JP2010224235A

JP2010224235A - 波長変換素子

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Publication number: JP2010224235A
Application number: JP2009071647A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yoshino; 隆史吉野
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2009-03-24
Publication date: 2010-10-07
Also published as: US20100245985A1; DE102010009880A1

Abstract

【課題】強誘電性単結晶からなるＺ板からなり、周期分極反転構造が形成された波長変換素子において、素子の加熱、冷却時の異常放電発生によるＺ板内のクラックを防止し、これによる変換効率の低下を防止することである。
【解決手段】波長変換用基板１は、強誘電性単結晶からなるＺ板からなり、周期分極反転構造２が形成されており、基本光１５の入射面１ｃ、波長変換光の出射面１ｄ、＋Ｚ面１ａおよび−Ｚ面１ｂを備えている。波長変換素子２０Ａは、波長変換用基板１、波長変換用基板１の＋Ｚ面１ａに接触するように形成された第一の導電層６Ａ、および波長変換用基板１の−Ｚ面１ｂに接触するように形成された第二の導電層６Ｂを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、周期分極反転構造を用いた波長変換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。

本出願人は、特許文献１において、ファブリーペロー型ブロードエリア半導体レーザ発振素子からの出力光を、非線形光学結晶からなるスラブ光導波路に対して基本波として入射させ、スラブ光導波路から青色レーザ光を出力させることを開示した。ここで、スラブ光導波路は、ニオブ酸リチウムカリウムなどの非線型光学単結晶のＺ板を薄く研磨して作製する。

非特許文献１では、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム単結晶のＺ板の中に周期分極反転構造を形成し、波長１０６４ｎｍの基本波を入射させ、第二高調波を出力させている。

非特許文献２では、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム単結晶基板に周期分極反転構造をコロナ帯電法によって形成し、青色の第二高調波を出力している。

特開２００５−５５５２８

「三菱電線工業時報」第100号、35-40頁「高効率導波路型グリーンＳＨＧ素子の開発」「FUJIFILMRESEARCH & DEVELOPMENT」No.48- 2003, 22-27頁「反転ドメイン波長変換技術の開発とその応用」

図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、バルク型周期分極反転素子１０は、Ｚ板１の＋Ｚ面１ａと−Ｚ面１ｂとの間にパルス電圧を印加して、周期分極反転部分４を一定周期で形成する。３はドメイン非反転部分である。入射面１ｃから基本波１５を入射させると、基本波は周期分極反転構造２で波長変換を受け、出射面１ｄから矢印５のように出射する。理想的には、分極反転部４が基板＋Ｚと−Ｚ面との間で貫通していることが好ましい。

しかし、このようなバルク型周期分極反転素子の場合、作製プロセス中の熱処理時や、作製後の熱サイクル試験時に、焦電効果による放電が生じ、その衝撃でクラックが発生し、波長変換効率が低下することがあった。

例えば、素子の端面を光学研磨し、端面上に反射防止膜を形成する必要がある。この際には、複数個の素子を積み重ね、保持した状態で、複数の素子の端面を同時にまとめて研磨する。このとき素子を治具上にワックスなどで加熱し、接着するが、焦電によってクラックが発生することがあった。

この理由について検討したところ、電圧印加法によって、図１のように周期分極反転構造２を形成した後に、基板の+Z面１ａや-Z面１ｂの各表面に、例えば図３のように分極反転が形成されない部分１２Ａ、１２Ｂが発生する。例えば図５は＋Ｚ面を示す写真であるが、一部分において、表面に反転されていない反転不良（周期不良）部が残っていることが、白っぽい欠陥として観察できる。

本発明者は、この反転不良部について更に検討した。図６には、まず反転不良がない領域の状態を示す。図６に示す基板の上側は＋Ｚ面であり、下側は−Ｚ面である。分極反転部分が基板の＋Ｚ面（上面）から−Ｚ面（下面）まで貫通しており、表面まで到達していることがわかる。この場合には表面領域に反転不良部がない。

図７には、図５の反転不良部の断面を示す。基板の上側は＋Ｚ面であり、下側は−Ｚ面である。分極反転部分は、基板の内部に形成されているが、ところどころに反転不良部分が見られる。しかし、基板内部における波長変換は十分に行える程度の不良であった。ところが、基板の＋Ｚ面（上面）の近く、−Ｚ面（下面）の近くは反転不良となっており、反転部分が表面まで到達していない。この結果、図５に示すように、表面領域では反転不良が現れる。

このような反転不良部分が基板の表面領域に残っていても、波長変換にはさほど影響はないはずであった。しかし、実際には、前述したような製造時の加熱、冷却や、製造後の熱サイクル時に、基板表面の反転不良部に電荷が蓄積され、異常放電が生じ、この結果、図８に示すように表面に放電痕が生じ、基板にクラックが発生することを突き止めた。

本発明の課題は、強誘電性単結晶からなるＺ板からなり、周期分極反転構造が形成された波長変換素子において、素子の加熱、冷却時の異常放電発生によるＺ板内のクラックを防止し、これによる変換効率の低下を防止することである。

本発明に係る波長変換素子は、強誘電性単結晶からなるＺ板からなり、周期分極反転構造が形成されており、基本光の入射面、波長変換光の出射面、＋Ｚ面および−Ｚ面を備えている波長変換用基板、
この波長変換用基板の＋Ｚ面に接触するように形成された第一の導電層、および
波長変換用基板の−Ｚ面に接触するように形成された第二の導電層
を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、周期分極反転構造が形成されているＺ板の＋Ｚ面上と−Ｚ面上とにそれぞれ導電層を形成することで、＋Ｚ面、−Ｚ面の表面領域において反転不良部が発生しても、次の加熱、冷却時に反転不良部からの異常放電によるクラックを防止でき、これによる変換効率の低下を防止できる。また、表面領域において反転不良部が存在していても、それ自体による変換効率の低下は見られないことがわかった。

（ａ）は、Ｚ板を用いたバルク型波長変換素子１０を模式的に示す正面図であり、（ｂ）は、素子１０を模式的に示す上面図であり、（ｃ）は、分極反転部４と非反転部３とを拡大して示す図である。本発明の実施形態に係る波長変換素子２０Ａを模式的に示す正面図である。（ａ）は、本発明の他の実施形態に係る波長変換素子２０Ｂを模式的に示す正面図であり、（ｂ）は、素子２０Ｂの上面図である。波長変換用基板に対して支持基板９を接着した素子２０Ｃを模式的に示す正面図である。波長変換用基板の＋Ｚ面に現れた分極反転の良好部と反転不良部とを示す写真である。波長変換用基板の＋Ｚ面から−Ｚ面に到る周期分極反転構造を示す写真であり、＋Ｚ面から−Ｚ面へと反転部が貫通している。波長変換用基板の＋Ｚ面から−Ｚ面に到る周期分極反転構造を示す写真であり、＋Ｚ面の近く、−Ｚ面の近くでは反転不良が生じている。波長変換素子を加熱・冷却した後に基板表面に生じた、異常放電に起因するクラックを示す写真である。

図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、バルク型周期分極反転素子１０は、光軸調整を簡単にするために、通常は厚さＴ＝0.3mm以上の厚さのＺ板１を使用し、その＋Ｚ面１ａと−Ｚ面１ｂとの間にパルス電圧を印加して、周期分極反転部分４を一定周期で形成する。Ｚ板とは、分極反転方向が、基板の上面から下面へと向かって延びる基板のことである。３はドメイン非反転部分である。１ｅ、１ｆは側面である。

入射面１ｃから基本波１５を入射させると、基本波は周期分極反転構造２で波長変換を受け、出射面１ｄから矢印５のように出射する。理想的には、分極反転部４が基板の＋Ｚ面と−Ｚ面との間で貫通していることが好ましい。また、基板の厚み方向の全域で、図１（ｃ）に示すように、分極反転部４の幅Ａと非反転部３の幅Ｂとの比率（デューティ比）が１：１になることが、変換効率の点で好ましい。

しかし、現実の波長変換用基板においては、例えば図２に示すように、各分極反転部分４Ａが、基板内部には形成されているが、＋Ｚ面１ａ、−Ｚ面１ｂに達しない。このため、＋Ｚ面１ａの近傍、−Ｚ面１ｂの近傍に、それぞれ反転不良部１２Ａ、１２Ｂが生成する。素子を加熱・冷却した時に、こうした表面近傍の反転不良部１２Ａ、１２Ｂから異常放電が発生し、基板にクラックを生じさせる。

このため、本発明に従い、波長変換用基板１の＋Ｚ面１ａ上に導電膜６Ａを形成し、−Ｚ面１ｂ上に導電膜６Ｂを形成する。ここで、導電膜６Ａ、６Ｂは、それぞれ、＋Ｚ面、−Ｚ面に接触させる。導電膜と＋Ｚ面、−Ｚ面との間に絶縁膜が介在すると、前記したクラック防止効果が得られないことがわかった。

また、＋Ｚ面上の導電膜と−Ｚ面上の導電膜とは、互いに短絡しなくとも、前記クラック防止効果が得られることを確認した。従って、本発明では、各導電膜を短絡しないことが、より好ましい。

図３（ａ）、（ｂ）の素子２０Ｂでは、強誘電性単結晶からなるＺ板１の中に、＋Ｚ面１ａから−Ｚ面１ｂへと向かって延びる分極反転部４が、一定周期で形成されている。隣接する分極反転部４の間には、それぞれ、非分極反転部３が残されている。分極反転部４と非分極反転部３とを交互に一定周期で多数形成することによって、周期分極反転構造２が形成されている。

図３の例では、一部の分極反転部４Ａについて、＋Ｚ面１ａの近傍、−Ｚ面１ｂの近傍に、それぞれ反転不良部１２Ａ、１２Ｂが生成している。このため、本発明に従い、波長変換用基板１のＺ面１ａ上に導電膜６Ａを形成し、−Ｚ面１ｂ上に導電膜６Ｂを形成している。

なお、強誘電性単結晶からなる波長変換用基板１が、Ｚ板ではなく、Ｘ板、オフセットＸ板の場合には、加熱・冷却時に、表面近傍の反転部からの異常放電が発生せず、前記した光導波路での伝搬損失が生じない。つまり、本発明は、上記した特定の構造に特有の問題点を発見したことに基づく発明であり、この点で進歩性を有する。

本発明では、波長変換用基板１の厚さＴ（図１、図３参照）を５０μｍ以上とすることが好ましい。これを１００μｍ以上とすることによって、基本波を導波路に入射する事が容易になり、基本波の結合効率が上がる。この観点からは、波長変換用基板２の厚さは、３００μｍ以上とすることが更に好ましい。

また、波長変換用基板の厚さＴを１０００μｍ以下とすることによって、導波光のエネルギー密度を高め、変換効率を向上させることができる。この観点からは、波長変換用基板の厚さを５００μｍ以下とすることが更に好ましい。

波長変換用基板を構成する強誘電性単結晶は、光の変調が可能であれば特に限定されないが、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、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶、Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５、Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４などを例示することができる。

強誘電体単結晶中には、光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。強誘電体単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。

導電膜の材質は、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。

導電膜は、＋Ｚ面、−Ｚ面の９０％以上を被覆していることが好ましく、全面を被覆していてよい。

また、好適な実施形態においては、図４に示すように、前記した素子を支持基板９に対して接着層８を介して接着できる。

支持基板の材質は、波長変換用基板の材質との熱膨張率差が、波長変換用基板の熱膨張率の１０％以下であることが好ましい。具体的には、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、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶、Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５、Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４などを例示することができる。

波長変換用基板を支持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、波長変換用基板と支持基板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、波長変換用基板と支持基板との間に介在させ、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。

製造時には、例えば波長変換用基板１に各導電膜を形成した後、複数の素子を積層し、一体に保持した状態で、定盤に対してワックスなどで固定し、各端面を光学研磨する。

（比較例１）
図１に示すような第二高調波発生素子１０を作製した。
具体的には、厚さＴ＝0.5mmのＭｇＯ５％ドープニオブ酸リチウムZ基板１上に、電圧印加法によって、周期6.9μｍの周期分極反転構造２を形成した。得られた波長変換用基板１ををダイサーで長さＬ＝20mm、幅Ｗ＝３.0mmのバー形状に切断した。

次いで、切断後の素子１０を５枚重ねて、熱軟化性ワックスで治具に固定した。その際の加熱温度は９０℃であった。その後、各素子の端面を同時に研磨し、再度９０℃まで加熱して固定用ワックスを軟化させ、素子１０を治具から取り外した。

この後、基板の＋Ｚ面１ａ、−Ｚ面１ｂを観察した結果、両面に、図８に示すような直径約100ミクロンの放電痕が数カ所見られた。また、放電痕の近傍では、図５、図７に示すような反転不良が見られた。

素子切断後に、同様に１Wの1064nmの波長のレーザー光を入射し位相整合させた結果、3mWの532nmの出力が得られた。本素子を端面から観察した結果、放電箇所に於いて、深さ約200umのクラックが発生している事が判明した。本素子を温度サイクル試験にかけたところ、２００サイクル後で特性を再測定した結果、532nmの出力は1mWに低下した。

本素子を厚み250umになるように表面から研磨し、エッチングにより反転状態を観察したところ、約30%の面積で反転周期が乱れていた。

（実施例１）
図３に示す第二高調波発生素子２０Ｂを作製した。
具体的には、厚さＴ＝0.5mmのＭｇＯ５％ドープニオブ酸リチウムZ板１に、周期6.9μｍの周期分極反転構造２を形成した。この基板の＋Ｚ面および−Ｚ面に、それぞれ、厚さ３００ｎｍのアルミニウム膜６Ａ、６Ｂをスパッタ法により成膜した。本基板をダイサーで長さＬ＝20mm、幅３.0mmのバー形状に切断し、素子２０Ｂを得た。

切断した素子を５枚重ねて、熱軟化性ワックスで治具に固定した。その際の加熱温度は９０℃であった。その後、各素子の端面を同時に研磨し、再度９０℃まで加熱して固定用ワックスを軟化させ、素子を取り外した。このバー材を洗浄後、入射側に1064nmと532nmの波長の反射防止膜を施した。

このバー材を幅Ｗ＝2mmの素子に切断後、NdドープYAGレーザー（波長1064nm）の光を入射した。素子の温度を調整して位相整合状態にして、１Wの入射光量で１０ｍWの532nmのレーザー出力が得られた。本素子を-40℃／８０℃の温度サイクル試験にかけたところ、５００サイクル後でも異常は見られなかった。

この素子の表面には、図５、図７に示すような反転不良部は観察されたが、図８に示すような放電痕は観察されなかった。

１波長変換用基板１ａ＋Ｚ面１ｂ −Ｚ面１ｃ入射面１ｄ出射面２周期分極反転構造３非反転部４分極反転部５波長変換光６Ａ、６Ｂ導電膜１０、２０Ａ、２０Ｂ波長変換素子１２Ａ、１２Ｂ反転不良部１５基本波

Claims

強誘電性単結晶からなるＺ板からなり、周期分極反転構造が形成されており、基本光の入射面、波長変換光の出射面、＋Ｚ面および−Ｚ面を備えている波長変換用基板、
この波長変換用基板の前記＋Ｚ面に接触するように形成された第一の導電層、および
前記波長変換用基板の前記−Ｚ面に接触するように形成された第二の導電層
を備えていることを特徴とする、波長変換素子。
前記第一の導電層と前記第二の導電層とが短絡されていないことを特徴とする、請求項１記載の波長変換素子。
支持基板、およびこの支持基板を前記第一の導電層または前記第二の導電層に対して接着する接着層を備えていることを特徴とする、請求項１または２記載の波長変換素子。