JP3129324B2 - 光波長変換素子 - Google Patents
光波長変換素子Info
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光ディスクメモリ等に第２高調波発生素子
として用いられる光波長変換素子に関する。
として用いられる光波長変換素子に関する。
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。
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。
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、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LiNbO3が最も適して
いると考えられている。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 出射光の周波数２ωでの異常光屈折率 となり、位相整合のための必要条件 を満たさないためである。
の要求に応えるため、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LiNbO3が最も適して
いると考えられている。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 出射光の周波数２ωでの異常光屈折率 となり、位相整合のための必要条件 を満たさないためである。
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。
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。
また、電子情報通信学会 技術研究報告.MW89−44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。
「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。
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。
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。
一方、後者の文献方式の場合、MgOドープのLiNbO3層
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。
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。
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。
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。
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）上に、LiTaXNb1-XO3単結晶（但し、０＜ｘ＜１）
を母材としてBe,Na,Mg,Ni,Ti,V,Nd,Cr,K,Ca,Rb,Sr,Ce,B
aの元素の内の少なくとも一つの元素をドープして形成
した薄膜状導波層を積層形成した２層構造とし、各々の
入射光の周波数ωでの常光屈折率をno ω（基板）、no ω
（導波層）とし、出射光の周波数２ωでの異常光屈折率
をne ２ω（基板）、ne ２ω（導波層）としたとき、 なる条件を満たすように形成した。
素子において、LiTaXNb1-XO3単結晶基板（但し、０＜ｘ
＜１）上に、LiTaXNb1-XO3単結晶（但し、０＜ｘ＜１）
を母材としてBe,Na,Mg,Ni,Ti,V,Nd,Cr,K,Ca,Rb,Sr,Ce,B
aの元素の内の少なくとも一つの元素をドープして形成
した薄膜状導波層を積層形成した２層構造とし、各々の
入射光の周波数ωでの常光屈折率をno ω（基板）、no ω
（導波層）とし、出射光の周波数２ωでの異常光屈折率
をne ２ω（基板）、ne ２ω（導波層）としたとき、 なる条件を満たすように形成した。
作用 LiTaXNb1-XO3単結晶基板と薄膜状導波層との２層構造
において、各々の層の入射光の周波数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薄膜状導波層
の屈折率を制御することはイオン注入法等により容易で
あり、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り、特
に、Be,Na,Mg,Ni,Ti,V,Nd,Cr,K,Ca,Rb,Sr,Ce,Baの元素
の内の少なくとも一つの元素をドープして薄膜状導波層
を形成することにより、薄膜状導波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。
において、各々の層の入射光の周波数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薄膜状導波層
の屈折率を制御することはイオン注入法等により容易で
あり、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り、特
に、Be,Na,Mg,Ni,Ti,V,Nd,Cr,K,Ca,Rb,Sr,Ce,Baの元素
の内の少なくとも一つの元素をドープして薄膜状導波層
を形成することにより、薄膜状導波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。
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）２上に、同じくLiTaXNb1-XO3単結晶を母材として所
定の元素をドープした薄膜状導波層３を積層形成した２
層構造からなる。このような薄膜状導波層３に周波数ω
の基本波を入射させたときの常光の屈折率no ωとSHGに
よって出てくる周波数２ωの異常光の屈折率ne ２ωと
が、導波層３において なる関係を有することが、この導波層３に求められる位
相整合条件である。
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）２上に、同じくLiTaXNb1-XO3単結晶を母材として所
定の元素をドープした薄膜状導波層３を積層形成した２
層構造からなる。このような薄膜状導波層３に周波数ω
の基本波を入射させたときの常光の屈折率no ωとSHGに
よって出てくる周波数２ωの異常光の屈折率ne ２ωと
が、導波層３において なる関係を有することが、この導波層３に求められる位
相整合条件である。
ここに、入射光がTMモード、出射光（SHG光）がTEモ
ードの時、LiTaXNb1-XO3単結晶基板２上に薄膜状導波層
３を設けた場合、モード分散曲線は第２図に示すような
特性を持つ。SHGが効率よく行われ、かつ、その温度特
性、入射光の波長変動に対してSHG出力が安定であるた
めには、第２図に示す特性において、屈折率no ωとne
２ωとが導波層３の厚さ全体に渡って近接しており（重
なり部分Ａ）、かつ、導波層３の厚さｔが厚くなるにし
たがって上記（１）式の条件を満たさなければならな
い。いま、厚さｔ＝０μｍのとき（即ち、導波層３が存
在せず、基板１だけのとき）、このLiTaXNb1-XO3単結晶
基板２そのものの屈折率においては、 が一般に成立しているので、（１）式の条件が満たされ
ることが なるSHGのための位相整合条件のための条件となる。
ードの時、LiTaXNb1-XO3単結晶基板２上に薄膜状導波層
３を設けた場合、モード分散曲線は第２図に示すような
特性を持つ。SHGが効率よく行われ、かつ、その温度特
性、入射光の波長変動に対してSHG出力が安定であるた
めには、第２図に示す特性において、屈折率no ωとne
２ωとが導波層３の厚さ全体に渡って近接しており（重
なり部分Ａ）、かつ、導波層３の厚さｔが厚くなるにし
たがって上記（１）式の条件を満たさなければならな
い。いま、厚さｔ＝０μｍのとき（即ち、導波層３が存
在せず、基板１だけのとき）、このLiTaXNb1-XO3単結晶
基板２そのものの屈折率においては、 が一般に成立しているので、（１）式の条件が満たされ
ることが なるSHGのための位相整合条件のための条件となる。
このような条件を満たすように、単結晶基板２に対し
て薄膜状導波層３の屈折率を制御することは容易であ
り、例えば第１図（ｂ）に示すような屈折率分布、又は
同図（ｃ）に示すような屈折率分布を持たせることによ
り実現できる。即ち、このような膜厚方向に屈折率分布
を持たせる方法としては、スパッタリング法、LPE法、
イオン注入法等が知られており、屈折率変化Δｎで0.00
1のオーダで制御可能である。特に、イオン注入法によ
れば、種々の屈折率分布を所定の深さに制御性よく形成
できる点で有望といえる。何れにしても、このような方
法により導波層３の膜厚方向の屈折率分布をコントロー
ルすることにより、第２図の特性中に示す両者の重なり
Ａ部分を広くとることが可能となる。
て薄膜状導波層３の屈折率を制御することは容易であ
り、例えば第１図（ｂ）に示すような屈折率分布、又は
同図（ｃ）に示すような屈折率分布を持たせることによ
り実現できる。即ち、このような膜厚方向に屈折率分布
を持たせる方法としては、スパッタリング法、LPE法、
イオン注入法等が知られており、屈折率変化Δｎで0.00
1のオーダで制御可能である。特に、イオン注入法によ
れば、種々の屈折率分布を所定の深さに制御性よく形成
できる点で有望といえる。何れにしても、このような方
法により導波層３の膜厚方向の屈折率分布をコントロー
ルすることにより、第２図の特性中に示す両者の重なり
Ａ部分を広くとることが可能となる。
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。
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。
また、導波層３における不純物となるドープ元素とし
ては、Mg,K,Na或いはBe,Ge,V、さらには、Ni,Ti,Nd,Cr,
Ca,Rb,Sr,Ce,Baなどのように、下地となる単結晶基板２
に対して第２図に示したような分布特性を持ち得るもの
であれば何んでもよい。
ては、Mg,K,Na或いはBe,Ge,V、さらには、Ni,Ti,Nd,Cr,
Ca,Rb,Sr,Ce,Baなどのように、下地となる単結晶基板２
に対して第２図に示したような分布特性を持ち得るもの
であれば何んでもよい。
次に、第３図に示すようなSHG素子１の具体的な作製
方法を第４図を参照して説明する。
方法を第４図を参照して説明する。
具体例１ まず、第４図（ａ）に示すように、ｘカットで厚さが
0.5mmのLiTaXNb1-XO3単結晶基板２上にイオン注入でMg+
をドーズ量１×1014cm-2、30KeVのエネルギーで表面か
ら0.5μｍに平均飛程をもつように打ち込み、薄膜状導
波層３を形成する。ついで、表面損傷に対してアニール
（500℃、30分、Ar中）を施し、導波層損失を低減させ
る。そして、同図（ｂ）に示すように、OFPR800なるレ
ジスト４でリッジ部3aをカバーし、Arイオンによるイオ
ンビームエッチャで表面を２μｍエッチングする。最後
に、同図（ｃ）に示すようにレジスト４を除去し、必要
に応じて500〜1000℃でアニールを施す。
0.5mmのLiTaXNb1-XO3単結晶基板２上にイオン注入でMg+
をドーズ量１×1014cm-2、30KeVのエネルギーで表面か
ら0.5μｍに平均飛程をもつように打ち込み、薄膜状導
波層３を形成する。ついで、表面損傷に対してアニール
（500℃、30分、Ar中）を施し、導波層損失を低減させ
る。そして、同図（ｂ）に示すように、OFPR800なるレ
ジスト４でリッジ部3aをカバーし、Arイオンによるイオ
ンビームエッチャで表面を２μｍエッチングする。最後
に、同図（ｃ）に示すようにレジスト４を除去し、必要
に応じて500〜1000℃でアニールを施す。
具体例２ LiTaXNb1-XO3単結晶基板２上にMg等の金属を膜厚約10
00Åに蒸着する。次に、リッジ構造とするために幅100
μｍだけMg等の金属膜をエッチングによりストライプ状
に残す。具体的には、RIEでSiCl4、10SCCMで所定形状に
金属膜をエッチングした。その後、1000℃、30分、N2中
でアニールすることで、金属膜をLiTaXNb1-XO3単結晶基
板２中に拡散させた。
00Åに蒸着する。次に、リッジ構造とするために幅100
μｍだけMg等の金属膜をエッチングによりストライプ状
に残す。具体的には、RIEでSiCl4、10SCCMで所定形状に
金属膜をエッチングした。その後、1000℃、30分、N2中
でアニールすることで、金属膜をLiTaXNb1-XO3単結晶基
板２中に拡散させた。
何れの具体例も、導波層３の実効屈折率がSHG条件を
満たし、GaAlAs系の半導体レーザの波長であるλ＝0.7
〜0.9μｍに対して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。
満たし、GaAlAs系の半導体レーザの波長であるλ＝0.7
〜0.9μｍに対して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。
発明の効果 本発明は上述のように、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）上に、LiTaXNb1-XO3単結
晶（但し、０＜ｘ＜１）を母材としてBe,Na,Mg,Ni,Ti,
V,Nd,Cr,K,Ca,Rb,Sr,Ce,Baの元素の内の少なくとも一つ
の元素をドープして形成した薄膜状導波層を積層形成し
た２層構造とし、各々の入射光の周波数ωでの常光屈折
率をno ω（基板）、no ω（導波層）とし、出射光の周波
数２ωでの異常光屈折率をne ２ω（基板）、ne ２ω（導
波層）としたとき、 なる条件を満たすように形成したので、LiTaXNb1-XO3単
結晶基板と薄膜状導波層との２層構造において、各々の
層の入射光の周波数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し、このよ
うな条件を満たすように薄膜状導波層の屈折率を制御す
ることはイオン注入法等により容易であり、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り、特に、Be,Na,Mg,Ni,Ti,
V,Nd,Cr,K,Ca,Rb,Sr,Ce,Baの元素の内の少なくとも一つ
の元素をドープして薄膜状導波層を形成することによ
り、薄膜状導波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
きるという効果を有する。
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）上に、LiTaXNb1-XO3単結
晶（但し、０＜ｘ＜１）を母材としてBe,Na,Mg,Ni,Ti,
V,Nd,Cr,K,Ca,Rb,Sr,Ce,Baの元素の内の少なくとも一つ
の元素をドープして形成した薄膜状導波層を積層形成し
た２層構造とし、各々の入射光の周波数ωでの常光屈折
率をno ω（基板）、no ω（導波層）とし、出射光の周波
数２ωでの異常光屈折率をne ２ω（基板）、ne ２ω（導
波層）としたとき、 なる条件を満たすように形成したので、LiTaXNb1-XO3単
結晶基板と薄膜状導波層との２層構造において、各々の
層の入射光の周波数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し、このよ
うな条件を満たすように薄膜状導波層の屈折率を制御す
ることはイオン注入法等により容易であり、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り、特に、Be,Na,Mg,Ni,Ti,
V,Nd,Cr,K,Ca,Rb,Sr,Ce,Baの元素の内の少なくとも一つ
の元素をドープして薄膜状導波層を形成することによ
り、薄膜状導波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
きるという効果を有する。
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示す特性図、第３図は具
体的なSHG素子構成例を示す斜視図、第４図はその作製
工程を示す工程図である。 ２……LiTaXNb1-XO3単結晶基板、３……薄膜状導波層
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示す特性図、第３図は具
体的なSHG素子構成例を示す斜視図、第４図はその作製
工程を示す工程図である。 ２……LiTaXNb1-XO3単結晶基板、３……薄膜状導波層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−2734（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−61930（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/37 G02B 6/12
Claims (1)
- 【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）上に、LiTaXNb1-XO3単結晶（但し、０
＜ｘ＜１）を母材としてBe,Na,Mg,Ni,Ti,V,Nd,Cr,K,Ca,
Rb,Sr,Ce,Baの元素の内の少なくとも一つの元素をドー
プして形成した薄膜状導波層を積層形成した２層構造と
し、各々の入射光の周波数ωでの常光屈折率をno ω（基
板）、no ω（導波層）とし、出射光の周波数２ωでの異
常光屈折率をne ２ω（基板）、ne ２ω（導波層）とした
とき、 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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21134590A JP3129324B2 (ja) | 1990-08-09 | 1990-08-09 | 光波長変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21134590A JP3129324B2 (ja) | 1990-08-09 | 1990-08-09 | 光波長変換素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0497139A JPH0497139A (ja) | 1992-03-30 |
| JP3129324B2 true JP3129324B2 (ja) | 2001-01-29 |
Family
ID=16604432
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21134590A Expired - Fee Related JP3129324B2 (ja) | 1990-08-09 | 1990-08-09 | 光波長変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3129324B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100645616B1 (ko) | 1998-08-26 | 2006-11-13 | 닛산 가가쿠 고교 가부시키 가이샤 | 액정배향 처리제 및 그것을 사용한 액정소자와 액정의배향방법 |
-
1990
- 1990-08-09 JP JP21134590A patent/JP3129324B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0497139A (ja) | 1992-03-30 |
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