wavelength conversion element which concerns on 1st Embodiment of this invention.

まず、図1(a)に示すように、直径2インチの単結晶のGaN基板1を用意する。このGaN基板1は、下地基板(不図示)上に例えばハイドライドVPE法により300μmの厚さに成長されたもので、成長後に下地基板から剥離される。下地基板として、例えば、サファイア基板、シリコン基板、SiC基板、又は、その基板の主面上にGaN層又はAlN層を形成した基板等が用いられる。   First, as shown in FIG. 1A, a single crystal GaN substrate 1 having a diameter of 2 inches is prepared. The GaN substrate 1 is grown on a base substrate (not shown) to a thickness of 300 μm by, for example, a hydride VPE method, and is peeled off from the base substrate after growth. As the base substrate, for example, a sapphire substrate, a silicon substrate, a SiC substrate, or a substrate in which a GaN layer or an AlN layer is formed on the main surface of the substrate is used.

そのようなGaN基板1の第1の面1aがGa(ガリウム)面、第2の面1bがN(窒素)面となっている。第1の面1aは、+c軸方向に配向しているカチオン面であり、第2の面1bは、−c軸方向に配向しているアニオン面である。なお、第1の面1aの面方位は(1000)である。   The first surface 1a of such a GaN substrate 1 is a Ga (gallium) surface and the second surface 1b is an N (nitrogen) surface. The first surface 1a is a cation surface oriented in the + c axis direction, and the second surface 1b is an anion surface oriented in the −c axis direction. The plane orientation of the first plane 1a is (1000).

次に、図1(b)に示すように、GaN基板1における第2の面1bの上に、SiO2膜2をCVD法等により形成する。そして、SiO2膜2上にレジスト(不図示)を塗布し、これを露光、現像して周期長Λのライン&スペースのパターンを形成する。その周期の方向は、例えば、GaN基板1の劈開面に直交する方向とする。 Next, as shown in FIG. 1B, an SiO 2 film 2 is formed on the second surface 1b of the GaN substrate 1 by a CVD method or the like. Then, a resist (not shown) is applied on the SiO 2 film 2, and this is exposed and developed to form a line & space pattern having a period length Λ. The direction of the period is, for example, a direction orthogonal to the cleavage plane of the GaN substrate 1.

その後に、レジストのパターンに覆われない部分のSiO2膜2を反応性イオンエッチング法等によりエッチングすることにより、図1(c)に示すように開口部2aを形成してレジストのライン&スペースのパターンをSiO2膜2に転写する。そして、パターニングされたSiO2膜2をマスクMとして使用する。なお、マスクMの材料としてはSiO2膜に限られるものではなく、例えばチタン(Ti)などの金属膜を使用してもよい。 After that, the portion of the SiO 2 film 2 not covered with the resist pattern is etched by a reactive ion etching method or the like, thereby forming an opening 2a as shown in FIG. The pattern is transferred to the SiO 2 film 2. Then, the patterned SiO 2 film 2 is used as a mask M. The material of the mask M is not limited to the SiO 2 film, and for example, a metal film such as titanium (Ti) may be used.

次に、図1(d)に示すように、塩素系の反応ガスを用いて高速ドライエッチング等の手法により、マスクMの開口部2aを通してGaN基板1を深さ約10μmまでエッチングする。これにより、GaN基板1の第2の面1bには、マスクMのパターンが転写されて、周期長Λで凹部3が形成される。   Next, as shown in FIG. 1D, the GaN substrate 1 is etched to a depth of about 10 μm through the opening 2a of the mask M by a technique such as high-speed dry etching using a chlorine-based reaction gas. As a result, the pattern of the mask M is transferred to the second surface 1b of the GaN substrate 1 to form the recesses 3 with the periodic length Λ.

この後に、図1(e)に示すように、マスクMを緩衝フッ酸(BHF:Buffered HF)により除去する。   Thereafter, as shown in FIG. 1 (e), the mask M is removed with buffered hydrofluoric acid (BHF: Buffered HF).

さらに、図2(a)に示すように、トリメチルガリウム、アンモニア等の反応ガスを用いて有機金属気相成長法(MOCVD)法によりGaN層4を約1000℃の基板温度で全面に成長する。なお、GaN層4を成長する前に、分子線エピタキシー(MBE)法により基板温度800℃以上の温度でGaN又はAlNからなるバッファ層を成長した後に基板温度800℃以上の温度でGa極性のGaN層を成長してもよい。   Further, as shown in FIG. 2A, a GaN layer 4 is grown on the entire surface at a substrate temperature of about 1000 ° C. by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method using a reactive gas such as trimethylgallium or ammonia. Before the GaN layer 4 is grown, a buffer layer made of GaN or AlN is grown at a substrate temperature of 800 ° C. or higher by molecular beam epitaxy (MBE), and then Ga-polar GaN is grown at a substrate temperature of 800 ° C. or higher. The layer may be grown.

GaN層4の厚さは、GaN基板1の凹部3を完全に埋めるために20μmの厚さとする。なお、MOCVD法によるGaN層4を1μm成長した後に、ハイドライド気相エピタキシー法(HVPE)により再成長してもよく、これにより埋込の効率がよくなる。   The thickness of the GaN layer 4 is 20 μm in order to completely fill the recess 3 of the GaN substrate 1. Note that, after the GaN layer 4 is grown by 1 μm by the MOCVD method, it may be regrown by a hydride vapor phase epitaxy method (HVPE), thereby improving the embedding efficiency.

GaN層4は成長温度を約1000℃と高くしているので、GaNを構成する元素のうちN面から出発して成長しているが、成長初期において、この条件でより安定なGa面に変化し、再成長層の大半であるGaN層4は+c軸配向のGa極性となる。   Since the growth temperature of the GaN layer 4 is as high as about 1000 ° C., the GaN layer 4 is grown starting from the N face among the elements constituting the GaN, but changes to a more stable Ga face under these conditions in the initial stage of growth. The GaN layer 4 which is the majority of the regrowth layer has + c-axis oriented Ga polarity.

なお、GaN層4を成長する前にマスクMを除去したが、これを残したままでGaN層4を成長してもよい。この場合には、マスクMの開口部2aを中心にしてGaN層4の成長が進むために埋込の効率がより良いが、マスクMの開口部2aのエッジ部分では異常成長が生じ易い。   Although the mask M is removed before the GaN layer 4 is grown, the GaN layer 4 may be grown with this mask remaining. In this case, since the growth of the GaN layer 4 proceeds centering on the opening 2a of the mask M, the embedding efficiency is better, but abnormal growth tends to occur at the edge portion of the opening 2a of the mask M.

この状態では、マスクMの有無にかかわらず、GaN層4の表面には凹凸が発生しているので、図2(b)に示すように、その表面を研磨することにより平坦にするとともに凹部3以外のGaN層4を除去する。研磨は、0.1μm以下の粒径をもつコロイダルシリカ等の砥粒を用いてアルカリ水溶液、例えばKOH溶液中でポリッシングクロスにより行う。   In this state, irregularities are generated on the surface of the GaN layer 4 regardless of the presence or absence of the mask M. Therefore, as shown in FIG. The GaN layer 4 other than is removed. Polishing is performed by polishing cloth in an aqueous alkali solution, for example, KOH solution, using abrasive grains such as colloidal silica having a particle size of 0.1 μm or less.

なお、マスクMを除去せずにGaN層4を成長した場合には、研磨の前にマスクMをBHFによりエッチングして除去する。   When the GaN layer 4 is grown without removing the mask M, the mask M is removed by etching with BHF before polishing.

研磨による削り量を2μmとした場合の平坦性の改善結果を調べたところ、原子間顕微鏡(AFM)測定によれば、GaN層4を成長した直後のその表面荒さ(ラフネス)が0.1μm以上となる領域があって散乱損出の原因が存在したが、研磨後のGaN層4及びGaN基板1の表面荒さは10nm以下となり、光学的に平坦な面となった。このような散乱損出の原因を除去するための光学的な研磨を、以下に光学研磨という。   As a result of investigating the flatness improvement results when the amount of grinding by polishing was 2 μm, according to the atomic microscope (AFM) measurement, the surface roughness (roughness) immediately after the growth of the GaN layer 4 was 0.1 μm or more. The surface roughness of the GaN layer 4 and the GaN substrate 1 after polishing was 10 nm or less, which was an optically flat surface. Optical polishing for removing the cause of such scattering loss is hereinafter referred to as optical polishing.

続いて、図2(c)に示すように、GaN層4及びGaN基板1の研磨面の上にSiO2膜5をCVD法により形成した後に、その上にフォトレジスト(不図示)を塗布し、これを露光、現像することにより、GaN基板1の劈開面に直交する方向に延びる幅3μmのストライプ状のパターンを形成する。この後に、ストライプ状のフォトレジストをマスクにしてSiO2膜5をドライエッチングしてレジストのパターンをSiO2膜5に転写する。 Subsequently, as shown in FIG. 2C, after a SiO 2 film 5 is formed on the polished surface of the GaN layer 4 and the GaN substrate 1 by a CVD method, a photoresist (not shown) is applied thereon. By exposing and developing this, a stripe pattern having a width of 3 μm extending in a direction perpendicular to the cleavage plane of the GaN substrate 1 is formed. Thereafter, the SiO 2 film 5 is dry-etched using the striped photoresist as a mask to transfer the resist pattern to the SiO 2 film 5.

さらに、フォトレジストを除去した後に、SiO2膜5のパターンをマスクにしてGaN層4及びGaN基板1を例えば3μmの深さにエッチングすると、図3に示すように、GaN層4及びGaN基板1はSiO2膜5のパターンが転写されて劈開方向に直交する方向に長いリッジストライプ構造6が形成される。そのリッジストライプ構造6は幅、高さがそれぞれ3μmとなる。 Further, after the photoresist is removed, the GaN layer 4 and the GaN substrate 1 are etched to a depth of 3 μm, for example, using the pattern of the SiO 2 film 5 as a mask, as shown in FIG. The pattern of the SiO 2 film 5 is transferred to form a ridge stripe structure 6 that is long in the direction orthogonal to the cleavage direction. The ridge stripe structure 6 has a width and a height of 3 μm.

ここで、SiO2膜5を除去せずにこれをリッジストライプ構造6の保護膜として使用する。なお、低屈折率材料であるポリイミドによりリッジストライプ構造6の両側を埋め込むことも可能であるが、大出力光素子においてはポリイミドが劣化する場合があるのでその埋込を避けることにする。 Here, the SiO 2 film 5 is used as a protective film of the ridge stripe structure 6 without removing it. It is possible to embed both sides of the ridge stripe structure 6 with polyimide, which is a low refractive index material. However, in a high-power optical element, polyimide may be deteriorated, so that burying is avoided.

次に、図2(d)に示すように、GaN基板1の第1の面1a上に、TiとNiの組み合わせ、或いはCrとAuSn、その他の金属の組み合わせからなる金属膜を形成し、これをヒートシンクへの融着膜7とする。また、リッジストライプ構造6の表面に反射金属膜を形成してもよいが、導波路の加工形態、横モード設計等によっては光学的損失をともなうおそれもある。   Next, as shown in FIG. 2 (d), a metal film made of a combination of Ti and Ni, or a combination of Cr and AuSn, and other metals is formed on the first surface 1a of the GaN substrate 1, Is a fusion film 7 to the heat sink. In addition, a reflective metal film may be formed on the surface of the ridge stripe structure 6, but there is a risk of optical loss depending on the processing form of the waveguide, the transverse mode design, and the like.

以上のようなウェハプロセスは、例えば図4に示すような平面形状が円形のGaN基板1の全面について行われ、リッジストライプ構造6は複数の領域に所定間隔で平行して形成される。   The wafer process as described above is performed on the entire surface of the GaN substrate 1 having a circular planar shape as shown in FIG. 4, for example, and the ridge stripe structure 6 is formed in parallel at a predetermined interval in a plurality of regions.

従って、所定の大きさの波長変換素子に分割する必要があり、リッジストライプ構造6の延在方向に直交する方向の劈開面に沿ってGaN基板1を波長変換素子の長さ、例えば1000μm〜5000μmごとに分割して図5に示すような棒状体を複数本形成する。   Therefore, it is necessary to divide the wavelength conversion element into a predetermined size, and the length of the wavelength conversion element, for example, 1000 μm to 5000 μm, is applied to the GaN substrate 1 along the cleavage plane perpendicular to the extending direction of the ridge stripe structure 6. A plurality of rod-shaped bodies as shown in FIG.

その後、棒状体の両端面に端面被膜(コーティング)を形成する。   Thereafter, end face films (coating) are formed on both end faces of the rod-shaped body.

波長変換素子の基本波入射面となる第1の端面には、第2高調波に対して高い反射率を有する第1の端面被膜8を形成する。即ち、リッジストライプ構造6及びその周囲に存在するGaN、光学被膜材料及び空気からなる3つの層において、第1の端面被膜8の材料として最も低次の第2高調波の波長に対して反射率が最大となる屈折率材料を選択する。   A first end face film 8 having a high reflectivity with respect to the second harmonic is formed on the first end face which is the fundamental wave incident face of the wavelength conversion element. That is, in the three layers of ridge stripe structure 6 and GaN existing around the ridge stripe structure 6, optical coating material, and air, the reflectivity with respect to the wavelength of the lowest second harmonic as the material of the first end face coating 8. Select a refractive index material that maximizes.

例えば、基本波が1.06μmの波長の場合、厚さ266nmの窒化シリコン(SiN)を触媒CVD法により形成する。SiN 膜の屈折率は波長0.53μmの第2高調波に対して2.0に調整され、この膜により波長1.06μmの基本波に対しては低反射率被膜として機能する一方、波長0.53μmの第2高調波に対して高反射率被膜として機能する。   For example, when the fundamental wave has a wavelength of 1.06 μm, silicon nitride (SiN) having a thickness of 266 nm is formed by catalytic CVD. The refractive index of the SiN film is adjusted to 2.0 for the second harmonic wave having a wavelength of 0.53 μm, and this film functions as a low-reflectance film for the fundamental wave having a wavelength of 1.06 μm, while having a wavelength of 0 It functions as a high reflectivity coating for the second harmonic of .53 μm.

波長変換素子の第2高調波出射端となる第2の端面には、基本波を反射し且つ第2高調波については少なくとも第1の端面被膜8よりも反射率の低い第2の端面被膜9を形成する。第2の端面被膜9として、例えば、SiN 膜を560nmの厚さに形成することにより所望の反射率性能を得ることができた。そのSiN 膜は、基本波の波長1.06μmに対する屈折率が1.9程度である。   A second end face film 9 that reflects the fundamental wave and has a lower reflectivity than the first end face film 8 at the second end face that is the second harmonic output end of the wavelength conversion element. Form. As the second end face film 9, for example, a desired reflectivity performance could be obtained by forming a SiN film to a thickness of 560 nm. The SiN film has a refractive index of about 1.9 with respect to a fundamental wave wavelength of 1.06 μm.

第1、第2の端面被膜8,9を形成した後に、棒状体において平行に複数存在するリッジストライプ構造6のそれぞれの側部をダイサで切断して波長変換素子を個々に分離する。   After the first and second end face films 8 and 9 are formed, the wavelength conversion elements are individually separated by cutting each side portion of the ridge stripe structure 6 present in parallel in the rod-like body with a dicer.

以上により図6に示すようなSHG波長変換素子10が完成する。その波長変換素子10は、例えば図7に示すような構成の発光装置の部品として採用される。   Thus, the SHG wavelength conversion element 10 as shown in FIG. 6 is completed. The wavelength conversion element 10 is employed as a part of a light emitting device having a configuration as shown in FIG.

図7において、SHG波長変換素子10は、ヒートシンク11にダイボンディングされている。さらに、ヒートシンク11には温度制御素子としてペルチェ素子(不図示)が搭載されている。これは、SHG波長変換素子10により安定した波長変換を得るためには、素子温度をコントロールする必要があるからである。   In FIG. 7, the SHG wavelength conversion element 10 is die-bonded to a heat sink 11. Further, a Peltier element (not shown) is mounted on the heat sink 11 as a temperature control element. This is because in order to obtain stable wavelength conversion by the SHG wavelength conversion element 10, it is necessary to control the element temperature.

さらに、先端を楔加工した第1、第2の光ファイバ12,13を用意し、第1の光ファイバ12の楔状先端をSHG波長変換素子10の第1の端面に突き合わせ、第2の光ファイバ13の楔状先端をSHG波長変換素子10の第2の端面に突き合わせる。この場合、第1、第2の光ファイバ12,13として、DFB(fiber Bragg grating)が形成された光ファイバを使用することにより、第1、第2の端面被膜8,9に求められる要件を補強して性能を高めることができる。   Further, first and second optical fibers 12 and 13 having wedged tips are prepared, the wedge-shaped tips of the first optical fiber 12 are butted against the first end face of the SHG wavelength conversion element 10, and the second optical fiber is prepared. 13 wedge-shaped tips are butted against the second end face of the SHG wavelength conversion element 10. In this case, by using optical fibers on which DFB (fiber Bragg grating) is formed as the first and second optical fibers 12 and 13, the requirements required for the first and second end face coatings 8 and 9 are satisfied. Can be reinforced to enhance performance.

第1の光ファイバ12に形成されたグレーティングは基本波の波長を選択するピッチを有し、第2の光ファイバに形成されたグレーティングは第2高調波の波長を選択するピッチを有している。これによれば、上記の第1、第2の端面被膜8,9を上記の条件と異ならせることも可能になる。   The grating formed on the first optical fiber 12 has a pitch for selecting the wavelength of the fundamental wave, and the grating formed on the second optical fiber has a pitch for selecting the wavelength of the second harmonic. . According to this, it becomes possible to make said 1st, 2nd end surface coatings 8 and 9 different from said conditions.

第1、第2の光ファイバ12,13として、その他に、SHG波長変換素子に投入される入射光の偏波状態を一定にする偏波保持ファイバを用いてもよい。   In addition, as the first and second optical fibers 12 and 13, polarization maintaining fibers that make the polarization state of incident light input to the SHG wavelength conversion element constant may be used.

なお、第1、第2の光ファイバ12,13の先端を楔にする代わりにファイバ先端にレンズを接続してもよいし、DFBの代わりに通常の光ファイバにエタロン又は外部グレーティングを接続してもよい。また、第1、第2の光ファイバ12,13として偏波保持ファイバを使用する代わりに光ファイバに偏光板を接続してもよい。   A lens may be connected to the tip of the first and second optical fibers 12 and 13 instead of a wedge, or an etalon or an external grating is connected to a normal optical fiber instead of the DFB. Also good. Further, instead of using a polarization maintaining fiber as the first and second optical fibers 12 and 13, a polarizing plate may be connected to the optical fiber.

SHG波長変換素子10の第1の端面に入射する基本波の光は、例えば、第1の光ファイバ12を介して半導体レーザモジュール14から出力される。その半導体レーザモジュール14は、サーミスタ、ペルチェ素子等を有することにより温度制御されて発振波長が一定となる構成となっている。また、リッジストライプ構造6の上面は平坦になっているので、光損失が少なく高出力を得ることができる。   The fundamental wave light incident on the first end face of the SHG wavelength conversion element 10 is output from the semiconductor laser module 14 via the first optical fiber 12, for example. The semiconductor laser module 14 has a thermistor, a Peltier element, and the like so that the temperature is controlled and the oscillation wavelength is constant. Further, since the upper surface of the ridge stripe structure 6 is flat, high output can be obtained with little optical loss.

また、リッジストライプ構造6は、その上面が研磨により平坦になっているので、SHGへの変換効率が良好となる。   Moreover, since the upper surface of the ridge stripe structure 6 is flattened by polishing, the conversion efficiency to SHG is good.

SHG波長変換素子10のリッジストライプ構造6の幅を上記したように3μmとする場合には、SHG波長変換素子10は入射する基本波が少なくとも基板面の垂直方向で単一の横モードとなって伝搬する素子として使用される。また、その幅を100μm程度とする場合には、基本波がマルチの横モードで伝搬する素子として利用できる。   When the width of the ridge stripe structure 6 of the SHG wavelength conversion element 10 is 3 μm as described above, the SHG wavelength conversion element 10 has a single transverse mode in which the incident fundamental wave is at least perpendicular to the substrate surface. Used as a propagating element. When the width is about 100 μm, the fundamental wave can be used as an element that propagates in multiple transverse modes.

幅3μmのリッジストライプ構造6のSHG波長変換素子10は、入射光強度を1W程度とすると出射光強度が0.2W程度となる中出力素子となるが、円形に近いフィールドを得ることができ第2次高調波の発光品質に優れている。   The SHG wavelength conversion element 10 having a ridge stripe structure 6 having a width of 3 μm becomes a medium output element having an emitted light intensity of about 0.2 W when the incident light intensity is about 1 W. However, a field close to a circle can be obtained. Excellent emission quality of second harmonic.

一方、幅100μmのリッジストライプ構造6を持つSHG非線形光素子10は、マルチモードファイバとカップリングすることにより入射光強度を10W以上とすることができ、波長1060nmの入射光を30Wとすれば、波長530nmの出射光を6W程度とすることができる。   On the other hand, the SHG nonlinear optical element 10 having the ridge stripe structure 6 having a width of 100 μm can be made to have an incident light intensity of 10 W or more by coupling with the multimode fiber, and if the incident light with a wavelength of 1060 nm is set to 30 W, The emitted light having a wavelength of 530 nm can be about 6 W.

図8は、3個のSHG波長変換素子10R、10G,10Bを含有する発光装置を示し、SHG波長変換素子10R、10G,10Bのそれぞれに発振波長が異なる半導体レーザモジュール14R、14G、14Bが光ファイバ12R、12G、12Bを介して接続されている。   FIG. 8 shows a light-emitting device that includes three SHG wavelength conversion elements 10R, 10G, and 10B, and the semiconductor laser modules 14R, 14G, and 14B having different oscillation wavelengths in the SHG wavelength conversion elements 10R, 10G, and 10B are light beams. They are connected via fibers 12R, 12G, and 12B.

例えば、第1の半導体レーザモジュール14Bの発振波長を900nm、第2の半導体レーザモジュール14Rの発振波長を1060nm、第3の半導体レーザモジュール14Gの発振波長を1300nmとする。   For example, the oscillation wavelength of the first semiconductor laser module 14B is 900 nm, the oscillation wavelength of the second semiconductor laser module 14R is 1060 nm, and the oscillation wavelength of the third semiconductor laser module 14G is 1300 nm.

また、それらの半導体レーザモジュール14B,14R,14Gから光を入射するSHG波長変換素子10R、10G,10Bの結晶軸方位の分極反転周期Λは、図9に示すウルツ鉱型GaNの波長・屈折率特性に基づいて異ならせる必要がある。   Further, the polarization inversion period Λ in the crystal axis direction of the SHG wavelength conversion elements 10R, 10G, and 10B that receive light from the semiconductor laser modules 14B, 14R, and 14G is the wavelength and refractive index of the wurtzite GaN shown in FIG. It should be different based on the characteristics.

即ち、第1の半導体レーザモジュール14Bに光ファイバ12Rを介して光接続されるSHG波長変換素子10Bから450nmの青色光を出力させる場合には、リッジストライプ構造6内での結晶軸の分極反転周期長を2.9μmとする。第2の半導体レーザモジュール14Rに光ファイバ12Rを介して光接続されるSHG波長変換素子10Rから650nmの赤色光を出力させる場合には、リッジストライプ構造6の結晶軸の分極反転周期長を8.1μmとする。また、第3の半導体レーザモジュール14Gに光ファイバ12Gを介して光接続されるSHG波長変換素子10Gから530nmの緑色光を出力させる場合には、リッジストライプ構造6の分極反転周期長を4.84μmとする。   That is, when outputting 450 nm blue light from the SHG wavelength conversion element 10B optically connected to the first semiconductor laser module 14B via the optical fiber 12R, the polarization inversion period of the crystal axis in the ridge stripe structure 6 The length is 2.9 μm. When red light of 650 nm is output from the SHG wavelength conversion element 10R optically connected to the second semiconductor laser module 14R via the optical fiber 12R, the polarization inversion period length of the crystal axis of the ridge stripe structure 6 is set to 8. 1 μm. When green light of 530 nm is output from the SHG wavelength conversion element 10G optically connected to the third semiconductor laser module 14G via the optical fiber 12G, the polarization inversion period length of the ridge stripe structure 6 is 4.84 μm. And

そのようなSHG波長変換素子10B,10R,10G、光ファイバ12B,12R,12G及び半導体レーザモジュール14B,14R,14Gにより高出力のRGB光源が構成できる。このRGB光源によればトータルで10W以上のパワーが得られる。1Wの光は、波長が550nmのとき、680ルーメンの光束に相当する。RGB光源のうち、青色と赤色は、550nm付近の緑色に比べ視感度が落ちるため、緑色に比べ大きな光パワーを発生するようにする必要があるが、概ね3色で2000ルーメンの光束を得ることができ、室内光の照度のもとでも、1m×2m程度のスクリーン上に画像を投射するに十分な光量を得ることができる。   Such SHG wavelength conversion elements 10B, 10R, 10G, optical fibers 12B, 12R, 12G and semiconductor laser modules 14B, 14R, 14G can constitute a high output RGB light source. According to this RGB light source, a total power of 10 W or more can be obtained. 1 W of light corresponds to a light beam of 680 lumen when the wavelength is 550 nm. Of the RGB light sources, blue and red have lower visibility than green at around 550 nm, so it is necessary to generate a larger light power than green, but a luminous flux of 2000 lumens is obtained with almost three colors. Therefore, even under room light illuminance, it is possible to obtain a sufficient amount of light for projecting an image on a screen of about 1 m × 2 m.

従って、それらを複数配置して数メートル角の領域で照射することにより十分のスクリーン輝度が得られる上に、究極の色再現性と解像度が期待できるため、大画面、光解像度のディスプレイに応用すれば従来にない臨場感が得られ、バーチャル体験システム等に好適である。   Therefore, by arranging them in multiple areas and irradiating them in an area of several meters square, sufficient screen brightness can be obtained and the ultimate color reproducibility and resolution can be expected, so it can be applied to large screen and optical resolution displays. Therefore, an unprecedented presence can be obtained, which is suitable for a virtual experience system or the like.

そのようなディスプレイ装置においては、半導体レーザモジュール14R,14G,14Bから高い光密度で光がSHG波長変換素子10に入射する。   In such a display device, light enters the SHG wavelength conversion element 10 from the semiconductor laser modules 14R, 14G, and 14B with a high light density.

また、基本波を1060nmとした場合のGaNと強誘電体であるLNのそれぞれの分極反転の周期は、表1に示すようになる。これにより、GaNリッジストライプ構造6の導波路を有するSHG波長変換素子10B,10R,10Gは、強誘電体であるLNを使用したSHG波長変換素子に比べて分極反転周期を短くすることができ、コンパクト化が可能になることがわかる。   Table 1 shows the polarization inversion periods of GaN and LN which is a ferroelectric when the fundamental wave is 1060 nm. Thereby, the SHG wavelength conversion elements 10B, 10R, and 10G having the waveguide of the GaN ridge stripe structure 6 can shorten the polarization inversion period as compared with the SHG wavelength conversion element using the ferroelectric LN. It can be seen that compactization is possible.

Figure 2007272062
Figure 2007272062

SHG波長変換素子10を構成するウルツ鉱型構造を有するGaNの周期的な分極の反転は、図10(a)に示すように基板面に対して+c軸配向のGaN層のGa極性と、図10(b)に示すように基板面に対して−c軸配向のGaN層のN極性によって行われているので、熱や電界により分極の向きは変化せず、高密度の光入射によって劣化しない。   As shown in FIG. 10A, the periodic polarization inversion of GaN having a wurtzite structure constituting the SHG wavelength conversion element 10 is caused by the Ga polarity of the GaN layer having + c axis orientation with respect to the substrate surface. As shown in FIG. 10 (b), since the N-polarity of the −c-axis oriented GaN layer with respect to the substrate surface is used, the direction of polarization does not change due to heat or an electric field and does not deteriorate due to high-density light incidence. .

従って、大きな光密度での駆動が実現するため、素子の単位導波路長あたりの変換効率を大きくすることができる。同一の変換効率をえるための素子の長さを小さくすることができる。   Therefore, since driving with a large light density is realized, the conversion efficiency per unit waveguide length of the element can be increased. The length of the element for obtaining the same conversion efficiency can be reduced.

なお、イルメナイト構造を有するLN、LTなどの強誘電体は、空間電荷が作る電界の方向の違いによってドメインを決めているので、高密度の光照射によってドメインが変化しやすくなっている。   In addition, the ferroelectrics such as LN and LT having an ilmenite structure determine the domain depending on the direction of the electric field generated by the space charge, so that the domain is easily changed by high-density light irradiation.

本実施形態に係るリッジストライプ構造の波長変換素子を和周波又は差周波を発生させる発光装置やパラメトリック発振に用いることができる。
(第2の実施の形態)
図11、図12は、本発明の第2実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図である。
The wavelength conversion element having the ridge stripe structure according to this embodiment can be used for a light emitting device that generates a sum frequency or a difference frequency, or for parametric oscillation.
(Second Embodiment)
FIG. 11 and FIG. 12 are cross-sectional views illustrating manufacturing steps of the wavelength conversion element according to the second embodiment of the present invention.

まず、図11(a)に示すように、第1実施形態と同様に直径2インチの単結晶のGaN基板1を用意する。そして、GaN基板1の第1の面1aがGa(ガリウム)面、第2の面1bがN(窒素)面となっている。第1の面1aは、+c軸が配向しているカチオン面であり、第2の面1bは、−c軸が配向しているアニオン面である。   First, as shown in FIG. 11A, a single crystal GaN substrate 1 having a diameter of 2 inches is prepared as in the first embodiment. The first surface 1a of the GaN substrate 1 is a Ga (gallium) surface, and the second surface 1b is an N (nitrogen) surface. The first surface 1a is a cation surface with the + c axis oriented, and the second surface 1b is an anion surface with the -c axis oriented.

次に、図11(b)に示すように、GaN基板1における第1の面1aの上に、SiO2膜16をCVD法等により形成する。そして、SiO2膜16上にレジスト(不図示)を塗布し、これを露光、現像して周期長Λのライン&スペースのパターンを形成する。その周期の方向は、例えば、GaN基板1の劈開面に直交する方向とする。 Next, as shown in FIG. 11B, an SiO 2 film 16 is formed on the first surface 1a of the GaN substrate 1 by a CVD method or the like. Then, a resist (not shown) is applied on the SiO 2 film 16, and this is exposed and developed to form a line & space pattern with a period length Λ. The direction of the period is, for example, a direction orthogonal to the cleavage plane of the GaN substrate 1.

その後に、レジストのパターンに覆われない部分のSiO2膜16を反応性イオンエッチング法等によりエッチングすることにより、図11(c)に示すように開口部16aを形成してレジストのライン&スペースのパターンをSiO2膜16に転写する。そして、パターニングされたSiO2膜16をマスクMとして使用する。なお、マスクMの材料としてはSiO2膜12に限られるものではなく、例えばチタン(Ti)などの金属膜を使用してもよい。 Thereafter, the portion of the SiO 2 film 16 not covered with the resist pattern is etched by a reactive ion etching method or the like to form an opening 16a as shown in FIG. The pattern is transferred to the SiO 2 film 16. Then, the patterned SiO 2 film 16 is used as a mask M. The material of the mask M is not limited to the SiO 2 film 12, and a metal film such as titanium (Ti) may be used, for example.

次に、図11(d)に示すように、塩素系の反応ガスを用いて高速ドライエッチング等の手法により、マスクMの開口部16aを通してGaN基板1を深さ約10μmにエッチングする。これにより、GaN基板1の第1の面1aには、マスクMのパターンが転写されて、周期長Λで凹部17が形成される。   Next, as shown in FIG. 11D, the GaN substrate 1 is etched to a depth of about 10 μm through the opening 16a of the mask M by a technique such as high-speed dry etching using a chlorine-based reaction gas. As a result, the pattern of the mask M is transferred to the first surface 1a of the GaN substrate 1 to form the recesses 17 with the periodic length Λ.

この後に、図11(e)に示すように、マスクMをBHF溶液により除去する。   Thereafter, as shown in FIG. 11E, the mask M is removed with a BHF solution.

さらに、図12(a)に示すように、MBE法によりGaN層18を約600℃以下の基板温度で全面に成長する。GaN層15の厚さは、GaN基板1の凹部17を完全に埋めるために20μmの厚さとする。   Further, as shown in FIG. 12A, the GaN layer 18 is grown on the entire surface at a substrate temperature of about 600 ° C. or less by the MBE method. The thickness of the GaN layer 15 is 20 μm in order to completely fill the concave portion 17 of the GaN substrate 1.

GaN層18は成長温度を600℃以下と低くしているので、成長を開始する前のGaN層の表面は、Ga極性面から出発するが、低温で安定なN極性に変化する。従ってGaN層15は概ね−c軸配向のN極性となる。このとき、N極性の成長膜を得るには、これに十分なNラジカル濃度を供給する必要がある。基板温度が低いため、アンモニアの直接供給では不十分であり、プラズマガンや触媒分解の手法を取り入れる必要がある。   Since the growth temperature of the GaN layer 18 is as low as 600 ° C. or lower, the surface of the GaN layer before starting the growth starts from the Ga polar face, but changes to a stable N polarity at a low temperature. Therefore, the GaN layer 15 has an N polarity of approximately −c axis orientation. At this time, in order to obtain an N-polar growth film, it is necessary to supply a sufficient N radical concentration. Since the substrate temperature is low, direct supply of ammonia is not sufficient, and it is necessary to adopt a plasma gun or a catalyst decomposition method.

なお、マスクMは、GaN層18を成長する前に除去しているが、これを残したままでGaN層18を成長してもよい。この場合には、マスクMの開口部16aを中心に成長が進む。   Note that the mask M is removed before the GaN layer 18 is grown, but the GaN layer 18 may be grown with the mask M remaining. In this case, the growth proceeds around the opening 16a of the mask M.

ところで、マスクMの有無にかかわらず、GaN層18の表面には凹凸が発生しているので、図12(b)に示すように、その表面を研磨して平坦にするとともに、凹部16a以外のGaN層18を除去する。研磨の方法は、第1実施形態と同様に、0.1μm以下の粒径をもつコロイダルシリカ等の砥粒を用いてアルカリ水溶液、例えばKOH溶液中でポリッシングクロスにより行う。   By the way, regardless of the presence or absence of the mask M, the surface of the GaN layer 18 is uneven, so that the surface is polished and flattened as shown in FIG. The GaN layer 18 is removed. As in the first embodiment, the polishing method is performed by polishing cloth in an alkaline aqueous solution, for example, a KOH solution, using abrasive grains such as colloidal silica having a particle size of 0.1 μm or less.

なお、マスクMを除去せずにGaN層18を成長した場合には、この研磨の前に、マスクMをBHF溶液により除去する。   When the GaN layer 18 is grown without removing the mask M, the mask M is removed with a BHF solution before this polishing.

光学研磨が行われたGaN層18及びGaN基板1の表面荒さは10nm以下となり、第1実施形態と同様に光学的な平坦な面となった。   The surface roughness of the GaN layer 18 and the GaN substrate 1 subjected to optical polishing was 10 nm or less, which was an optically flat surface as in the first embodiment.

続いて、GaN層18及びGaN基板1の研磨面の上にSiO2膜19をCVD法により形成した後に、そのSiO2膜19を第1実施形態と同様にパターニングしてGaN基板1の劈開面に直交する方向に延びる所定幅、例えば3μm〜100μmの幅のストライプ状のパターンを形成する。 Subsequently, after the SiO 2 film 19 is formed on the polished surface of the GaN layer 18 and the GaN substrate 1 by the CVD method, the SiO 2 film 19 is patterned in the same manner as in the first embodiment to cleave the GaN substrate 1. A stripe pattern having a predetermined width extending in a direction orthogonal to the width, for example, 3 μm to 100 μm is formed.

さらに、SiO2膜19のパターンをマスクにしてGaN層18及びGaN基板1を3μmの深さにエッチングすると、図13に示すように、GaN層18及びGaN基板1は第1実施形態と同様にGaN基板1のリッジストライプ構造6となる。そのリッジストライプ構造6は高さがそれぞれ3μm、幅が3μm〜100μmとなる。 Further, when the GaN layer 18 and the GaN substrate 1 are etched to a depth of 3 μm using the pattern of the SiO 2 film 19 as a mask, as shown in FIG. 13, the GaN layer 18 and the GaN substrate 1 are the same as in the first embodiment. The ridge stripe structure 6 of the GaN substrate 1 is obtained. The ridge stripe structure 6 has a height of 3 μm and a width of 3 μm to 100 μm.

ここで、SiO2膜19はリッジストライプ構造6を保護する保護膜として残される。 Here, the SiO 2 film 19 is left as a protective film for protecting the ridge stripe structure 6.

次に、図12(d)に示すように、GaN基板の下面に、第1実施形態と同様なTiとNiの組み合わせなどからなる金属膜を形成してこれを融着膜20とする。   Next, as shown in FIG. 12 (d), a metal film made of a combination of Ti and Ni as in the first embodiment is formed on the lower surface of the GaN substrate, and this is used as a fusion film 20.

以上のようなウェハプロセスは、例えば図4に示すような円形のGaN基板1の全面について行われ、リッジストライプ構造6は複数の領域に所定間隔で平行して形成される。   The wafer process as described above is performed on the entire surface of a circular GaN substrate 1 as shown in FIG. 4, for example, and the ridge stripe structure 6 is formed in parallel at predetermined intervals in a plurality of regions.

そのようなGaN基板1は図5に示したと同様に棒状に劈開され、さらに第1実施形態と同様に、棒状体の第1の端面に第1の端面被膜8を形成し、第2の端面に第2の端面被膜9を形成する。その後に、ダイサを使用して素子間を分離すると図13に示すような波長変換素子21が得られる。   Such a GaN substrate 1 is cleaved like a rod as shown in FIG. 5, and further, similarly to the first embodiment, the first end face film 8 is formed on the first end face of the stick-like body, and the second end face is formed. Then, the second end face film 9 is formed. Thereafter, when the elements are separated using a dicer, a wavelength conversion element 21 as shown in FIG. 13 is obtained.

本実施形態の波長変換素子21によれば、GaN基板1がGa極性となり、GaN層18がN極性となっているので、極性の向きは第1実施形態と異なってGaN基板1とGaN層18で逆になっているが、リッジストライプ構造6の長さ方向で第1実施形態と同様にGa極性とN極性が交互に周期的に形成されている。   According to the wavelength conversion element 21 of the present embodiment, since the GaN substrate 1 has the Ga polarity and the GaN layer 18 has the N polarity, the GaN substrate 1 and the GaN layer 18 have different polar directions from the first embodiment. However, Ga polarity and N polarity are alternately and periodically formed in the length direction of the ridge stripe structure 6 as in the first embodiment.

従って、波長変換素子21において、第1実施形態と同様にリッジストライプ構造6により横モードが制御され、また、リッジストライプ構造6の上面は研磨により平坦になっているので、光損失が少なく高出力を得ることができ、第1実施形態の波長変換素子10と機能、用途は同じである。
(第3の実施の形態)
図14、図15は、本発明の第3実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図である。
Accordingly, in the wavelength conversion element 21, the transverse mode is controlled by the ridge stripe structure 6 as in the first embodiment, and the upper surface of the ridge stripe structure 6 is flattened by polishing, so that there is little optical loss and high output. The function and application are the same as those of the wavelength conversion element 10 of the first embodiment.
(Third embodiment)
14 and 15 are cross-sectional views illustrating the steps for manufacturing the wavelength conversion element according to the third embodiment of the present invention.

まず、図14(a)に示すように、サファイア基板30の面方位(0001)の面を主面とし、その上にMOCVD法によりAlNよりなるバッファ層31を600℃以下の低温で厚さ10nm程度に成長する。なお、サファイア基板30の代わりにSiC基板、Si基板、AlN基板、その他の基板を用いても良い。   First, as shown in FIG. 14A, the surface of the sapphire substrate 30 with the plane orientation (0001) is the main surface, and a buffer layer 31 made of AlN is formed thereon by MOCVD at a low temperature of 600 ° C. or less and a thickness of 10 nm. Grow to a degree. Instead of the sapphire substrate 30, a SiC substrate, Si substrate, AlN substrate, or other substrate may be used.

続いて、MOCVD法により第1のGaN層32を20μm程度の厚さに成長する。この第1のGaN層32の成長時には基板温度を1000℃とし、バッファ層31上での最初の原子の成長を窒素(N)とする。第1のGaN層32は、図10(a)に示したような結晶構造となり、サファイア基板30の主面に対して+c軸配向したGa極性の層となる。   Subsequently, the first GaN layer 32 is grown to a thickness of about 20 μm by MOCVD. During the growth of the first GaN layer 32, the substrate temperature is set to 1000 ° C., and the first atomic growth on the buffer layer 31 is assumed to be nitrogen (N). The first GaN layer 32 has a crystal structure as shown in FIG. 10A and is a Ga-polar layer that is + c-axis oriented with respect to the main surface of the sapphire substrate 30.

次に、図14(b)に示すように、第1のGaN層32の上にSiO2膜33をCVD法等により形成する。そして、SiO2膜33上にレジスト(不図示)を塗布し、これを露光、現像して周期長Λのライン&スペースのパターンを形成する。その周期の方向は、例えば、サファイア基板21の劈開面に直交する方向とする。 Next, as shown in FIG. 14B, an SiO 2 film 33 is formed on the first GaN layer 32 by a CVD method or the like. Then, a resist (not shown) is applied on the SiO 2 film 33, and this is exposed and developed to form a line & space pattern with a period length Λ. The direction of the period is, for example, a direction orthogonal to the cleavage plane of the sapphire substrate 21.

その後に、レジストのパターンに覆われない部分のSiO2膜33を反応性イオンエッチング法等によりエッチングすることにより、図14(c)に示すように開口部33aを形成してレジストのライン&スペースのパターンをSiO2膜33に転写する。そして、パターニングされたSiO2膜33をマスクMとして使用する。なお、マスクMの材料としてはSiO2膜に限られるものではなく、例えばチタンTiなどの金属膜を使用してもよい。 After that, by etching the portion of the SiO 2 film 33 not covered with the resist pattern by a reactive ion etching method or the like, an opening 33a is formed as shown in FIG. The pattern is transferred to the SiO 2 film 33. Then, the patterned SiO 2 film 33 is used as a mask M. The material of the mask M is not limited to the SiO 2 film, and for example, a metal film such as titanium Ti may be used.

次に、図14(d)に示すように、塩素系の反応ガスを用いて高速ドライエッチング等の手法により、マスクMの開口部33aを通して第1のGaN層32を浅く、例えば約10μmの深さにエッチングする。これにより、第1のGaN層32には、マスクMのパターンが転写されて、周期長Λで凹部34が形成される。   Next, as shown in FIG. 14D, the first GaN layer 32 is made shallow through the opening 33a of the mask M by a technique such as high-speed dry etching using a chlorine-based reaction gas, for example, a depth of about 10 μm. Etch. As a result, the pattern of the mask M is transferred to the first GaN layer 32, and the recesses 34 are formed with the periodic length Λ.

マスクMをBHFにより除去した後に、図15(a)に示すように、トリメチルガリウム、アンモニア等の反応ガスを用いてガスソースMBE法により第2のGaN層35を600℃以下の基板温度で第1のGaN層32上の全面に成長する。第2のGaN層35の厚さは、第1のGaN層32の凹部34を完全に埋めるために20μmの厚さとする。   After removing the mask M with BHF, as shown in FIG. 15A, the second GaN layer 35 is formed at a substrate temperature of 600 ° C. or lower by a gas source MBE method using a reactive gas such as trimethylgallium or ammonia. It grows on the entire surface of one GaN layer 32. The thickness of the second GaN layer 35 is 20 μm in order to completely fill the concave portion 34 of the first GaN layer 32.

第2のGaN層35の成長温度は600℃以下と低く設定されているので、GaNの成長はGa面から成長し初め、これにより第2のGaN層35は−c軸配向のN極性となる。   Since the growth temperature of the second GaN layer 35 is set to a low value of 600 ° C. or lower, the growth of GaN begins to grow from the Ga plane, and thus the second GaN layer 35 has an N polarity of −c axis orientation. .

第2のGaN層35は、第1のGaN層32マスクMを残したままで成長してもよい。なお、マスクMを除去せずに第2のGaN層35を成長した場合には、その成長後にマスクMをBHFによりエッチングして除去する。   The second GaN layer 35 may be grown while leaving the first GaN layer 32 mask M. When the second GaN layer 35 is grown without removing the mask M, the mask M is removed by etching with BHF after the growth.

第2のGaN層35の成長後には、その表面には凹凸が発生しているので、図15(b)に示すように、その表面を光学研磨して平坦にするとともに、凹部24以外の第2のGaN層35を除去する。研磨の方法は、第1実施形態と同様に、0.1μm以下の粒径をもつ砥粒を用いてアルカリ水溶液でポリッシングクロスにより行う。   After the growth of the second GaN layer 35, the surface is uneven, so that the surface is optically polished and flattened as shown in FIG. The second GaN layer 35 is removed. As in the first embodiment, the polishing method is performed by polishing cloth with an alkaline aqueous solution using abrasive grains having a particle diameter of 0.1 μm or less.

これにより、サファイア基板30の上には、基板面に平行方向でGa極性とN極性が所定の周期で繰り返される分極反転層が形成される。     Thereby, on the sapphire substrate 30, a polarization inversion layer in which the Ga polarity and the N polarity are repeated in a predetermined period in a direction parallel to the substrate surface is formed.

次に、図15(c)に示すように、第1、第2のGaN層32,35の研磨面の上に、ガスソースMBE法によって、厚さ2μm〜5μmのAlGaNよりなる第1のクラッド層36と、厚さ0.1μm〜1.0μmのGaNよりなる導波路層37と、厚さ2μm〜5μmのAlGaNよりなる第2のクラッド層38とを順に成長する。   Next, as shown in FIG. 15C, a first cladding made of AlGaN having a thickness of 2 to 5 μm is formed on the polished surfaces of the first and second GaN layers 32 and 35 by a gas source MBE method. A layer 36, a waveguide layer 37 made of GaN having a thickness of 0.1 μm to 1.0 μm, and a second cladding layer 38 made of AlGaN having a thickness of 2 μm to 5 μm are grown in this order.

AlGaN成長時のソースガスとしてはトリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、アンモニアを使用し、GaN成長時のソースガスとしてはトリメチルガリウム、アンモニアを使用する。また、成長時の基板温度は、600℃より高く1000℃より低い値、即ち中程度の温度に設定する。   Trimethylaluminum, trimethylgallium, and ammonia are used as source gases for AlGaN growth, and trimethylgallium and ammonia are used as source gases for GaN growth. The substrate temperature during growth is set to a value higher than 600 ° C. and lower than 1000 ° C., that is, a medium temperature.

AlGaNのうちAl組成を20%とした場合には、格子整合等を考慮してクラッド層36,38の厚さは2μm程度が好ましい。また、導波路層37の損失による分極効果の低減を抑制するためには0.1μm程度が好ましい。   When the Al composition of AlGaN is 20%, the thickness of the cladding layers 36 and 38 is preferably about 2 μm in consideration of lattice matching and the like. Moreover, in order to suppress the reduction of the polarization effect due to the loss of the waveguide layer 37, about 0.1 μm is preferable.

なお、導波路層37はクラッド層36,38よりも屈折率が高い材料が選択され、例えば導波路層37とクラッド層36,38の組み合わせとして、例えば、InGaNとGaN、AlGaNとAlNのいずれかを採用してもよい。   For the waveguide layer 37, a material having a higher refractive index than that of the cladding layers 36 and 38 is selected. For example, as a combination of the waveguide layer 37 and the cladding layers 36 and 38, any one of InGaN and GaN, AlGaN and AlN, for example. May be adopted.

そのような条件により成長された第1のクラッド層36、導波路層(コア層)37、第2のクラッド層38は、それぞれ下地である第1のGaN層32と第2のGaN層35の結晶性をそのまま受け継ぐので、第1のGaN層32の上ではGa極性となり第2のGaN層35の上ではN極性となり、これにより周期的に極性が反転する長周期のQPMが導波路層47及びクラッド層36,38に形成されることになる。   The first clad layer 36, the waveguide layer (core layer) 37, and the second clad layer 38 grown under such conditions are respectively the first GaN layer 32 and the second GaN layer 35 that are the base layers. Since the crystallinity is inherited as it is, the polarity becomes Ga polarity on the first GaN layer 32 and becomes N polarity on the second GaN layer 35, whereby a long-period QPM whose polarity is periodically inverted becomes the waveguide layer 47. In addition, the clad layers 36 and 38 are formed.

なお、第1のGaN層32と第2のGaN層35の成長条件によっては、導波路層37において、第1のGaN層32上の領域と第2のGaN層35上の領域では歪みを変えることが可能になる。   Depending on the growth conditions of the first GaN layer 32 and the second GaN layer 35, the strain is changed between the region on the first GaN layer 32 and the region on the second GaN layer 35 in the waveguide layer 37. It becomes possible.

次に、図16(a)に示すように、CVD法により、第2のクラッド層38の上にSiO2膜39を形成し、その上にフォトレジスト(不図示)を塗布する。そして、フォトレジストを露光、現像することにより、サファイア基板30の劈開面に直交する方向に延びる幅3μm〜100μmのストライプ状のパターンを形成する。この後に、フォトレジストをマスクにしてSiO2膜39をドライエッチングしてフォトレジストのパターンをSiO2膜39に転写する。 Next, as shown in FIG. 16A, a SiO 2 film 39 is formed on the second cladding layer 38 by a CVD method, and a photoresist (not shown) is applied thereon. Then, by exposing and developing the photoresist, a stripe pattern having a width of 3 μm to 100 μm extending in a direction orthogonal to the cleavage plane of the sapphire substrate 30 is formed. Thereafter, the SiO 2 film 39 is dry-etched using the photoresist as a mask to transfer the photoresist pattern to the SiO 2 film 39.

フォトレジストを除去した後に、SiO2膜39のパターンをマスクにして少なくとも第2のクラッド層38を所定の深さまでエッチングすると、図16に示すようなリッジストライプ構造40が形成される。なお、エッチングは、第1のクラッド層36に達する深さまで行ってもよい。 After removing the photoresist, the ridge stripe structure 40 as shown in FIG. 16 is formed by etching at least the second cladding layer 38 to a predetermined depth using the pattern of the SiO 2 film 39 as a mask. The etching may be performed to a depth that reaches the first cladding layer 36.

ここで、SiO2膜39を除去せずにリッジストライプ構造40の保護膜として使用する。 Here, the SiO 2 film 39 is not removed and used as a protective film for the ridge stripe structure 40.

次に、図16(b)に示すように、サファイア基板30の下面にTiとNiの組み合わせ、或いはCrとAuSn、その他の金属の組み合わせからなる金属膜41を形成し、これをヒートシンクへの融着膜とする。   Next, as shown in FIG. 16B, a metal film 41 made of a combination of Ti and Ni, or a combination of Cr, AuSn, and other metals is formed on the lower surface of the sapphire substrate 30, and this is melted into a heat sink. Apply film.

以上のようなウェハプロセスは、第1実施形態の図4に例示したように、基板全面について行われ、リッジストライプ構造40は複数の領域に所定間隔で平行して形成される。   The wafer process as described above is performed on the entire surface of the substrate as illustrated in FIG. 4 of the first embodiment, and the ridge stripe structure 40 is formed in parallel at predetermined intervals in a plurality of regions.

その後に、第1実施形態と同様に、リッジストライプ構造40の延在方向に例えば1000μm〜5000μmの長さごとに劈開してサファイア基板30を棒状にする。   Thereafter, as in the first embodiment, the sapphire substrate 30 is formed into a rod shape by cleaving in the extending direction of the ridge stripe structure 40 for each length of, for example, 1000 μm to 5000 μm.

さらに、図16(c)に示すように、波長変換素子の基本波入射側の第1の端面には、第1実施形態と同様に、第2高調波に対して高い反射率を有する第1の端面被膜42を形成する。   Further, as shown in FIG. 16C, the first end surface on the fundamental wave incident side of the wavelength conversion element has a high reflectivity with respect to the second harmonic, as in the first embodiment. The end face film 42 is formed.

一方、波長変換素子の第2高調波の出射端となる第2の端面には、第1実施形態と同様に、基本波を反射し且つ第2高調波については少なくとも第1の端面被膜42よりも反射率の低い第2の端面被膜43を形成する。   On the other hand, similar to the first embodiment, the second end face serving as the emission end of the second harmonic of the wavelength conversion element reflects the fundamental wave, and the second harmonic is at least from the first end face coating 42. The second end face film 43 having a low reflectance is also formed.

第1、第2の端面被膜42,43を形成した後に、棒状体に平行に複数形成されたリッジストライプ構造40の側部領域をダイサで切断して波長変換素子を分離する。   After the first and second end face films 42 and 43 are formed, the side regions of the plurality of ridge stripe structures 40 formed in parallel to the rod-shaped body are cut with a dicer to separate the wavelength conversion elements.

以上により図17に示すような波長変換素子50が完成される。その波長変換素子によれば、導波路層37及びクラッド層36,38がGaN層32,35の光学的研磨面上にエピタキシャル成長されているので、積層方向の導波設計が可能になり、より高密度の光導波路を構成でき、SHG波長変換効率を高めることができる。   Thus, the wavelength conversion element 50 as shown in FIG. 17 is completed. According to the wavelength conversion element, since the waveguide layer 37 and the cladding layers 36 and 38 are epitaxially grown on the optically polished surfaces of the GaN layers 32 and 35, the waveguide design in the stacking direction becomes possible, and the higher A high density optical waveguide can be formed, and SHG wavelength conversion efficiency can be increased.

しかも、多層構造として格子歪み層を形成しても良く、これにより分極の大きさを増強してSHG変換効率をさらに高めることができる。   In addition, a lattice strain layer may be formed as a multilayer structure, thereby increasing the magnitude of polarization and further increasing the SHG conversion efficiency.

また、本実施形態に係る波長変換素子50についても、光損失が少なく高出力を得ることができ、第1実施形態の波長変換素子10と用途は同じである。   Also, the wavelength conversion element 50 according to the present embodiment can obtain a high output with little optical loss, and the use is the same as the wavelength conversion element 10 of the first embodiment.

図1は、本発明の第1実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図(その1)である。FIG. 1 is a sectional view (No. 1) showing a manufacturing process of a wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention. 図2は、本発明の第1実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図(その2)である。FIG. 2 is a sectional view (No. 2) showing the manufacturing process of the wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention. 図3は、本発明の第1実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing a manufacturing process of the wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention. 図4は、本発明の実施形態に係る波長変換素子が形成された基板を示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing a substrate on which the wavelength conversion element according to the embodiment of the present invention is formed. 図5は、本発明の実施形態に係る波長変換素子が形成された基板を劈開して得られた棒状体示す平面図である。FIG. 5 is a plan view showing a rod-like body obtained by cleaving the substrate on which the wavelength conversion element according to the embodiment of the present invention is formed. 図6は、本発明の第1実施形態に係る波長変換素子を示す斜視図である。FIG. 6 is a perspective view showing the wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention. 図7は、本発明の第1実施形態に係る波長変換素子を使用した発光装置の第1例を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a first example of a light emitting device using the wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention. 図8は、本発明の第1実施形態に係る波長変換素子を使用した発光装置の第2例を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a second example of the light emitting device using the wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention. 図9は、本発明の実施形態に係る波長変換素子に使用されるGaNの波長と屈折率の関係を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the wavelength and refractive index of GaN used in the wavelength conversion element according to the embodiment of the present invention. 図10は、本発明の実施形態に係る波長変換素子に使用されるGaNの分極の向きの違いによる結晶構造を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a crystal structure according to a difference in polarization direction of GaN used in the wavelength conversion element according to the embodiment of the present invention. 図11は、本発明の第2実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図(その1)である。FIG. 11: is sectional drawing (the 1) which shows the manufacturing process of the wavelength conversion element which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図12は、本発明の第2実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図(その2)である。FIG. 12 is a cross-sectional view (part 2) illustrating the manufacturing process of the wavelength conversion element according to the second embodiment of the present invention. 図13は、本発明の第2実施形態に係る波長変換素子を示す斜視図である。FIG. 13 is a perspective view showing a wavelength conversion element according to the second embodiment of the present invention. 図14は、本発明の第3実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図(その1)である。FIG. 14 is a cross-sectional view (No. 1) showing the manufacturing process of the wavelength conversion element according to the third embodiment of the invention. 図15は、本発明の第3実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図(その2)である。FIG. 15: is sectional drawing (the 2) which shows the manufacturing process of the wavelength conversion element which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 図16は、本発明の第3実施形態に係る波長変換素子の製造工程を示す断面図(その3)である。FIG. 16: is sectional drawing (the 3) which shows the manufacturing process of the wavelength conversion element which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 図17は、本発明の第3実施形態に係る波長変換素子を示す斜視図である。FIG. 17 is a perspective view showing a wavelength conversion element according to the third embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:GaN基板
2、5:SiO2
3:凹部
4:GaN層
6:リッジストライプ構造
7:融着膜
8、9:端面被膜
10、10R、10G、10B:波長変換素子
11:ヒートシンク
12、12R、12G、12B、13:光ファイバ
14、14R、14G、14B:半導体レーザモジュール
16、19:SiO2
17:凹部
18:GaN層
20:融着膜
30:サファイア基板
31:AlN層
32;GaN層
33:SiO2
34:凹部
35、39:GaN層
36、38:クラッド層
40:リッジストライプ構造
41:融着膜
1: GaN substrate 2, 5: SiO 2 film 3: concave portion 4: GaN layer 6: ridge stripe structure 7: fusion film 8, 9: end face coating 10, 10R, 10G, 10B: wavelength conversion element 11: heat sink 12, 12R, 12G, 12B, 13: optical fibers 14, 14R, 14G, 14B: semiconductor laser module 16, 19: SiO 2 film 17: recess 18: GaN layer 20: fusion film 30: sapphire substrate 31: AlN layer 32; GaN layer 33: SiO 2 film 34: recess 35, 39: GaN layer 36, 38: cladding layer 40: ridge stripe structure 41: fusion film

Claims (11)

基板上に形成され、且つ、前記基板に対して第1の方向に配向する第1の結晶軸を有する第1の領域と前記第1の方向とは異なる第2の方向に配向する第2の結晶軸を有する第2の領域が光導波方向に対して交互に周期的に繰り返される半導体コア層と、
前記基板上に形成され、且つ、前記半導体コア層の上下に形成されて前記半導体コア層よりも低屈折率の半導体クラッド層と
を有することを特徴とする波長変換素子。
A first region formed on the substrate and having a first crystal axis oriented in a first direction relative to the substrate, and a second direction oriented in a second direction different from the first direction; A semiconductor core layer in which second regions having crystal axes are alternately and periodically repeated in the optical waveguide direction;
A wavelength conversion element comprising: a semiconductor clad layer formed on the substrate and formed above and below the semiconductor core layer and having a refractive index lower than that of the semiconductor core layer.
前記半導体コア層及び前記半導体クラッド層は、前記第1の結晶軸を有する領域と前記第2の結晶軸を有する領域が前記光導波方向に対して交互に周期的に繰り返される半導体層の平坦面の上に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の波長変換素子。 The semiconductor core layer and the semiconductor clad layer are flat surfaces of a semiconductor layer in which a region having the first crystal axis and a region having the second crystal axis are alternately and periodically repeated in the optical waveguide direction. The wavelength conversion element according to claim 1, wherein the wavelength conversion element is formed on the substrate. 少なくとも上側の前記半導体クラッド層にリッジストライプ構造が形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の波長変換素子。 3. The wavelength conversion element according to claim 1, wherein a ridge stripe structure is formed at least in the semiconductor clad layer on the upper side. 前記半導体コア層と前記半導体クラッド層の組み合わせは、GaNとAlGaN、InGaNとGaN、AlGaNとAlNのうちのいずれかであることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1つに記載の波長変換素子。 The combination of the semiconductor core layer and the semiconductor clad layer is any one of GaN and AlGaN, InGaN and GaN, and AlGaN and AlN. Wavelength conversion element. 前記半導体コア層は、その一端から入射する基本波が少なくとも前記基板の面に対する垂直方向で単一の横モードとなって伝搬する構造を有することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1つに記載の波長変換素子。 5. The semiconductor core layer according to claim 1, wherein the semiconductor core layer has a structure in which a fundamental wave incident from one end thereof propagates as a single transverse mode at least in a direction perpendicular to the surface of the substrate. The wavelength conversion element as described in any one. 前記半導体コア層のうち前記第一領域と前記第二領域は異なる結晶歪を有することを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1つに記載の波長変換素子。 The wavelength conversion element according to any one of claims 1 to 5, wherein the first region and the second region of the semiconductor core layer have different crystal strains. 前記第1の結晶軸は前記基板に対して+c軸に配向し、前記第2の結晶軸は前記基板に対して−c軸配向することを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1つに記載の波長変換素子。 7. The first crystal axis is oriented in a + c axis with respect to the substrate, and the second crystal axis is oriented in a -c axis with respect to the substrate. The wavelength conversion element as described in one. 前記半導体コア層のうちの光入射側の入射端面と光出射側の出射端面の少なくとも一方には単層又は複合層の光学コーティングを有することを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1つに記載の波長変化素子。 8. The semiconductor core layer according to claim 1, further comprising an optical coating of a single layer or a composite layer on at least one of an incident end face on a light incident side and an exit end face on a light exit side of the semiconductor core layer. The wavelength change element as described in one. 前記基板は、サファイア、シリコン、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、炭化シリコンのうち少なくとも1種類であり、
前記半導体コア層は、窒素を含有するIII-V族化合物半導体である
ことを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか1つに記載の波長変換素子。
The substrate is at least one of sapphire, silicon, gallium nitride, aluminum nitride, silicon carbide,
The wavelength conversion element according to any one of claims 1 to 8, wherein the semiconductor core layer is a group III-V compound semiconductor containing nitrogen.
請求項1乃至請求項9のいずれかに記載の波長変換素子と、
基本波の光を出力する発光素子と、
前記基本波を前記波長変換素子に導くための光導波手段と
を有することを特徴とする発光装置。
The wavelength conversion element according to any one of claims 1 to 9,
A light emitting device that outputs fundamental light;
And a light guide device for guiding the fundamental wave to the wavelength conversion element.
請求項1乃至請求項9のいずれかに記載の波長変換素子を複数個有し、
さらに、複数の前記波長変換素子のそれぞれに光を別々に導くための光導波手段と、
複数の前記波長変換素子のそれぞれに異なる波長の光を前記光導波手段を介して照射する複数の発光素子と
を有することを特徴とする発光装置。
A plurality of wavelength conversion elements according to any one of claims 1 to 9,
Furthermore, an optical waveguide means for separately guiding light to each of the plurality of wavelength conversion elements,
A light emitting apparatus comprising: a plurality of light emitting elements that irradiate light having different wavelengths to each of the plurality of wavelength conversion elements via the optical waveguide means.
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