JP2973642B2 - 光波長変換素子の製造方法 - Google Patents
光波長変換素子の製造方法Info
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Description
【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の製造方法に関するものである。
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の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図４に従来の光導波路を基本とした光波
長変換素子の構成図を示す。以下0.84μｍの波長の基本
波に対する高調波発生（波長0.42μｍ）について図を用
いて詳しく述べる。（K.Mizuuchi, K.Yamamoto and T.T
aniuchi, Applied Physics Letters, Vol 58, 2732ペー
ジ, 1991年６月号、参照）．図４に示されるようにLiTa
O3基板１に光導波路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および非分極反転層４の周期構
造で補償することにより高効率に高調波Ｐ２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。
長変換素子の構成図を示す。以下0.84μｍの波長の基本
波に対する高調波発生（波長0.42μｍ）について図を用
いて詳しく述べる。（K.Mizuuchi, K.Yamamoto and T.T
aniuchi, Applied Physics Letters, Vol 58, 2732ペー
ジ, 1991年６月号、参照）．図４に示されるようにLiTa
O3基板１に光導波路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および非分極反転層４の周期構
造で補償することにより高効率に高調波Ｐ２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プロト
ン交換法により作製された光導波路２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説明する。まず
LiTaO3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Ｔａを周期状にパターニングする。次にＴａ
パターンが形成されたLiTaO3基板１に２６０℃、３０分
間プロトン交換を行いＴａで覆われていないスリット直
下に厚み０．８μｍのプロトン交換層を形成する。次に
５９０℃の温度で１０分間熱処理する。熱処理の上昇レ
ートは１０℃／分、冷却レートは５０℃／分である。こ
れにより分極反転層が形成される。プロトン交換層直下
はＬｉが減少しておりキュリー温度が低下するため部分
的に分極反転を行うことができる。次にＨＦ：ＨＮＦ3
の１：１混合液にて２分間エッチングしＴａを除去す
る。さらに上記分極反転層中にプロトン交換を用いて光
導波路を形成する。光導波路用マスクとしてＴａをスト
ライプ状にパターニングを行うことでＴａマスクに幅４
μｍ、長さ１２ｍｍのスリットを形成する。このＴａマ
スクで覆われた基板に２６０℃、１６分間プロトン交換
を行い０．５μｍの高屈折率層を形成する。Ｔａマスク
を除去した後３８０℃で１０分間熱処理を行う。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程度上昇した光導波路２となる。この従来の
方法により作製される光波長変換素子は波長0.84μｍの
基本波Ｐ１に対して、光導波路２の長さを９ｍｍ、基本
波Ｐ１のパワーを２７ｍＷにしたとき高調波Ｐ２のパワ
ー０．１３ｍＷ、変換効率０．５％が得られていた。こ
の場合１Ｗ当りの変換効率は１８％／Ｗである。
ン交換法により作製された光導波路２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説明する。まず
LiTaO3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Ｔａを周期状にパターニングする。次にＴａ
パターンが形成されたLiTaO3基板１に２６０℃、３０分
間プロトン交換を行いＴａで覆われていないスリット直
下に厚み０．８μｍのプロトン交換層を形成する。次に
５９０℃の温度で１０分間熱処理する。熱処理の上昇レ
ートは１０℃／分、冷却レートは５０℃／分である。こ
れにより分極反転層が形成される。プロトン交換層直下
はＬｉが減少しておりキュリー温度が低下するため部分
的に分極反転を行うことができる。次にＨＦ：ＨＮＦ3
の１：１混合液にて２分間エッチングしＴａを除去す
る。さらに上記分極反転層中にプロトン交換を用いて光
導波路を形成する。光導波路用マスクとしてＴａをスト
ライプ状にパターニングを行うことでＴａマスクに幅４
μｍ、長さ１２ｍｍのスリットを形成する。このＴａマ
スクで覆われた基板に２６０℃、１６分間プロトン交換
を行い０．５μｍの高屈折率層を形成する。Ｔａマスク
を除去した後３８０℃で１０分間熱処理を行う。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程度上昇した光導波路２となる。この従来の
方法により作製される光波長変換素子は波長0.84μｍの
基本波Ｐ１に対して、光導波路２の長さを９ｍｍ、基本
波Ｐ１のパワーを２７ｍＷにしたとき高調波Ｐ２のパワ
ー０．１３ｍＷ、変換効率０．５％が得られていた。こ
の場合１Ｗ当りの変換効率は１８％／Ｗである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記のようなプロトン
交換法により形成された光導波路を基本とした光波長変
換素子では光導波路を作製するためのプロトン交換時に
LiTaO3の結晶性が損なわれ非線形光学効果がなくなって
いた。図５に作製された光波長変換素子の断面図を示
す。最初にプロトン交換された高屈折率層５が非線形光
学効果を失う。熱処理により高屈折率層５は広がり光導
波路２となるが、その状態でも非線形性は失われたまま
である。そのため変換効率が理論にたいして１／６程度
に低下してしまうといった問題があった。
交換法により形成された光導波路を基本とした光波長変
換素子では光導波路を作製するためのプロトン交換時に
LiTaO3の結晶性が損なわれ非線形光学効果がなくなって
いた。図５に作製された光波長変換素子の断面図を示
す。最初にプロトン交換された高屈折率層５が非線形光
学効果を失う。熱処理により高屈折率層５は広がり光導
波路２となるが、その状態でも非線形性は失われたまま
である。そのため変換効率が理論にたいして１／６程度
に低下してしまうといった問題があった。
【０００５】一方熱処理時間を例えば１時間程度に長く
すれば非線形性は回復するが作製される光導波路の厚み
が５μｍ以上になるなど閉じ込めが悪く実用上問題があ
った。
すれば非線形性は回復するが作製される光導波路の厚み
が５μｍ以上になるなど閉じ込めが悪く実用上問題があ
った。
【０００６】
【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、光波長変換素子に新たな工夫を加えること
によって、高変換効率可能な光波長変換素子の製造方法
を提供するものである。つまり、非線形光学結晶中に分
極反転層を形成する工程と、プロトン交換法により高屈
折率層を形成した後、４００℃以上の温度で４分以内の
熱処理を行う工程を有する光波長変換素子の製造方法と
する。
決するため、光波長変換素子に新たな工夫を加えること
によって、高変換効率可能な光波長変換素子の製造方法
を提供するものである。つまり、非線形光学結晶中に分
極反転層を形成する工程と、プロトン交換法により高屈
折率層を形成した後、４００℃以上の温度で４分以内の
熱処理を行う工程を有する光波長変換素子の製造方法と
する。
【０００７】
【作用】本発明の光波長変換素子の製造方法は、４００
℃以上の温度で熱処理によりプロトン交換された部分が
再結晶化され非線形光学定数が基板並みに回復する。ま
た、４分以内の短時間熱処理を行うことにより、光導波
路の厚みを広げることなく閉じ込めのよい光導波路を作
製することができる。このようにして製造される光波長
変換素子は変換効率が大幅に向上する。
℃以上の温度で熱処理によりプロトン交換された部分が
再結晶化され非線形光学定数が基板並みに回復する。ま
た、４分以内の短時間熱処理を行うことにより、光導波
路の厚みを広げることなく閉じ込めのよい光導波路を作
製することができる。このようにして製造される光波長
変換素子は変換効率が大幅に向上する。
【０００８】
【実施例】光導波路の製造方法について図を用いて説明
を行う。図１に光導波路の製造方法の工程図を示す。図
１（ａ）でLiTaO3基板１に光導波路用マスクとしてＴａ
６をストライプ状にパターニングを行いＴａ６に幅４μ
ｍ、長さ１２ｍｍのスリットを形成した。次に同図
（ｂ）で２６０℃、２０分間ピロ燐酸中でLiTaO3基板１
に対してプロトン交換を行った。これにより厚み０．６
μｍの高屈折率層５が形成された。次に同図（ｃ）でＴ
ａマスク６を除去した後、赤外線加熱装置を用いて４６
０℃で１０秒熱処理を行った。昇温レートは１０℃／秒
である。昇温レートが遅いと高屈折率層は広がってしま
うため１００℃／分以上が望ましい。アニール処理によ
りロスが減少した上に高屈折率層５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。光
導波路２の非線形光学定数はLiTaO3基板１と同じ２６pm
/vであった。また、厚みは１．６μｍと薄いため閉じ込
めの良い光導波路２が形成できた。
を行う。図１に光導波路の製造方法の工程図を示す。図
１（ａ）でLiTaO3基板１に光導波路用マスクとしてＴａ
６をストライプ状にパターニングを行いＴａ６に幅４μ
ｍ、長さ１２ｍｍのスリットを形成した。次に同図
（ｂ）で２６０℃、２０分間ピロ燐酸中でLiTaO3基板１
に対してプロトン交換を行った。これにより厚み０．６
μｍの高屈折率層５が形成された。次に同図（ｃ）でＴ
ａマスク６を除去した後、赤外線加熱装置を用いて４６
０℃で１０秒熱処理を行った。昇温レートは１０℃／秒
である。昇温レートが遅いと高屈折率層は広がってしま
うため１００℃／分以上が望ましい。アニール処理によ
りロスが減少した上に高屈折率層５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。光
導波路２の非線形光学定数はLiTaO3基板１と同じ２６pm
/vであった。また、厚みは１．６μｍと薄いため閉じ込
めの良い光導波路２が形成できた。
【０００９】次に本発明の光波長変換素子の製造方法に
ついて図を使って説明する。図２はその製造工程図であ
る。同図（ａ）でまずLiTaO3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Ｔａ６ａを周期状にパ
ターニングする。次に同図（ｂ）でＴａ６ａによるパタ
ーンが形成されたLiTaO3基板１に２６０℃、３０分間プ
ロトン交換を行いスリット直下に厚み０．８μｍのプロ
トン交換層を形成した後、５９０℃の温度で１０分間熱
処理する。熱処理の上昇レートは１０℃／分、冷却レー
トは５０℃／分である。これにより分極反転層３が形成
される。冷却レートが遅いと不均一反転が生じるので３
０℃／分以上が望ましい。プロトン交換層は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。次にＨＦ：ＨＮＦ3の１：１混合液にて２分
間エッチングしＴａ６ａを除去する。次に上記分極反転
層３に対してプロトン交換を用いて光導波路２を形成す
る。同図（ｃ）で光導波路用マスクとして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４μ
ｍ、長さ１２ｍｍのスリットが形成されたものに２６０
℃、１６分間ピロ燐酸中でプロトン交換を行った。これ
により厚み０．４５μｍの高屈折率層５が形成される。
次に同図（ｄ）でＴａマスクを除去した後、赤外線加熱
装置を用いて４２０℃で３０秒熱処理を行った。熱処理
により均一化されロスが減少した上に高屈折率層５に非
線形性が戻る。熱処理により高屈折率層５は広がり屈折
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
蒸着によりSiO2を３０００Ａ付加した。
ついて図を使って説明する。図２はその製造工程図であ
る。同図（ａ）でまずLiTaO3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Ｔａ６ａを周期状にパ
ターニングする。次に同図（ｂ）でＴａ６ａによるパタ
ーンが形成されたLiTaO3基板１に２６０℃、３０分間プ
ロトン交換を行いスリット直下に厚み０．８μｍのプロ
トン交換層を形成した後、５９０℃の温度で１０分間熱
処理する。熱処理の上昇レートは１０℃／分、冷却レー
トは５０℃／分である。これにより分極反転層３が形成
される。冷却レートが遅いと不均一反転が生じるので３
０℃／分以上が望ましい。プロトン交換層は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。次にＨＦ：ＨＮＦ3の１：１混合液にて２分
間エッチングしＴａ６ａを除去する。次に上記分極反転
層３に対してプロトン交換を用いて光導波路２を形成す
る。同図（ｃ）で光導波路用マスクとして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４μ
ｍ、長さ１２ｍｍのスリットが形成されたものに２６０
℃、１６分間ピロ燐酸中でプロトン交換を行った。これ
により厚み０．４５μｍの高屈折率層５が形成される。
次に同図（ｄ）でＴａマスクを除去した後、赤外線加熱
装置を用いて４２０℃で３０秒熱処理を行った。熱処理
により均一化されロスが減少した上に高屈折率層５に非
線形性が戻る。熱処理により高屈折率層５は広がり屈折
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
蒸着によりSiO2を３０００Ａ付加した。
【００１０】上記のような工程により非線形性の大きな
光導波路２が製造された。非線形光学定数はLiTaO3基板
１と同程度である。この光導波路２の厚みｄは１．８μ
ｍであり分極反転層３の厚み２．０μｍに比べ小さく有
効に波長変換される。分極反転層３の周期は１０．８μ
ｍであり波長０．８４ｎｍに対して動作する。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および出射部を
形成した。このようにして光波長変換素子が製造でき
る。また、この素子の長さは９ｍｍである。基本波Ｐ１
として半導体レーザ光（波長０．８４μｍ）を入射部よ
り導波させたところシングルモード伝搬し、波長０．４
２μｍの高調波Ｐ２が出射部より基板外部に取り出され
た。光導波路２の伝搬損失は1dB/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１ｍＷの高調波（波長０．４２μ
ｍ）を得た。この場合の変換効率は２．５％であり従来
のものにくらべて５倍の高効率化が図られている。図３
に４２０℃の温度での熱処理時間と光導波路厚みとの関
係を示す。熱処理時間が４分以内だと３μｍ以下の閉じ
込めの良い光導波路が形成でき実用的である。また、１
分以内の熱処理を行うことにより２μｍ以下の光導波路
の作製も可能となり光波長変換素子用光導波路の製造方
法として最適である。このような短時間処理を行うには
急速加熱が可能な赤外線加熱装置が適している。
光導波路２が製造された。非線形光学定数はLiTaO3基板
１と同程度である。この光導波路２の厚みｄは１．８μ
ｍであり分極反転層３の厚み２．０μｍに比べ小さく有
効に波長変換される。分極反転層３の周期は１０．８μ
ｍであり波長０．８４ｎｍに対して動作する。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および出射部を
形成した。このようにして光波長変換素子が製造でき
る。また、この素子の長さは９ｍｍである。基本波Ｐ１
として半導体レーザ光（波長０．８４μｍ）を入射部よ
り導波させたところシングルモード伝搬し、波長０．４
２μｍの高調波Ｐ２が出射部より基板外部に取り出され
た。光導波路２の伝搬損失は1dB/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１ｍＷの高調波（波長０．４２μ
ｍ）を得た。この場合の変換効率は２．５％であり従来
のものにくらべて５倍の高効率化が図られている。図３
に４２０℃の温度での熱処理時間と光導波路厚みとの関
係を示す。熱処理時間が４分以内だと３μｍ以下の閉じ
込めの良い光導波路が形成でき実用的である。また、１
分以内の熱処理を行うことにより２μｍ以下の光導波路
の作製も可能となり光波長変換素子用光導波路の製造方
法として最適である。このような短時間処理を行うには
急速加熱が可能な赤外線加熱装置が適している。
【００１１】次に本発明の光波長変換素子の製造方法を
用いた第３の実施例について説明する。光波長変換素子
の構成は実施例１と同様である。光導波路２は燐酸中で
のプロトン交換により作製した後、４００℃で３分間熱
処理を行った。その厚みは２μｍ、幅４μｍ、長さは１
ｃｍである。分極反転の周期は３．６μｍ、分極反転層
の厚みは１．５μｍである。波長８４０ｎｍに対してこ
の実施例での変換効率は１次の分極反転周期を用いてい
るため高く４０ｍＷ入力で１０％である。光損傷はなく
高調波出力は非常に安定していた。
用いた第３の実施例について説明する。光波長変換素子
の構成は実施例１と同様である。光導波路２は燐酸中で
のプロトン交換により作製した後、４００℃で３分間熱
処理を行った。その厚みは２μｍ、幅４μｍ、長さは１
ｃｍである。分極反転の周期は３．６μｍ、分極反転層
の厚みは１．５μｍである。波長８４０ｎｍに対してこ
の実施例での変換効率は１次の分極反転周期を用いてい
るため高く４０ｍＷ入力で１０％である。光損傷はなく
高調波出力は非常に安定していた。
【００１２】なお実施例では非線形光学結晶としてLiTa
O3を用いたがLiNbO3、KNbO3、ＫＴＰ等の強誘電体にも
適用可能である。
O3を用いたがLiNbO3、KNbO3、ＫＴＰ等の強誘電体にも
適用可能である。
【００１３】
【発明の効果】以上説明した光導波路の製造方法によれ
ば、プロトン交換後に４００℃以上の温度で４分以内の
熱処理を行うことで大きな非線形性を有しなおかつ閉じ
込めの良い光導波路を形成することができる。また、本
発明の光波長変換素子の製造方法によれば同様に非線形
性の大きな光導波路を分極反転層上に形成することがで
き光波長変換素子の変換効率を大幅に向上させることが
できる。
ば、プロトン交換後に４００℃以上の温度で４分以内の
熱処理を行うことで大きな非線形性を有しなおかつ閉じ
込めの良い光導波路を形成することができる。また、本
発明の光波長変換素子の製造方法によれば同様に非線形
性の大きな光導波路を分極反転層上に形成することがで
き光波長変換素子の変換効率を大幅に向上させることが
できる。
【図１】光導波路の製造方法の工程断面図
【図２】本発明の光波長変換素子の製造方法の工程断面
図
図
【図３】熱処理時間と光導波路厚みの関係を示す特性図
【図４】従来の光波長変換素子の構成図
【図５】従来の方法により製造された光波長変換素子の
工程断面図
工程断面図
１ ＬｉＴａＯ3基板 ２ 光導波路 ３ 分極反転層 ５ 高屈折率層 Ｐ１ 基本波 Ｐ２ 高調波
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−118605（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−191332（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02F 1/37 G02B 6/12 G02F 1/035
Claims (2)
- 【請求項１】 ＬｉＴａＯ3中に分極反転層を形成する
工程と、プロトン交換法により高屈折率層を形成した
後、昇温レートが１００℃／分以上で４００℃以上の温
度とし、前記４００℃以上の温度で４分以内の熱処理を
行う工程を有する、光波長変換素子の製造方法。 - 【請求項２】 プロトン交換法は燐酸を用いる請求項１
に記載の光波長変換素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3255164A JP2973642B2 (ja) | 1991-10-02 | 1991-10-02 | 光波長変換素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3255164A JP2973642B2 (ja) | 1991-10-02 | 1991-10-02 | 光波長変換素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05107580A JPH05107580A (ja) | 1993-04-30 |
| JP2973642B2 true JP2973642B2 (ja) | 1999-11-08 |
Family
ID=17274955
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3255164A Expired - Fee Related JP2973642B2 (ja) | 1991-10-02 | 1991-10-02 | 光波長変換素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2973642B2 (ja) |
-
1991
- 1991-10-02 JP JP3255164A patent/JP2973642B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05107580A (ja) | 1993-04-30 |
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