JP2945107B2 - Optical wavelength conversion element and method of manufacturing the same - Google Patents

Optical wavelength conversion element and method of manufacturing the same

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JP2945107B2 JP23837890A JP23837890A JP2945107B2 JP 2945107 B2 JP2945107 B2 JP 2945107B2 JP 23837890 A JP23837890 A JP 23837890A JP 23837890 A JP23837890 A JP 23837890A JP 2945107 B2 JP2945107 B2 JP 2945107B2
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【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、第2高調波発生素子、青色発光素子等とし
て用いられる光波長変換素子及びその製造方法に関す
る。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical wavelength conversion element used as a second harmonic generation element, a blue light emitting element, and the like, and a method for manufacturing the same.

従来の技術 第2高調波発生(SHG=セカンド・ハーモニック・ジ
ェネレーション)素子とは、非線形光学効果を有する光
学結晶材料の非線形光学効果を利用して、波長λのレー
ザ光をλ/2の波長光に変換する素子である。よって、出
射光の波長が入射光の1/2となり、記録密度を4倍にで
きるため、光ディスクを始めとして、CDプレーヤ、レー
ザプリンタ、フォトリソグラフィ等に応用されつつあ
る。
2. Description of the Related Art A second harmonic generation (SHG = second harmonic generation) element utilizes a nonlinear optical effect of an optical crystal material having a nonlinear optical effect to convert a laser beam having a wavelength of λ into a light beam having a wavelength of λ / 2. Is an element for converting to Therefore, the wavelength of the emitted light becomes の of that of the incident light, and the recording density can be quadrupled, so that it is being applied to optical discs, CD players, laser printers, photolithography and the like.

ここに、このようなSHG素子として小型、直接変調等
の要求に応えるため、入力光源として半導体レーザが主
流となりつつある。このような半導体レーザを光源とす
る場合、高い変換効率を得る必要上、薄膜導波路構造の
SHG素子が用いられる。良質な光導波路を形成できる非
線形光学効果を持つ光学結晶材料としては、一般にLiNb
O3が最適と考えられている。しかし、LiNbO3単結晶で
は、0.82〜0.84μmなる半導体レーザの光源波長では位
相整合(位相整合とは、入射レーザ光の光導波路中での
屈折率=実効屈折率と、第2高調波光の実効屈折率とが
一致することをいう)が不可能なことが報告されてい
る。これは、LiNbO3の場合入射光の周波数ωでの常光屈
折率no ω=2.253、出射光の周波数2ωでの異常光屈折
率ne 2ω=2.282となり、位相整合のための必要条件(n
o ω=ne 2ω)を満たさないためである。
Here, semiconductor lasers are becoming the mainstream as an input light source in order to meet the requirements of such SHG elements such as small size, direct modulation and the like. When such a semiconductor laser is used as a light source, it is necessary to obtain high conversion efficiency.
SHG elements are used. As an optical crystal material having a nonlinear optical effect capable of forming a high-quality optical waveguide, LiNb is generally used.
O 3 is considered optimal. However, in the LiNbO 3 single crystal, phase matching is performed at a light source wavelength of a semiconductor laser of 0.82 to 0.84 μm (phase matching is a refractive index of an incident laser light in an optical waveguide = an effective refractive index and an effective refractive index of a second harmonic light). (Meaning that the refractive index matches the refractive index) is reported to be impossible. This is the ordinary refractive index n o ω = 2.253 at the frequency omega of the case where the incident light of LiNbO 3, extraordinary refractive index n e = 2.282 next at frequency 2 [omega of the emitted light, the requirement for phase matching (n
This is because the o ω = n e 2ω) does not meet the.

このようなことから、例えば特開平2−12135号公報
によれば、波長0.82〜0.84μmのレーザ光を基本光と
し、LiTaO3単結晶基板上に3.7〜9.0μmのLiNbO3導波層
を形成した2層構造とし、結晶軸に対し0〜35゜の角度
で入射させることによりSHGの位相整合をとるようにし
たものがある。
For this reason, for example, according to JP-A-2-12135, a laser beam having a wavelength of 0.82 to 0.84 μm is used as a basic light, and a 3.7 to 9.0 μm LiNbO 3 waveguide layer is formed on a LiTaO 3 single crystal substrate. There is a structure in which the SHG is phase-matched by making the light incident at an angle of 0 to 35 ° with respect to the crystal axis.

また、電子情報通信学会 技術研究報告・MW89−144
の「LD光源を用いた導波型SHG素子の出力特性」によれ
ば、LiTaO3単結晶基板上にLiNbO3薄膜を形成し、さら
に、その上にMgOドープのLiNbO3層を形成した3層構造
とし、基本波長0.83μmの半導体レーザ光をSHG変換す
るようにしたものが示されている。
IEICE Technical Report MW89-144
According to the “Output Characteristics of Waveguide SHG Device Using LD Light Source”, a three-layer structure in which a LiNbO 3 thin film is formed on a LiTaO 3 single crystal substrate, and a MgO-doped LiNbO 3 layer is further formed thereon The figure shows a structure in which semiconductor laser light having a fundamental wavelength of 0.83 μm is subjected to SHG conversion.

発明が解決しようとする課題 前者の公報方式によれば、LiNbO3導波層の膜厚を変え
ることにより導波路の実効的屈折率を変えることができ
る。光の導波に際しては、z軸(光学軸)に対して位相
整合の可能な角度で光を入射させることにより、位相整
合条件を満足する状態が存在し、SHGが実現される。と
ころが、厳しい角度整合精度が要求されるものであり、
温度、波長等の変動に対して弱いという欠点がある。
According to the former publication, the effective refractive index of the waveguide can be changed by changing the thickness of the LiNbO 3 waveguide layer. At the time of guiding light, a state where the phase matching condition is satisfied exists by injecting light at an angle capable of phase matching with respect to the z axis (optical axis), and SHG is realized. However, strict angular alignment accuracy is required,
There is a disadvantage that it is weak against fluctuations in temperature, wavelength, and the like.

一方、後者の文献方式の場合、MgOドープのLiNbO3
は元々位相整合条件を満たすように作製した導波路であ
り、SHG特性を有している。ところが、位相整合条件を
満足するための膜厚制御とその精度が非常に難しい。よ
って、前者の場合と同様に、温度、波長等の変動に対し
て弱いという欠点を持つ。
On the other hand, in the case of the latter literature method, the MgO-doped LiNbO 3 layer is a waveguide originally manufactured to satisfy the phase matching condition, and has SHG characteristics. However, it is very difficult to control the film thickness to satisfy the phase matching condition and its accuracy. Therefore, as in the former case, there is a drawback that it is weak against fluctuations in temperature, wavelength, and the like.

よって、これらの従来方式による場合、SHG変換効率
が各種変動の影響を大きく受けるため、現実には数%程
度の変換効率しか持たない不十分なものである。
Therefore, in the case of these conventional methods, since the SHG conversion efficiency is greatly affected by various fluctuations, the conversion efficiency is actually insufficient, having only about several%.

課題を解決するための手段 非線形光学効果を有する光導波路を用いた光波長変換
素子において、LiTaxNb1-xO3単結晶基板(但し、0≦x
≦1)による第1層上に、組成比の異なるLiTayNb1-yO3
単結晶(但し、0≦y≦1、かつ、x<y)による第2
層とLiTazNb1-zO3単結晶(但し、0≦z≦1、かつ、z
<y)による第3層とによる導波層を積層形成した3層
構造とし、入射光の周波数ωでの常光屈折率をno ω
し、出射光の周波数2ωでの異常光屈折率をne 2ωとし
たとき、前記第2層と前記第3層とを 0<(ne 2ω−no ω)(第2層)≒(no ω−ne 2ω)(第3層)≦0.01 なる条件を満たすように形成した。
Means for Solving the Problems In an optical wavelength conversion device using an optical waveguide having a nonlinear optical effect, a LiTa x Nb 1-x O 3 single crystal substrate (where 0 ≦ x
≦ 1) on the first layer, LiTa y Nb 1-y O 3 having different composition ratios
Second single crystal (0 ≦ y ≦ 1 and x <y)
Layer and LiTa z Nb 1-z O 3 single crystal (provided that 0 ≦ z ≦ 1 and z
<Y) has a three-layer structure in which a waveguide layer is laminated with a third layer, the ordinary light refractive index at the frequency ω of the incident light is n o ω, and the extraordinary light refractive index at the frequency 2ω of the outgoing light is n. when the e 2 [omega, the second layer and a third layer 0 <(n e 2ω -n o ω) ( second layer) ≒ (n o ω -n e 2ω) ( third layer) ≦ 0.01 It was formed so as to satisfy the following conditions.

この場合、第1層、第2層及び第3層の各層に少なく
ともMgOをドープさせるとともに、第3層にLi,Be,Na,N
i,Ti,V,Nd,Cr,K,Ca,Sr,Ce,Baの元素の内の少なくとも一
つの元素をドープさせた。
In this case, at least MgO is doped into each of the first layer, the second layer, and the third layer, and Li, Be, Na, and N are added to the third layer.
At least one of the elements i, Ti, V, Nd, Cr, K, Ca, Sr, Ce and Ba was doped.

このような光波長変換素子の製造方法として、第1層
上に、少なくとも第2層と第3層とを液相成長法により
形成し、第3層に対してイオン注入法、スパッタリング
法、拡散法又はレーザアブレーション法の何れかのドー
ピング法により第2層と第3層とが所望の屈折率分布関
係を持つ状態に所望の元素をドープさせるようにした。
As a method for manufacturing such an optical wavelength conversion element, at least a second layer and a third layer are formed on a first layer by a liquid phase growth method, and an ion implantation method, a sputtering method, and a diffusion method are performed on the third layer. The second element and the third layer are doped with a desired element so that the second layer and the third layer have a desired refractive index distribution relationship by any one of a doping method of a laser ablation method or a laser ablation method.

作用 LiTaxNb1-xO3単結晶基板による第1層に対して、組成
比を異ならせたLiTayNb1-yO3単結晶による第2層とLiTa
zNb1-zO3単結晶による第3層とによる導波層を積層させ
た3層構造において、第2層と第3層とにおける入射光
の周波数ωでの常光屈折率と出射光の周波数2ωでの異
常光屈折率とが所定の関係式を満足すると、第2高調波
発生のための位相整合条件を満たす。このような条件を
満たすように第2,3層の屈折率を微妙に制御すること
は、請求項3記載の発明のようなイオン注入法等のドー
ピング法により容易である。よって、作製容易にして高
変換効率を持つ温度等の変動に強い高信頼性の第2高調
波発生素子が実現でき、波長0.8μm程度なる半導体レ
ーザでの角度整合等の不要な直接的な第2高調波発生が
可能ともなる。
Action The second layer of LiTa y Nb 1-y O 3 single crystal and the LiTa y Nb 1-y O 3 single crystal having different composition ratios with the first layer of LiTa x Nb 1-x O 3 single crystal substrate
In a three-layer structure in which a waveguide layer composed of a third layer of zNb 1-z O 3 single crystal is laminated, the ordinary refractive index at the frequency ω of the incident light and the emergent light When the extraordinary light refractive index at the frequency 2ω satisfies the predetermined relational expression, the phase matching condition for generating the second harmonic is satisfied. It is easy to finely control the refractive index of the second and third layers so as to satisfy such a condition by a doping method such as an ion implantation method as described in the third aspect of the present invention. Therefore, it is possible to realize a highly reliable second harmonic generation element that is easy to manufacture and has high conversion efficiency and is resistant to fluctuations in temperature and the like, and does not require direct alignment such as angle matching with a semiconductor laser having a wavelength of about 0.8 μm. Two-harmonic generation is also possible.

特に、請求項2記載のように、各層にMgOをドープし
て伝搬損失の少ないものとするとともに、所定の元素を
ドープして第3層を形成することにより、第3層の膜厚
方向の屈折率分布が第2高調波発生のための位相整合条
件を満たすことが容易に実現できる。
In particular, as described in claim 2, each layer is doped with MgO to reduce the propagation loss, and by doping a predetermined element to form the third layer, the thickness of the third layer in the thickness direction is reduced. It is easy to realize that the refractive index distribution satisfies the phase matching condition for generating the second harmonic.

実施例 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。本実施
例の光波長変換素子1は、基本的には、第1図(a)に
示すようにLiTaxNb1-xO3単結晶基板(但し、0≦x≦
1)による第1層2上に、組成比の異なるLiTayNb1-yO3
単結晶(但し、0≦y≦1、かつ、x<y)による第2
層3とLiTazNb1-zO3単結晶(但し、0≦z≦1、かつ、
z<y)による第3層4とによる導波層を積層形成した
3層構造からなる。このような薄膜状導波層に周波数ω
の基本波を入射させたときの常光の屈折率をno ω、SHG
によって出てくる周波数2ωの異常光の屈折率をne 2ω
と定義した時、一般には、no ω<ne 2ωであるため、位
相整合条件no ω=ne 2ωは満たされない。また、LiTaXN
b1-XO3のような結晶にした場合において、組成比xを変
えても、上記の位相整合条件は満たされず、ωにλ=0.
83μmの半導体レーザのような光を用いた場合、SHGは
実現不可能である。
Embodiment An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The optical wavelength conversion element 1 of this embodiment is basically composed of a LiTa x Nb 1-x O 3 single crystal substrate (where 0 ≦ x ≦, as shown in FIG. 1A).
On the first layer 2 according to 1), LiTa y Nb 1-y O 3 having different composition ratios
Second single crystal (0 ≦ y ≦ 1 and x <y)
Layer 3 and LiTa z Nb 1-z O 3 single crystal (provided that 0 ≦ z ≦ 1 and
It has a three-layer structure in which a waveguide layer formed by the third layer 4 with z <y) is laminated. The frequency ω is applied to such a thin-film waveguide layer.
N o ω, SHG the refractive index of ordinary light when is incident fundamental wave of
N e 2 [omega refractive index of extraordinary light of coming frequency 2 [omega that issued by
When defining a generally, n o omega <since it is n e 2 [omega, the phase matching condition n o ω = n e 2ω is not satisfied. Also, LiTa X N
In the case of a crystal such as b 1-X O 3 , even if the composition ratio x is changed, the above-mentioned phase matching condition is not satisfied, and λ = 0.
When light such as a semiconductor laser of 83 μm is used, SHG cannot be realized.

そこで、本実施例では、第1図に示す第1〜3層2〜
4の各層のno ω,ne 2ωを、組成比x,y,zを変え、かつ、
適当な不純物(ドーパント)を加えることにより、位相
整合条件を温度、波長、膜厚に対して幅広い範囲で満足
するようにしたものである。
Therefore, in this embodiment, the first to third layers 2 to 2 shown in FIG.
4 of each layer n o omega, the n e 2 [omega, changing the composition ratio x, y, and z, and,
By adding an appropriate impurity (dopant), the phase matching condition is satisfied in a wide range with respect to temperature, wavelength, and film thickness.

まず、第1層2のLiTaXNb1-XO3単結晶に対して、第2
層3のLiTayNb1-yO3単結晶は、屈折率を低くするために
その組成をLiTaO3に近付ける方向にする。そのために
は、x<yのような条件で、第2層3を形成する。次
に、第3層4のLiTazNb1-zO3単結晶は、no ω<ne 2ω
る条件を逆転させるようなドーパントの導入を行い、no
ω>ne 2ωなる条件とする。ただし、環境温度、半導体
レーザ波長及び導波層膜厚の変動等に対して安定な位相
整合条件を満たすために、第2層3、第3層4は、 0<(ne 2ω−no ω)(第2層)≒(no ω−ne 2ω)(第3層)≦0.01 なる関係式を満足するように形成されている。
First, with respect to the LiTa X Nb 1-X O 3 single crystal of the first layer 2,
The composition of the LiTa y Nb 1-y O 3 single crystal of the layer 3 is made to approach the LiTaO 3 in order to lower the refractive index. For this purpose, the second layer 3 is formed under the condition of x <y. Next, LiTa z Nb 1-z O 3 of the third layer 4 single crystal, n o ω <perform the introduction of dopants such as to reverse the n e 2 [omega following condition, n o
ω> and n e 2ω made conditions. However, ambient temperature, for a stable phase matching condition is satisfied with respect to fluctuation of the semiconductor laser wavelength and the waveguide layer thickness, the second layer 3 third layer 4, 0 <(n e 2ω -n o omega) (second layer) ≒ (n o ω -n e 2ω) ( which is formed so as to satisfy the third layer) ≦ 0.01 relational expression.

この条件が満たされたとき、位相整合の様子を示すモ
ード分散カーブ特性を第2図(a)に示す。ちなみに、
同図(b)は従来方式によるモード分散カーブ特性を示
す。図から判るように、同図(b)の従来方式では入射
光であるTMωとSHG光であるTE2ωとの位相整合点が急
峻に交わっているのに対し、本実施例の特性を示す同図
(a)によればゆるやかに交わっており、前述したよう
な各変動に対して位相整合条件が広いことを示してい
る。
FIG. 2A shows a mode dispersion curve characteristic showing a state of phase matching when this condition is satisfied. By the way,
FIG. 1B shows a mode dispersion curve characteristic according to the conventional method. As can be seen from the figure, the phase matching point between the incident light TM ω and the SHG light TE 2ω in the conventional method of FIG. According to FIG. 7 (a), they intersect gently, indicating that the phase matching condition is wide for each of the above-mentioned fluctuations.

3層構造全体として見た場合の各層の屈折率分布は第
1図(b)に示すようになっている。第2層3は第1層
2に対してTaとNbの組成比を変えることで、no ω,ne
2ωの屈折率を小さくしている。第3層4についてはno
ωがne 2ωより大きくるような元素、例えばNa+,K+,C
a+,Ni+,Ti+,Nd+,Li+などがドーパントとしてドープされ
ている。これらのドーパントとしての導入方法として
は、液相エピタキシャル成長法及びスパッタリング法、
そして、最近では、イオン注入法により任意にno ω,ne
2ωをコントロールすることができる。さらには、レー
ザアブレーション法でもよい。また、全体としては伝搬
損失等の緩和のために、各層にMgOを全体的にドープし
ておくことも必要である。その他のドーパントとして
は、アルカリ系を中心として前述したもの以外に、例え
ばBe,Ba,Ce,Sr,Cr,V等の元素が有望である。また、導波
層として第3層4を見た場合、no ω,ne 2ωが第2層3
のそれより大きいほうが望ましいことはいうまでもな
い。結晶方位と入射光のモードとの関係においても、x
カット、yカットの結晶についてはTMモードでの入射、
zカット(c軸カット)についてはTEモードでの入射が
基本になることはもちろんである。
FIG. 1B shows the refractive index distribution of each layer when viewed as a three-layer structure as a whole. The second layer 3 by changing the composition ratio of Ta and Nb with respect to the first layer 2, n o ω, n e
The refractive index of is reduced. For the third layer 4 n o
elements such as ω come greater than n e 2 [omega, for example Na +, K +, C
a + , Ni + , Ti + , Nd + , Li + and the like are doped as dopants. As a method of introducing these dopants, a liquid phase epitaxial growth method and a sputtering method,
And, in recent years, n arbitrarily by the ion implantation method o ω, n e
can be controlled. Further, a laser ablation method may be used. In addition, it is necessary to entirely dope MgO into each layer in order to reduce propagation loss and the like as a whole. As other dopants, for example, elements such as Be, Ba, Ce, Sr, Cr, V, etc. are promising, in addition to those described above mainly for alkali-based ones. Also, when viewed third layer 4 as a wave layer, n o ω, n e 2ω second layer 3
Needless to say, it is preferable to have a value larger than that of. Also in the relationship between the crystal orientation and the mode of the incident light, x
For cut and y-cut crystals, input in TM mode,
Of course, the z-cut (c-axis cut) is basically based on the incidence in the TE mode.

ところで、このような基本構成に基づく実際的なSHG
素子1は例えば第3図に示すように構成すればよい。こ
れは、光の利用効率を向上させるためにリッジ型導波路
構造としたものである。基本構造ないしはこの第3図に
示すようなSHG素子の具体的な製造方法を第4図を参照
して説明する。
By the way, a practical SHG based on such a basic configuration
The element 1 may be configured as shown in FIG. 3, for example. This is a ridge-type waveguide structure for improving light use efficiency. The basic structure or a specific method of manufacturing the SHG element as shown in FIG. 3 will be described with reference to FIG.

具体例1 まず、第4図(a)に示すように、MgOドープのLiNbO
3単結晶基板による第1層2上に、液相成長法によりLiT
ayNb1-yO3(但し、0≦y≦1、ここではy=0.5)の単
結晶薄膜をエピタキシャル成長させて第2層3を膜厚5
μmに形成した。さらに、第3層4としてMgOドープのL
iNbO3を液相成長で膜厚5μmに成長させた後、同図
(b)に示すようにイオン注入法によりNa+を1×1012
〔/cm2〕なるドーズ量だけドーズした。この時、イオン
注入が膜厚5μmの第3層4全体に渡って均一となるよ
うに、20KeVと60KeVとの2段階のエネルギーに分けて注
入を行うようにした。これにより、ドープ層として第3
層4が形成される。
Specific Example 1 First, as shown in FIG. 4 (a), MgO-doped LiNbO
3 on the first layer 2 of single crystal substrate, LIT by liquid phase growth method
a y Nb 1-y O 3 (where 0 ≦ y ≦ 1, y = 0.5 in this case) is epitaxially grown to form a second layer 3 having a thickness of 5
It was formed to a thickness of μm. Further, as the third layer 4, MgO-doped L
After iNbO 3 was grown to a thickness of 5 μm by liquid phase growth, Na + was added to 1 × 10 12 by ion implantation as shown in FIG.
[/ Cm 2 ] was dosed. At this time, the ion implantation is performed in two steps of energy of 20 KeV and 60 KeV so that the ion implantation is uniform over the entire third layer 4 having a thickness of 5 μm. Thereby, the third layer is formed as a doped layer.
Layer 4 is formed.

具体例2 MgOドープのLiTaXNb1-XO3(但し、0≦x≦1であ
り、ここではx=0.1)単結晶による第1層2上に、ス
パッタリング法によってLiTayNb1-yO3(但し、0≦y≦
1、ここではy=0.9)の単結晶薄膜を膜厚3μmに形
成した後、結晶性改善のためにアニール(600℃、2時
間、Ar不活性ガス中)を施した。その後、電子ビームに
より元素Vを蒸着させて100Åの厚さの膜を形成し、100
0℃で2時間の拡散を施して第3層4を形成した。
Specific Example 2 LiTa y Nb 1 -y by MgO-doped LiTa x Nb 1 -x O 3 (where 0 ≦ x ≦ 1, where x = 0.1) O 3 (However, 0 ≦ y ≦
1. Here, a single-crystal thin film of y = 0.9) was formed to a thickness of 3 μm, and then annealed (at 600 ° C. for 2 hours in an Ar inert gas) to improve the crystallinity. After that, the element V is vapor-deposited by an electron beam to form a film having a thickness of 100 °.
The third layer 4 was formed by performing diffusion at 0 ° C. for 2 hours.

具体例3 上記具体例1(又は、具体例2)で形成した3層構造
のSHG素子1を、実際に導波路として使用するために
は、第4図(c)に示すような導波路加工を施す。即
ち、所定寸法、例えばW=5μmのレジスト(OFPR)5
を第3層4上に形成した後、イオンビームエッチャー
(Arイオン)で2μmエッチングして第3図に示したよ
うなリッジ型の導波路とした。これを30分のOzアッシン
グにより同図(d)に示すようにレジスト除去し、さら
に、アニール(500℃、30分、Oz中)を施すことによ
り、SHG素子1を完成させた。
Specific Example 3 In order to use the SHG element 1 having a three-layer structure formed in the specific example 1 (or specific example 2) as a waveguide, a waveguide processing as shown in FIG. Is applied. That is, a resist (OFPR) 5 having a predetermined dimension, for example, W = 5 μm
Was formed on the third layer 4 and then etched by 2 μm with an ion beam etcher (Ar ion) to obtain a ridge-type waveguide as shown in FIG. This resist is removed as shown in (d) by O z ashing 30 minutes, further, annealing (500 ° C., 30 minutes in O z) by performing, thereby completing the SHG element 1.

第3図はこのように作製されたSHG素子1に半導体レ
ーザ6を組合せてなる青色発光素子7としての構成例を
示す。8はヒートシンクである。
FIG. 3 shows an example of a configuration as a blue light emitting element 7 obtained by combining the semiconductor laser 6 with the SHG element 1 manufactured as described above. 8 is a heat sink.

このような具体例によれば、導波層の実効屈折率がSH
G条件を満たし、半導体レーザの波長であるλ=0.83μ
mに対して直接SHGが可能となり、従来にない10〜数十
%の高効率の青色発光素子が実現できたものである。
According to such a specific example, the effective refractive index of the waveguide layer is SH
Satisfies the G condition and the wavelength of the semiconductor laser, λ = 0.83μ
Thus, SHG can be directly performed with respect to m, and a blue light-emitting element with high efficiency of 10 to several tens%, which has not been achieved in the past, has been realized.

発明の効果 本発明は、上述したように、LiTaXNb1-XO3単結晶基板
による第1層に対して、組成比を異ならせたLiTayNb1-y
O3単結晶による第2層とLiTazNb1-zO3単結晶による第3
層とによる導波層を積層させた3層構造において、第2
層と第3層とにおける入射光の周波数ωでの常光屈折率
と出射光の周波数2ωでの異常光屈折率とが所定の関係
式を満足し、第2高調波発生のための位相整合条件を満
たすように形成したので、請求項3記載の発明のように
製造容易な3層構造にして高変換効率を持つ温度等の変
動に強い高信頼性の第2高調波発生素子を実現でき、波
長0.8μm程度なる半導体レーザでの角度整合等の不要
な直接的な第2高調波発生も可能となり、特に、請求項
2記載の発明によれば、各層にMgOをドープしているの
で伝搬損失の少ないものとすることができ、また、所定
の元素をドープして第3層を形成したので、第3層の膜
厚方向の屈折率分布が第2高調波発生のための位相整合
条件を満たすような微妙な制御を容易に実現できるもの
である。
Effect of the Invention As described above, the present invention provides a LiTa y Nb 1-y having a different composition ratio with respect to the first layer of the LiTa X Nb 1-X O 3 single crystal substrate.
Second layer of O 3 single crystal and third layer of LiTa z Nb 1-z O 3 single crystal
In a three-layer structure in which waveguide layers are
The ordinary light refractive index at the incident light frequency ω and the extraordinary light refractive index at the output light frequency 2ω in the layer and the third layer satisfy a predetermined relational expression, and the phase matching condition for the generation of the second harmonic Therefore, a highly reliable second harmonic generation element having a high conversion efficiency and a high resistance to fluctuations in temperature and the like can be realized with a three-layer structure that is easy to manufacture as in the invention according to claim 3. Unnecessary direct second harmonic generation such as angle matching with a semiconductor laser having a wavelength of about 0.8 μm is also possible, and in particular, according to the invention of claim 2, since each layer is doped with MgO, the propagation loss is reduced. In addition, since the third layer is formed by doping a predetermined element, the refractive index distribution in the thickness direction of the third layer can be adjusted to a phase matching condition for generating the second harmonic. The subtle control that satisfies the condition can be easily realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

図面は本発明の一実施例を示すもので、第1図は基本構
造と屈折率分布との関係を示す説明図、第2図は導波層
の膜厚と実効屈折率との関係を従来例と対比して示す特
性図、第3図は具体的な青色発光素子構成例を示す斜視
図、第4図は製造工程を示す工程図である。 2……第1層、3……第2層、4……第3層
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. FIG. 1 is an explanatory view showing the relationship between the basic structure and the refractive index distribution. FIG. 2 shows the relationship between the thickness of the waveguide layer and the effective refractive index. FIG. 3 is a characteristic diagram shown in comparison with the example, FIG. 3 is a perspective view showing a specific configuration example of a blue light emitting element, and FIG. 4 is a process diagram showing a manufacturing process. 2 1st layer 3 2nd layer 4 3rd layer

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】非線形光学効果を有する光導波路を用いた
光波長変換素子において、LiTaxNb1-xO3単結晶基板(但
し、0≦x≦1)による第1層上に、組成比の異なるLi
TayNb1-yO3単結晶(但し、0≦y≦1、かつ、x<y)
による第2層とLiTazNb1-zO3単結晶(但し、0≦z≦
1、かつ、z<y)による第3層とによる導波層を積層
形成した3層構造とし、入射光の周波数ωでの常光屈折
率をno ωとし、出射光の周波数2ωでの異常光屈折率を
ne 2ωとしたとき、前記第2層と前記第3層とを 0<(ne 2ω−no ω)(第2層)≒(no ω−ne 2ω)(第3層)≦0.01 なる条件を満たすように形成したことを特徴とする光波
長変換素子。
1. An optical wavelength conversion device using an optical waveguide having a nonlinear optical effect, wherein a composition ratio is formed on a first layer of a LiTa x Nb 1-x O 3 single crystal substrate (0 ≦ x ≦ 1). Different Li
Ta y Nb 1-y O 3 single crystal (however, 0 ≦ y ≦ 1 and x <y)
And the LiTa z Nb 1-z O 3 single crystal (where 0 ≦ z ≦
1, and, z <a three-layer structure in which the third layer and by waveguide layer is laminated by y), the ordinary refractive index at the frequency omega of the incident light and n o omega, abnormality in the frequency 2ω of the emitted light Light refractive index
when the n e 2 [omega, wherein the second layer and a third layer 0 <(n e 2ω -n o ω) ( second layer) ≒ (n o ω -n e 2ω) ( third layer) ≦ An optical wavelength conversion element formed to satisfy the condition of 0.01.
【請求項2】第1層、第2層及び第3層の各層に少なく
ともMgOをドープさせるとともに、第3層にLi,Be,Na,N
i,Ti,V,Nd,Cr,K,Ca,Sr,Ce,Baの元素の内の少なくとも一
つの元素をドープさせたことを特徴とする請求項1記載
の光波長変換素子。
2. The method of claim 1, wherein each of the first, second and third layers is doped with at least MgO and the third layer is composed of Li, Be, Na, N
2. The optical wavelength conversion device according to claim 1, wherein at least one of the elements i, Ti, V, Nd, Cr, K, Ca, Sr, Ce, and Ba is doped.
【請求項3】LiTaxNb1-xO3単結晶基板(但し、0≦x≦
1)による第1層上に、少なくとも組成比の異なるLiTa
yNb1-yO3単結晶(但し、0≦y≦1、かつ、x<y)に
よる第2層とLiTazNb1-zO3単結晶(但し、0≦z≦1、
かつ、z<y)による第3層とを液相成長法により形成
し、第3層に対してイオン注入法、スパッタリング法、
拡散法又はレーザアブレーション法の何れかのドーピン
グ法により第2層と第3層とが、入射光の周波数ωでの
常光屈折率をno ωとし、出射光の周波数2ωでの異常光
屈折率をne 2ωとしたとき、 0<(ne 2ω−no ω)(第2層)≒(no ω−ne 2ω)(第3層)≦0.01 なる条件を満たす屈折率分布関係を持つ状態に所望の元
素をドープさせるようにしたことを特徴とする光波長変
換素子の製造方法。
3. A LiTa x Nb 1-x O 3 single crystal substrate (where 0 ≦ x ≦
On the first layer according to 1), at least LiTa having a different composition ratio
y Nb 1-y O 3 single crystal (where, 0 ≦ y ≦ 1, and, x <y) a second layer according to the LiTa z Nb 1-z O 3 single crystal (where, 0 ≦ z ≦ 1,
And a third layer with z <y) is formed by a liquid phase epitaxy method, and an ion implantation method, a sputtering method,
The second layer and the third layer have an ordinary light refractive index at the frequency ω of the incident light as n o ω and an extraordinary light refractive index at the frequency of 2ω of the outgoing light by a doping method of either the diffusion method or the laser ablation method. when was a n e 2ω, 0 <(n e 2ω -n o ω) ( second layer) ≒ (n o ω -n e 2ω) ( third layer) ≦ 0.01 becomes satisfying refractive index distribution relationship A method for manufacturing an optical wavelength conversion element, characterized in that a desired element is doped into a holding state.
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