JP2009217133A

JP2009217133A - 高調波発生素子

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Publication number: JP2009217133A
Application number: JP2008062539A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yoshino; 隆史吉野
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2008-03-12
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2028-03-12
Also published as: JP4806424B2

Abstract

【課題】Ｘ板あるいはオフセットＸ板の薄板に周期分極反転構造を形成し、支持基板と上側基板との間に挟んだ構造の高調波発生素子において、温度サイクルにさらされた後における波長変換効率の低下を防止する。
【解決手段】高調波発生素子１１は、支持基板２、強誘電性単結晶のＸ板またはオフセットＸ板からなり、周期分極反転構造が設けられたチャンネル型光導波路２４を備えている波長変換層３、波長変換層３の底面３ｂと支持基板２とを接着する下地接着層２１、波長変換層３の上面３ａ側に設けられている上側基板５、波長変換層３と上側基板５とを接着する上側接着層２１、および光導波路２４の近傍に設けられている導電膜１０を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、疑似位相整合方式の高調波発生素子に関するものである。

ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶のような非線形光学結晶は二次の非線形光学定数が高く、これら結晶に周期的な分極反転構造を形成することで、疑似位相整合（Quasi-Phase-Matched ：ＱＰＭ）方式の第二高調波発生（Second-Harmonic-Generation:SHG）デバイスを実現できる。また、この周期分極反転構造内に導波路を形成することで、高効率なSHGデバイスが実現でき、光通信用、医学用、光化学用、各種光計測用等の幅広い応用が可能である。

特許文献1に記載の高調波発生素子においては、支持基板上に強誘電性単結晶の薄板を接着し、その上にバッファ層および接着層を介して上側基板を接着しており、薄板中にチャンネル型光導波路を形成している。そして、この光導波路内に周期分極反転構造を形成することによって、光導波路に入射する基本波を高調波に波長変換している。
WO 2006/ 41172 A1

ＳＨＧ発生素子などの高調波発生素子には、環境温度の変化に対して繰り返してさらされても、安定して動作することが求められる。しかし、特許文献１記載のようなタイプの素子において、−４０°Ｃと＋８０°Ｃとの間の熱サイクルに対して繰り返して曝露された後に、波長変換効率が劣化する場合のあることが判明した。

本発明者が、このような波長変換効率の低下の起こった素子を回収し、観測してみると、周期分極反転構造が劣化していることが判明した。しかも、このような現象は、Ｘ板（Ｙ板）やオフセットＸ板（オフセットＹ板）では生ずるが、Ｚ板の薄板を用いた場合には生じないことも判明した。更に、このような現象は、特許文献１記載のように、支持基板と上側基板との間に、波長変換を行うための強誘電性薄板をサンドイッチしたタイプの素子に特有であることが判明した。

本発明の課題は、Ｘ板あるいはオフセットＸ板の薄板に周期分極反転構造を形成し、支持基板と上側基板との間に挟んだ構造の高調波発生素子において、温度サイクルにさらされた後における波長変換効率の低下を防止することである。

本発明に係る高調波発生素子は、
支持基板、
強誘電性単結晶のＸ板またはオフセットＸ板からなり、周期分極反転構造が設けられたチャンネル型光導波路を備えている波長変換層、
この波長変換層と前記支持基板とを接着する下地接着層、
波長変換層の上面側に設けられている上側基板、
波長変換層と前記上側基板とを接着する上側接着層、および
チャンネル型光導波路の近傍に設けられている導電膜
を備えていることを特徴とする。

本発明者は、Ｘ板あるいはオフセットＸ板の薄板に周期分極反転構造を形成し、支持基板と上側基板との間に挟んだ構造の高調波発生素子において、温度サイクルにさらされた後に波長変換効率が低下する原因を検討した。そして、高調波発生素子の薄板をエッチング処理して周期分極反転構造を確認したところ、周期分極反転構造が劣化したり、局所的に消滅したりしていた。これが波長変換効率の低下の原因となっていた。

このような周期分極反転構造の劣化の原因について更に検討したところ、素子の両方の側面間における焦電が原因となっていることを発見した。この発見に基づき、上側基板と支持基板との間に挟まれた、周期分極反転構造の形成されたチャンネル型光導波路の近くに導電膜を設けることで、熱サイクルに曝露した後の波長変換効率の低下を防止できることを見いだした。

図１（ａ）は、従来例の高調波発生素子１を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）は、素子１のチャンネル型光導波路２４およびその周辺を示す拡大図である。図２（ａ）は、本発明例の高調波発生素子１１を模式的に示す斜視図であり、図２（ｂ）は、素子１１のチャンネル型光導波路およびその周辺を示す拡大図である。図３は、図２の素子１１を台座８に設置した状態を示す正面図である。

図１、図２に示すように、強誘電性単結晶のＸ板（Ｙ板、またはオフセットＸ板、オフセットＹ板）からなる波長変換層３に、一対の細長い溝６Ａ、６Ｂを設ける。溝６Ａと６Ｂとは互いに平行であり、これらの溝によってリッジ部４が形成されている。リッジ部４および溝６Ａ、６Ｂによってチャンネル型光導波路２４が形成されている。各溝６Ａ、６Ｂの各外側には延在部７Ａ、７Ｂが形成されており、薄板を形成している。

Ｘ板（Ｙ板）の場合には、図１、図２において横方向がＺ方向であり、強誘電性単結晶はＺ方向に分極する。Ｘ軸（Ｙ軸）は、波長変換層３の上面３ａに対して垂直である。オフセットＸ板、Ｙ板の場合には、Ｘ軸（Ｙ）軸が、波長変換層３の主面に対して垂直な面から傾斜する。この傾斜角度は、本発明の観点からは、１０°以下であることが好ましい。

チャンネル型光導波路２４内では、光の伝搬方向に対して垂直なＺ方向に向かって分極しており、分極方向が周期的に反転している。この結果、素子１、１１の入射面１ａ、１１ａから入射した基本波は、光導波路２４内で波長変換を受け、高調波が出射面１ｂ、１１ｂから出射する。

波長変換層３の底面３ｂは、別体の支持基板２の上面２ａに対して下地接着層２１によって接着されている。波長変換層３の上面３ａは、別体の上側基板５の底面５ａに対して上側接着層２０によって接着されている。１１ｃ、１１ｄは、入射面１１ａと出射面１１ｂとの間に延びる一対の側面であり、側面１１ｃと１１ｄとは対向している。

典型的には、図３に示すように、設置面８ｂと８ａとを有する台座８を設け、台座８に素子１１を設置し、外部の線路と結合する。素子１１の側面１１ｄを設置面８ｂに接触させ、素子１１の底面２ｂを台座８の設置面８ａに対して接触させる。

ここで、図１の素子の場合には、熱サイクルに曝露した後には、素子１の側面１ｃと１ｄとの間における焦電が原因で、チャンネル型光導波路２４に形成されている周期分極反転構造が劣化していた。これが波長変換効率が低下する原因となっていた。

本発明者は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、上側基板５の底面５ａに導電膜１０を形成した。従って、導電膜１０は、上側接着層２０と上側基板５との間に介在し、光導波路４の近傍に位置する。これによって、熱サイクル曝露後の波長変換効率の低下を防止できることを見いだした。

図４（ａ）は、本発明の他の実施形態に係る高調波発生素子３１を模式的に示す斜視図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の素子３１のうち光導波路４の周辺を示す拡大図である。

本例では、基本波は、素子の入射面３１ａから光導波路に入射し、周期分極反転構造によって波長変換を受け、出射面３１ｂから高調波が出射する。３１ｃ、３１ｄは、入射面と出射面との間の側面である。

本例では、上側基板５の底面には導電膜を形成しておらず、支持基板２の上面２ａに導電膜１５を形成する。導電膜１５は、支持基板２の上面２ａと下地接着層２１との間に介在し、光導波路４の近傍に位置する。これによって、熱サイクル曝露後の波長変換効率の低下を防止できることを見いだした。

本発明においては、チャンネル型光導波路の近傍に導電膜を形成する。ここで、チャンネル型光導波路の近傍とは、光導波路の光モードフィールドの外側輪郭から１０μｍ以下の位置にあることを意味する。

好ましくは、導電膜が、上側基板の底面と上側接着層との間に設けられている（図２）。あるいは，導電膜が、支持基板の上面と下地接着層との間に設けられている（図３）。あるいは，導電膜が、上側基板の底面と上側接着層との間に設けられており、かつ、別の導電膜が、支持基板の上面と下地接着層との間に設けられている。これらの実施形態においては、導電膜が光導波路に直接接触せず、間に接着層が介在しているので、導電膜による光の吸収が抑制され、これによる光伝搬損失を抑制できる。

導電膜の作製方法は限定されず、以下を例示できる。
（１）スパッタ法によって、上側基板の底面や支持基板の上面に金属薄膜を形成する。
（２）導電性ペーストを上側基板の底面や支持基板の上面に印刷等で塗布し、焼き付ける。
（３）上側基板の底面や支持基板の上面に導電性テープを貼る。

導電膜の材質は特に限定されず、金属、導電性ペーストを例示できる。具体的には、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｇ系ペースト、Ｉｎ系ペーストが好ましい。

導電膜の厚さは特に限定されないが、本発明の観点からは、０．０５μｍ以上が好ましく、０．１μｍ以上が更に好ましい。まだ、導電膜による光吸収を抑制するという観点からは、導電膜の厚さは、５μｍ以下が好ましい。

導電膜と光導波路との間に上側接着層および／または下地接着層を介在させる場合には、上側接着層の厚さ、下地接着層の厚さは、焦電による波長変換効率の低下を防止するという観点からは、１０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることが更に好ましい。また、上側接着層の厚さ、下地接着層の厚さは、導電膜による伝搬光の吸収を抑制するという観点からは、０．５μｍ以上であることが好ましく、１．０μｍ以上であることが更に好ましい。

導電膜が上側基板の底面に設けられている場合には、本発明の観点からは、導電膜が、上側基板の底面の９０％以上を被覆していることが好ましい。導電膜は上側基板の底面の全面を被覆していてよい。

導電膜が支持基板の上面に設けられている場合には、本発明の観点からは、導電膜が、支持基板の上面の９０％以上を被覆していることが好ましい。導電膜は支持基板の上面の全面を被覆していてよい。

波長変換層に形成されるチャンネル型光導波路は限定されず、リッジ形光導波路や、拡散形光導波路であってよい。拡散形光導波路は、金属拡散（例えばチタン拡散）やプロトン交換によって形成できる。リッジ構造を形成するための加工方法は限定されず、機械加工、イオンミリング、ドライエッチング、レーザーアブレーションなどの方法を用いることができる。

波長変換層を形成する強誘電性単結晶は限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、Ｋ_３Ｌ_ｉ２Ｎｂ_５Ｏ_１５、Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４を例示できる。

波長変換層を支持基板や上側基板と接着するための接着剤は、無機接着剤であってよく、有機接着剤であってよく、無機接着剤と有機接着剤との組み合わせであってよい。

有機接着剤の具体例は特に限定されないが、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料と比較的近い熱膨張係数を有するアロンセラミックスＣ（商品名、東亜合成社製）（熱膨張係数１３×１０^−６／Ｋ）を例示できる。

また無機接着剤としては、低誘電率で接着温度（作業温度）が６００℃以下のものが好ましい。また、加工の際に十分な接着強度が得られるものが好ましい。具体的には、酸化珪素、酸化鉛、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ホウ素等の組成を単体もしくは複数組み合わせたガラスが好ましい。また、他の無機接着剤としては、例えば五酸化タンタル、酸化チタン、五酸化ニオブ、酸化亜鉛がある。

無機接着層の形成方法は特に限定されず、スパッタ法、蒸着法、スピンコート法、ゾルゲル法などがある。
また、波長変換層３と支持基体１、上側基板５との間に接着剤のシートを介在させ、接合することができる。好ましくは、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤からなるシートを、波長変換層３と支持基体１、上側基板５との間に介在させ、シートを硬化させる。このようなシートとしては、１０μｍ以下のフィルム樹脂が適当である。

支持基板、上側基板の具体的材質は特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Siなどを例示することができる。この場合、熱膨張差の観点では、波長変換層と支持基板、上側基板とを同種の材質とすることが好ましく、ニオブ酸リチウム単結晶が特に好ましい。上側基板の厚さ、支持基板の厚さも特に限定されないが、上記の観点からは１００μｍ以上が好ましい。また、支持基板の厚さ、上側基板の厚さの上限も特にないが、実用的には２ｍｍ以下が好ましい。

（実施例１）
図２に示すような素子１１を作製した。具体的には、厚さ0.5mmのＭｇＯ５％ドープニオブ酸リチウム５度オフカットＹ基板上に、周期6.6μｍの周期分極反転構造を形成した。厚さ0.5ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板に接着剤（アクリル系接着剤）を塗布した後、前記のＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板２と貼り合せ、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の表面を厚さ3.７μｍとなるまで研削、研磨し、薄板を得た。次いで、レーザーアブレーション加工法により、この薄板にリッジ構造４（光導波路２４）を形成した。光導波路の形成後、厚さ0.5umのＳｉＯ_２オーバークラッドをスパッタ法によって成膜した。

厚さ0.3mmのノンドープニオブ酸リチウム単結晶からなる上側基板５の底面５ａに、スパッタ法で厚さ0.1μｍのアルミニウム膜１０を形成した。アルミニウム膜１０によって上側基板の底面５ａを全面にわたって被覆した。この後、成膜面側を上記オーバークラッド側と接着剤により接合した。ダイサーで長さ9mm、幅1.0mmで素子を切断した後、端面を研磨し、反射防止膜を施した。

この導波路においてNd-YAGレーザーを使用して光学特性を測定した。レーザーからの発振出力を500mWに調整し、その基本光をレンズで導波路端面に入力し、200mWのSHG出力が得られた。その際の基本光の波長は1064.3nmであった。

本素子１１を、ー４０℃/８０℃の熱サイクル試験に供した。５００サイクル後に、再度、第二高調波（ＳＨＧ）出力を測定した結果、ＳＨＧ出力の低下は見られなかった。

（実施例２）
実施例１と同様にして、図２の素子１１を作製した。ただし、実施例１とは異なり、アルミニウム膜１０によって上側基板の底面５ａのうち９０％を被覆した。

（実施例３）
実施例１と同様にして、図２の素子１１を作製した。ただし、実施例１とは異なり、アルミニウム膜１０によって上側基板の底面５ａのうち８０％を被覆した。

本素子１１を、ー４０℃/８０℃の熱サイクル試験に供した。５００サイクル後に、再度、第二高調波（ＳＨＧ）出力を測定した結果、ＳＨＧ出力は、１７０ｍＷに低下した。

（比較例１）
実施例１と同様にして、図１の素子１を作製した。実施例１とは異なり、アルミニウム膜１０を設けなかった。

本素子１を、ー４０℃/８０℃の熱サイクル試験に供した。５００サイクル後に、再度、第二高調波（ＳＨＧ）出力を測定した結果、ＳＨＧ出力は、６５ｍＷに低下した。

（ａ）は、従来例の高調波発生素子１を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、素子１のチャンネル型光導波路２４およびその周辺を示す拡大図である。（ａ）は、本発明例の高調波発生素子１１を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、素子１１のチャンネル型光導波路およびその周辺を示す拡大図である。図２の素子１１を台座８に設置した状態を示す正面図である。（ａ）は、本発明の他の例に係る高調波発生素子３１を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、素子３１のチャンネル型光導波路およびその周辺を示す拡大図である。

符号の説明

２支持基板２ａ支持基板の上面３波長変換層４リッジ部５上側基板５ａ上側基板の底面６Ａ、６Ｂリッジ溝１０、１５導電膜１１、３１高調波発生素子１１ａ、３１ａ入射面１１ｂ、３１ｂ出射面
２０上側接着層２１下地接着層

Claims

支持基板、
強誘電性単結晶のＸ板またはオフセットＸ板からなり、周期分極反転構造が設けられたチャンネル型光導波路を備えている波長変換層、
この波長変換層と前記支持基板とを接着する下地接着層、
前記波長変換層の上面側に設けられている上側基板、
前記波長変換層と前記上側基板とを接着する上側接着層、および
前記チャンネル型光導波路の近傍に設けられている導電膜
を備えていることを特徴とする、高調波発生素子。
前記導電膜が前記上側基板の底面に形成されていることを特徴とする、請求項１記載の高調波発生素子。
前記導電膜が前記支持基板の上面に形成されていることを特徴とする、請求項１または２記載の高調波発生素子。