JP2010039297A - 波長変換素子の製造方法および波長変換素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】透過率を向上できる波長変換素子の製造方法および波長変換素子を提供する。
【解決手段】波長変換素子１０ａの製造方法は、以下の工程を備えている。まず、結晶を成長させる。そして、結晶を分極が互いに反転するように２以上に分割することにより第１の結晶１１と第２の結晶１２とを形成する。そして、光導波路１３に沿って第１および第２の結晶１１、１２の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たすように、第１および第２の結晶１１、１２を嵌合する。
【選択図】図１
【解決手段】波長変換素子１０ａの製造方法は、以下の工程を備えている。まず、結晶を成長させる。そして、結晶を分極が互いに反転するように２以上に分割することにより第１の結晶１１と第２の結晶１２とを形成する。そして、光導波路１３に沿って第１および第２の結晶１１、１２の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たすように、第１および第２の結晶１１、１２を嵌合する。
【選択図】図１
Description
本発明は、波長変換素子の製造方法および波長変換素子に関するものである。
半導体レーザや固体レーザは材料に固有な出射波長をもっており、その波長領域の拡大は応用分野の拡大に直結する。赤外光源は環境計測や医療・バイオで利用されており、自動車の排気ガス検知、レーザイオン化質量分析、果実の糖度分析、歯科治療、非襲侵の血液検査、脳内の血流検査などへの適用が検討されている。
しかし、たとえばルビーレーザ、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ、炭酸ガスレーザなどの光源は特定の波長の光のみを射出可能である。またチタン・サファイアレーザなどの光源は可変波長であるが６５０ｎｍ〜１１００ｎｍ付近の波長の光のみを射出可能である。このように、すべての波長域においてレーザ光を得ることはできない。したがって、レーザ光源から射出された特定波長の光を異なる波長の光に変換し得る波長変換素子が望まれる。
従来では、ＢＢＯ（ホウ酸バリウム）、ＬＢＯ（ホウ酸リチウム）などのホウ酸系結晶を用いた波長変換素子が周知である。このような波長変換素子においては、結晶の複屈折性を利用した位相整合によって波長変換が行われる。しかし、結晶の複屈折性を利用した波長変換素子では、十分な波長変換効率を得ることが困難である。また、結晶の複屈折性はその結晶に固有の性質であって調整することができないので、複屈折性を利用した波長変換素子は波長選択性などの自由度が低い。
そこで、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）およびＩｎ（インジウム）の少なくともいずれかとＮ（窒素）とを含み、かつ自発分極を有する化合物半導体結晶を用いた波長変換素子が特開２００８−１７０７１０号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１では、化合物半導体結晶には自発分極が２次元格子状に周期的に反転させられた分極構造が形成されていて、その分極構造は第１の波長の入射光に対して２次元的に擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi Phase Matching）条件を満たしている。このため、ホウ酸系結晶の複屈折整合を利用する場合に比べて相互作用長が長く取れるので、高効率な波長変換が可能となる。
また化合物半導体結晶を用いて２次元分極反転構造を形成して、波長変換素子を製造する方法が上記特許文献１に開示されている。具体的には、＋ｃ面を有するＧａＮ（窒化ガリウム）基板上に、２次元分極反転構造パターンに対応したマスクパターンを形成する。その後、ＧａＮ基板の＋ｃ面およびマスクパターン上に、＋ｃ軸方向にＧａＮ層を形成する。この場合、ＧａＮ基板の＋ｃ面上には＋ｃ軸方向へＧａＮ層の厚さが増大するように＋ｃ領域をエピタキシャル成長させ、マスク層上には−ｃ軸方向へＧａＮ層の厚さが増大するように−ｃ領域をエピタキシャル成長させる。これにより、２次元分極反転構造を形成している。
特開２００８−１７０７１０号公報
しかしながら、上記特許文献１に開示の波長変換素子では、ＧａＮ基板の＋ｃ面上に成長したＧａＮ結晶と、マスクパターン上に成長したＧａＮ結晶とでは、結晶性が異なる。波長変換素子の結晶性が異なると、その異なる結晶の界面で光の反射が生じるため、光の透過率が悪くなるという問題があることを本発明者は鋭意研究の結果見い出した。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、透過率を向上できる波長変換素子の製造方法および波長変換素子を提供することである。
本発明の一の局面における波長変換素子の製造方法は、光導波路を有し、光導波路の一方端側から入射した入射光の波長を変換して光導波路の他方端側から出射光を出射させる波長変換素子の製造方法であって、以下の工程を備えている。結晶を成長させる。結晶を分極が互いに反転するように２以上に分割することにより、第１の結晶および第２の結晶を形成する。光導波路に沿って第１および第２の結晶の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光に対して擬似位相整合条件を満たすように、第１および第２の結晶を嵌合する。
本発明の一の局面における波長変換素子の製造方法によれば、１つの結晶から第１および第２の結晶を分割することにより形成している。このため、第１および第２の結晶の屈折率の差は実質的にない。この第１および第２の結晶を嵌合して分極反転構造を形成しているので、入射光が光導波路を透過するときに、光導波路における第１および第２の結晶の界面での反射を抑制することができる。したがって、第１および第２の結晶の界面での透過率のロスを低減できるので、光導波路を通過する光の透過率を向上した波長変換素子を製造することができる。
上記波長変換素子の製造方法において好ましくは、第１および第２の結晶を形成する工程後に、第１および第２の結晶の少なくとも一方の表面をエッチングする工程をさらに備えている。
これにより、エッチングをした第１および第２の結晶の少なくとも一方の表面の分極をより確実に形成することができる。
上記波長変換素子の製造方法において好ましくは、第１および第２の結晶を形成する工程後に、第１および第２の結晶の少なくとも一方の表面を研磨する工程をさらに備えている。
これにより、研磨をした第１および第２の結晶の少なくとも一方の表面の分極をより確実に形成することができる。
本発明の他の局面における波長変換素子の製造方法は、光導波路を有し、光導波路の一方端側から入射した入射光の波長を変換して光導波路の他方端側から出射光を出射させる波長変換素子の製造方法であって、以下の工程を備えている。第１の結晶を準備する。第１の結晶の屈折率との差が実質的にない第２の結晶を準備する。光導波路に沿って第１および第２の結晶の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光に対して擬似位相整合条件を満たすように、第１および第２の結晶を嵌合する。
本発明の他の局面における波長変換素子の製造方法によれば、屈折率の差が実質的にない第１および第２の結晶を嵌合させることにより分極反転構造を形成している。このため、入射光が光導波路を透過するときに、光導波路における第１および第２の結晶の界面での反射を抑制することができる。したがって、第１および第２の結晶の界面での透過率のロスを低減できるので、透過率を向上した波長変換素子を製造することができる。
本発明のさらに他の局面における波長変換素子の製造方法は、光導波路を有し、光導波路の一方端側から入射した入射光の波長を変換して光導波路の他方端側から出射光を出射させる波長変換素子の製造方法であって、以下の工程を備えている。第１の結晶を成長させる。第１の結晶の表面に規則的に配列した２以上の凸部を形成する。第１の結晶の表面上に、第１の結晶との屈折率の差が実質的にないアモルファス結晶である第２の結晶を成長させる。第２の結晶を成長させる工程では、光導波路に沿って第１および第２の結晶の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光に対して擬似位相整合条件を満たすように、第１および第２の結晶を形成する。
本発明のさらに他の局面における波長変換素子の製造方法によれば、第２の結晶として第１の結晶との屈折率の差が実施的にないアモルファス結晶を第１の結晶上に成長させている。これにより、第１および第２の結晶の屈折率の差は実質的にない。また第１および第２の結晶を用いて分極構造を容易に形成することができる。このため、入射光が光導波路を透過するときに、光導波路における第１および第２の結晶の界面での反射を抑制することができる。したがって、第１および第２の結晶の界面での透過率のロスを低減できるので、透過率を向上した波長変換素子を製造することができる。
上記波長変換素子の製造方法において好ましくは、第２の結晶を成長させる工程では、４００〜８００ｎｍの波長での第１の結晶の屈折率との差が０．００１以上０．１以下であるように第２の結晶を成長させる。
これにより、第１および第２の結晶の屈折率に差がある場合であっても、第１および第２の界面での透過率のロスをより低減することができる。したがって、透過率をより向上した波長変換素子を製造することができる。
本発明の波長変換素子は、光導波路を有し、光導波路の一方端側から入射した入射光の波長を変換して光導波路の他方端側から出射光を出射させる波長変換素子であって、第１の結晶と、第１の結晶の屈折率との差が実質的にない第２の結晶とを備えている。第１および第２の結晶は、光導波路に沿って分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光に対して擬似位相整合条件を満たしている。
本発明の波長変換素子によれば、分極反転構造を形成している第１および第２の結晶の屈折率の差が実質的にない。このため、入射光が光導波路を透過するときに、光導波路における第１および第２の結晶の界面での反射を抑制することができる。したがって、第１および第２の結晶の界面での透過率のロスを低減できるので、透過率を向上した波長変換素子を実現できる。
上記波長変換素子において好ましくは、第１の結晶と第２の結晶とは嵌合されている。この場合、上述した一または他の局面における波長変換素子の製造方法により簡便に製造された波長変換素子を実現することができる。
上記波長変換素子において好ましくは、第１および第２の結晶は、規則的に配列した凸部と凹部とを有し、第１の結晶の凸部と、第２の結晶の凹部とが接合されている。
この場合、上述したさらに他の局面における波長変換素子の製造方法により簡便に製造された波長変換素子を実現することができる。
本発明の波長変換素子の製造方法および波長変換素子によれば、第１および第２の結晶の屈折率の差が実質的にないので、第１および第２の結晶の界面を透過する光の反射を抑制できる。したがって、透過率を向上できる波長変換素子を製造することができる。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態における波長変換素子を概略的に示す斜視図である。始めに、図１を参照して、本実施の形態における波長変換素子１０ａを説明する。
図１は、本実施の形態における波長変換素子を概略的に示す斜視図である。始めに、図１を参照して、本実施の形態における波長変換素子１０ａを説明する。
図１に示すように、本実施の形態における波長変換素子１０ａは、光導波路１３を有している。光導波路１３は、光導波路１３の一方端１３ａ側から入射した入射光１０１の波長を変換して光導波路１３の他方端１３ｂ側から出射光１０２を出射させる。
波長変換素子１０ａは、第１の結晶１１と、第１の結晶１１の屈折率との差が実質的にない第２の結晶１２とを備えている。第１および第２の結晶１１、１２は、単結晶であることが好ましい。
第１および第２の結晶１１、１２は、光導波路１３に沿って分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成している。つまり、分極反転構造を形成した第１および第２の結晶１１、１２に、光波閉じ込めのための光導波路１３を形成している。分極反転構造は、入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たしている。ここで、擬似位相整合条件とは、非線形光学結晶の伝搬軸に沿って非線形光学係数の符号を周期で反転した構造を設け、非線形分極の波動ベクトルと発生しようとする光波の波動ベクトルとの差を周期構造の波数ベクトルで補償することで位相整合をとる条件である。
分極反転構造を形成する第１および第２の結晶１１、１２として、たとえば矢印の方向が正極になるようにそれぞれ分極している。つまり、本実施の形態では、第１および第２の結晶１１、１２の正極の方向が反対である。第１および第２の結晶１１、１２がＡｌＮの場合には、第１の結晶１１の正極である第１の面１１ａはＡｌ極性面であり、第２の結晶１２の正極と反対の面である第２の面１２ｂはＮ極性面である。
また光導波路１３において隣接する第１および第２の結晶１１、１２を１周期とすると、波長変換素子１０ａは１周期以上有しており、好ましくは５周期以上有している。
光導波路１３を構成し、かつ光導波路１３の延びる方向と交差する第１および第２の結晶１１、１２の界面１４には、隙間がないことが好ましい。この界面１４は、分極の向きが反転している。一方、光導波路１３の延びる方向と平行な方向に沿った第１および第２の結晶１１、１２の界面１５には、隙間があってもよい。
このような第１および第２の結晶１１、１２の屈折率の差は実質的にない。屈折率の差が実質的にない場合、光導波路１３の延びる方向（入射光１０１の進む方向）と交差する第１および第２の結晶１１、１２の界面１４での光の反射を抑制することができる。このため、光導波路１３を透過する入射光１０１の透過率のロスを低減することができる。屈折率の差が実質的にないとは、たとえば第１および第２の結晶１１、１２が５周期（つまり、第１および第２の結晶１１、１２の界面１４が９つ）の場合には０．０１以下、第１および第２の結晶１１、１２が１０周期の場合には０．００１以下である。これらの場合には、波長変換素子１０ａは、たとえば９０％以上の透過率を有する。
ここで、屈折率は、たとえば分光エリプソメータにより４００〜８００ｎｍの波長での分光エリプソメトリー（偏光解析法）を用いて測定される値である。
本実施の形態における第１および第２の結晶１１、１２は、表面に規則的に配列した凸部を有する櫛型であり、互いに嵌合されている。つまり、第１および第２の結晶１１、１２は凸部と凹部とを有しており、第１の結晶１１の凸部は第２の結晶１１の凹部と嵌合されており、かつ第１の結晶１１の凹部は第２の結晶１１の凸部と嵌合されている。
また第１および第２の結晶１１、１２の少なくとも一方は、１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満、好ましくは１×１０3ｃｍ-2以上１×１０5ｃｍ-2未満の転位密度を有している。本実施の形態では、第１および第２の結晶１１、１２の転位密度が、上記範囲内である。１×１０7ｃｍ-2未満の場合、入射光１０１のエネルギーの転位での吸収を抑制することができるので、第１および第２の結晶１１、１２の温度が上昇することを抑制できる。このため、使用による出射光１０２の強度の低下を抑制することができ、特性を維持できる寿命を向上できる。１×１０5ｃｍ-2未満の場合、入射光１０１のエネルギーの転位での吸収を効果的に抑制することができる。転位密度は低い方が好ましいが、容易に製造できる観点から、下限値は、１×１０3ｃｍ-2である。
ここで、転位密度は、たとえば溶融ＫＯＨ（水酸化カリウム）中のエッチングによりできるピットの個数を数えて、単位面積で割るというアルカリ・エッチング法によって測定される値（エッチピット密度：ＥＰＤ）である。
第１および第２の結晶１１、１２は、異なる組成であってもよいが、同じ組成であることが好ましい。また、第１および第２の結晶１１、１２はＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなることが好ましい。この場合、Ａｌの組成比ｘが０．５以上１以下の熱伝導率から、上記転位密度とすることにより寿命を向上できるという効果を発現できる。なお、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎの組成比ｘは、Ａｌのモル比である。
図２は、本実施の形態の変形例における波長変換素子１０ｂを概略的に示す斜視図である。図２に示すように、第１および第２の結晶１１、１２において嵌合される側の形状は、のこぎり刃型であってもよい。また、第１および第２の結晶１１、１２は、櫛型、のこぎり刃型などの形状に特に限定されず、波型などの他の形状であってもよい。
続いて、本実施の形態における波長変換素子の製造方法について説明する。図３は、本実施の形態における下地基板２１を概略的に示す斜視図である。図３に示すように、下地基板２１を準備する。下地基板２１は、主表面２１ａを有している。主表面２１ａは、たとえば（００１）面（ｃ面）である。
準備する下地基板２１は、成長させる結晶２２と同じ組成であることが好ましい。また、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる下地基板２１を準備することが好ましい。
図４は、本実施の形態における結晶２２を成長させた状態を概略的に示す斜視図である。次に、図４に示すように、下地基板２１の主表面２１ａ上に、結晶２２を成長させる。
下地基板２１と同じ組成の結晶２２を成長させる場合には、下地基板２１と結晶２２とは格子不整合などが緩和されているので、転位密度の低い結晶２２を成長させることができる。本実施の形態では、成長させる結晶２２の転位密度は、好ましくは１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満であり、より好ましくは１×１０3ｃｍ-2以上１×１０5ｃｍ-2未満である。
また、下地基板２１の主表面２１ａに接するように結晶２２を成長させている。つまり、下地基板２１と結晶２２との間にマスク層などが介在していない。これにより、矢印の方向（成長表面）が正極になるように分極している結晶２２が得られる。
成長方法は特に限定されず、昇華法、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ハイドライド気相成長）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシ）法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相堆積）法などの気相成長法、フラックス法、高窒素圧溶液法などの液相法などを採用することができる。
図５は、本実施の形態における結晶２２を分割する状態を概略的に示す斜視図である。図６は、本実施の形態における結晶２２を分割して形成した第１の結晶１１を概略的に示す斜視図である。次に、図５および図６に示すように、結晶２２を分極が互いに反転するように２以上に分割することにより、第１の結晶１１と第２の結晶１２とを形成する。１つの結晶２２から第１および第２の結晶１１、１２を形成しているので、第１および第２の結晶１１、１２の組成および屈折率は同じである。
また、転位密度の低い結晶２２を用いた場合には、好ましくは１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満であり、より好ましくは１×１０3ｃｍ-2以上１×１０5ｃｍ-2未満である第１および第２の結晶１１、１２を形成することができる。
本実施の形態では、図５に示すように、成長表面（主表面２２ａ）が櫛型になるように、成長方向に沿って分割している。つまり、結晶２２の主表面２２ａから見て櫛型になるように第１および第２の結晶１１、１２に分割している。
このように分割すると、結晶２２の主表面２２ａは、第１の結晶１１の第１の面１１ａおよび第２の結晶１２の第２の面１２ｂを形成する。結晶２２の主表面２２ａと反対側の裏面２２ｂは、第１の結晶の第２の面１１ｂおよび第２の結晶１２の第１の面１２ａを形成する。
分割する方法は特に限定されないが、レーザ、ワイヤソーなどを用いることができる。レーザにより分割する場合には、加工精度を向上できる点で有利である。ワイヤソーを用いる場合には、コストを低減できる点で有利である。
これにより、図６に示すように、第２の面１１ｂから第１の面１１ａに向けた方向が正極である第１の結晶１１を形成できる。また第１の面１２ａから第２の面１２ｂに向けた方向が正極である第２の結晶１２を形成できる。
図７は、本実施の形態における結晶２２を分割する別の状態を概略的に示す斜視図である。図７に示すように、成長表面（主表面２２ａ）と交差する面（成長方向に沿った方向の面）が櫛型になるように、成長方向に沿って結晶２２を分割して、第１および第２の結晶１１、１２を形成してもよい。
また、結晶２２を分割する形状は図５および図７に示す櫛形に限定されない。図２に示すように、一方の面がのこぎり刃形状になるように結晶２２を分割してもよい。この場合は、加工が非常に容易である点で有利である。
次に、第１および第２の結晶１１、１２の少なくとも一方の表面をエッチングする。これにより、第１および第２の結晶１１、１２の少なくとも一方の表面の分極をより確実に形成することができる。エッチングは、ウエットエッチング、ドライエッチングのいずれであってもよい。
たとえば第１および第２の結晶１１、１２がＡｌＮの場合、ウエットエッチングとしてＫＯＨでエッチングすると、Ｎ元素のエッチングレートはＡｌ元素のエッチングレートよりも速いので、Ａｌ元素が終端の面を容易に形成することができる。またドライエッチングとしてＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）をすると、一方面をマスクとして、他方面にＡｌ元素が終端の面を容易に形成することができる。なお、このエッチングをする工程は省略されてもよい。
次に、第１および第２の結晶１１、１２の少なくとも一方の表面を研磨する。研磨をした表面は、分極をより確実に形成することができる。研磨する方法は特に限定されないが、たとえばＣＭＰ研磨（Chemical Mechanical Planarization：化学機械研磨）などを採用できる。なお、この研磨する工程は省略されてもよい。また、エッチングをする工程および研磨する工程のいずれか一方のみ実施してもよく、両方実施してもよい。両方実施する場合には、エッチングをする工程の前に研磨する工程を実施してもよい。
次に、光導波路１３に沿って第１および第２の結晶１１、１２の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たすように、第１および第２の結晶１１、１２を貼り合わせる。
具体的には、図５または図７のように分割した第１および第２の結晶１１、１２の一方のみを１８０°反転させ、櫛型の面を互いに対向させる。この状態で、第１および第２の結晶１１、１２を嵌合する。本実施の形態では、第１および第２の結晶１１、１２が櫛型またはのこぎり刃型であるので、第１の結晶１１の凸部と第２の結晶１２の凹部とを（第１の結晶１１の凹部と第２の結晶１２の凸部とを）互いに嵌め込む。その後、第１および第２の結晶１１、１２の界面１４の隙間がなくなるように、アニールなどを行ってもよい。
以上より、図１または図２に示すように、光導波路１３に沿って分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たした波長変換素子１０ａ、１０ｂを製造することができる。
続いて、波長変換素子１０ａ、１０ｂの動作について説明する。まず、波長変換素子１０ａ、１０ｂの光導波路１３の一方端１３ａから入射光１０１を入射させる。この入射光１０１は、第１および第２の結晶１１、１２の分極界面１４に垂直に入射させることが好ましい。この入射光１０１は、光導波路１３の他方端１３ｂに向けて光導波路１３を透過する。このとき、光導波路１３において擬似位相整合条件を満たした分極反転構造を有する第１および第２の結晶１１、１２で、入射光１０１の位相が変換される。そして、光導波路１３の他方端１３ｂから波長が変換された出射光１０２が出射される。これにより、特定波長の入射光１０１を、異なる波長の出射光１０２に変換することができる。
以上説明したように、本実施の形態における波長変換素子１０ａ、１０ｂは、光導波路１３を有し、光導波路１３の一方端１３ａ側から入射した入射光１０１の波長を変換して光導波路１３の他方端１３ｂ側から出射光１０２を出射させる波長変換素子であり、第１の結晶１１と、第１の結晶１１の屈折率との差が実質的にない第２の結晶１２とを備えている。第１および第２の結晶１１、１２は、光導波路１３に沿って分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たしている。
本実施の形態における波長変換素子１０ａ、１０ｂの製造方法は、結晶２２を成長させる工程と、結晶２２を分極が互いに反転するように２以上に分割することにより第１の結晶１１と第２の結晶１２とを形成する工程と、光導波路１３に沿って第１および第２の結晶１１、１２の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たすように、第１および第２の結晶１１、１２を嵌合する工程とを備えている。
本実施の形態における波長変換素子１０ａ、１０ｂおよびその製造方法によれば、１つの結晶２２から第１および第２の結晶１１、１２を分割することにより形成している。このため、第１および第２の結晶１１、１２の屈折率は同じである。この第１および第２の結晶１１、１２を嵌合して分極反転構造を形成しているので、入射光１０１が光導波路１３を透過するときに、光導波路１３における第１および第２の結晶１１、１２の界面１４での反射を抑制することができる。したがって、第１および第２の結晶１１、１２の界面１４での透過率のロスを低減できるので、光導波路１３の一方端１３ａから入射する入射光１０１の強度に対する他方端１３ｂから出射する出射光１０２の強度で表される透過率を向上した波長変換素子１０ａ、１０ｂを製造することができる。
また、第１および第２の結晶１１、１２を結晶２２から分割し、一方を反転して嵌合することで、波長変換素子１０ａ、１０ｂを製造することができる。このため、たとえばＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる第１および第２の結晶１１、１２を用いた波長変換素子１０ａ、１０ｂを容易に製造することができる。
（実施の形態２）
本実施の形態における波長変換素子は、図１または図２に示す実施の形態１の波長変換素子１０ａ、１０ｂとほぼ同様である。また、第１の結晶１１のみ極性を有しており、第２の結晶１２は極性を有していなくてもよい。
本実施の形態における波長変換素子は、図１または図２に示す実施の形態１の波長変換素子１０ａ、１０ｂとほぼ同様である。また、第１の結晶１１のみ極性を有しており、第２の結晶１２は極性を有していなくてもよい。
続いて、本実施の形態における波長変換素子１０ａ、１０ｂの製造方法について説明する。本実施の形態の波長変換素子１０ａ、１０ｂの製造方法は、基本的には実施の形態１と同様の構成を備えているが、第１の結晶１１を形成した結晶２２から形成した第２の結晶１２を用いていない点において異なる。
具体的には、実施の形態１と同様に、下地基板２１を準備する。次に、実施の形態１と同様に、第１の結晶１２（結晶２２）を成長させる。
次に、第１の結晶１１との屈折率の差が実質的にない第２の結晶１２を準備する。本実施の形態では、図６に示す第１の結晶１１を形成し、第１の結晶１１と分極反転構造を形成できる第２の結晶１２を準備する。
第２の結晶１２を準備する方法として、たとえば、図５または図７に示すように第１および第２の結晶１１、１２を複数形成することにより、第１の結晶１１を形成した結晶２２と別の結晶２２から形成された第２の結晶１２を準備する。あるいは、極性を有さないように結晶２２を成長させ、第１の結晶１１と嵌合するような形状に加工して、第２の結晶１２を準備してもよい。なお、第１および第２の結晶１１、１２は実質的に同じ組成であるので、屈折率の差は実質的にない。
この場合、結晶２２は同じ組成の下地基板２１上に形成されているので、同じ結晶２２から第１および第２の結晶１１、１２を形成していなくても、第１および第２の結晶１１、１２の転位密度を１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満に低減することができる。
次に、実施の形態１と同様に、光導波路１３に沿って第１および第２の結晶１１、１２の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たすように、第１および第２の結晶１１、１２を嵌合する。これにより、本実施の形態の波長変換素子１０ａ、１０ｂを製造することができる。
以上説明したように、本実施の形態における波長変換素子１０ａ、１０ｂの製造方法によれば、第１の結晶１１を準備する工程と、第１の結晶１１の屈折率との差が実質的にない第２の結晶１２を準備する工程とを備え、屈折率の差が実質的にない第１および第２の結晶１１、１２を嵌合させることにより分極反転構造を形成している。このため、他の結晶２２から第１および第２の結晶１１、１２を形成した場合であっても、入射光１０１が光導波路１３を透過するときに、光導波路１３における第１および第２の結晶１１、１２の界面１４での反射を抑制することができる。したがって、第１および第２の結晶１１、１２の界面１４での透過率のロスを低減できるので、透過率を向上した波長変換素子１０ａ、１０ｂを製造することができる。
特に、第１の結晶１１のみ分極させて、第２の結晶１２を他の材料で形成して、第１の結晶１１と第２の結晶１２とを嵌合させると、容易に波長変換素子１０ａ、１０ｂを製造できるので、有利である。
（実施の形態３）
図８は、本実施の形態における波長変換素子を概略的に示す斜視図である。図８に示すように、本実施の形態における波長変換素子１０ｄは、基本的には図１に示す実施の形態１の波長変換素子１０ａと同様の構成を備えているが、第２の結晶がアモルファス結晶１６である点において異なる。アモルファス結晶１６の屈折率は、第１の結晶１１の屈折率と実質的に差がなく、４００〜８００ｎｍの波長での第１の結晶１１の屈折率との差が０．００１以上０．１以下であることが好ましい。
図８は、本実施の形態における波長変換素子を概略的に示す斜視図である。図８に示すように、本実施の形態における波長変換素子１０ｄは、基本的には図１に示す実施の形態１の波長変換素子１０ａと同様の構成を備えているが、第２の結晶がアモルファス結晶１６である点において異なる。アモルファス結晶１６の屈折率は、第１の結晶１１の屈折率と実質的に差がなく、４００〜８００ｎｍの波長での第１の結晶１１の屈折率との差が０．００１以上０．１以下であることが好ましい。
本実施の形態では、第１の結晶１１は単結晶であることが好ましく、また１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満の転位密度を有していることが好ましい。
この第１の結晶１１の表面（第１の面１１ａ）には、図６および図８に示すように、規則的に配列した２以上の凸部１１ｃと凹部とが形成されている。この２以上の凸部１１ｃは、光導波路１３の延びる方向（入射光１０１が光導波路１３を透過する方向）と交差する方向に向けて同様の形状で突出している。図８に示すように、凸部１１ｃにおいて光導波路１３の壁面を構成する部分の幅Ｗ１１は、所定の大きさ以上であることが好ましい。所定の大きさとは、たとえば２６μｍ以上である。また、凸部において突出している角度θ１１は、９０°近傍であることが好ましい。
アモルファス結晶１６は、第１の結晶１１と同様の凸部と凹部とを有している。アモルファス結晶１６の凹部は第１の結晶１１の凸部１１ｃと接合されており、かつアモルファス結晶１６の凸部は第１の結晶１１の凹部と接合されている。
続いて、本実施の形態における波長変換素子の製造方法について説明する。まず、実施の形態１と同様に、下地基板２１を準備する。次に、下地基板２１上に、第１の結晶１１を成長させる。次に、第１の結晶１１の表面に規則的に配列した２以上の凸部を形成する。これらの工程では、たとえば実施の形態１と同様に、下地基板２１上に結晶２２を成長し、結晶２２から規則的に配列した２以上の凸部を有するように第１の結晶１１を分割する。これにより、図６に示すような第１の結晶１１を形成することができる。
図９は、本実施の形態におけるアモルファス結晶１６を成長させた状態を概略的に示す断面図である。次に、図９に示すように、第１の結晶１１の表面上に、第１の結晶１１との屈折率の差が実質的にないアモルファス結晶１６である第２の結晶を成長させる。この工程では、光導波路１３に沿って第１および第２の結晶１１、１２の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たすように、第１および第２の結晶１１、１２を形成する。
本実施の形態では、第１の結晶１１と同じ組成のアモルファス結晶１６である第２の結晶を成長させる。これにより、第１の結晶１１の屈折率との差が実質的にないアモルファス結晶１６を成長することができる。特に、特に、４００〜８００ｎｍの波長での第１の結晶の屈折率との差が０．００１以上０．１以下であるようにアモルファス結晶１６を成長させることが好ましい。なお、アモルファス結晶１６を成長させる方法は特に限定されない。
アモルファス結晶１６を成長させると、第１の結晶１１とアモルファス結晶１６との極性が反対方向になる。このため、分極反転構造を容易に形成することができる。これにより、図８に示す波長変換素子１０ｄを製造することができる。
以上説明したように、本実施の形態における波長変換素子１０ｄの製造方法によれば、第２の結晶として第１の結晶１１との屈折率の差が実施的にないアモルファス結晶１６を第１の結晶１１上に成長させている。これにより、第１の結晶１１と第２の結晶であるアモルファス結晶１６との屈折率の差は実質的にない。また第１の結晶１１およびアモルファス結晶１６を用いて分極構造を容易に形成することができる。このため、入射光１０１が光導波路１３を透過するときに、光導波路１３における第１の結晶１１とアモルファス結晶１６との界面での反射を抑制することができる。したがって、第１の結晶１１およびアモルファス結晶１６の界面での透過率のロスを低減できるので、透過率を向上した波長変換素子１０ｄを製造することができる。
本実施例では、結晶２２を分極が互いに反転するように２以上に分割することにより、第１の結晶１１および第２の結晶１２を形成する工程を備えることの効果について調べた。
（本発明例１および２）
本発明例１および２の波長変換素子は、基本的には実施の形態１にしたがって製造した。具体的には、まず、本発明例１および２の下地基板２１として、主表面２２ａが（００１）面であるＡｌＮ単結晶基板およびＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ単結晶基板をそれぞれ準備した。
本発明例１および２の波長変換素子は、基本的には実施の形態１にしたがって製造した。具体的には、まず、本発明例１および２の下地基板２１として、主表面２２ａが（００１）面であるＡｌＮ単結晶基板およびＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ単結晶基板をそれぞれ準備した。
次に、下地基板２１上に、下地基板２１と同じ組成の結晶２２を昇華法により成長させた。その後、結晶２２の表面にＣＭＰ研磨を施した。
次に、図７に示すように、結晶２２を分極が互いに反転するように２以上に分割して、櫛型の第１の結晶１１と第２の結晶１２とを形成した。第１および第２の結晶１１、１２は、それぞれ３８個形成した。なお、第１および第２の結晶１１、１２の凸部において光導波路１３の壁面を構成する部分の幅（第１の結晶１１の場合、図１６における幅Ｗ１１）は、２６．６μｍとした。
また得られた第１および第２の結晶１１、１２の転位密度を、ＫＯＨ−ＮａＯＨ（水酸化ナトリウム）を用いた溶融アルカリ・エッチング法によりそれぞれ測定した。その結果、本発明例１および２の第１および第２の結晶１１、１２の転位密度は１×１０3ｃｍ-2であった。
次に、第１および第２の結晶１１、１２を交互に３８周期嵌合した。これにより、図１に示すように、光導波路１３に沿って第１および第２の結晶１１、１２の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たしていた。これにより、本発明例１および２の波長変換素子１０ａを製造した。
（評価結果）
本発明例１、２の波長変換素子について、入射光として波長が１０６４ｎｍのＮｄ−ＹＡＧレーザー（ネオジウム・ヤグレーザー）を、第１および第２の結晶１１、１２の分極界面１４に垂直になるように光導波路１３に入射した。その結果、５３２ｎｍの波長の出射光１０２が出射された。
本発明例１、２の波長変換素子について、入射光として波長が１０６４ｎｍのＮｄ−ＹＡＧレーザー（ネオジウム・ヤグレーザー）を、第１および第２の結晶１１、１２の分極界面１４に垂直になるように光導波路１３に入射した。その結果、５３２ｎｍの波長の出射光１０２が出射された。
以上より、本発明例１および２では、同じ結晶２２から第１および第２の結晶１１、１２を形成しているので、第１および第２の結晶１１、１２の屈折率は同じであった。このため、本発明例１および２の波長変換素子では、入射した入射光１０１を光導波路１３で透過させて、波長が変換された出射光１０２として取り出すことができたことを確認した。
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、各実施の形態および実施例の特徴を適宜組み合わせることも当初から予定している。また、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１０ａ，１０ｂ，１０ｄ 波長変換素子、１１ 第１の結晶、１１ａ，１２ａ 第１の面、１１ｂ，１２ｂ 第２の面、１１ｃ 凸部、１２ 第２の結晶、１３ 光導波路、１３ａ 一方端、１３ｂ 他方端、１４，１５ 界面、１６ アモルファス結晶、２１ 下地基板、２１ａ，２２ａ 主表面、２２ 結晶、２２ｂ 裏面、２３ マスク層、１０１ 入射光、１０２ 出射光、Ｗ１１ 幅、θ１１ 角度。
Claims (9)
- 光導波路を有し、前記光導波路の一方端側から入射した入射光の波長を変換して前記光導波路の他方端側から出射光を出射させる波長変換素子の製造方法であって、
結晶を成長させる工程と、
前記結晶を分極が互いに反転するように２以上に分割することにより、第１の結晶および第２の結晶を形成する工程と、
前記光導波路に沿って前記第１および第２の結晶の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、前記分極反転構造は前記入射光に対して擬似位相整合条件を満たすように、前記第１および第２の結晶を嵌合する工程とを備えた、波長変換素子の製造方法。 - 前記第１および第２の結晶を形成する工程後に、前記第１および第２の結晶の少なくとも一方の表面をエッチングする工程をさらに備えた、請求項１に記載の波長変換素子の製造方法。
- 前記第１および第２の結晶を形成する工程後に、前記第１および第２の結晶の少なくとも一方の表面を研磨する工程をさらに備えた、請求項１または２に記載の波長変換素子の製造方法。
- 光導波路を有し、前記光導波路の一方端側から入射した入射光の波長を変換して前記光導波路の他方端側から出射光を出射させる波長変換素子の製造方法であって、
第１の結晶を準備する工程と、
前記第１の結晶との屈折率の差が実質的にない第２の結晶を準備する工程と、
前記光導波路に沿って前記第１および第２の結晶の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、前記分極反転構造は前記入射光に対して擬似位相整合条件を満たすように、前記第１および第２の結晶を嵌合する工程とを備えた、波長変換素子の製造方法。 - 光導波路を有し、前記光導波路の一方端側から入射した入射光の波長を変換して前記光導波路の他方端側から出射光を出射させる波長変換素子の製造方法であって、
第１の結晶を成長させる工程と、
前記第１の結晶の表面に規則的に配列した２以上の凸部を形成する工程と、
前記第１の結晶の前記表面上に、前記第１の結晶の屈折率との差が実質的にないアモルファス結晶である第２の結晶を成長させる工程とを備え、
前記第２の結晶を成長させる工程では、前記光導波路に沿って前記第１および第２の結晶の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、前記分極反転構造は前記入射光に対して擬似位相整合条件を満たすように、前記第１および第２の結晶を形成する、波長変換素子の製造方法。 - 前記第２の結晶を成長させる工程では、４００〜８００ｎｍの波長での前記第１の結晶の屈折率との差が０．００１以上０．１以下であるように前記第２の結晶を成長させる、請求項５に記載の波長変換素子の製造方法。
- 光導波路を有し、前記光導波路の一方端側から入射した入射光の波長を変換して前記光導波路の他方端側から出射光を出射させる波長変換素子であって、
第１の結晶と、
前記第１の結晶の屈折率との差が実質的にない第２の結晶とを備え、
前記第１および第２の結晶は、前記光導波路に沿って分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、前記分極反転構造は前記入射光に対して擬似位相整合条件を満たした、波長変換素子。 - 前記第１の結晶と前記第２の結晶とは嵌合されている、請求項７に記載の波長変換素子。
- 前記第１および第２の結晶は、規則的に配列した凸部と凹部とを有し、
前記第１の結晶の前記凸部と、第２の結晶の前記凹部とが接合されている、請求項７に記載の波長変換素子。
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