JP2502818B2 - 光波長変換素子 - Google Patents

光波長変換素子

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JP2502818B2 JP3016196A JP1619691A JP2502818B2 JP 2502818 B2 JP2502818 B2 JP 2502818B2 JP 3016196 A JP3016196 A JP 3016196A JP 1619691 A JP1619691 A JP 1619691A JP 2502818 B2 JP2502818 B2 JP 2502818B2
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和久 山本
博昭 山本
公典 水内
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、コヒーレント光を利用
する光情報処理分野、あるいは光応用計測制御分野に使
用する光波長変換素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図4に従来の光波長変換素子の構成図を
示す。以下1.06μmの波長の基本波に対する高調波発生
(波長0.53μm)について図を用いて詳しく述べる。
(E.J.Lim, M.M.Fejer, R.L.Byer , "Second harmonic
generationof blue and green light in periodically-
poled planar lithium niobate waveguides", In Topic
al Meeting Nonlinear Guided Wave Phenomena,PD3,198
9年、参照)。図4に示されるようにLiNbO3基板1には
光導波路2が形成され、さらに光導波路2には周期的に
分極の反転した層3(分極反転層)が形成されている。
基本波P1と発生する高調波P2の伝搬定数の不整合を
分極反転層3の周期構造で補償することにより高効率に
高調波を出すことができる。光導波路2の入射面10に
基本波P1を入射すると、光導波路2から高調波P2が
効率良く発生され、光波長変換素子として動作する。
【0003】このような従来の光波長変換素子は分極反
転構造を基本構成要素としていた。この素子の製造方法
について図5を用いて説明する。同図(a)で非線形光
学結晶であるLiNbO3基板1表面にSiO26のパター
ンをスパッタ蒸着とフォトリソグラフィーにより幅数μ
mの周期で形成していた。次に同図(b)で1100℃
程度の温度で熱処理を行いLiNbO3基板1と分極が反対向
きに反転した分極反転層3を形成した。次に同図(c)
で導波路のパターンを形成したあと、安息香酸(200
℃)中で30分熱処理を行った後350℃でアニールを
行い光導波路2を形成する。上記安息香酸処理により作
製される光波長変換素子は波長1.06μmの基本波P1に
対して、光導波路の長さを1mm、基本波P1のパワー
を1mWにしたとき高調波P2のパワー0.5nWが得
られていた。基本波が40mW入射したとすると800
nWの高調波出力が可能である。この場合1cmの素子
での変換効率は0.2%である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記のような分極反転
層を基本とした光波長変換素子では、例えば分極反転層
3と非分極反転層5とをたした分極反転構造の周期が3
μmのとき分極反転層3の深さ方向の厚みは1μmしか
ない。その理由としては分極反転層が三角形をしている
ためである。つまり、分極反転層の深さ方向の厚みを増
そうとした場合、SiO2膜6直下の分極反転層3は、深さ
方向だけでなく幅方向にも広がる。基板表面で隣の分極
反転層どうしが接触してしまうとそれ以上分極反転層は
広がらないので自ずから深さが決まってしまう。
【0005】また、分極反転層の深さを大きくしようと
して分極反転構造の周期を大きくすれば基板表面で分極
反転層は横方向につながってしまい、非分極反転層がな
くなり波長変換ができなくなってしまう。
【0006】光波長変換素子の変換効率は光導波路と、
分極反転層と非分極反転層で構成される分極反転構造と
の重なりが大きい程高く、分極反転層の厚みは大きいほ
ど望ましくなる。そのため光波長変換素子変換効率は分
極反転構造の深さが2μmあるとした場合に対して1μ
mでは1/5になっていた。
【0007】そこで、本発明は高調波を高効率で出力す
る光波長変換素子とその製造方法を提供することを目的
とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するため、LiNb x Ta (1-x) 3 (0≦x≦1)
結晶と、前記結晶表面に形成した光導波路と、前記光導
波路の伝搬方向に対し周期的な分極反転層とを有し、前
記光導波路上に基本波の波長に対し所定の屈折率をもつ
装荷層が形成され、前記光導波路に入射する基本波は、
前記装荷層によって前記装荷層側に一部移行しつつ前記
光導波路を伝搬し、前記基本波を高効率で高調波に変換
する光波長変換素子とする。
【0009】
【0010】
【作用】本発明の光波長変換素子は光導波路を伝搬する
基本波の導波モードの中心を装荷層側に寄せて分極反転
層との重なりを大きくすることにより高効率で高調波が
発生できる。また、本発明の光波長変換素子の製造方法
によれば、上記作用により高効率な光波長変換素子を簡
単に製造できる。
【0011】
【実施例】実施例の一つとして本発明の光波長変換素子
の構成を図面を用いて説明する。まず、本発明による光
波長変換素子の第1の実施例の構造図を図1に示す。こ
の実施例では分極反転型の光波長変換素子としてLiNbO3
基板1中にプロトン交換を用いて作製した光導波路2を
用いたものである。図1で1は+Z板(Z軸と垂直に切
り出された基板の+側)のLiNbO3基板、2は基板1表面
に形成された光導波路、3は分極反転層、10は基本波
P1の入射部、12は高調波P2の出射部、15は光導
波路上に形成された装荷層である。光導波路2に入った
基本波P1は位相整合長Lの長さを持った分極反転層で
高調波P2に変換され、次の同じくLの長さを持った非
分極反転層で高調波パワーは増す事になる。このように
して光導波路2内でパワーを増した高調波P2は出射部
12より放射される。次にこの光波長変換素子の製造方
法について図面を使って説明する。図2(a)でまずLi
NbO3基板1に通常のフォトプロセスとドライエッチング
を用いてSiO26をパターニングする。次に同図(b)で
SiO2が形成されたLiNbO3基板1に1080℃、90分間
熱処理を行いSiO26直下に厚み1μmの分極反転層
3を形成する。熱処理の上昇レートは10℃/分、冷却
レートは50℃/分である。冷却レートが遅いと不均一
反転が生じるので30℃/分以上が望ましい。SiO26直
下はLiが減少しておりキュリー温度が低下するため部
分的に分極反転ができる。分極反転層3の長さLは1.
5μmである。次に同図(c)でHF:HNF3の1:1
混合液にて20分間エッチングしSiO26を除去す
る。次にLiNbO3基板1にプロトン交換を用いて光導波路
2を形成する。光導波路2用マスクとしてTaをストラ
イプ状にパターニングを行った後、Taマスクに幅6μ
m、長さ12mmのスリットが形成されたものに230
℃、2分間プロトン交換を行った。次にマスクを除去し
た後350℃で1時間アニールを行った。アニール処理
により均一化されロスが減少した上にプロトン交換層に
非線形性が戻る。プロトン交換された保護マスクのスリ
ット直下の領域は屈折率が0.03程度上昇した高屈折
率層2となる。光は高屈折率層2を伝搬し、これが光導
波路2となる。最後に同図(d)でこの光導波路上にス
パッタ蒸着によりTa25による装荷膜15を3000
A形成する。Ta25の屈折率は基本波の波長に対して
2.1である。
【0012】上記のような工程により装荷層付き光波長
変換素子が製造された。この光導波路2の厚みdは2μ
mであり分極反転層3の厚み1μmに比べ大きく装荷層
がなければ有効に波長変換されない。図3に従来の装荷
層なしの場合と本発明との構造および導波モードと分極
反転層の重なりを示す。同図(a)は従来の装荷層なしの
場合で、分極反転層で高調波に変換されるのは導波する
光の半分程度しかないために高調波な出力は低くなって
しまう。本発明では同図(b)に示されるように導波路の
上に装荷層をつけることによって導波する光の大部分が
分極反転層を通るので入射基本波は効率よく高調波に変
換される。分極反転層3の周期は3μmであり波長0.
84nmに対しては温度50℃で動作する。また、この
光導波路2の非分極反転層4と分極反転層3の屈折率変
化はなく、光が導波する場合の伝搬損失は小さい。光導
波路2に垂直な面を光学研磨し入射部10および出射部
12を形成した。このようにして図1に示される光波長
変換素子が製造できる。また、この素子の長さは10m
mである。図1で基本波P1として半導体レーザ光(波
長0.84μm)を入射部10より導波させたところシ
ングルモード伝搬し、波長0.42μmの高調波P2が
出射部12より基板外部に取り出された。光導波路2の
伝搬損失は0.5dB/cmと小さく高調波P2が有効に取
り出された。低損失化の原因の1つとして燐酸により均
一な光導波路が形成されたことがある。基本波40mW
の入力で2mWの高調波(波長0.42μm)を得た。
この場合の変換効率は5%である。本発明で0.65〜
1.6μmの波長の基本波を用いて本光波長変換素子に
よる高調波発生を確認した。
【0013】次に本発明の光波長変換素子の第2の実施
例を説明する。ここで光波長変換素子の構成は実施例1
と同様である。本実施例ではLiNbO3基板に比べて光損傷
に強いMgOドープのLiNbO3を用い1100℃で熱処理
し分極反転層を形成した。LiNbO3に比べて処理温度が高
いのはキュリー温度がMgOドープすることにより80
℃程度高いためである。又、光導波路には分極反転層の
形成時の熱処理温度に比べて低温処理が可能であるプロ
トン交換光導波路を用いた。装荷層としては基本波の波
長に対する屈折率2.4のTiO2膜を2000A付加
した。変換効率は40mW入力で3%であった。
【0014】次に本発明の光波長変換素子の第3の実施
例を説明する。光波長変換素子の構成は実施例1と同様
である。本実施例ではLiNbO3基板の代わりにLiTaO3を基
板として用いた。LiTaO3はキュリー温度が620℃と低
く低温で分極反転処理が可能である。光導波路2は燐酸
中でのプロトン交換により作製しその厚みは1.5μ
m、幅4μm、長さは2cmである。LiTaO3基板1aに
プロトン交換により作製される光導波路は非線形性が大
きいためアニール処理を行う必要がない。分極反転の周
期は3.8μm、厚みは3.5μmであった。装荷層は
屈折率2.1のTa25を4000Aスパッタ蒸着し
た。波長840nmに対しての動作点は65℃である。
この実施例での変換効率は40mW入力で5%である。
光損傷はなく高調波出力は非常に安定していた。
【0015】なお実施例では非線形光学結晶としてLiNb
O3、LiTaO3を用いたがKNbO3、KTP等の強誘電体、M
NA等の有機材料にも適用可能である。また、実施例で
はTa25、TiO2を用いたが装荷層の屈折率が基板
に近い2.1から2.4の間であれば装荷層へのしみだ
しが大きく特に有効である。
【0016】
【発明の効果】以上説明したように本発明の光波長変換
素子によれば、分極反転層を持つ光波長変換素子の光導
波路上に装荷層を設け伝搬する基本波のモードを装荷層
側に移行させることにより分極反転層との重なりを大き
くできる。これにより従来の光波長変換素子に比べて大
幅に高調波出力の向上を図ることができる。
【0017】また、本発明の光波長変換素子の製造方法
により簡単に高効率な光波長変換素子が作製でき、その
実用的効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光波長変換素子の第1の実施例の構造
図である。
【図2】本発明の光波長変換素子の光波長変換素子の製
造工程断面図である。
【図3】従来の光波長変換素子と本発明の光波長変換素
子の構造断面図および基本波の導波モードを示す図であ
る。
【図4】従来の光波長変換素子の構成図である。
【図5】従来の光波長変換素子の製造工程断面図であ
る。
【符号の説明】
1 LiNbO3基板 2 光導波路 3 分極反転層 15 装荷層 P1 基本波 P2 高調波
フロントページの続き (72)発明者 谷内 哲夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−63026(JP,A) 特開 昭60−14222(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 LiNb x Ta (1-x) 3 (0≦x≦1)
    結晶と、 前記結晶表面に形成した光導波路と、 前記光導波路の伝搬方向に対し周期的な分極反転層とを
    有し、 前記光導波路上に基本波の波長に対し所定の屈折率をも
    つ装荷層が形成され、 前記光導波路に入射する基本波は、前記装荷層によって
    前記装荷層側に一部移行しつつ前記光導波路を伝搬し、
    前記基本波を高効率で高調波に変換する ことを特徴とす
    る光波長変換素子。
  2. 【請求項2】 前記装荷層の屈折率が、屈折率が基本波
    の波長に対し2.1〜2.4の範囲にあることを特徴と
    する請求項1に記載の光波長変換素子
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