JP3842427B2 - 光導波路部品及びその製造方法 - Google Patents
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- G02F1/3558—Poled materials, e.g. with periodic poling; Fabrication of domain inverted structures, e.g. for quasi-phase-matching [QPM]
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路部品及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、擬似位相整合方式の第２高調波発生デバイスに好適に使用することのできる、光導波路部品及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ピックアップなどに使用することのできる青色レーザ用光源として、ニオブ酸リチウム単結晶やタンタル酸リチウム単結晶に周期的な分極反転構造を形成した光導波路を利用した擬似位相整合（Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｉｎｇ：以下、ＱＰＭと略すことがある）方式の第２高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ−Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）デバイスが期待されている。このデバイスは、光ディスクメモリ用、医学用、光化学用、及び各種光計測用などの幅広い応用が可能である。
【０００３】
ニオブ酸リチウム単結晶やタンタル酸リチウム単結晶からなる基板の上に、周期的分極反転構造を形成する方法としては、チタン内拡散法、Ｌｉ2 Ｏ外拡散法、ＳｉＯ2 装荷熱処理法、プロトン交換熱処理法、電子ビーム操作照射法、及び電圧印加法などが用いられている。
【０００４】
一方、基本波とレーザダイオードとの直接結合を可能にするためには、基板の主面に対して略平行な方向に分極した強誘電体単結晶基板を使用しなければならないが、このような基板を使用した場合、上記のような電圧印加法を用いて周期的分極反転構造の形成すると、分極反転層の厚みが薄く、十分な変換効率が得られないという問題がある。
【０００５】
例えば、ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ（１９９７）、Ｎｏ．４の１３１〜１３５頁、及びＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７０（Ｊｕｎｅ ９、１９９７）の３０７８〜３０８０頁には、上記のように、強誘電体単結晶のＸカット基板及びＹカット基板上に強誘電体単結晶薄膜を形成し、電圧印加法によりこの強誘電体単結晶薄膜に周期的分極反転構造を形成した場合、得られる分極反転層の厚さは約１μｍであると記載されている。
【０００６】
しかしながら、このように約１μｍ程度の厚さの分極反転層では十分な変換効率を得ることができず、したがって、数ミクロン以上の厚さの分極反転層を有する周期的分極反転構造を形成することが要望されていた。
【０００７】
このような問題に鑑みて、本出願人は、特願平７−３４０９４９号（特開平９−１７９１５６号公報）において、図１に示すような、強誘電体単結晶薄膜を形成する強誘電体単結晶基板１の主面１ａに、交互に隣接する第１の傾斜面４Ａと第２の傾斜面４Ｂとの繰り返し単位５からなり、第１の傾斜面４Ａの法線６Ａの分極軸２に平行な方向の成分が負となり、かつ第２の傾斜面４Ｂの法線６Ｂの分極軸２に平行な方向の成分が正となるような周期的構造を形成し、この主面上に強誘電体単結晶薄膜を形成する方法を開示した。
この方法によれば、任意の厚さの分極反転層を有する周期的分極反転構造を形成できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように第１の傾斜面４Ａと第２の傾斜面４Ｂとの繰り返し単位５からなる周期的構造を、強誘電体単結晶基板１の主面１ａに形成するに当たっては、傾斜面４Ｂを再現性良く形成することが困難であり、そのため主面上に形成された強誘電体単結晶薄膜の周期的分極反転構造における分極反転層の分極反転層を再現性良く作製することが困難であるという問題を生じていた。
【０００９】
本発明の目的は、このような問題点をも鑑み、強誘電体単結晶基板と、その上に形成された強誘電体単結晶薄膜とを具える光導波路部品において、前記強誘電体単結晶薄膜中に、厚い分極反転層を有する周期的分極反転構造が形成された新たな光導波路部品、及びその製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
主面に周期的凹型溝構造を有し、かつ前記主面と略平行に単分域化された強誘電体単結晶基板と、この強誘電体単結晶基板の主面上にエピタキシャル成長させた少なくとも一層の強誘電体単結晶薄膜とを具えている光導波路部品であって、前記強誘電体単結晶薄膜は周期的分極反転構造を有し、かつこの周期的分極反転構造における分極方向と前記強誘電体単結晶基板の主面の周期的凹型溝構造における溝方向との成す角度が１０〜８０度であることを特徴とする、光導波路部品である。
【００１１】
また、本発明は、
主面に周期的凹型溝構造を有し、かつ前記主面と略平行に単分域化された強誘電体単結晶基板と、この強誘電体単結晶基板の主面上にエピタキシャル成長させた少なくとも一層の強誘電体単結晶薄膜とを具えている光導波路部品を製造する方法であって、前記強誘電体単結晶薄膜は周期的分極反転構造を有し、かつこの周期的分極反転構造における分極方向と前記強誘電体単結晶基板の主面の周期的凹型溝構造における溝方向との成す角度が１０〜８０度となるように、前記強誘電体単結晶基板の主面に前記周期的凹型溝構造を形成し、この周期的凹型溝構造上に強誘電体単結晶薄膜を形成することを特徴とする、光導波路部品の製造方法である。
【００１２】
本発明者らは、主面に対して略平行に単分極化した強誘電体単結晶基板の主面上に、前記基板の分極方向と周期的凹型溝構造の溝方向とが１０〜８０度の角度をなすように前記周期的凹型溝構造を形成し、さらに、この周期的分極反転構造上に強誘電体単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることにより、前記強誘電体単結晶薄膜中に厚い分極反転層を有する分極反転構造を形成できることを見い出し、本発明をするに至った。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に則して詳細に説明する。
図２〜５は、本発明の光導波路部品の製造方法を説明するための図である。
本発明の光導波路部品の基板１１に使用することのできる材料は、強誘電体単結晶であれば特に限定されるものでなく、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3 ）、ニオブ酸カリウムリチウム（ＫＬＮ）、及びニオブ酸リチウムータンタル酸リチウム単結晶（ＬｉＮｂ1-X ＴａX Ｏ（０≦Ｘ≦１））などを使用することができる。
【００１４】
さらに、基板の耐光損傷性を向上させるために、これらの基板材料にマグネシウム（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もできる。
同様に、レーザ発振用の元素として、ランタノイド系列のネオジウム（Ｎｄ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ディスプロシウム（Ｄｙ）、及びプラセオジウム（Ｐｒ）などの群から選ばれる１種以上の元素を添加することもできる。
【００１５】
本発明の光導波路部品に使用する基板１１は、その主面に対して略平行に単分極化されていることが必要である。従って、基板１１として上述のような材料を用いた場合は、基板入手の観点からＸカット面又はＹカット面であることが好ましい。分極方向が基板と略垂直である基板、特にＺカット基板では半導体レーザを直接結合することができず、本発明では用いることができない。
【００１６】
本発明の光導波路部品の強誘電体単結晶薄膜１６の材料についても、強誘電体単結晶であれば特に限定されるものではなく、上記強誘電体単結晶基板１１と同様のものを使用することができる。
【００１７】
本発明の光導波路部品は以下のようにして製造する。
基板１１の主面１１ａ上に、例えば、金属タンタル膜を１５０〜９００Åの厚さに蒸着した後、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングの技術を用いて、図２に示すような周期的構造のマスクパターン１２を形成する。
このマスクパターン１２のピッチ１８は、用いる半導体レーザの波長に対応したコヒーレント長の半分の長さにしなければならない。
【００１８】
マスクパターン１２の溝部１２ａは、後に形成する周期的溝構造１５の溝部１５ａに相当するため、マスクパターン１２の溝部１２ａの方向１３と、基板１１の分極方向（Ｚ方向）１４との成す角度が１０〜８０度、好ましくは１０〜６０度となるように、マスクパターン１２を形成する。
【００１９】
次に、基板１１を、例えば、安息香酸などの酸に浸漬させることによって、溝部１２ａ部分をプロトン交換し、次いで、フッ酸などに浸漬させて、前記プロトン交換した部分を選択的に除去して、図３に示す周期的溝構造１５を基板１１に形成する。
【００２０】
このようにして周期的溝構造１５を形成することにより、基板１１の分極方向（Ｚ方向）１４と溝部１５ａの溝方向１９との成す角度φは、前述の角度の大きさを反映して、１０〜８０度、好ましくは１０〜６０度の角度を成す。
この溝部１５ａの深さは、周期的分極反転層を形成するためにピッチの３分の１以上の深さであることが好ましく、さらには半分以上の深さであることが好ましい。
また、溝部１５ａの幅は上記マスクパターンのピッチ１８と同じであることが好ましい。
【００２１】
以上のようにして形成した周期的溝構造１５を有する基板１１上に、液相エピタキシャル法によって、強誘電体単結晶薄膜１６を、好ましくは１０〜２０μｍの厚さに形成する。すると、図４に示すように、基板１１の分極方向（＋Ｚ方向）１４と反対の成分（−Ｚ成分）を有する傾斜部１５ｂにおいては、基板１１の分極方向（＋Ｚ方向）１４と同じ分極方向（＋Ｚ方向）２０−１を有する分極反転層２３−１が形成され、基板１１の分極方向（＋Ｚ方向）１４と同方向の成分（＋Ｚ成分）を有する傾斜部１５ｃにおいては、基板１１の分極方向（＋Ｚ方向）１４と反対の分極方向（−Ｚ方向）２０−２を有する分極反転層２３−２が形成される。
【００２２】
以上にようにして得られる周期的分極反転構造２１は、マスクパターン１２のピッチ１８に対応したピッチ２２を有し、分極反転層２３の厚さｈは、上記強誘電体単結晶薄膜１６の厚さを反映して、１０〜２０μｍの範囲である。したがって、従来の場合と異なり、厚い分極反転層を有する周期的分極反転構造を得ることができる。
【００２３】
さらに、本発明の光導波路部品をＳＨＧデバイスなどの実用的な素子として使用する場合は、上記強誘電体薄膜の厚さを、用いるレーザのモード径に最適な厚さになるように研磨し、その後図５に示すように、周期的分極反転構造２１が形成された強誘電体単結晶薄膜１６中に、基板１１の主面１１ａにおける周期的分極反転構造の溝方向と略垂直となるように、プロトン交換法を用いて３次元光導波路１７を形成する。
この光導波路１７の幅ｗ1 と深さｄ1 は、結合効率の観点から、結合する半導体レーザのモードサイズに合わせ、決定することが好ましい。
【００２４】
図５では、３次元光導波路１７を周期的分極反転構造２１を形成する分極反転層２３に対して直角に形成しているため、周期的凹型溝構造１５の分極方向２０と、３次元光導波路１７の長さ方向２４との成す角度ψは、９０度以下のある一定の角度を有する。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明を実施例に則してさらに詳細に説明する。
実施例１
基板１１として単分極化したマグネシウムドープニオブ酸リチウム単結晶のＸカット面を用い、その上に金属タンタル膜を６００Å蒸着し、次いで、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングの技術を用いることにより、図２に示すようなピッチ１８が７．０μｍのマスクパターン１２を形成した。
また、このマスクパターン１２の溝部１２ａの方向１３と、基板１１の分極方向１４との成す角度が１０度になるように、マスクパターン１２を形成した。
【００２６】
次に、この基板１１を安息香酸に安息香酸リチウムを０．５重量％になるように添加した混合物に１５時間浸漬させてプロトン交換し、さらに、４８モル％のフッ酸に６０分間浸漬させることにより、上記のプロトン交換によって得られたプロトン交換層を選択的に除去して、図３に示すような周期的凹型溝構造１５を形成した。
【００２７】
この周期的凹型溝構造１５の溝部１５ａの幅は７μｍであり、深さは３μｍであった。また、周期的凹型溝構造１５の溝部１５ａの溝方向１９と基板１１の分極方向１４との成す角度φは、上記の値を反映して１０度であった。次に、上記のようにして周期的凹型溝構造１５が形成された基板１１上に、液相エピタキシャル法により、ニオブ酸リチウム薄膜１６を１０μｍの厚さに形成した。
【００２８】
ニオブ酸リチウム薄膜１６をエッチングし、分極方向を確認したところ、基板１１の分極方向（＋Ｚ方向）１４と反対の成分（−Ｚ成分）を有する傾斜部１５ｂでは、基板１１の分極方向（＋Ｚ方向）１４と同じ分極方向２０−１を示し、基板１１の分極方向（＋Ｚ方向）と同じ成分（−Ｚ成分）を有する傾斜部１５ｃでは、基板１１の分極方向１４と反対の分極方向２０−２を示す、周期的分極反転構造２１が得られた。また、周期的分極反転構造２１のピッチ２２は、３．５μｍであった。
【００２９】
次いで、プロトン交換法によって３次元導波路を形成した後、強誘電体単結晶薄膜１６を厚さが３ｍｍになるように研磨して、図５に示すような、３次元光導波路１７を、幅ｗ1 が５μｍ、深さｄ1 が３μｍとなるように形成した。
【００３０】
端面２７を光学研磨した後、３次元光導波路１７に光ファイバ（図示せず）を接続して、波長８３０ｎｍ、パワー１００ｍＷの半導体レーザ光を入射させたところ、波長４１５ｎｍ、出力約２５ｍＷの第２高調波が得られた。また、光損傷などの特性劣化は認められなかった。
【００３１】
実施例２
マスクパターン１２の溝部１２ａの方向１３と、基板１１の分極方向１４との成す角度を３０度とし、溝部１５ａの溝方向１９と基板１１の分極方向１４との成す角度φが３０度の周期的凹型溝構造１５を形成した以外は、実施例１と同様にして、図４に示す光導波路部品を作製した。
【００３２】
形成したニオブ酸リチウム薄膜１６の分極状態を実施例１と同様にして調べたところ、実施例１と同じ周期的分極反転構造２１を有していることが判明した。
【００３３】
次に、実施例１と同様にして、３次元光導波路１７を形成し、第２高調波の特性を調べたところ、波長４１５ｎｍ、出力約２０ｍＷの第２高調波が得られた。また、この場合においても、光損傷などの特性劣化は認められなかった。
【００３４】
実施例３
マスクパターン１２の溝部１２ａの方向１３と、基板１１の分極方向１４との成す角度を４５度とし、溝部１５ａの溝方向１９と基板１１の分極方向１４との成す角度φが４５度の周期的凹型溝構造１５を形成した以外は、実施例１と同様にして、図４に示す光導波路部品を作製した。
【００３５】
形成したニオブ酸リチウム薄膜１６の分極状態を実施例１と同様にして調べたところ、実施例１と同じ周期的分極反転構造２１を有していることが判明した。
【００３６】
次に、実施例１と同様にして、３次元光導波路１７を形成し、第２高調波の特性を調べたところ、波長４１５ｎｍ、出力約１８ｍＷの第２高調波が得られた。また、この場合においても、光損傷などの特性劣化は認められなかった。
【００３７】
実施例４
マスクパターン１２の溝部１２ａの方向１３と、基板１１の分極方向１４との成す角度を６０度とし、溝部１５ａの溝方向１９と基板１１の分極方向１４との成す角度φが６０度の周期的凹型溝構造１５を形成した以外は、実施例１と同様にして、図４に示す光導波路部品を作製した。
【００３８】
形成したニオブ酸リチウム薄膜１６の分極状態を実施例１と同様にして調べたところ、実施例１と同じ周期的分極反転構造２１を有していることが判明した。
【００３９】
次に、実施例１と同様にして、３次元光導波路１７を形成し、第２高調波の特性を調べたところ、波長４１５ｎｍ、出力約１２ｍＷの第２高調波が得られた。この場合においても、光損傷などの特性劣化は認められなかった。
【００４０】
実施例５
マスクパターン１２の溝部１２ａの方向１３と、基板１１の分極方向１４との成す角度を８０度とし、溝部１５ａの溝方向１９と基板１１の分極方向１４との成す角度φが８０度の周期的凹型溝構造１５を形成した以外は、実施例１と同様にして、図４に示す光導波路部品を作製した。
【００４１】
形成したニオブ酸リチウム薄膜１６の分極状態を実施例１と同様にして調べたところ、実施例１と同じ周期的分極反転構造２１を有していることが判明した。
【００４２】
次に、実施例１と同様にして、３次元光導波路１７を形成し、第２高調波の特性を調べたところ、波長４１５ｎｍ、出力約２ｍＷの第２高調波が得られた。また、この場合においても、光損傷などの特性劣化は認められなかった。
【００４３】
比較例１
マスクパターン１２の溝部１２ａの方向１３と、基板１１の分極方向１４との成す角度を５度とし、溝部１５ａの溝方向１９と基板１１の分極方向１４との成す角度φが５度の周期的凹型溝構造１５を形成した以外は、実施例１と同様にして、ニオブ酸リチウム薄膜を形成した。
【００４４】
ニオブ酸リチウム薄膜１６の分極状態を実施例１と同様にして調べたところ、不均一に分極が反転した構造が得られるのみで、図４に示すような周期的分極反転構造２１を得ることはできなかった。
次に、実施例１と同様にして、３次元光導波路１７を形成し、第２高調波の特性を調べたところ、第２高調波を得ることはできなかった。
【００４５】
比較例２
マスクパターン１２の溝部１２ａの方向１３と、基板１１の分極方向１４との成す角度を８５度とし、溝部１５ａの溝方向１９と基板１１の分極方向１４との成す角度φが８５度の周期的凹型溝構造１５を形成した以外は、実施例１と同様にして、ニオブ酸リチウム薄膜を形成した。
【００４６】
ニオブ酸リチウム薄膜１６の分極状態を実施例１と同様にして調べたところ、実施例１と同じ周期的分極反転構造２１を有していることが判明した。
次に、実施例１と同様にして、３次元光導波路１７を形成し、第２高調波の特性を調べたところ、極微弱な第２高調波が得られるのみであった。
【００４７】
以上、実施例から明らかなように、周期的凹型溝構造１５の溝部１５ａの方向１９と、基板１１の分極方向１４との成す角度を、１０〜８０度にすることにより、３μｍの厚さのニオブ酸リチウム薄膜１６を形成した場合においても、このニオブ酸リチウム薄膜１６内に周期的分極反転構造２１を形成することができることが分かる。
【００４８】
すなわち、約１μｍ程度の厚さの分極反転層を有する従来の周期的分極反転構造に比較して、約３μｍという従来の３倍の厚さの分極反転層を有する周期的分極反転構造を得ることができる。
したがって、実施例に示すように、このような周期的分極反転構造を有する光導波路部品をＳＨＧデバイスに使用した場合、高い出力の第２高調波を得ることができる。
【００４９】
また、基板１１に対する周期的凹型溝構造の形成に関しても、上述したように、所定のマスクを用いたプロトン交換によって行うため、従来の技術で述べた特願平７−３４０９４９号（特開平９−１７９１５６号公報）に比較して、極めて容易に基板の加工を行うことができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光導波路部品及びその製造方法によれば、強誘電体単結晶基板と、その上に形成された強誘電体単結晶薄膜とを具える光導波路部品において、前記強誘電体単結晶薄膜中に、厚い分極反転層を有する周期的分極反転構造が形成された光導波路部品を、簡易に提供することができる。
したがって、この光導波路部品をＳＨＧデバイスなどに用いた場合、高い出力の第２高調波を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光導波路部品の製造方法を説明する図である。
【図２】本発明の光導波路部品の製造方法を説明する工程図である。
【図３】図２の後の工程を説明する図である。
【図４】図３の後の工程を説明する図である。
【図５】図４の後の工程を説明する図である。
【符号の説明】
１，１１ 基板、１ａ，１１ａ 主面、２ 分極軸、３ 基板の分極方向に対して垂直な軸、４Ａ 第１の傾斜面、４Ｂ 第２の傾斜面、５ 第１の傾斜面と第２の傾斜面との繰り返し単位、６Ａ 第１の傾斜面の法線、６Ｂ第２の傾斜面の法線、１２ マスクパターン、１２ａ，１５ａ 溝部、１３ マスクパターンの溝部の方向、１４ 基板の分極方向、１５ 周期的凹型溝構造、１５ｂ 基板の分極方向（＋Ｚ方向）と反対の成分を有する傾斜部、１５ｃ 基板の分極方向（＋Ｚ方向）と同じ成分を有する傾斜部、１６ 強誘電体単結晶薄膜、１７，２６ ３次元光導波路、１８，２２ 周期的分極反転構造のピッチ、１９ 周期的凹型溝構造の溝部の方向、２０，２０−１，２０−２ 分極反転層の分極方向、２１ 周期的分極反転構造、２３，２３−１，２３−２ 分極反転層、２４，２５ ３次元光導波路の長さ方向、２７ 端面、基板の分極方向とマスクパターンの溝部の方向との成す角度、φ 基板の分極方向と周期的凹型溝構造の溝部の方向との成す角度、ψ 分極反転層の分極方向と３次元光導波路の長さ方向との成す角度、ｗ1 ，ｗ2 ３次元光導波路の幅、ｄ1 ，ｄ2 ３次元光導波路の深さ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路部品及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、擬似位相整合方式の第２高調波発生デバイスに好適に使用することのできる、光導波路部品及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ピックアップなどに使用することのできる青色レーザ用光源として、ニオブ酸リチウム単結晶やタンタル酸リチウム単結晶に周期的な分極反転構造を形成した光導波路を利用した擬似位相整合（Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｉｎｇ：以下、ＱＰＭと略すことがある）方式の第２高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ−Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）デバイスが期待されている。このデバイスは、光ディスクメモリ用、医学用、光化学用、及び各種光計測用などの幅広い応用が可能である。
【０００３】
ニオブ酸リチウム単結晶やタンタル酸リチウム単結晶からなる基板の上に、周期的分極反転構造を形成する方法としては、チタン内拡散法、Ｌｉ2 Ｏ外拡散法、ＳｉＯ2 装荷熱処理法、プロトン交換熱処理法、電子ビーム操作照射法、及び電圧印加法などが用いられている。
【０００４】
一方、基本波とレーザダイオードとの直接結合を可能にするためには、基板の主面に対して略平行な方向に分極した強誘電体単結晶基板を使用しなければならないが、このような基板を使用した場合、上記のような電圧印加法を用いて周期的分極反転構造の形成すると、分極反転層の厚みが薄く、十分な変換効率が得られないという問題がある。
【０００５】
例えば、ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ（１９９７）、Ｎｏ．４の１３１〜１３５頁、及びＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７０（Ｊｕｎｅ ９、１９９７）の３０７８〜３０８０頁には、上記のように、強誘電体単結晶のＸカット基板及びＹカット基板上に強誘電体単結晶薄膜を形成し、電圧印加法によりこの強誘電体単結晶薄膜に周期的分極反転構造を形成した場合、得られる分極反転層の厚さは約１μｍであると記載されている。
【０００６】
しかしながら、このように約１μｍ程度の厚さの分極反転層では十分な変換効率を得ることができず、したがって、数ミクロン以上の厚さの分極反転層を有する周期的分極反転構造を形成することが要望されていた。
【０００７】
このような問題に鑑みて、本出願人は、特願平７−３４０９４９号（特開平９−１７９１５６号公報）において、図１に示すような、強誘電体単結晶薄膜を形成する強誘電体単結晶基板１の主面１ａに、交互に隣接する第１の傾斜面４Ａと第２の傾斜面４Ｂとの繰り返し単位５からなり、第１の傾斜面４Ａの法線６Ａの分極軸２に平行な方向の成分が負となり、かつ第２の傾斜面４Ｂの法線６Ｂの分極軸２に平行な方向の成分が正となるような周期的構造を形成し、この主面上に強誘電体単結晶薄膜を形成する方法を開示した。
この方法によれば、任意の厚さの分極反転層を有する周期的分極反転構造を形成できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように第１の傾斜面４Ａと第２の傾斜面４Ｂとの繰り返し単位５からなる周期的構造を、強誘電体単結晶基板１の主面１ａに形成するに当たっては、傾斜面４Ｂを再現性良く形成することが困難であり、そのため主面上に形成された強誘電体単結晶薄膜の周期的分極反転構造における分極反転層の分極反転層を再現性良く作製することが困難であるという問題を生じていた。
【０００９】
本発明の目的は、このような問題点をも鑑み、強誘電体単結晶基板と、その上に形成された強誘電体単結晶薄膜とを具える光導波路部品において、前記強誘電体単結晶薄膜中に、厚い分極反転層を有する周期的分極反転構造が形成された新たな光導波路部品、及びその製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
主面に周期的凹型溝構造を有し、かつ前記主面と略平行に単分域化された強誘電体単結晶基板と、この強誘電体単結晶基板の主面上にエピタキシャル成長させた少なくとも一層の強誘電体単結晶薄膜とを具えている光導波路部品であって、前記強誘電体単結晶薄膜は周期的分極反転構造を有し、かつこの周期的分極反転構造における分極方向と前記強誘電体単結晶基板の主面の周期的凹型溝構造における溝方向との成す角度が１０〜８０度であることを特徴とする、光導波路部品である。
【００１１】
また、本発明は、
主面に周期的凹型溝構造を有し、かつ前記主面と略平行に単分域化された強誘電体単結晶基板と、この強誘電体単結晶基板の主面上にエピタキシャル成長させた少なくとも一層の強誘電体単結晶薄膜とを具えている光導波路部品を製造する方法であって、前記強誘電体単結晶薄膜は周期的分極反転構造を有し、かつこの周期的分極反転構造における分極方向と前記強誘電体単結晶基板の主面の周期的凹型溝構造における溝方向との成す角度が１０〜８０度となるように、前記強誘電体単結晶基板の主面に前記周期的凹型溝構造を形成し、この周期的凹型溝構造上に強誘電体単結晶薄膜を形成することを特徴とする、光導波路部品の製造方法である。
【００１２】
本発明者らは、主面に対して略平行に単分極化した強誘電体単結晶基板の主面上に、前記基板の分極方向と周期的凹型溝構造の溝方向とが１０〜８０度の角度をなすように前記周期的凹型溝構造を形成し、さらに、この周期的分極反転構造上に強誘電体単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることにより、前記強誘電体単結晶薄膜中に厚い分極反転層を有する分極反転構造を形成できることを見い出し、本発明をするに至った。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に則して詳細に説明する。
図２〜５は、本発明の光導波路部品の製造方法を説明するための図である。
本発明の光導波路部品の基板１１に使用することのできる材料は、強誘電体単結晶であれば特に限定されるものでなく、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3 ）、ニオブ酸カリウムリチウム（ＫＬＮ）、及びニオブ酸リチウムータンタル酸リチウム単結晶（ＬｉＮｂ1-X ＴａX Ｏ（０≦Ｘ≦１））などを使用することができる。
【００１４】
さらに、基板の耐光損傷性を向上させるために、これらの基板材料にマグネシウム（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もできる。
同様に、レーザ発振用の元素として、ランタノイド系列のネオジウム（Ｎｄ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ディスプロシウム（Ｄｙ）、及びプラセオジウム（Ｐｒ）などの群から選ばれる１種以上の元素を添加することもできる。
【００１５】
本発明の光導波路部品に使用する基板１１は、その主面に対して略平行に単分極化されていることが必要である。従って、基板１１として上述のような材料を用いた場合は、基板入手の観点からＸカット面又はＹカット面であることが好ましい。分極方向が基板と略垂直である基板、特にＺカット基板では半導体レーザを直接結合することができず、本発明では用いることができない。
【００１６】
本発明の光導波路部品の強誘電体単結晶薄膜１６の材料についても、強誘電体単結晶であれば特に限定されるものではなく、上記強誘電体単結晶基板１１と同様のものを使用することができる。
【００１７】
本発明の光導波路部品は以下のようにして製造する。
基板１１の主面１１ａ上に、例えば、金属タンタル膜を１５０〜９００Åの厚さに蒸着した後、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングの技術を用いて、図２に示すような周期的構造のマスクパターン１２を形成する。
このマスクパターン１２のピッチ１８は、用いる半導体レーザの波長に対応したコヒーレント長の半分の長さにしなければならない。
【００１８】
マスクパターン１２の溝部１２ａは、後に形成する周期的溝構造１５の溝部１５ａに相当するため、マスクパターン１２の溝部１２ａの方向１３と、基板１１の分極方向（Ｚ方向）１４との成す角度が１０〜８０度、好ましくは１０〜６０度となるように、マスクパターン１２を形成する。
【００１９】
次に、基板１１を、例えば、安息香酸などの酸に浸漬させることによって、溝部１２ａ部分をプロトン交換し、次いで、フッ酸などに浸漬させて、前記プロトン交換した部分を選択的に除去して、図３に示す周期的溝構造１５を基板１１に形成する。
【００２０】
このようにして周期的溝構造１５を形成することにより、基板１１の分極方向（Ｚ方向）１４と溝部１５ａの溝方向１９との成す角度φは、前述の角度の大きさを反映して、１０〜８０度、好ましくは１０〜６０度の角度を成す。
この溝部１５ａの深さは、周期的分極反転層を形成するためにピッチの３分の１以上の深さであることが好ましく、さらには半分以上の深さであることが好ましい。
また、溝部１５ａの幅は上記マスクパターンのピッチ１８と同じであることが好ましい。
【００２１】
以上のようにして形成した周期的溝構造１５を有する基板１１上に、液相エピタキシャル法によって、強誘電体単結晶薄膜１６を、好ましくは１０〜２０μｍの厚さに形成する。すると、図４に示すように、基板１１の分極方向（＋Ｚ方向）１４と反対の成分（−Ｚ成分）を有する傾斜部１５ｂにおいては、基板１１の分極方向（＋Ｚ方向）１４と同じ分極方向（＋Ｚ方向）２０−１を有する分極反転層２３−１が形成され、基板１１の分極方向（＋Ｚ方向）１４と同方向の成分（＋Ｚ成分）を有する傾斜部１５ｃにおいては、基板１１の分極方向（＋Ｚ方向）１４と反対の分極方向（−Ｚ方向）２０−２を有する分極反転層２３−２が形成される。
【００２２】
以上にようにして得られる周期的分極反転構造２１は、マスクパターン１２のピッチ１８に対応したピッチ２２を有し、分極反転層２３の厚さｈは、上記強誘電体単結晶薄膜１６の厚さを反映して、１０〜２０μｍの範囲である。したがって、従来の場合と異なり、厚い分極反転層を有する周期的分極反転構造を得ることができる。
【００２３】
さらに、本発明の光導波路部品をＳＨＧデバイスなどの実用的な素子として使用する場合は、上記強誘電体薄膜の厚さを、用いるレーザのモード径に最適な厚さになるように研磨し、その後図５に示すように、周期的分極反転構造２１が形成された強誘電体単結晶薄膜１６中に、基板１１の主面１１ａにおける周期的分極反転構造の溝方向と略垂直となるように、プロトン交換法を用いて３次元光導波路１７を形成する。
この光導波路１７の幅ｗ1 と深さｄ1 は、結合効率の観点から、結合する半導体レーザのモードサイズに合わせ、決定することが好ましい。
【００２４】
図５では、３次元光導波路１７を周期的分極反転構造２１を形成する分極反転層２３に対して直角に形成しているため、周期的凹型溝構造１５の分極方向２０と、３次元光導波路１７の長さ方向２４との成す角度ψは、９０度以下のある一定の角度を有する。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明を実施例に則してさらに詳細に説明する。
実施例１
基板１１として単分極化したマグネシウムドープニオブ酸リチウム単結晶のＸカット面を用い、その上に金属タンタル膜を６００Å蒸着し、次いで、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングの技術を用いることにより、図２に示すようなピッチ１８が７．０μｍのマスクパターン１２を形成した。
また、このマスクパターン１２の溝部１２ａの方向１３と、基板１１の分極方向１４との成す角度が１０度になるように、マスクパターン１２を形成した。
【００２６】
次に、この基板１１を安息香酸に安息香酸リチウムを０．５重量％になるように添加した混合物に１５時間浸漬させてプロトン交換し、さらに、４８モル％のフッ酸に６０分間浸漬させることにより、上記のプロトン交換によって得られたプロトン交換層を選択的に除去して、図３に示すような周期的凹型溝構造１５を形成した。
【００２７】
この周期的凹型溝構造１５の溝部１５ａの幅は７μｍであり、深さは３μｍであった。また、周期的凹型溝構造１５の溝部１５ａの溝方向１９と基板１１の分極方向１４との成す角度φは、上記の値を反映して１０度であった。次に、上記のようにして周期的凹型溝構造１５が形成された基板１１上に、液相エピタキシャル法により、ニオブ酸リチウム薄膜１６を１０μｍの厚さに形成した。
【００２８】
ニオブ酸リチウム薄膜１６をエッチングし、分極方向を確認したところ、基板１１の分極方向（＋Ｚ方向）１４と反対の成分（−Ｚ成分）を有する傾斜部１５ｂでは、基板１１の分極方向（＋Ｚ方向）１４と同じ分極方向２０−１を示し、基板１１の分極方向（＋Ｚ方向）と同じ成分（−Ｚ成分）を有する傾斜部１５ｃでは、基板１１の分極方向１４と反対の分極方向２０−２を示す、周期的分極反転構造２１が得られた。また、周期的分極反転構造２１のピッチ２２は、３．５μｍであった。
【００２９】
次いで、プロトン交換法によって３次元導波路を形成した後、強誘電体単結晶薄膜１６を厚さが３ｍｍになるように研磨して、図５に示すような、３次元光導波路１７を、幅ｗ1 が５μｍ、深さｄ1 が３μｍとなるように形成した。
【００３０】
端面２７を光学研磨した後、３次元光導波路１７に光ファイバ（図示せず）を接続して、波長８３０ｎｍ、パワー１００ｍＷの半導体レーザ光を入射させたところ、波長４１５ｎｍ、出力約２５ｍＷの第２高調波が得られた。また、光損傷などの特性劣化は認められなかった。
【００３１】
実施例２
マスクパターン１２の溝部１２ａの方向１３と、基板１１の分極方向１４との成す角度を３０度とし、溝部１５ａの溝方向１９と基板１１の分極方向１４との成す角度φが３０度の周期的凹型溝構造１５を形成した以外は、実施例１と同様にして、図４に示す光導波路部品を作製した。
【００３２】
形成したニオブ酸リチウム薄膜１６の分極状態を実施例１と同様にして調べたところ、実施例１と同じ周期的分極反転構造２１を有していることが判明した。
【００３３】
次に、実施例１と同様にして、３次元光導波路１７を形成し、第２高調波の特性を調べたところ、波長４１５ｎｍ、出力約２０ｍＷの第２高調波が得られた。また、この場合においても、光損傷などの特性劣化は認められなかった。
【００３４】
実施例３
マスクパターン１２の溝部１２ａの方向１３と、基板１１の分極方向１４との成す角度を４５度とし、溝部１５ａの溝方向１９と基板１１の分極方向１４との成す角度φが４５度の周期的凹型溝構造１５を形成した以外は、実施例１と同様にして、図４に示す光導波路部品を作製した。
【００３５】
形成したニオブ酸リチウム薄膜１６の分極状態を実施例１と同様にして調べたところ、実施例１と同じ周期的分極反転構造２１を有していることが判明した。
【００３６】
次に、実施例１と同様にして、３次元光導波路１７を形成し、第２高調波の特性を調べたところ、波長４１５ｎｍ、出力約１８ｍＷの第２高調波が得られた。また、この場合においても、光損傷などの特性劣化は認められなかった。
【００３７】
実施例４
マスクパターン１２の溝部１２ａの方向１３と、基板１１の分極方向１４との成す角度を６０度とし、溝部１５ａの溝方向１９と基板１１の分極方向１４との成す角度φが６０度の周期的凹型溝構造１５を形成した以外は、実施例１と同様にして、図４に示す光導波路部品を作製した。
【００３８】
形成したニオブ酸リチウム薄膜１６の分極状態を実施例１と同様にして調べたところ、実施例１と同じ周期的分極反転構造２１を有していることが判明した。
【００３９】
次に、実施例１と同様にして、３次元光導波路１７を形成し、第２高調波の特性を調べたところ、波長４１５ｎｍ、出力約１２ｍＷの第２高調波が得られた。この場合においても、光損傷などの特性劣化は認められなかった。
【００４０】
実施例５
マスクパターン１２の溝部１２ａの方向１３と、基板１１の分極方向１４との成す角度を８０度とし、溝部１５ａの溝方向１９と基板１１の分極方向１４との成す角度φが８０度の周期的凹型溝構造１５を形成した以外は、実施例１と同様にして、図４に示す光導波路部品を作製した。
【００４１】
形成したニオブ酸リチウム薄膜１６の分極状態を実施例１と同様にして調べたところ、実施例１と同じ周期的分極反転構造２１を有していることが判明した。
【００４２】
次に、実施例１と同様にして、３次元光導波路１７を形成し、第２高調波の特性を調べたところ、波長４１５ｎｍ、出力約２ｍＷの第２高調波が得られた。また、この場合においても、光損傷などの特性劣化は認められなかった。
【００４３】
比較例１
マスクパターン１２の溝部１２ａの方向１３と、基板１１の分極方向１４との成す角度を５度とし、溝部１５ａの溝方向１９と基板１１の分極方向１４との成す角度φが５度の周期的凹型溝構造１５を形成した以外は、実施例１と同様にして、ニオブ酸リチウム薄膜を形成した。
【００４４】
ニオブ酸リチウム薄膜１６の分極状態を実施例１と同様にして調べたところ、不均一に分極が反転した構造が得られるのみで、図４に示すような周期的分極反転構造２１を得ることはできなかった。
次に、実施例１と同様にして、３次元光導波路１７を形成し、第２高調波の特性を調べたところ、第２高調波を得ることはできなかった。
【００４５】
比較例２
マスクパターン１２の溝部１２ａの方向１３と、基板１１の分極方向１４との成す角度を８５度とし、溝部１５ａの溝方向１９と基板１１の分極方向１４との成す角度φが８５度の周期的凹型溝構造１５を形成した以外は、実施例１と同様にして、ニオブ酸リチウム薄膜を形成した。
【００４６】
ニオブ酸リチウム薄膜１６の分極状態を実施例１と同様にして調べたところ、実施例１と同じ周期的分極反転構造２１を有していることが判明した。
次に、実施例１と同様にして、３次元光導波路１７を形成し、第２高調波の特性を調べたところ、極微弱な第２高調波が得られるのみであった。
【００４７】
以上、実施例から明らかなように、周期的凹型溝構造１５の溝部１５ａの方向１９と、基板１１の分極方向１４との成す角度を、１０〜８０度にすることにより、３μｍの厚さのニオブ酸リチウム薄膜１６を形成した場合においても、このニオブ酸リチウム薄膜１６内に周期的分極反転構造２１を形成することができることが分かる。
【００４８】
すなわち、約１μｍ程度の厚さの分極反転層を有する従来の周期的分極反転構造に比較して、約３μｍという従来の３倍の厚さの分極反転層を有する周期的分極反転構造を得ることができる。
したがって、実施例に示すように、このような周期的分極反転構造を有する光導波路部品をＳＨＧデバイスに使用した場合、高い出力の第２高調波を得ることができる。
【００４９】
また、基板１１に対する周期的凹型溝構造の形成に関しても、上述したように、所定のマスクを用いたプロトン交換によって行うため、従来の技術で述べた特願平７−３４０９４９号（特開平９−１７９１５６号公報）に比較して、極めて容易に基板の加工を行うことができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光導波路部品及びその製造方法によれば、強誘電体単結晶基板と、その上に形成された強誘電体単結晶薄膜とを具える光導波路部品において、前記強誘電体単結晶薄膜中に、厚い分極反転層を有する周期的分極反転構造が形成された光導波路部品を、簡易に提供することができる。
したがって、この光導波路部品をＳＨＧデバイスなどに用いた場合、高い出力の第２高調波を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光導波路部品の製造方法を説明する図である。
【図２】本発明の光導波路部品の製造方法を説明する工程図である。
【図３】図２の後の工程を説明する図である。
【図４】図３の後の工程を説明する図である。
【図５】図４の後の工程を説明する図である。
【符号の説明】
１，１１ 基板、１ａ，１１ａ 主面、２ 分極軸、３ 基板の分極方向に対して垂直な軸、４Ａ 第１の傾斜面、４Ｂ 第２の傾斜面、５ 第１の傾斜面と第２の傾斜面との繰り返し単位、６Ａ 第１の傾斜面の法線、６Ｂ第２の傾斜面の法線、１２ マスクパターン、１２ａ，１５ａ 溝部、１３ マスクパターンの溝部の方向、１４ 基板の分極方向、１５ 周期的凹型溝構造、１５ｂ 基板の分極方向（＋Ｚ方向）と反対の成分を有する傾斜部、１５ｃ 基板の分極方向（＋Ｚ方向）と同じ成分を有する傾斜部、１６ 強誘電体単結晶薄膜、１７，２６ ３次元光導波路、１８，２２ 周期的分極反転構造のピッチ、１９ 周期的凹型溝構造の溝部の方向、２０，２０−１，２０−２ 分極反転層の分極方向、２１ 周期的分極反転構造、２３，２３−１，２３−２ 分極反転層、２４，２５ ３次元光導波路の長さ方向、２７ 端面、基板の分極方向とマスクパターンの溝部の方向との成す角度、φ 基板の分極方向と周期的凹型溝構造の溝部の方向との成す角度、ψ 分極反転層の分極方向と３次元光導波路の長さ方向との成す角度、ｗ1 ，ｗ2 ３次元光導波路の幅、ｄ1 ，ｄ2 ３次元光導波路の深さ
Claims (7)
- 主面に周期的凹型溝構造を有し、かつ前記主面と略平行に単分域化された強誘電体単結晶基板と、この強誘電体単結晶基板の主面上にエピタキシャル成長させた少なくとも一層の強誘電体単結晶薄膜とを具えている光導波路部品であって、前記強誘電体単結晶薄膜は周期的分極反転構造を有し、かつこの周期的分極反転構造における分極方向と前記強誘電体単結晶基板の主面の周期的凹型溝構造における溝方向との成す角度が１０〜８０度であることを特徴とする、光導波路部品。
- 前記強誘電体単結晶薄膜の周期的分極反転構造における分極方向と、前記強誘電体単結晶基板の主面の周期的凹型溝構造における溝方向との成す角度が１０〜６０度であることを特徴とする、請求項１に記載の光導波路部品。
- 前記強誘電体単結晶薄膜中に、前記強誘電体単結晶基板の主面の周期的分極反転構造の溝方向と略垂直となるように、３次元光導波路が形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光導波路部品。
- 前記強誘電体単結晶基板は、ＬｉＮｂ1-X ＴａX Ｏ3 （０≦Ｘ≦１）なる組成で示される単結晶からなることを特徴とする、請求項１〜３に記載の光導波路部品。
- 主面に周期的凹型溝構造を有し、かつ前記主面と略平行に単分域化された強誘電体単結晶基板と、この強誘電体単結晶基板の主面上にエピタキシャル成長させた少なくとも一層の強誘電体単結晶薄膜とを具えている光導波路部品を製造する方法であって、前記強誘電体単結晶薄膜は周期的分極反転構造を有し、かつこの周期的分極反転構造における分極方向と前記強誘電体単結晶基板の主面の周期的凹型溝構造における溝方向との成す角度が１０〜８０度となるように、前記強誘電体単結晶基板の主面に前記周期的凹型溝構造を形成し、この周期的凹型溝構造上に強誘電体単結晶薄膜を形成することを特徴とする、光導波路部品の製造方法。
- 前記強誘電体単結晶薄膜の周期的分極反転構造における分極方向と、前記強誘電体単結晶基板の主面の周期的凹型溝構造における溝方向との成す角度は１０〜６０度であることを特徴とする、請求項５に記載の光導波路部品の製造方法。
- 前記強誘電体単結晶基板は、ＬｉＮｂ1-X ＴａX Ｏ3 （０≦Ｘ≦１）なる組成で示される単結晶からなることを特徴とする、請求項５又は６に記載の光導波路部品の製造方法。
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