JP3848093B2 - Optical waveguide device, optical wavelength conversion device, and optical waveguide device manufacturing method - Google Patents

Optical waveguide device, optical wavelength conversion device, and optical waveguide device manufacturing method Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば擬似位相整合方式の第二高調波発生デバイスに適した光導波路素子およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光情報処理技術全般において、高密度光記録を実現するためには、波長400−430nm程度の青色光を,30mW以上の出力で安定的に発振する青色光レーザーが要望されており、開発競争が行われている。青色光光源としては、赤外光を基本波として発振するレーザーと、疑似位相整合方式の第二高調波発生素子とを組み合わせた光導波路型の波長変換素子が期待されている。
【0003】
ニオブ酸リチウム単結晶を用いた第二高調波発生装置においては、結晶中を伝搬する光の出力が大きくなると、光損傷によって結晶中で屈折率の変動を引き起こすため、高出力化には限界がある。また、光の波長が短いほど、光損傷が顕著となる。ニオブ酸リチウムにMgOを添加した基板を用いると、光損傷に対する耐性が増すことが知られており、この際のMgOの添加割合は通常5mol%程度である。
【0004】
例えば、「Electronics Letters、24thApril,1997年.Vol.33,No.9」の806−807頁の記載によれば、MgOをドープしたニオブ酸リチウム基板に周期分極反転構造を形成し、この構造に対して直交する方向へと向かってプロトン交換光導波路を形成することによって、光導波路型の第二高調波発生装置を実現している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このタイプの第二高調波発生装置においては、青色光の発振出力を増加させると、光損傷によって、安定した出力を得ることができなかった。例えば、MgOを5mol%ドープしたニオブ酸リチウムに周期分極反転構造を形成し、この構造に対して直交する方向へと向かってプロトン交換光導波路を形成し、波長420nmの青色光を発振させる場合、出力が10mW以上、特には15mW程度以上になると、光損傷によって、出射ビームや出力の変動が大きくなっていた。こうした出射ビームやその出力の変動の原因は明確ではなかった。
【0006】
本発明の課題は、光導波路型デバイスにおいて、光導波路からの出射光の出力を増加させたときにも、出力の変動を少なくし、安定した発振を可能とすることである。
【0007】
また、本発明の課題は、疑似位相整合方式を利用した波長変換素子において、出射光の波長を短くし、好ましくは青色領域にし、かつ光導波路からの出射光の出力を増加させたときにも、出力の変動を少なくし、安定した発振を可能とすることである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、バルク状の非線形光学結晶からなる三次元光導波路と、この光導波路に対して接合されている基板と、光導波路と基板とを接合している非晶質材料からなる接合層とを備えており、前記接合層の屈折率が前記光導波路の屈折率より5%以上低いことを特徴とする、光導波路素子に係るものである。
【0010】
また、本発明は、バルク状の非線形光学結晶からなる光導波路成形用材料をこれとは別体の基板へと接合層を介して接合し、この際前記結晶の屈折率よりも接合層の屈折率を低くし、次いで前記材料を加工することによって光導波路を成形することを特徴とする、光導波路素子の製造方法に係るものである。
【0011】
また、本発明は、バルク状の非線形光学結晶からなる光導波路成形用材料をこれとは別体の基板へと接合し、この際前記結晶の屈折率よりも基板の屈折率を低くし、次いで前記材料を加工することによって光導波路を成形することを特徴とする、光導波路素子の製造方法に係るものである。
【0013】
本発明者は、バルク状の非線形光学結晶からなる三次元光導波路を、接合層を介して、あるいは接合層を介することなく直接に、基板へと接合し、光導波路の下地となる接合層あるいは基板をアンダークラッドとして利用することで、光導波路内を伝搬する光の出力を高くし、および/または波長を短くしても、光損傷が著しく抑制され、出力の変動等が防止されることを見出し、本発明に到達した。
【0014】
本発明について、図1を参照しつつ、更に説明する。
【0015】
図1に示す光導波路素子1Aにおいては、基板2の表面2a上に、接合層3を介して、光導波路4が接合されている。光導波路4はリッジ型のものであり、光導波路4の横断面方向の両側にはそれぞれ平板形状の延設部15が延設されている。本例では、更に各延設部15の各末端(溝7の外側)に、肉厚部分8が形成されている。各延設部15の上方は、リッジ型光導波路を成形するための空間ないし溝7が形成されている。5は、周期分極反転構造である。本例では、光導波路の上部に、非分極反転部分6が残留しているが、これはなくしてもよい。この結果、リッジ型の光導波路4は、接合層3を介して、別体の支持基板2上に、いわば浮遊する形態をとっている。こうした形態の三次元光導波路は類例がない。「三次元光導波路」とは、導波路の高さ方向(上下方向)および横方向(左右方向)に光を閉じ込める光導波路をいう。
【0016】
こうした三次元光導波路は、非線形光学結晶を加工、例えば機械加工やレーザー加工することによって物理的に加工し、成形することによって得られる。
【0017】
これに対して、従来の三次元光導波路は、通常次のように形成されている。
(1)非線形光学結晶からなる基板の表面領域を変質させ、その組成を部分的に変化させることによって、基板の表面領域に屈折率の高い変質層、例えばチタン拡散層やプロトン交換層を設ける。
(2)非線形光学結晶からなる基板の表面に、基板よりも屈折率が高い単結晶膜を形成し、この単結晶膜を細長い平面形状に加工する。
【0018】
しかし、単結晶膜を形成した後に、単結晶膜中に例えば周期分極反転構造を形成することは困難である。一方、前述したように、ニオブ酸リチウム単結晶基板の表面領域に、周期分極反転構造を有するプロトン交換層を形成し、これを光導波路として使用することは知られている。しかし、こうした第二高調波発生装置は光損傷が大きい。
【0019】
こうした第二高調波発生装置において、例えば400−430nmの短波長の光を高い出力で伝搬させたときに、光損傷が起きる原因は、光導波路内に閉じ込められた光の出力密度が、結晶の耐光損傷のしきい値を超えてしまうことが原因とも考えられる。
【0020】
しかし、本発明者が、図1のような装置を試作し、短波長の光を高い出力密度で伝搬させてみたところ、光導波路から出射する第二高調波の出力変動が抑制され、光導波路内の光損傷が抑制されていることを見出した。つまり、例えば400−430nmの短波長の光を高い出力で伝搬させたときにも、光導波路内に閉じ込められた光の出力密度が、結晶が本来有する耐光損傷のしきい値を超えておらず、余裕があることがわかった。これと同時に、プロトン交換法によって光導波路を形成した場合の光損傷は、プロトン交換過程における表面領域の結晶性の劣化と、これに伴う耐光損傷特性の低下によることを発見した。
【0021】
この結果、本発明によって、極めて光損傷の少ない、光の出力変動の抑制された光導波路素子を提供できる。
【0022】
これと共に、機械加工等によって形成されたバルク状の三次元光導波路を、非晶質材料からなる接合層を介して基板へと接着した点が重要である。例えば、三次元光導波路を基板に対して接合層を介することなく接合した場合には、接合後の温度降下過程において、あるいは接合後の温度変化によって、基板と光導波路との間での熱膨張差によって、光導波路に多大な応力が加わる。なぜなら、基板と光導波路との間に必ず組成の差による熱膨張差があることに加えて、基板の結晶方位と光導波路の結晶方位とが異なっていること,そして基板の方が光導波路よりもはるかに大きく、嵩高いことから、基板から光導波路の方へと大きな応力が加わり、光導波路内に歪みを生じさせる。このため、光導波路内を伝搬する光の導波モードが変化したり、光損傷が生じやすい。
【0023】
また、接合層の材質としてかりに単結晶を使用すると、やはり接合層における結晶方位と光導波路における結晶方位との相違に起因して、光導波路内に歪みが生じやすい。また、接合層の材質としてかりに多結晶を使用した場合、接合層側に光導波路からしみ出した光が、接合層内において結晶粒界等で散乱し、伝搬損失が増大する。
【0024】
これに対して、本発明では、バルク状の三次元光導波路を基板上に接合することによって、バルクが本来有する良好な結晶性を利用するのに加えて、光導波路が直接接触するのが接合層であって基板ではなく、接合層が基板に比べてはるかに嵩が小さいことから、接合層の方に応力が逃げやすく、このため接合層から光導波路に大きな応力が加わりにくい。その上、接合層が非晶質材料からなっていることから、接合層に加わった応力が分散し易く、光導波路の歪みが更に減少する。
【0025】
なお、信学技報「TECHNICAL REPORT OF IEICE US95−24:EMD95−20:CPM95−32(1995−07)第31−38頁の記載によれば、ニオブ酸リチウム基板をタンタル酸リチウム基板に直接接合し、ニオブ酸リチウム基板を薄片化し、光導波路構造を試作している。これは基板表面に吸着した水酸基の分子間力を利用して、基板同士を直接に接合するものであり、本発明とは異なる。
【0026】
また、特開平7−225403号公報の記載によれば、非線形光学材料からなるコアと、コアを囲むクラッド基板とからなる光導波路素子が開示されているが、本発明のようなバルク状の三次元光導波路を基板に非晶質材料を介して接合した構造とは異なる。
【0027】
本発明においては、少なくとも光導波路内に周期分極反転構造を形成し、光導波路素子を高調波発生用素子として機能させることができる。この場合には、基本波よりも波長の短い(エネルギーの高い)光が光導波路内を伝搬するために、本発明の作用効果が特に大きい。
【0028】
本発明の素子を高調波発生装置、特に第二高調波発生装置として使用した場合には、高調波の波長は330−550nmが好ましく、400−430nmが特に好ましい。
【0029】
好適な実施形態においては、光導波路が、接合層あるいは基板から突出するリッジ型の光導波路である。
【0030】
また、好適な実施形態においては、光導波路の横断面方向の両側に向かって延びる一対の延設部を設ける。こうした延設部は、光導波路の基板上での接合状態を安定にする。また、光導波路の両側に延設部を設けることで、光の伝搬状態も対称的になる。
【0031】
光導波路を構成する非線形光学結晶は特に限定されないが、周期分極反転構造を形成しやすい強誘電体単結晶が好ましく、ニオブ酸リチウム(LiNbO3 )、タンタル酸リチウム(LiTaO3 )、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、K3 Li2 Nb515の各単結晶が特に好ましい。
【0032】
こうした結晶中には、三次元光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、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ができ、マグネシウムが特に好ましい。
【0033】
周期分極反転構造を光導波路内に形成する場合には、分極反転特性(条件)が明確であるとの観点から、ニオブ酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウムータンタル酸リチウム固溶体単結晶、又はこれらにマグネシウムを添加したものが特に好ましい。
【0034】
接合層を設ける場合には、基板の材質は特に限定されず、所定の構造強度を有していればよい。ただし、光導波路と熱膨張係数等の物性値が近い方が好ましく、ニオブ酸リチウム(LiNbO3 )、タンタル酸リチウム(LiTaO3 )、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、K3 Li2 Nb515の各単結晶が特に好ましい。
【0035】
また、基板の表面に、他の膜を形成することもできる。この膜形成方法としては、液相エピタキシャル法、スパッタリング法、蒸着法、スピンコート法、化学的気相成長法などがある。膜の材質は限定されないが、例えば酸化珪素、五酸化ニオブ、五酸化タンタル、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体を例示できる。
【0036】
基板の少なくとも表面領域をアンダークラッドとして機能させる場合には、基板の少なくとも表面領域の屈折率を、光導波路材質の屈折率よりも低くする必要がある。
【0037】
接合層の材質の屈折率は、光導波路の材質の屈折率よりも5%以上低くすることが必要である。この屈折率差は10%以上であることが更に好ましい。また、接合層の材質は、有機樹脂やガラス(特に好ましくは低融点ガラス)が好ましい。有機樹脂としては、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン樹脂等を例示できる。ガラスとしては、酸化珪素を主成分とする低融点ガラスが好ましい。
【0038】
また、接合層をアンダークラッドとして機能させるためには、接合層の厚さは、0.1μm以上であることが好ましく、0.2μm以上であることが更に好ましい。また、三次元光導波路の位置的な安定性の観点からは、接合層の厚さを3μm以下とすることが好ましい。
【0039】
図1(a)、(b)の光導波路素子を製造するには、例えば以下の方法による。即ち、図2(a)に示すように、光導波路成形用材料9の表面に、周期分極反転構造5を形成しておく。基板2の表面2aに、光導波路成形用材料9の構造5側の表面(接合面)9aを接合する。次いで、図2(b)に示すように、光導波路成形用材料9の背面(非接合面)9bを研削加工し、材料9Aを薄くする。この段階では、光を厚さ方向に閉じ込め得る寸法まで材料9Aを薄くすることは困難であるので、次に図1に示すように溝7を形成し、リッジ構造の光導波路4を形成する。このときに光導波路の厚さも調節する。こうした加工は、例えばダイシング加工装置やレーザー加工装置によって可能であるが、ダイシング加工のような機械的加工が好ましい。
【0040】
周期分極反転構造の形成法は限定されない。電気光学結晶基板、例えばニオブ酸リチウム基板に周期分極反転構造を形成する方法としては、Ti内拡散法、Li2 O外拡散法、SiO2 装荷熱処理法、Ti熱酸化法、プロトン交換熱処理法、電子ビーム走査照射法、電圧印加法、コロナ帯電法等が好ましい。これらの方法の中で、深い周期分極反転構造を精度良く形成するという観点から、XカットまたはYカット、あるいはそのオフカット基板を使用する場合には、電圧印加法が特に好ましい。また、Zカット基板を使用する場合にはコロナ帯電法あるいは電圧印加法で行うことが特に好ましい。
【0041】
光導波路の高さを所定の寸法に研削加工する方法としては、光導波路底面に対して垂直に回転する切削用外周刃と光導波路底面との間隔を所定の高さに設定し、切削加工することにより、光導波路の厚さを必要値とすることが好ましい。その理由は以下のとおりである。
【0042】
従来、略平板形状の被加工物の厚さを研削加工して調製する場合、被加工物の表面を、この表面と平行に回転する外周刃によって研削することが一般的であった。しかし、この方法では、外周刃の回転面の僅かな傾斜によって、厚さが不均一になりやすいので、幅数μm、長さ1mm程度の細長い形状の光導波路の高さを、サブミクロンのオーダーで制御することは困難であった。
【0043】
これに対して、底面に垂直に回転する切削用外周刃と光導波路底面との間隔を所定高さに設定して切削加工すれば、外周刃の高さを調節することによって、高さ方向の調節を容易に行えるし、この際の精度は、一般的な加工装置の持つ加工精度(サブミクロンオーダー)にならう。
【0044】
図4の光導波路素子1Bのように、延設部の肉厚部分8を省略することができる。肉厚部分8は、例えば前述したダイシング加工装置によって除去できる。
【0045】
また、リッジ構造を形成するのに際しては、基板にも溝を形成することができる。例えば図5の光導波路素子1Cは、基本的には図1の光導波路素子1Aと同様のものであるが、基板2にも溝2cが形成されており、リッジ構造8の両側の溝17が基板2の内部にまで入っている。この結果、リッジ構造18は、基板の突起2bと、突起2b上の接合層3と、接合層3上の光導波路4とからなっている。
【0046】
図6の光導波路素子1Dにおいても、光導波路素子1Cと同様に、基板に溝2cが形成されており、これによって基板2の突起1bが形成されている。なお、20は、接合層3と同じ材質であるが、肉厚部分8は除去されている。
【0047】
図1、図4、図5、図6においては、光導波路の下部が分極反転部分5であり、上部が非反転部分6であった。しかし、光導波路の全体が分極反転部分となる場合もある。また、光導波路の上部が分極反転部分5になり、下部が非反転部分6になる場合もある。
【0048】
本発明の一実施形態においては、いわゆる誘電体装荷型の三次元光導波路を利用できる。例えば図7の光導波路素子1Eにおいては、基板2の表面2aに接合層3を介して三次元光導波路10、一対の延設部15および一対の肉厚部8が接合されている。三次元光導波路10と延設部15とは、肉薄部分を構成しており、この肉薄部分の厚さは、光の厚さ方向への閉じ込めが可能な厚さに設定されている。肉薄部分の表面に所定の誘電体層12を形成することによって、誘電体層12の上に三次元光導波路10を形成している。本例では誘電体層12は接合層3内に突出している。
【0049】
図7の光導波路素子を製造するには、例えば以下の方法による。即ち、図8(a)に示すように、光導波路成形用材料9の表面に、周期分極反転構造5を形成し、更に誘電体層12を形成しておく。誘電体層12の材質は、材料9よりも屈折率が高ければ特に限定されないが、例えば五酸化ニオブが好ましい。基板2の表面2aに、光導波路成形用材料9の接合面9aを接合する。次いで、図8(b)に示すように、材料9の背面(非接合面)9bを研削加工し、材料9Aを薄くする。次いで、図7に示すように凹部11を形成し、肉厚部分8と肉薄部分10、15とを形成する。こうした加工は前述の加工方法を転用できる。
【0050】
図9の光導波路素子1Fのように、延設部の肉厚部分8を省略することができる。
【0051】
また、誘電体は、光導波路の上側(基板とは反対側)に装荷することができる。図10の光導波路素子1Gにおいては、光導波路10の上に誘電体12を装荷している。また、図11の光導波路素子1Hにおいては、光導波路10の上に誘電体12を装荷しており、かつ図10の素子において延設部の肉厚部分8を省略している。
【0052】
本発明においては、図1において、溝7の深さを更に大きくして接合層3内まで溝を形成することによって、延設部15を除去することもできる。この場合には、例えば図12に示す素子1Jのように、溝7は接合層3に達し、リッジ型の光導波路4が接合層3から直接に突出する。
【0053】
また、少なくとも光導波路を被覆するオーバーコート層を設けることができる。図13は、この実施形態に係る素子1Kを示す。この素子の光導波路4側の表面はオーバーコート層21によって被覆されている。
【0054】
これによって、光導波路の表面が大気に直接には触れず、オーバーコート層に接触するようになる。このため、例えば光導波路表面に粗れや微細な欠けが発生していた場合に、光導波路が大気に露出している場合と比べて、光の散乱が少なくなる。
【0055】
オーバーコート層の材質は限定されないが、例えば、酸化珪素(SiO2 )、五酸化ニオブ、五酸化タンタル、あるいは各種樹脂材料等が好ましい。
【0056】
好適な実施形態においては、本発明の光導波路素子は一対の延設部と、延設部から接合層の方へと向かって突出するリッジ形状の光導波路を備えている。図14は、この実施形態に係る素子1Lを示す。
【0057】
基板2に対して、一対の肉厚部分8、一対の延設部26および延設部から接合層3へと向かって突出する光導波路24が設けられている。肉厚部分8と光導波路24との間には一対の溝23が形成されており、溝23内には非晶質材料22が充填されている。非晶質材料の充填物22は、接合層3と連続していることが好ましい。
【0058】
本例では、光導波路24は、周期分極反転部分5と、分極反転していない突出部25とからなっており、分極反転部分5が、基板2に近い先端側に設けられている。
【0059】
このような構造によれば、光導波路の表面が非晶質材料に接触する。このため、例えば光導波路表面に粗れや微細な欠けが発生していた場合に、光導波路が大気に露出している場合と比べて、光の散乱が少なくなる。従って、光挿入損失のバラツキが小さくなる。
【0060】
こうした素子の製法は、特に限定されないが、前述の製法を転用することが好ましい。即ち、図15(a)に示すように、光導波路成形用材料9の表面に、周期分極反転構造5を形成しておく。次いで、前述した機械加工やレーザー加工によって、図15(b)に示すように、所定形状の溝23を形成し、一対の溝23の間にリッジ構造の光導波路24を形成する。
【0061】
次いで、図15(c)に示すように、基板2の表面2aに、光導波路成形用材料9の構造5側の表面(接合面)9aを接合する。この際、溝23内には非晶質材料22が充填されるようにする。次いで、光導波路成形用材料9の背面(非接合面)9bを研削加工し、材料9を薄くし、図14の肉厚部分8および延設部26を形成する。
【0062】
好適な実施形態においては、光導波路の横断面方向の両側に向かって延びる一対の延設部を備えている場合に、高調波発生素子の基本波の波長および波長変換波の波長の双方に対してシングルモード伝搬となる。特に好ましくは、光導波路の幅が1−10μmであり、光導波路の延設部からの高さが0.2−5μmであり、延設部の厚さが0.5−5μmである。
【0063】
この実施形態について説明する。
【0064】
励起光、波長変換光共にシングルモード条件になる導波路構造を見出すために、有限要素法による光導波路構造解析手法を用いて詳細な検討を行ない、実験によって特性を確認した。この結果、例えば図1の導波路がこの条件を満たし、かつ高性能を実現する導波路寸法トレランスが極めて大きいために、製作が容易である事を見出した。
【0065】
図1の素子は、三次元光導波路4の部分と、この両側に延びる一対の延設部15を備えている。このような構造は、図3、図4、図13、図14の素子にも見られる。
【0066】
励起光の波長λ1=810nm、変換光の波長λ2=405nmとして具体的検討を行った。本検討においては、図16に示すモデルに基づいて検討した。ここで、2は基板であり、3は接合層であり、4はリッジ部分であり、30は図3の構造を計算する目的で便宜上分割した導電路の下部分である。
【0067】
励起光レーザと導波路基本モード(波長λ1)との間で直接光結合をとった場合の結合損失の計算結果の一例を、図17、図18に示す。図17、図18における計算例では、リッジ部分4と延設部15の材質は、同一の非線形光学材料とし、本非線形光学材料は、波長λ1に対して屈折率2.14、波長λ2に対して屈折率2.29とした。また、接合層3の屈折率は、λ1、λ2の両波長に対して屈折率1.51とした。また、本導波路と結合させる励起光レーザーのスポットとして、x方向半径1.5μm、y方向半径1.0μmのガウシアンビームを想定した。
【0068】
リッジ部分4の幅wを横軸にとった。導波路モードフィールドと、励起光レーザを想定したx方向直径3μm、y方向直径2μmのガウシアンビームとの結合損失ηを、縦軸に示す。図17では、リッジ部分4の高さt1を1.0μmに固定し、図18ではt1を2.0 μmに固定した。各グラフにおいて、延設部の厚さt2を1.0−4.0mmの間で変更した。図17、図18に実線で示した部分が、シングルモード伝搬領域である。
【0069】
各グラフでは、リッジ部分4の幅Wには、ある閾値wsが存在する。例えば、t1=1.0μm、t2が2.0 μm以上のときに、各閾値以下のwのもとではシングルモード伝搬となることが分かる。wsは、図17においては、4−10μmの範囲内で変動している。ただし、wが必要以上に小さくなると、スラブモードに近い状態となり、カットオフ状態になる(ηが大きくなる)。t2が1.0 μm程度以下になると、閉じ込めの極めて強い状態となり、シングルモード条件を満たすにはw〜1.0 μm以下になり、結合損失も大きくなる。
【0070】
図17の計算例では、リッジ部分4の幅w=2.5μm、リッジ部分4の高さt1=1.0μm、延設部の厚さt2=1.5μmの近傍で、導波路がシングルモードとなる範囲で、結合損失が最小となる最適構造となる。
【0071】
図18の計算例においても、同様に、w=2.5μm、t1=2.0μm、t2=1.5μm近傍の導波路構造が、最適構造である。
【0072】
本計算例では、t1として1.0 及び2.0 μm の場合についてのみ記したが、他のt1についても、同様なシングルモード伝搬領域が得られることは自明である。t1を大きくとることで、導波路の閉じ込めが強くなるため閾値wsは低下することを計算・実験で確認している。
【0073】
また、t2についても、t2=1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0 μmの各場合についてのみ記したが、他のt2においても同様なシングルモード伝搬領域が存在する。t2を大きくすることで、導波路の閉じ込めが弱い状況となるため、閾値wsは増加する。一方、t2を小さくすることで導波路の閉じ込めが強くなり、wsが減少する傾向がある。
【0074】
また、リッジ部分4、延設部15の屈折率(n1)と下地層30の屈折率(n2)との比屈折率差(n1−n2)/n2と、リッジ部分4、延設部15の屈折率(n1)とエアーの屈折率(光導波路をオーバーコートする場合にエアーの代わりにオーバーコート層の屈折率)(n2)との比屈折率差(n1−n2)/n2との、一方あるいは双方が大きくなれば、屈折率n1、n2の大きさに係わらず、導波路の閉じ込めが強い状態となり、wsが減少する。一方、前記の比屈折率差の一方あるいは双方が小さくなれば、n1、n2の大小に係わらず、導波路の閉じ込めが弱くなり、wsが増加することも自明である。
【0075】
本計算例において、励起光レーザのスポット半径としてx方向1.5μm、y 方向1.0 μmの場合のみについてのみ示したが、励起レーザのスポット半径は、用途・動作波長により適当な材料・組成,構造・寸法が選ばれ、その組み合わせによってその大きさが決まる。また、場合によっては、レンズを介して光導波路と結合させることも可能であり、これらの事を考慮すると実効的なスポット径は、0.5μm程度から5μm程度の異なった大きさになる。
【0076】
例えば、実効的スポット径の小さいレーザを使用した場合、励起光レーザと本光導波路の結合損失ηが極小となるw及びt2は減少し、あるいは、励起光レーザのスポット径を大きくした場合、w及びt2は増加することになる。
【0077】
本検討では一例を示したが、一般的な非線形光学結晶あるいは非線形ポリマ材料の屈折率としては、動作環境温度によって屈折率が大幅に変化する事を考慮すると1.3 から2.5 程度の範囲、接着層の屈折率として1.3 から2.0 の範囲をとる。従って、用いられるレーザの実効的スポット径に対して、本発明によるシングルモード条件を満たしつつ、且つレーザとの結合損失を小さくする構造としては、リッジ型光導波路の形状が、リッジ部分4の幅1〜10μm、リッジ部物4の高さ0.2 〜5 μm、延設部15および下地層30の厚さ0.5 〜5 μmの範囲で、シングルモードが得られる。
【0078】
また、本検討でクラッドとして機能する基板層がある場合、および基板層がない場合の両モデルに対して検討結果が同様となることも自明である。
【0079】
(接合層の屈折率について)
光導波路型の光波長変換素子を形成する場合、光導波路における基本波、高調波のモードの重なりが変換効率に大きく影響を与える。導波モードの形状は接合層の屈折率に影響される。図19に導波路と接合層の屈折率差と電界分布の関係を示す。波長850nm 、導波路LiNbO 3 (屈折率2.166 )とし、基板はLiTaO 3 (屈折率2.158)で計算した。屈折率差が増大するに従い、モードプロファイルの対称性が増大し、かつ閉じ込めが向上した。図19から分かるように、導波路と接合層の屈折率差Δnが5%以上のときにモードの対称性が増加し、高効率化がはかれるため好ましい。さらに、Δnが10%以上になると閉じ込めが強化され変換効率の向上が可能になった。
【0080】
(シングルモード条件の成立)
導波路型の光波長変換素子において、高効率の波長変換を行うには、光導波路のシングルモード伝搬の条件成立が不可欠である。特に、基本波(変換された光の波長<基本波の場合)に対して光導波路がシングルモード条件を満足することが望ましい。その理由は、導波路に基本波を入力した場合に、マルチモード導波路では、伝搬する基本波が複数の導波モードに分散する可能性がある。光波長変換素子において、変換効率は基本波のパワー密度に依存するため、マルチモード導波路において基本波の伝搬モードが分散すると変換効率が極端に低下する原因となる。さらに、導波する伝搬モードが分散することで出力が不安定になるという問題が生じる。
【0081】
光導波路におけるシングルモード条件について述べる。波長800nmの光に対して、MgO ドープLiNbO3を導波層としたときの接合層との屈折率差dnとシングルモード条件を満足する最大の厚みの関係を、図20に示した。屈折率差Δn=5%でシングルモード深さは約1μmとなる。屈折率差が大きくなるとシングルモード条件はさらに厳しくなる。この結果は、上記の閉じ込めの強い光導波路を実現するための接合層との屈折率(5%以上)を実現するには、導波路層の厚みを1μm以下に制御しなければならないことを示している。ところが、導波路の厚みを薄くすると導波モードのアスペクト比が増大し、出射光のモードプロファルのアスペクト比がこれに比例するため、光のレンズ系で集光する場合に出射光のビーム整形等が必要になる。さらに、導波路に光を結合させる場合にも通常の半導体レーザや固体レーザのビームプロファイルと大きく異なるため、結合効率の低下の原因になる。さらに導波路の厚み変動に対する実効屈折率の変化が大きくなるため導波路の不均一性が増大する。これを改善するには、導波路のシングルモード深さの増大が必要となる。半導体レーザとの高効率結合を考えるとシングルモード深さは1μm以上必要となるため、接合層の屈折率としては光導波路との屈折率差5%以下の材料が必要となるが、この条件では、上述した対称性に優れ、かつ閉じこめの強い光導波路構造の実現が難しくなる。
【0082】
そこで、シングルモード深さの増大方法として新たな導波路構造を提案する。導波路の深さ方向の屈折率分布として、図21に示すように、導波路、接合層(接合層の屈折率<基板の屈折率)、基板の3層構造をとった場合、導波路を伝搬する光の電界分布が基板側に存在する状態において、光導波路のシングルモード条件は、導波路と接合層の屈折率差ではなく、導波路と基板の屈折率差に大きく依存することを見いだした。即ち、光導波路の屈折率に近い基板を用いることで導波路のシングルモード条件を大幅に緩和できる。
【0083】
具体的には、図20に示した屈折率差とシングルモード深さの関係は、屈折率差を導波路と基板の屈折率差に置き換えてほぼ同じ関係が成立する。即ちシングルモードとなる導波路の深さを1μm以上にするには、基板と導波路の屈折率差を5%以下に設定することで可能となる。一方、光導波路に存在する導波光の電界分布は接合層の屈折率で制御できる。上述したように、接合層の屈折率を導波路の屈折率より5%以上小さくすることで導波モードの電界分布の対称性向上および閉じこめ強化を実現できる。接合層を設けることで導波路のシングルモード条件と導波モードの電界分布を独立に設計できる。(ただしこの条件は、導波モードの電界分布が基板側に存在するときに限られる。その理由は、接合層が厚くなりすぎると導波モードが基板側に存在しなくなり、導波路と接合層の屈折率差によりシングルモード条件が成立するためである。)
【0084】
接合層を介した導波路の条件としては、以下の2点が必要である。
接合層の屈折率が基板の屈折率より低いこと
導波路を伝搬する導波モードの電界分布が基板に存在する。具体的には、基板における電界強度が導波路における電界強度の最大値の1/1000以上存在することが必要である。これ以上小さい値になると導波モードに対する基板の影響が現れなくなる。
【0085】
図22、図23は、接合層を有する場合と有さない場合の電界分布を表したもので、接合層を有することで導波路の閉じ込めが大幅に増大し、対称性も増すことがわかる。この結果、導波路内における基本波と高調波のオーバラップの増大が図れ、接合層を有する導波路において変換効率は2倍以上増大することがわかった。
【0086】
(接合層の厚み)
接合層の厚みについて述べる。接合層の厚みが増大すると、上述したように導波路への基板の影響がなくなるためシングルモード条件の成立が困難になる。一方、接合層の厚みが減少すると接合層の厚みが導波路の実効屈折率に与える影響が増加する。このことは光導波路デバイスの均一性が接合層の厚みに大きく依存することを表している。導波路型の光波長変換素子は位相整合波長許容度が0.1nm 程度と非常に厳しい、このため導波路の不均一性により部分的に位相整合の異なる場合、変換効率が極端に低下する原因となる。
【0087】
図24は、接合層の厚みと位相整合波長の関係を示したものである。接合層の厚みが0.1μm以下の場合、接合層の厚みに対する位相整合波長の依存性は大きい。0.15μm以上になると依存性が徐々に低下し、0.2μm以下ではさらに依存性が小さくなるため、好ましい、接合層の厚みは、位相整合波長が接合層の厚み依存性が小さくなる厚みが必要であり、同時に導波モードの電界分布が基板側に存在する程度に薄くする必要がある。
【0088】
上記説明は、導波路の深さ方向の電界分布について述べたが、装荷導波路、リッジ導波路、機械加工導波路等いずれの導波路においても適用可能である。導波路の横方向閉じ込めを実現するには、これらの構造をとる必要がある。
【0089】
(オフカット基板を使用した周期分極反転構造の形成)
高効率の光波長変換素子を構成するためには、周期分極反転構造と、光導波路を伝搬する光とのオーバーラップの増大が重要である。光導波路形状として波長820nm程度の基本波から波長410nm程度の第二高調波を発生させるケースを想定すると、光導波路の深さは2μm程度になるため、周期状の分極反転の深さは2μm以上必要となる。
【0090】
深い分極反転構造を形成する方法として、結晶軸を基板表面に対して傾けたオフカット基板を用いる方法がある。例えば、Xオフカット基板においては、X板(結晶のX軸が基板表面に対して垂直な基板)のX軸、Z軸を、Y軸を中心としてθ傾斜させている。Yオフカット基板においては、Y板(結晶のY軸が基板表面に対して垂直な基板)のY軸、Z軸を、X軸を中心としてθ傾斜させている。こうしたXオフカット基板、Yオフカット基板を使用して分極反転構造を形成することによって、深い分極反転構造を形成することが可能となり、これによって光波長変換素子の高効率化が実現する。分極反転深さは、オフカット角が増加するのにつれて増大する。例えば、周期分極反転構造の周期を3μmとしたとき、オフカット角θ=1.5°の場合には分極反転深さ1μm、θ=3°で1.7μm、θ=5°で2.5μm程度の周期分極反転構造を実現できる。従って、光導波路と周期分極反転構造との十分なオーバーラップを実現するためには、オフカット角θが3°以上である基板が望ましい。
【0091】
しかし、オフカット基板に分極反転構造を形成する際には、以下の課題がある。
(1)プロトン交換光導波路をオフカット基板に適用する場合、オフカット角に比例して伝搬損失が増大する。
(2)Yオフカット基板にプロトン交換光導波路を形成すると、Xオフカット基板の場合の2倍以上の伝搬損失が存在する。
【0092】
即ち、従来、光導波路型の波長変換素子に使用されているプロトン交換光導波路の場合、オフカット基板による深い分極反転を利用しようとすると、光導波路の伝搬損失により特性が劣化する結果となり、せいぜいθが3°未満のXオフカット基板しか使用されていない。Yオフカット基板を用いた場合には、光導波路の伝搬損失が4−5dB/cm以上となり、第二高調波発生素子の特性を大幅に劣化させるため、プロトン交換光導波路では使用するのが難しい、という問題があった。これらの光導波路での伝搬損失の原因は、プロトン交換時に発生する化学損傷によるものである。
【0093】
これらの課題を解決する方法として、本発明の光波長変換素子は非常に有効である。本発明の光波長変換素子は、プロトン交換工程を用いずに光導波路の形成が可能なため、化学損傷は生じない。従って、従来使用の難しかった、3°以上のオフカット角を有するXオフカット基板やYオフカット基板の使用が可能となる。θ=5°のX、Yオフカット基板を利用した場合、Xカット基板では2dB/cm以上、Yオフカット基板では4−5dB/cm以上の導波損失が存在した。しかし、本発明の構成では、θ=5°のオフカット基板を利用した場合でも、伝搬損失1dB/cm以下の伝搬損失の低い光導波路を形成することが可能となった。その結果、深い分極反転と低損失の導波路構造を利用することで、第二高調波発生素子の変換効率を2倍以上高めることが可能となった。
【0094】
更に、Yオフカット基板(X軸が基板表面と平行な基板)を用いることで、より高効率の光波長変換素子の構造が得られることが明らかになった。従来用いられているXオフカット基板に比べて、Yオフカット基板においては一層厚い分極反転構造が形成されることが見出された。Xオフカット基板に比べて、Yオフカット基板の場合は、1.2倍深い分極反転部分が得られた。この結果、光波長変換素子の変換効率を1.2倍に高めることが可能となった。また、分極反転周期に関しても、Yオフカット基板に形成された反転構造は、より短周期化が可能であり、短波長の光波長変換素子を実現するのに有利であった。従来のプロトン交換光導波路を用いた光波長変換素子では、Yオフカット基板は導波損失が大きいために検討されてこなかったが、本発明の光波長変換素子を用いることで、低損失の導波路構造の形成が可能となり、高効率の光波長変換素子が実現可能になった。
【0095】
(素子の変形例)
本発明の一実施形態においては、三次元光導波路が、延設部に対して、基板から遠ざかる方向に突出する突出部と、基板に接近する方向に突出する突出部とを備えている。図27に示す素子1Mは、この実施形態に係るものである。
【0096】
素子1Mにおいては、基板2の表面と、三次元光導波路34および一対の延設部15とが、接合層3Aによって接合されている。三次元光導波路は、基板2の方向に向かって延びる突出部34bと、基板から遠ざかる方向に延びる突出部34aと、突出部34aと34bとの間に挟まれた中央部34cとを備えている。突出部34aと34bとは、中央部34cから見てほぼ対称な形態をしている。
【0097】
このような形態の三次元光導波路を採用すると、光導波路中を伝搬する光のビームの横断面形状が真円形状に近くなる。従って、素子を外部の光ファイバーに結合したときの結合損失が一層低減される。あるいは、光導波路を伝搬する光を集光し、焦点合わせをするときのエネルギー損失が低減される。
【0098】
また、基板2の表面2aに凹部や突起を形成することも可能である。特に好適な実施形態においては、三次元光導波路と基板の表面との間では接合層の厚さを大きくし、延設部と基板表面との間では接合層の厚さを小さくする。あるいは、基板表面の凹部の上に三次元光導波路を設ける。これによって、三次元光導波路に接合層および基板側から加わる応力が、より一層低減される。
【0099】
図28は、この実施形態に係る素子1Nを示す。基板2の表面2aには凹部31が形成されている。三次元光導波路4および一対の延設部15が基板表面2aに対して接合層3を介して接合されている。凹部31の上に三次元光導波路4が位置しており、凹部31中にも接合層の材料32が充填されている。この結果、接合層の厚さは、三次元光導波路と基板の間では相対的に大きく、延設部と基板の間では相対的に小さい。
【0100】
こうした実施形態においては、三次元光導波路と基板の間における接合層の厚さと、延設部と基板の間における接合層の厚さとの比率は、10−1:1とすることが好ましい。
【0101】
また、好適な実施形態においては、基板表面に凹部が設けられており、この凹部中に三次元光導波路の少なくとも一部が位置している。図29は、この実施形態に係る素子1Pを示す。
【0102】
素子1Pにおいては、基板2の表面2aに凹部31が形成されている。また、三次元光導波路24Aは基板2の方向へと向かって突出しており、光導波路24Aの先端部分が凹部31内に位置している。凹部31内に接合層の材料32が充填されている。この素子の表面はほぼ平坦であるので、前出した作用効果が得られる。
【0103】
更に、図30に示す素子1Qにおいては、基板2の表面2aに凹部31が形成されている。また、三次元光導波路34は一対の突出部34aおよび34bを備えており、突出部34bの先端が凹部31内に位置している。
【0104】
また、三次元光導波路と基板との間、あるいは延設部と基板との間には、基板表面の全面にわたって接合層が連続的に設けられている必要はない。例えば、三次元光導波路と基板との間の一部が空隙となっていたり、この空隙中に接合材料以外の充填材料が充填されていてよい。また、延設部と基板との間の一部が空隙となっていたり、この空隙中に接合材料以外の充填材料が充填されていてよい。
【0105】
また、接合層が複数種類の材質からなっていてよい。例えば、図31の素子1Rにおいては、基板2の表面2aと延設部15および三次元光導波路4との間が、二種類の接合層3Bおよび3Cによって接合されている。
【0106】
以下、更に具体的な実施例について述べる。
(実施例1)
図1に示す光導波路素子1Aを製造した。具体的には、3度オフカット基板のX面(87°Zカット)のMgOを5mol%ドープしたニオブ酸リチウム材料9(厚さ0.5mm)に、電圧印加法によって、周期3.2μm、分極反転深さ2μmの周期分極反転構造5を形成した。具体的には、図25、図26に示すように、オフカット(3度)X板21(MgOドープニオブ酸リチウム製)にピッチ3.2μmの周期で分極反転構造25を電圧印加法によって生成させた。基板21の表面21aに櫛形電極23とストライプ電極22とをZ方向に向かって伸びるように、かつ互いに対向するように形成した。基板21の裏面21bには一様な平面電極24を形成した。櫛形電極23と平面電極24との間(V1)、および櫛形電極23とストライプ電極22との間(V2)に、それぞれV1=5kV/mm、V2=5kV/mmの電圧を印加することにより、周期状の分極反転構造25を形成した。
【0107】
ここで、基板21はオフカットされているので、形成された反転パターンは、基板の分極方向(Ps)に沿って延びており、従って基板表面21aから基板の内部へと向かって、表面21aに対して3度傾斜する方向へと延びている。
【0108】
次いで、材料9の接合面9aと、基板2(xカットのニオブ酸リチウム基板、厚さ1mm)の表面2aとを接着した。接着剤としては、酸化珪素を主成分とする低融点ガラスを使用した。接着温度は約500℃とした。接着層3の厚さは約0.5μmとした。
【0109】
次いで、材料9を機械研削装置によって研削加工し、材料9Aの厚さを50μmとした。次いで、ダイシング加工装置を用いて、図1、図3に示すリッジ構造を形成した。この際、図3において、延設部15の厚さAを1μmとし、光導波路4の高さ(リッジ高さ)Bを1.5μmとし、リッジ構造の幅Cを4μmとした。ダイシングブレードとしては、レジンボンドのダイヤモンド砥石「SD6000」(外径φ約52mm、厚さ0.1mm)を使用した。ブレードの回転数は30,000rpmとし、ブレードの送り速度を1.0mm/秒とした。リッジ構造を形成した後、基板をその横断面方向に切断し、長さ10mmの素子を形成した。光導波路4の両端面を化学機械研磨した。
【0110】
この素子を使用し、チタン−サファイアレーザーを使用し、第二高調波を発生させた。位相整合波長が850nmであり、第二高調波の波長は425nmであった。SHG変換効率は約500%/Wであった。基本波の入射出力が100mWのときに、50mWの第二高調波出力が得られ、第二高調波において、光損傷等による特性劣化は観測されなかった。基本波出力と第二高調波出力との関係を表1に示す。
【0111】
【表1】

Figure 0003848093
【0112】
(比較例1)
実施例1と同様に、3度オフカット基板のX面(87°Zカット)のMgOを5mol%ドープしたニオブ酸リチウム材料9(厚さ0.5mm)に、電圧印加法によって、周期3.2μm、分極反転深さ2μmの周期分極反転構造5を形成した。
【0113】
次いで、ピロリン酸を用いたプロトン交換法によって、基板の分極反転パターンに対して垂直な方向へと延びる三次元光導波路を形成した。具体的には、タンタルからなるマスクによって、基板の表面をマスクした。この際、マスクには、幅4μmの細長い直線的な開口を形成しておいた。この基板を、200℃に加熱されたピロリン酸中に10分間浸漬した。マスクを基板から除去し、基板を大気中で350°で4時間アニール処理し、三次元光導波路を形成した。基板を切断し、長さ10mmの素子を作成した。光導波路の両端面を化学機械研磨した。
【0114】
この素子を使用し、チタン−サファイアレーザーを使用し、第二高調波を発生させた。位相整合波長が850nmであり、第二高調波の波長は425nmであった。SHG変換効率は約500%/Wであった。第二高調波出力が約15mWに達するまでは、光損傷等の特性劣化を起こすことはなく、安定した第二高調波の発振が可能であった。しかし、第二高調波の出力が約15mWを超えると、光損傷によって出射ビームの変動が生じた。この出力が20mWに達すると、第二高調波の安定した発振は不可能であった。
【0115】
(実施例2)
図6に示す光導波路素子1Dを製造した。具体的には、実施例1と同様にして、3度オフカット基板のX面(87°Zカット)のMgOを5mol%ドープしたニオブ酸リチウム材料9(厚さ0.5mm)に、電圧印加法によって、周期3.2μm、分極反転深さ2μmの周期分極反転構造5を形成した。
【0116】
次いで、材料9の接合面上に、分極反転パターンの方向とは垂直な方向に、幅4μm、厚さ300nmの縞状(ストライプ状)のNb25 膜(誘電体層)を形成した。
【0117】
次いで、材料9の接合面9aと、基板2の表面2a(xカットのニオブ酸リチウム基板、厚さ1mm)とを接着した。接着剤としては、エポキシ系の室温硬化型樹脂を使用した。接着層3の厚さは約0.5μmとした。
【0118】
次いで、材料9を機械研削装置によって研削加工し、材料9Aの厚さを20μmとした。次いで、ダイシング加工装置を用いて、図6に示す凹部11を形成した。この際、延設部15の厚さが3μmとなるようにした。ダイシングブレードとしては、レジンボンドのダイヤモンド砥石「SD5000」(外径φ約52mm、厚さ0.1mm)を使用した。ブレードの回転数は10,000rpmとし、ブレードの送り速度を0.5mm/秒とした。基板をその横断面方向に切断し、長さ10mmの素子を形成した。光導波路の両端面を化学機械研磨した。
【0119】
この素子を使用し、チタン−サファイアレーザーを使用し、第二高調波を発生させた。位相整合波長が850nmであり、第二高調波の波長は425nmであった。SHG変換効率は約500%/Wであった。基本波の入射出力が100mWのときに、50mWの第二高調波出力が得られ、第二高調波において、光損傷等による特性劣化は観測されなかった。
【0120】
(実施例3)
図15(a)−(c)の手順に従い、図14に示す素子1Lを製造した。
【0121】
具体的には、実施例1と同様にして、3度オフカット基板のX面(87°Zカット)のMgOを5mol%ドープしたニオブ酸リチウム材料9に、電圧印加法によって、周期2.8μm、分極反転深さ2. 5μmの周期分極反転構造5を形成した。
【0122】
次いで、材料9の表面に、エキシマレーザーを用いたレーザー加工によって、深さ1.5μm、幅5μmの溝23を2列形成した。一対の溝23間の間隔は5μmにした。
【0123】
次いで、材料9の溝加工した表面9aを、基板2(Xカットのニオブ酸リチウム基板、厚さ1mm)の表面2aとを接着した。接着剤としては、アクリル系の室温硬化型樹脂を使用した。接合層3の厚さは約0.3μmとした。溝23中は接着剤によって充填されている。
【0124】
次いで、材料9を機械研削装置によって研削加工し、図14の構造を得た。肉厚部分8の厚さは3μmにした。この基板をその横断面方向に切断し、長さ10mmの素子を形成した。光導波路の両端面を化学機械研磨した。
【0125】
この素子を使用し、チタン−サファイヤレーザーを使用し、第二高調波を発生させた。位相整合波長は820nmであり、第二高調波の波長は410nmであった。基本波の入力が100mWのときに、60mWの第二高調波が得られ、光損傷等による特性劣化は観測されなかった。
【0126】
(実施例4)
MgOを5mol%ドープしたZカットのニオブ酸リチウム材料9(厚さ0.3mm)にコロナ帯電法によって周期2.8μmの周期分極反転構造を形成した。具体的には、基板の+Z面にピッチ2.7μmの周期分極反転構造を形成し、基板の−Z面にコロナワイヤを走査することによって、分極反転構造を生成させた。分極反転構造は、基板の厚み方向の全体にわたって均一に形成されていた。
【0127】
次いで、材料9からY方向に幅0.5mmの短冊状のプレートを切り出し、プレートの切断面(X)を化学機械研磨した。
【0128】
次いで、前記短冊状のプレートのX面と、基板(単結晶シリコン、厚さ0.35mm)を接着した。接着剤としては、アクリル系室温硬化型樹脂を使用した。接着層3の厚さは約0.3μmとした。次いで、材料9を機械研削装置によって研削し、材料9Aの厚さを3.5μmとした。次いで、材料9Aの表面に、エキシマレーザーを用いたレーザー加工によって、深さ2μm、幅5μmの溝23を2列形成した。一対の溝23間の間隔は4μmにした。
【0129】
次いで、基板をその横断面方向に切断し、長さ10mmの素子を形成した。光導波路の両端面を化学機械研磨した。
【0130】
この素子を使用し、チタン−サファイアレーザーを使用し、第二高調波を発生させた。位相整合波長は820nmであり、第二高調波の波長は410nmであった。基本波の入力が150mWのときに100mWの第二高調波が得られ、光損傷等による特性劣化は観測されなかった。
【0131】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明によれば、光導波路型デバイスにおいて、光導波路からの出射光の出力を増加させたときにも、出力の変動を少なくし、安定した発振を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は、本発明の一実施形態に係る光導波路素子1Aを概略的に示す断面図であり、リッジ型の三次元光導波路4および周期分極反転構造5が形成されている。(b)は、図1(a)の素子を概略的に示す斜視図である。
【図2】(a)、(b)は、図1の光導波路素子の作成プロセスを概略的に示す断面図である。
【図3】図1の素子のリッジ構造の部分の拡大図である。
【図4】本発明の他の実施形態に係る光導波路素子1Bを概略的に示す断面図であり、図1の素子から肉厚部分8が除去されている。
【図5】本発明の他の実施形態に係る光導波路素子1Cを概略的に示す断面図であり、基板2に溝2cが形成されている。
【図6】本発明の他の実施形態に係る光導波路素子1Dを概略的に示す断面図であり、基板2に溝2cが形成されており、図5の素子から肉厚部分8が除去されている。
【図7】本発明の他の実施形態に係る光導波路素子1Eを概略的に示す断面図であり、誘電体装荷型の光導波路10が形成されている。
【図8】(a)、(b)は、図7の光導波路素子の作成プロセスを概略的に示す断面図である。
【図9】本発明の他の実施形態に係る光導波路素子1Fを概略的に示す断面図であり、図7の光導波路素子から肉厚部分が除去されている。
【図10】本発明の他の実施形態に係る光導波路素子1Gを概略的に示す断面図であり、誘電体12が光導波路10上に装荷されている。
【図11】本発明の他の実施形態に係る光導波路素子1Hを概略的に示す断面図であり、図10の素子から肉厚部分8が除去されている。
【図12】本発明の一実施形態に係る素子1Jを概略的に示す断面図であり、溝7が接合層3内にまで形成されており、延設部15が除去されている。
【図13】本発明の他の実施形態に係る素子1Kを概略的に示す断面図であり、素子の表面全体にオーバーコート層21が形成されており、光導波路を被覆している。
【図14】本発明の他の実施形態に係る素子1Lを概略的に示す断面図であり、素子1Lが、一対の延設部26と、延設部26から接合層3側へと向かって突出するリッジ型の光導波路24とを備えている。
【図15】(a)、(b)、(c)は、図14の素子の製造工程を示す断面図である。
【図16】本発明の素子において、一対の延設部をリッジ型の光導波路の両側に形成した場合の、基本波(励起光)および高調波のシングルモード伝搬条件を計算するモデルを示す。
【図17】リッジ部分4の高さt1を1.0μmとし、リッジ部分4の幅wと延設部15の厚さt2とを変化させた場合の導波路のシングルモード条件を示すグラフである。
【図18】リッジ部分4の高さt1を2.0μmとし、リッジ部分4の幅wと延設部15の厚さt2とを変化させた場合の導波路のシングルモード条件を示すグラフである。
【図19】光導波路と接合層の屈折率差と電界分布の関係を示すグラフである。
【図20】MgO ドープLiNbO3を光導波路としたときの光導波路と接合層との屈折率差dnと、シングルモード条件を満足する最大の厚みとの関係を示すグラフである。
【図21】導波路、接合層(接合層の屈折率<基板の屈折率)、基板の3層構造をとった場合の、各層の屈折率の関係を示す模式図である。
【図22】接合層を有する場合の導波光強度と深さとの関係を示すグラフである。
【図23】接合層を有しない場合の導波光強度と深さとの関係を示すグラフである。
【図24】接合層の厚みと位相整合波長および実効屈折率との関係を示すグラフである。
【図25】オフカット基板に電圧印加法を適用している状態を示す斜視図である。
【図26】オフカット基板における分極反転パターンの方向を示す模式図である。
【図27】本発明の一実施形態に係る素子1Mを示す断面図であり、三次元光導波路34が一対の突出部34aおよび34bを備えている。
【図28】本発明の一実施形態に係る素子1Nを示す断面図であり、基板2の表面2a側に凹部31が形成されている。
【図29】本発明の一実施形態に係る素子1Pを示す断面図であり、基板2の表面2a側に凹部31が形成されており、光導波路24Aの一部が凹部31内に挿入されている。
【図30】本発明の一実施形態に係る素子1Qを示す断面図であり、基板2の表面2a側に凹部31が形成されており、三次元光導波路34が一対の突出部34aおよび34bを備えており、突出部34bが凹部31内に挿入されている。
【図31】本発明の一実施形態に係る素子1Rを示す断面図であり、二種類の接合層3Bおよび3Cを使用している。
【符号の説明】
1A、1B、1C、1D、1E、1F、1G、1H、1J、1K、1L、1M、1N、1P、1Q、1R 光導波路素子 2 基板 2a基板の表面 2b 基板の突起 2c 基板の溝
3、3A、3B、3C 接合層 4、24 リッジ型の三次元光導波路
5 周期分極反転構造 7 溝 8 肉厚部分 9光導波路成形用材料 9a 材料9の接合面 10 誘電体装荷型の三次元光導波路 11 凹部 12 誘電体層 15、26 一対の延設部 17 リッジ構造の両側の溝 18 リッジ構造
21 オーバーコート層 22 溝23に充填された非晶質材料
23 光導波路24と肉厚部分8との間の溝 30 光導波路4の下地層 34 一対の突出部を有する三次元光導波路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical waveguide element suitable for, for example, a quasi phase matching type second harmonic generation device and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In general optical information processing technology, in order to realize high-density optical recording, there is a demand for a blue light laser that stably oscillates blue light having a wavelength of about 400 to 430 nm with an output of 30 mW or more. Has been done. As a blue light source, an optical waveguide type wavelength conversion element combining a laser that oscillates with infrared light as a fundamental wave and a quasi phase matching second harmonic generation element is expected.
[0003]
In the second harmonic generator using a lithium niobate single crystal, if the output of light propagating in the crystal increases, the refractive index changes in the crystal due to optical damage, so there is a limit to increasing the output. is there. In addition, the shorter the wavelength of light, the more significant the light damage. It is known that when a substrate in which MgO is added to lithium niobate is used, resistance against photodamage increases, and the addition ratio of MgO at this time is usually about 5 mol%.
[0004]
For example, according to the description on pages 806-807 of “Electronics Letters, 24th April, 1997. Vol. 33, No. 9”, a periodically poled structure is formed on a lithium niobate substrate doped with MgO. On the other hand, a proton exchange optical waveguide is formed in a direction perpendicular to the optical waveguide, thereby realizing an optical waveguide type second harmonic generator.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this type of second harmonic generator, when the blue light oscillation output is increased, a stable output cannot be obtained due to optical damage. For example, when a periodically poled structure is formed in lithium niobate doped with 5 mol% of MgO, a proton exchange optical waveguide is formed in a direction orthogonal to this structure, and blue light having a wavelength of 420 nm is oscillated, When the output was 10 mW or more, particularly about 15 mW or more, the output beam and output fluctuated greatly due to optical damage. The cause of such fluctuations in the output beam and its output has not been clear.
[0006]
An object of the present invention is to reduce fluctuations in output and enable stable oscillation even when the output of light emitted from an optical waveguide is increased in an optical waveguide device.
[0007]
Another object of the present invention is to provide a wavelength conversion element that uses a quasi-phase matching method when the wavelength of the emitted light is shortened, preferably in the blue region, and the output of the emitted light from the optical waveguide is increased. This is to reduce output fluctuations and enable stable oscillation.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a three-dimensional optical waveguide made of a bulk nonlinear optical crystal, a substrate bonded to the optical waveguide, a bonding layer made of an amorphous material bonding the optical waveguide and the substrate, WithAnd the refractive index of the bonding layer is 5% or more lower than the refractive index of the optical waveguide.The present invention relates to an optical waveguide element.
[0010]
In addition, the present invention joins an optical waveguide molding material made of a bulk nonlinear optical crystal to a separate substrate through a joining layer, and at this time, the refractive index of the joining layer is higher than the refractive index of the crystal. The present invention relates to a method for manufacturing an optical waveguide element, wherein the optical waveguide is formed by lowering the rate and then processing the material.
[0011]
Further, the present invention is a method of bonding an optical waveguide molding material comprising a bulk nonlinear optical crystal to a separate substrate, wherein the refractive index of the substrate is lower than the refractive index of the crystal, The present invention relates to a method of manufacturing an optical waveguide element, wherein the optical waveguide is formed by processing the material.
[0013]
The inventor bonded a three-dimensional optical waveguide made of a bulk nonlinear optical crystal directly to a substrate via a bonding layer or without a bonding layer, By using the substrate as an underclad, even if the output of light propagating in the optical waveguide is increased and / or the wavelength is shortened, optical damage is remarkably suppressed and fluctuations in output are prevented. The headline, the present invention has been reached.
[0014]
The present invention will be further described with reference to FIG.
[0015]
In the optical waveguide element 1 </ b> A shown in FIG. 1, the optical waveguide 4 is bonded onto the surface 2 a of the substrate 2 via the bonding layer 3. The optical waveguide 4 is of a ridge type, and a flat plate-like extending portion 15 is extended on each side of the optical waveguide 4 in the cross-sectional direction. In this example, a thick portion 8 is further formed at each end of each extending portion 15 (outside the groove 7). A space or groove 7 for forming a ridge type optical waveguide is formed above each extending portion 15. Reference numeral 5 denotes a periodically poled structure. In this example, the non-polarization inversion portion 6 remains in the upper portion of the optical waveguide, but this may be omitted. As a result, the ridge-type optical waveguide 4 takes a form of floating on the separate support substrate 2 via the bonding layer 3. Such a three-dimensional optical waveguide is unparalleled. The “three-dimensional optical waveguide” refers to an optical waveguide that confines light in the height direction (vertical direction) and the horizontal direction (horizontal direction) of the waveguide.
[0016]
Such a three-dimensional optical waveguide can be obtained by physically processing and molding a nonlinear optical crystal by, for example, machining or laser processing.
[0017]
On the other hand, the conventional three-dimensional optical waveguide is usually formed as follows.
(1) A surface region of a substrate made of a nonlinear optical crystal is altered and its composition is partially changed to provide an altered layer having a high refractive index, such as a titanium diffusion layer or a proton exchange layer, in the surface region of the substrate.
(2) A single crystal film having a refractive index higher than that of the substrate is formed on the surface of the substrate made of the nonlinear optical crystal, and the single crystal film is processed into an elongated planar shape.
[0018]
However, it is difficult to form, for example, a periodically poled structure in the single crystal film after the single crystal film is formed. On the other hand, as described above, it is known that a proton exchange layer having a periodically poled structure is formed on the surface region of a lithium niobate single crystal substrate and used as an optical waveguide. However, such second harmonic generators are severely damaged by light.
[0019]
In such a second harmonic generation device, for example, when light having a short wavelength of 400 to 430 nm is propagated at a high output, the cause of optical damage is that the output density of the light confined in the optical waveguide is It may also be caused by exceeding the light damage threshold.
[0020]
However, when the present inventor prototyped an apparatus as shown in FIG. 1 and propagated short-wavelength light at a high output density, the output fluctuation of the second harmonic emitted from the optical waveguide was suppressed, and the optical waveguide It was found that photodamage was suppressed. That is, for example, even when light having a short wavelength of 400 to 430 nm is propagated at a high output, the output density of the light confined in the optical waveguide does not exceed the threshold of light damage inherent to the crystal. , I found that I can afford. At the same time, it was discovered that the optical damage when the optical waveguide is formed by the proton exchange method is due to the deterioration of the crystallinity of the surface region in the proton exchange process and the accompanying damage resistance.
[0021]
As a result, according to the present invention, it is possible to provide an optical waveguide device that is extremely less damaged by light and that suppresses fluctuations in light output.
[0022]
At the same time, it is important that a bulk three-dimensional optical waveguide formed by machining or the like is bonded to a substrate through a bonding layer made of an amorphous material. For example, when a three-dimensional optical waveguide is bonded to a substrate without a bonding layer, thermal expansion between the substrate and the optical waveguide occurs during a temperature drop process after bonding or due to a temperature change after bonding. Due to the difference, great stress is applied to the optical waveguide. This is because there is always a difference in thermal expansion due to the difference in composition between the substrate and the optical waveguide, the crystal orientation of the substrate is different from the crystal orientation of the optical waveguide, and the substrate is better than the optical waveguide. Since it is much larger and bulky, a large stress is applied from the substrate to the optical waveguide, causing distortion in the optical waveguide. For this reason, the waveguide mode of light propagating in the optical waveguide is likely to change or optical damage is likely to occur.
[0023]
Further, when a single crystal is used as a material for the bonding layer, distortion is likely to occur in the optical waveguide due to the difference between the crystal orientation in the bonding layer and the crystal orientation in the optical waveguide. In addition, when polycrystal is used as the material for the bonding layer, the light oozing out from the optical waveguide to the bonding layer side is scattered at the crystal grain boundary or the like in the bonding layer, and propagation loss increases.
[0024]
On the other hand, in the present invention, by joining a bulky three-dimensional optical waveguide on a substrate, in addition to utilizing the good crystallinity inherent to the bulk, the optical waveguide is in direct contact. Since the bonding layer, which is a layer and not a substrate, is much smaller in volume than the substrate, stress tends to escape to the bonding layer, so that it is difficult to apply large stress from the bonding layer to the optical waveguide. In addition, since the bonding layer is made of an amorphous material, the stress applied to the bonding layer is easily dispersed, and the distortion of the optical waveguide is further reduced.
[0025]
According to the technical report "TECHNICICAL REPORT OF IEICE US95-24: EMD95-20: CPM95-32 (1995-07), pages 31-38, the lithium niobate substrate is directly bonded to the lithium tantalate substrate. However, the lithium niobate substrate is made into a thin piece and an optical waveguide structure is prototyped, which uses the intermolecular force of the hydroxyl groups adsorbed on the substrate surface to directly bond the substrates together. Is different.
[0026]
In addition, according to the description of JP-A-7-225403, an optical waveguide device including a core made of a non-linear optical material and a clad substrate surrounding the core is disclosed. This is different from the structure in which the original optical waveguide is bonded to the substrate via an amorphous material.
[0027]
In the present invention, a periodically poled structure is formed at least in the optical waveguide, and the optical waveguide element can function as a harmonic generation element. In this case, since the light having a shorter wavelength (higher energy) than the fundamental wave propagates in the optical waveguide, the effect of the present invention is particularly great.
[0028]
When the element of the present invention is used as a harmonic generator, particularly as a second harmonic generator, the wavelength of the harmonic is preferably 330 to 550 nm, particularly preferably 400 to 430 nm.
[0029]
In a preferred embodiment, the optical waveguide is a ridge type optical waveguide protruding from the bonding layer or the substrate.
[0030]
In a preferred embodiment, a pair of extending portions extending toward both sides in the cross-sectional direction of the optical waveguide are provided. Such an extended portion stabilizes the bonding state of the optical waveguide on the substrate. Further, by providing extending portions on both sides of the optical waveguide, the light propagation state is also symmetric.
[0031]
The nonlinear optical crystal constituting the optical waveguide is not particularly limited, but a ferroelectric single crystal that easily forms a periodically poled structure is preferable, and lithium niobate (LiNbO) is preferable.Three ), Lithium tantalate (LiTaO)Three ), Lithium niobate-lithium tantalate solid solution, KThree Li2 NbFive O15Each single crystal is particularly preferable.
[0032]
In such a crystal, in order to further improve the light damage resistance of the three-dimensional optical waveguide, at least one selected from the group consisting of magnesium (Mg), zinc (Zn), scandium (Sc), and indium (In) is used. Metal elements can be contained, and magnesium is particularly preferred.
[0033]
When a periodically poled structure is formed in an optical waveguide, from the viewpoint that the polarization inversion characteristics (conditions) are clear, a lithium niobate single crystal, a lithium niobate-lithium tantalate solid solution single crystal, or these Those added with magnesium are particularly preferred.
[0034]
When providing the bonding layer, the material of the substrate is not particularly limited as long as it has a predetermined structural strength. However, it is preferable that the optical waveguide and the physical properties such as the thermal expansion coefficient are close to each other, and lithium niobate (LiNbOThree ), Lithium tantalate (LiTaO)Three ), Lithium niobate-lithium tantalate solid solution, KThree Li2 NbFive O15Each single crystal is particularly preferable.
[0035]
Further, another film can be formed on the surface of the substrate. Examples of the film forming method include a liquid phase epitaxial method, a sputtering method, a vapor deposition method, a spin coating method, and a chemical vapor deposition method. The material of the film is not limited, and examples thereof include silicon oxide, niobium pentoxide, tantalum pentoxide, lithium niobate, lithium tantalate, and lithium niobate-lithium tantalate solid solution.
[0036]
When at least the surface region of the substrate functions as an underclad, the refractive index of at least the surface region of the substrate needs to be lower than the refractive index of the optical waveguide material.
[0037]
The refractive index of the material of the bonding layer is higher than the refractive index of the material of the optical waveguide.5% or moreIt needs to be lowered. This difference in refractive index is more preferably 10% or more. The material of the bonding layer is preferably organic resin or glass (particularly preferably low melting point glass). Examples of the organic resin include acrylic resins, epoxy resins, and silicone resins. As the glass, low melting glass mainly composed of silicon oxide is preferable.
[0038]
In addition, in order for the bonding layer to function as an underclad, the thickness of the bonding layer is preferably 0.1 μm or more, and more preferably 0.2 μm or more. In addition, from the viewpoint of positional stability of the three-dimensional optical waveguide, it is preferable that the thickness of the bonding layer is 3 μm or less.
[0039]
The optical waveguide device shown in FIGS. 1A and 1B is manufactured by, for example, the following method. That is, as shown in FIG. 2A, the periodically poled structure 5 is formed on the surface of the optical waveguide molding material 9. A surface (bonding surface) 9 a on the structure 5 side of the optical waveguide molding material 9 is bonded to the surface 2 a of the substrate 2. Next, as shown in FIG. 2B, the back surface (non-joint surface) 9b of the optical waveguide molding material 9 is ground to thin the material 9A. At this stage, it is difficult to make the material 9A thin enough to confine the light in the thickness direction. Next, as shown in FIG. 1, a groove 7 is formed, and an optical waveguide 4 having a ridge structure is formed. At this time, the thickness of the optical waveguide is also adjusted. Such processing can be performed by, for example, a dicing apparatus or a laser processing apparatus, but mechanical processing such as dicing is preferable.
[0040]
The method for forming the periodically poled structure is not limited. As a method for forming a periodically poled structure on an electro-optic crystal substrate, for example, a lithium niobate substrate, a diffusion method in Ti, Li2 O out-diffusion method, SiO2 A loading heat treatment method, a Ti thermal oxidation method, a proton exchange heat treatment method, an electron beam scanning irradiation method, a voltage application method, a corona charging method and the like are preferable. Among these methods, the voltage application method is particularly preferable when using an X-cut or Y-cut or its off-cut substrate from the viewpoint of forming a deep periodic domain-inverted structure with high accuracy. Moreover, when using a Z cut board | substrate, it is especially preferable to carry out by the corona charging method or the voltage application method.
[0041]
As a method of grinding the height of the optical waveguide to a predetermined dimension, the distance between the cutting outer peripheral blade that rotates perpendicularly to the bottom surface of the optical waveguide and the bottom surface of the optical waveguide is set to a predetermined height and the cutting is performed. Accordingly, it is preferable to set the thickness of the optical waveguide to a necessary value. The reason is as follows.
[0042]
Conventionally, when the thickness of a substantially flat workpiece is prepared by grinding, it has been common to grind the surface of the workpiece with an outer peripheral blade that rotates parallel to the surface. However, with this method, the thickness tends to become non-uniform due to the slight inclination of the rotating surface of the outer peripheral blade. Therefore, the height of the elongated optical waveguide having a width of several μm and a length of about 1 mm is set to the order of submicron. It was difficult to control with.
[0043]
On the other hand, if the distance between the cutting outer peripheral blade rotating perpendicularly to the bottom surface and the bottom surface of the optical waveguide is set to a predetermined height and cutting is performed, by adjusting the height of the outer peripheral blade, Adjustment can be performed easily, and the accuracy at this time follows the processing accuracy (submicron order) of general processing equipment.
[0044]
As in the optical waveguide element 1B of FIG. 4, the thick portion 8 of the extending portion can be omitted. The thick portion 8 can be removed by the dicing apparatus described above, for example.
[0045]
In forming the ridge structure, a groove can also be formed in the substrate. For example, the optical waveguide element 1C in FIG. 5 is basically the same as the optical waveguide element 1A in FIG. 1, but the substrate 2 is also formed with grooves 2c, and the grooves 17 on both sides of the ridge structure 8 are formed. Even inside the substrate 2. As a result, the ridge structure 18 includes a substrate protrusion 2 b, a bonding layer 3 on the protrusion 2 b, and an optical waveguide 4 on the bonding layer 3.
[0046]
Also in the optical waveguide element 1D of FIG. 6, the groove 2c is formed in the substrate similarly to the optical waveguide element 1C, and thereby the protrusion 1b of the substrate 2 is formed. In addition, although 20 is the same material as the joining layer 3, the thick part 8 is removed.
[0047]
In FIGS. 1, 4, 5, and 6, the lower portion of the optical waveguide is the polarization inversion portion 5, and the upper portion is the non-inversion portion 6. However, the entire optical waveguide may be a polarization inversion portion. In some cases, the upper portion of the optical waveguide becomes the polarization inversion portion 5 and the lower portion becomes the non-inversion portion 6.
[0048]
In one embodiment of the present invention, a so-called dielectric-loaded three-dimensional optical waveguide can be used. For example, in the optical waveguide element 1E of FIG. 7, the three-dimensional optical waveguide 10, the pair of extending portions 15, and the pair of thick portions 8 are bonded to the surface 2a of the substrate 2 via the bonding layer 3. The three-dimensional optical waveguide 10 and the extending portion 15 constitute a thin portion, and the thickness of the thin portion is set to a thickness that enables confinement in the thickness direction of light. The three-dimensional optical waveguide 10 is formed on the dielectric layer 12 by forming a predetermined dielectric layer 12 on the surface of the thin portion. In this example, the dielectric layer 12 protrudes into the bonding layer 3.
[0049]
For example, the following method is used to manufacture the optical waveguide device shown in FIG. That is, as shown in FIG. 8A, the periodically poled structure 5 is formed on the surface of the optical waveguide molding material 9, and the dielectric layer 12 is further formed. The material of the dielectric layer 12 is not particularly limited as long as the refractive index is higher than that of the material 9, but for example, niobium pentoxide is preferable. A joining surface 9 a of the optical waveguide molding material 9 is joined to the surface 2 a of the substrate 2. Next, as shown in FIG. 8B, the back surface (non-joint surface) 9b of the material 9 is ground to thin the material 9A. Subsequently, as shown in FIG. 7, the recessed part 11 is formed, and the thick part 8 and the thin parts 10 and 15 are formed. For such processing, the above-described processing method can be diverted.
[0050]
As in the optical waveguide element 1F in FIG. 9, the thick portion 8 of the extending portion can be omitted.
[0051]
Further, the dielectric can be loaded on the upper side of the optical waveguide (on the opposite side of the substrate). In the optical waveguide device 1G of FIG. 10, a dielectric 12 is loaded on the optical waveguide 10. Further, in the optical waveguide element 1H of FIG. 11, the dielectric 12 is loaded on the optical waveguide 10, and the thick portion 8 of the extending portion is omitted in the element of FIG.
[0052]
In the present invention, in FIG. 1, the extended portion 15 can be removed by further increasing the depth of the groove 7 to form the groove into the bonding layer 3. In this case, for example, as in the element 1J shown in FIG. 12, the groove 7 reaches the bonding layer 3, and the ridge-type optical waveguide 4 projects directly from the bonding layer 3.
[0053]
Moreover, an overcoat layer covering at least the optical waveguide can be provided. FIG. 13 shows an element 1K according to this embodiment. The surface of the element on the optical waveguide 4 side is covered with an overcoat layer 21.
[0054]
Thus, the surface of the optical waveguide comes into contact with the overcoat layer without directly touching the atmosphere. For this reason, for example, when the surface of the optical waveguide is rough or has a fine chip, light scattering is reduced as compared with the case where the optical waveguide is exposed to the atmosphere.
[0055]
The material of the overcoat layer is not limited. For example, silicon oxide (SiO2 ), Niobium pentoxide, tantalum pentoxide, or various resin materials.
[0056]
In a preferred embodiment, the optical waveguide device of the present invention includes a pair of extending portions and a ridge-shaped optical waveguide protruding from the extending portions toward the bonding layer. FIG. 14 shows an element 1L according to this embodiment.
[0057]
A pair of thick portions 8, a pair of extending portions 26, and an optical waveguide 24 that protrudes from the extending portions toward the bonding layer 3 are provided on the substrate 2. A pair of grooves 23 are formed between the thick portion 8 and the optical waveguide 24, and the grooves 23 are filled with an amorphous material 22. It is preferable that the filling 22 of the amorphous material is continuous with the bonding layer 3.
[0058]
In this example, the optical waveguide 24 includes a periodic polarization inversion portion 5 and a protruding portion 25 that has not undergone polarization inversion, and the polarization inversion portion 5 is provided on the tip side close to the substrate 2.
[0059]
According to such a structure, the surface of the optical waveguide is in contact with the amorphous material. For this reason, for example, when the surface of the optical waveguide is rough or has a fine chip, light scattering is reduced as compared with the case where the optical waveguide is exposed to the atmosphere. Therefore, the variation in optical insertion loss is reduced.
[0060]
Although the manufacturing method of such an element is not specifically limited, It is preferable to divert the above-mentioned manufacturing method. That is, as shown in FIG. 15A, the periodically poled structure 5 is formed on the surface of the optical waveguide molding material 9. Next, as shown in FIG. 15B, the groove 23 having a predetermined shape is formed by the above-described machining and laser processing, and the optical waveguide 24 having a ridge structure is formed between the pair of grooves 23.
[0061]
Next, as shown in FIG. 15 (c), a surface (bonding surface) 9 a on the structure 5 side of the optical waveguide molding material 9 is bonded to the surface 2 a of the substrate 2. At this time, the groove 23 is filled with the amorphous material 22. Next, the back surface (non-joint surface) 9b of the optical waveguide molding material 9 is ground to reduce the thickness of the material 9, thereby forming the thick portion 8 and the extending portion 26 in FIG.
[0062]
In a preferred embodiment, when a pair of extending portions extending toward both sides in the cross-sectional direction of the optical waveguide is provided, both the fundamental wavelength of the harmonic generation element and the wavelength of the wavelength conversion wave are provided. Single mode propagation. Particularly preferably, the width of the optical waveguide is 1-10 μm, the height from the extended portion of the optical waveguide is 0.2-5 μm, and the thickness of the extended portion is 0.5-5 μm.
[0063]
This embodiment will be described.
[0064]
In order to find a waveguide structure in which both pumping light and wavelength-converted light have a single mode condition, detailed examination was performed using an optical waveguide structure analysis method by a finite element method, and the characteristics were confirmed by experiments. As a result, it has been found that, for example, the waveguide of FIG. 1 satisfies this condition and the waveguide dimension tolerance for realizing high performance is extremely large, so that the manufacture is easy.
[0065]
The element shown in FIG. 1 includes a portion of the three-dimensional optical waveguide 4 and a pair of extending portions 15 extending on both sides thereof. Such a structure can also be seen in the elements of FIGS. 3, 4, 13, and 14.
[0066]
A specific study was performed with the wavelength of excitation light λ1 = 810 nm and the wavelength of converted light λ2 = 405 nm. In this examination, examination was based on the model shown in FIG. Here, 2 is a substrate, 3 is a bonding layer, 4 is a ridge portion, and 30 is a lower portion of the conductive path divided for the purpose of calculating the structure of FIG.
[0067]
An example of the calculation result of the coupling loss when direct optical coupling is established between the pumping light laser and the waveguide fundamental mode (wavelength λ1) is shown in FIGS. In the calculation examples in FIGS. 17 and 18, the material of the ridge portion 4 and the extending portion 15 is the same nonlinear optical material, and this nonlinear optical material is refracted with respect to the wavelength λ1 and the refractive index of 2.14 and λ2. The rate was 2.29. Further, the refractive index of the bonding layer 3 was set to a refractive index of 1.51 for both wavelengths λ1 and λ2. Further, a Gaussian beam having an x-direction radius of 1.5 μm and a y-direction radius of 1.0 μm was assumed as a spot of the excitation light laser to be coupled with the present waveguide.
[0068]
The width w of the ridge portion 4 is taken on the horizontal axis. The vertical axis represents the coupling loss η between the waveguide mode field and a Gaussian beam having an x-direction diameter of 3 μm and a y-direction diameter of 2 μm assuming a pumping light laser. In FIG. 17, the height t1 of the ridge portion 4 is fixed to 1.0 μm, and in FIG. 18, t1 is fixed to 2.0 μm. In each graph, the thickness t2 of the extended portion was changed between 1.0 and 4.0 mm. The portion indicated by the solid line in FIGS. 17 and 18 is a single mode propagation region.
[0069]
In each graph, a certain threshold value ws exists in the width W of the ridge portion 4. For example, it can be seen that when t1 = 1.0 μm and t2 is 2.0 μm or more, single mode propagation occurs under w below each threshold value. In FIG. 17, ws varies within a range of 4 to 10 μm. However, when w becomes smaller than necessary, it becomes a state close to the slab mode, and a cut-off state is entered (η increases). When t2 is about 1.0 μm or less, the confinement state becomes extremely strong, and in order to satisfy the single mode condition, it becomes w to 1.0 μm or less, and the coupling loss increases.
[0070]
In the calculation example of FIG. 17, the waveguide is a single mode in the vicinity of the width w of the ridge portion 4 = 2.5 μm, the height t1 of the ridge portion 4 = 1.0 μm, and the thickness t2 of the extended portion = 1.5 μm. In such a range, the optimum structure with the minimum coupling loss is obtained.
[0071]
Similarly, in the calculation example of FIG. 18, a waveguide structure in the vicinity of w = 2.5 μm, t1 = 2.0 μm, and t2 = 1.5 μm is the optimum structure.
[0072]
In this calculation example, only the cases where t1 is 1.0 and 2.0 μm are described, but it is obvious that similar single mode propagation regions can be obtained for other t1. It has been confirmed by calculation / experiment that the threshold value ws decreases by increasing t1 because the confinement of the waveguide becomes stronger.
[0073]
In addition, t2 is described only in the cases of t2 = 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, and 4.0 μm, but a similar single mode propagation region exists in other t2. Increasing t2 results in weak waveguide confinement, so the threshold value ws increases. On the other hand, by reducing t2, the confinement of the waveguide becomes stronger and ws tends to decrease.
[0074]
Further, the relative refractive index difference (n1−n2) / n2 between the refractive index (n1) of the ridge portion 4 and the extended portion 15 and the refractive index (n2) of the base layer 30 and the ridge portion 4 and the extended portion 15 One of the refractive index difference (n1) and the relative refractive index difference (n1-n2) / n2 between the refractive index (n1) and the refractive index of air (the refractive index of the overcoat layer instead of air when overcoating the optical waveguide) (n2) Or if both become large, refractive index n1, n2 is large.KisaRegardless, the confinement of the waveguide becomes strong and ws decreases. On the other hand, if one or both of the relative refractive index differences are reduced, the confinement of the waveguide is weakened and ws is increased regardless of the magnitude of n1 and n2.
[0075]
In this calculation example, only the spot radius of the pumping laser is 1.5 μm in the x direction and 1.0 μm in the y direction, but the spot radius of the pumping laser depends on the application, operating wavelength, and the appropriate material, composition, structure, The dimensions are chosen and the size is determined by the combination. Further, in some cases, it is possible to couple with an optical waveguide through a lens. In consideration of these, the effective spot diameter is different from about 0.5 μm to about 5 μm.
[0076]
For example, when a laser with a small effective spot diameter is used, w and t2 at which the coupling loss η between the pumping light laser and this optical waveguide is minimized are decreased, or when the spot diameter of the pumping light laser is increased, w And t2 will increase.
[0077]
Although an example has been shown in this study, the refractive index of a general nonlinear optical crystal or nonlinear polymer material is in the range of 1.3 to 2.5 considering the fact that the refractive index varies greatly depending on the operating environment temperature. The refractive index ranges from 1.3 to 2.0. Therefore, as a structure that satisfies the single mode condition according to the present invention with respect to the effective spot diameter of the laser used and reduces the coupling loss with the laser, the shape of the ridge-type optical waveguide is the width of the ridge portion 4. A single mode is obtained in the range of 1 to 10 μm, the height of the ridge portion 4 is 0.2 to 5 μm, and the thickness of the extended portion 15 and the underlayer 30 is 0.5 to 5 μm.
[0078]
It is also obvious that the results of the study are the same for both models when there is a substrate layer that functions as a cladding and when there is no substrate layer.
[0079]
(Regarding the refractive index of the bonding layer)
  When an optical waveguide type optical wavelength conversion element is formed, the overlapping of fundamental and harmonic modes in the optical waveguide greatly affects the conversion efficiency. The shape of the waveguide mode is affected by the refractive index of the bonding layer. FIG. 19 shows the relationship between the refractive index difference between the waveguide and the bonding layer and the electric field distribution. Wavelength 850nm, waveguide LiNbO Three (Refractive index 2.166) and the substrate is LiTaO Three Calculation was performed with a refractive index of 2.158. As the refractive index difference increased, the symmetry of the mode profile increased and the confinement improved. As can be seen from FIG. 19, when the refractive index difference Δn between the waveguide and the bonding layer is 5% or more, the symmetry of the mode is increased, and high efficiency is achieved. Furthermore, when Δn is 10% or more, confinement is strengthened and conversion efficiency can be improved.
[0080]
(Establishment of single mode conditions)
In a waveguide type optical wavelength conversion element, in order to perform highly efficient wavelength conversion, it is indispensable to satisfy the conditions for single mode propagation of the optical waveguide. In particular, it is desirable that the optical waveguide satisfies the single mode condition for the fundamental wave (when the wavelength of the converted light is smaller than the fundamental wave). The reason is that, when a fundamental wave is input to the waveguide, in the multimode waveguide, the propagating fundamental wave may be dispersed into a plurality of waveguide modes. In the optical wavelength conversion element, since the conversion efficiency depends on the power density of the fundamental wave, if the propagation mode of the fundamental wave is dispersed in the multimode waveguide, the conversion efficiency is extremely lowered. Furthermore, there arises a problem that the output becomes unstable due to dispersion of the guided propagation mode.
[0081]
The single mode condition in the optical waveguide will be described. FIG. 20 shows the relationship between the refractive index difference dn from the bonding layer and the maximum thickness satisfying the single mode condition when MgO-doped LiNbO3 is used as the waveguide layer for light with a wavelength of 800 nm. When the refractive index difference Δn = 5%, the single mode depth is about 1 μm. As the refractive index difference increases, the single mode condition becomes more severe. This result shows that the thickness of the waveguide layer must be controlled to 1 μm or less in order to realize the refractive index (5% or more) with the bonding layer for realizing the above-mentioned highly confined optical waveguide. ing. However, reducing the thickness of the waveguide increases the aspect ratio of the waveguide mode, and the aspect ratio of the mode profile of the emitted light is proportional to this, so that when the light is collected by the lens system, the beam shaping of the emitted light is performed. Etc. are required. Further, when light is coupled to the waveguide, it is greatly different from the beam profile of a normal semiconductor laser or solid-state laser, which causes a decrease in coupling efficiency. In addition to the thickness variation of the waveguideEffectiveSince the change in refractive index is large, the non-uniformity of the waveguide increases. To improve this, it is necessary to increase the single mode depth of the waveguide. Considering high-efficiency coupling with a semiconductor laser, the single mode depth is required to be 1 μm or more. Therefore, a material having a refractive index difference of 5% or less from the optical waveguide is required as the refractive index of the bonding layer. Therefore, it becomes difficult to realize an optical waveguide structure having excellent symmetry and strong confinement.
[0082]
Therefore, a new waveguide structure is proposed as a method for increasing the single mode depth. When the refractive index distribution in the depth direction of the waveguide has a three-layer structure of a waveguide, a bonding layer (the refractive index of the bonding layer <the refractive index of the substrate), and the substrate as shown in FIG. In the state where the electric field distribution of the propagating light exists on the substrate side, the single-mode condition of the optical waveguide is found to depend largely on the refractive index difference between the waveguide and the substrate, not the refractive index difference between the waveguide and the junction layer. It was. That is, the single mode condition of the waveguide can be greatly relaxed by using a substrate having a refractive index close to that of the optical waveguide.
[0083]
Specifically, the relationship between the refractive index difference and the single mode depth shown in FIG. 20 is substantially the same by replacing the refractive index difference with the refractive index difference between the waveguide and the substrate. That is, in order to make the depth of a single mode waveguide 1 μm or more, it is possible to set the refractive index difference between the substrate and the waveguide to 5% or less. On the other hand, the electric field distribution of the guided light existing in the optical waveguide can be controlled by the refractive index of the bonding layer. As described above, by improving the refractive index of the bonding layer by 5% or more than the refractive index of the waveguide, it is possible to improve the symmetry of the electric field distribution of the waveguide mode and enhance the confinement. By providing the bonding layer, the single mode condition of the waveguide and the electric field distribution of the waveguide mode can be designed independently. (However, this condition is limited when the electric field distribution of the waveguide mode exists on the substrate side. The reason is that if the junction layer becomes too thick, the waveguide mode does not exist on the substrate side. This is because the single mode condition is satisfied by the difference in refractive index of
[0084]
The following two points are necessary as conditions for the waveguide through the bonding layer.
The refractive index of the bonding layer is lower than the refractive index of the substrate.
The electric field distribution of the waveguide mode propagating through the waveguide exists on the substrate. Specifically, it is necessary that the electric field strength in the substrate is 1/1000 or more of the maximum value of the electric field strength in the waveguide. When the value is smaller than this, the influence of the substrate on the waveguide mode does not appear.
[0085]
22 and 23 show electric field distributions with and without a junction layer, and it can be seen that the inclusion of the junction layer greatly increases the confinement of the waveguide and increases the symmetry. As a result, it was found that the overlap between the fundamental wave and the harmonics in the waveguide can be increased, and that the conversion efficiency is increased more than twice in the waveguide having the junction layer.
[0086]
(Junction layer thickness)
The thickness of the bonding layer will be described. When the thickness of the bonding layer is increased, as described above, the influence of the substrate on the waveguide is eliminated, so that it is difficult to satisfy the single mode condition. On the other hand, when the thickness of the bonding layer decreases, the influence of the thickness of the bonding layer on the effective refractive index of the waveguide increases. This indicates that the uniformity of the optical waveguide device greatly depends on the thickness of the bonding layer. Waveguide-type optical wavelength conversion elements have a very severe phase matching wavelength tolerance of about 0.1 nm. Therefore, if the phase matching is partially different due to the non-uniformity of the waveguide, the conversion efficiency may be extremely lowered. Become.
[0087]
FIG. 24 shows the relationship between the thickness of the bonding layer and the phase matching wavelength. When the thickness of the bonding layer is 0.1 μm or less, the dependency of the phase matching wavelength on the thickness of the bonding layer is large. When the thickness is 0.15 μm or more, the dependency gradually decreases, and when the thickness is 0.2 μm or less, the dependency is further reduced. Therefore, the thickness of the bonding layer is preferably such that the phase matching wavelength is less dependent on the thickness of the bonding layer. At the same time, it is necessary to thin the waveguide mode electric field distribution to the extent that it exists on the substrate side.
[0088]
In the above description, the electric field distribution in the depth direction of the waveguide is described. However, the present invention can be applied to any waveguide such as a loaded waveguide, a ridge waveguide, and a machined waveguide. In order to realize the lateral confinement of the waveguide, it is necessary to adopt these structures.
[0089]
(Formation of periodically poled structure using off-cut substrate)
In order to construct a highly efficient optical wavelength conversion element, it is important to increase the overlap between the periodically poled structure and the light propagating through the optical waveguide. Assuming a case where a second harmonic wave having a wavelength of about 410 nm is generated from a fundamental wave having a wavelength of about 820 nm as the optical waveguide shape, the depth of the periodic polarization inversion is 2 μm or more because the depth of the optical waveguide is about 2 μm. Necessary.
[0090]
As a method of forming a deep domain-inverted structure, there is a method of using an off-cut substrate having a crystal axis inclined with respect to the substrate surface. For example, in an X off-cut substrate, the X axis and the Z axis of an X plate (a substrate in which the X axis of the crystal is perpendicular to the substrate surface) are inclined by θ around the Y axis. In the Y off-cut substrate, the Y axis and the Z axis of the Y plate (the substrate in which the Y axis of the crystal is perpendicular to the substrate surface) are inclined by θ around the X axis. By forming a domain-inverted structure using such an X-off-cut substrate and a Y-off-cut substrate, it is possible to form a deep domain-inverted structure, thereby realizing high efficiency of the optical wavelength conversion element. The polarization inversion depth increases as the offcut angle increases. For example, when the period of the periodically poled structure is 3 μm, when the off-cut angle θ = 1.5 °, the polarization inversion depth is 1 μm, θ = 3 ° is 1.7 μm, and θ = 5 ° is 2.5 μm. A periodic polarization inversion structure can be realized. Therefore, in order to realize sufficient overlap between the optical waveguide and the periodically poled structure, a substrate having an offcut angle θ of 3 ° or more is desirable.
[0091]
However, when forming a domain-inverted structure on an off-cut substrate, there are the following problems.
(1) When the proton exchange optical waveguide is applied to an offcut substrate, the propagation loss increases in proportion to the offcut angle.
(2) When a proton exchange optical waveguide is formed on a Y off-cut substrate, there is a propagation loss twice or more that of an X off-cut substrate.
[0092]
That is, in the case of a proton exchange optical waveguide that has been used in an optical waveguide type wavelength conversion element in the past, attempting to use deep polarization inversion by an offcut substrate results in degradation of the characteristics due to the propagation loss of the optical waveguide, and at most. Only X off-cut substrates with θ less than 3 ° are used. When a Y-off cut substrate is used, the propagation loss of the optical waveguide becomes 4-5 dB / cm or more, which significantly deteriorates the characteristics of the second harmonic generation element.ExchangeThere was a problem that it was difficult to use with an optical waveguide. The cause of propagation loss in these optical waveguides is due to chemical damage that occurs during proton exchange.
[0093]
As a method for solving these problems, the optical wavelength conversion element of the present invention is very effective. Since the optical wavelength conversion element of the present invention can form an optical waveguide without using a proton exchange process, chemical damage does not occur. Therefore, it is possible to use an X off-cut substrate or a Y off-cut substrate having an off-cut angle of 3 ° or more, which has been difficult to use conventionally. When an X and Y off-cut substrate with θ = 5 ° was used, there was a waveguide loss of 2 dB / cm or more in the X-cut substrate and 4-5 dB / cm or more in the Y off-cut substrate. However, with the configuration of the present invention, it is possible to form an optical waveguide having a propagation loss of 1 dB / cm or less and a low propagation loss even when an off-cut substrate with θ = 5 ° is used. As a result, it became possible to increase the conversion efficiency of the second harmonic generation element more than twice by using a deep polarization inversion and a low-loss waveguide structure.
[0094]
Furthermore, it has been clarified that a more efficient structure of the optical wavelength conversion element can be obtained by using a Y-off cut substrate (substrate whose X axis is parallel to the substrate surface). It has been found that a thicker domain-inverted structure is formed in the Y off-cut substrate than in the conventionally used X off-cut substrate. In the case of the Y off-cut substrate, a domain-inverted portion 1.2 times deeper than that of the X off-cut substrate was obtained. As a result, the conversion efficiency of the optical wavelength conversion element can be increased by 1.2 times. Also, with respect to the polarization inversion period, the inversion structure formed on the Y off-cut substrate can be made shorter, and is advantageous for realizing an optical wavelength conversion element with a short wavelength. In a conventional optical wavelength conversion device using a proton exchange optical waveguide, the Y-off cut substrate has not been studied because of its large waveguide loss. However, by using the optical wavelength conversion device of the present invention, a low-loss optical waveguide can be obtained. A waveguide structure can be formed, and a highly efficient optical wavelength conversion element can be realized.
[0095]
(Element modification)
In one embodiment of the present invention, the three-dimensional optical waveguide includes a protruding portion protruding in a direction away from the substrate and a protruding portion protruding in a direction approaching the substrate with respect to the extending portion. An element 1M shown in FIG. 27 relates to this embodiment.
[0096]
In the element 1M, the surface of the substrate 2, the three-dimensional optical waveguide 34, and the pair of extending portions 15 are joined by the joining layer 3A. The three-dimensional optical waveguide includes a protrusion 34b extending in the direction of the substrate 2, a protrusion 34a extending in a direction away from the substrate, and a central portion 34c sandwiched between the protrusions 34a and 34b. . The protrusions 34a and 34b are substantially symmetrical when viewed from the central portion 34c.
[0097]
When such a three-dimensional optical waveguide is employed, the cross-sectional shape of the light beam propagating in the optical waveguide is close to a perfect circle. Therefore, the coupling loss when the element is coupled to an external optical fiber is further reduced. Or the energy loss at the time of condensing and focusing the light which propagates an optical waveguide is reduced.
[0098]
It is also possible to form a recess or protrusion on the surface 2 a of the substrate 2. In a particularly preferred embodiment, the thickness of the bonding layer is increased between the three-dimensional optical waveguide and the surface of the substrate, and the thickness of the bonding layer is decreased between the extended portion and the substrate surface. Alternatively, a three-dimensional optical waveguide is provided on the concave portion of the substrate surface. As a result, the stress applied to the three-dimensional optical waveguide from the bonding layer and the substrate side is further reduced.
[0099]
FIG. 28 shows an element 1N according to this embodiment. A recess 31 is formed in the surface 2 a of the substrate 2. The three-dimensional optical waveguide 4 and the pair of extending portions 15 are bonded to the substrate surface 2a via the bonding layer 3. The three-dimensional optical waveguide 4 is positioned on the recess 31, and the bonding layer material 32 is also filled in the recess 31. As a result, the thickness of the bonding layer is relatively large between the three-dimensional optical waveguide and the substrate, and relatively small between the extending portion and the substrate.
[0100]
In such an embodiment, the ratio between the thickness of the bonding layer between the three-dimensional optical waveguide and the substrate and the thickness of the bonding layer between the extending portion and the substrate is preferably 10-1: 1.
[0101]
In a preferred embodiment, a recess is provided on the substrate surface, and at least a part of the three-dimensional optical waveguide is located in the recess. FIG. 29 shows an element 1P according to this embodiment.
[0102]
In the element 1P, a recess 31 is formed on the surface 2a of the substrate 2. Further, the three-dimensional optical waveguide 24A protrudes toward the substrate 2 and the tip portion of the optical waveguide 24A is located in the recess 31. The concave portion 31 is filled with a bonding layer material 32. Since the surface of this element is substantially flat, the above-described operational effects can be obtained.
[0103]
Furthermore, in the element 1Q shown in FIG. 30, a recess 31 is formed in the surface 2a of the substrate 2. The three-dimensional optical waveguide 34 includes a pair of protrusions 34 a and 34 b, and the tip of the protrusion 34 b is located in the recess 31.
[0104]
Further, it is not necessary that the bonding layer is continuously provided over the entire surface of the substrate between the three-dimensional optical waveguide and the substrate or between the extending portion and the substrate. For example, a part between the three-dimensional optical waveguide and the substrate may be a gap, or a filling material other than the bonding material may be filled in the gap. Moreover, a part between the extended portion and the substrate may be a gap, or a filling material other than the bonding material may be filled in the gap.
[0105]
Further, the bonding layer may be made of a plurality of types of materials. For example, in the element 1R of FIG. 31, the surface 2a of the substrate 2 and the extending portion 15 and the three-dimensional optical waveguide 4 are joined by two kinds of joining layers 3B and 3C.
[0106]
Hereinafter, more specific examples will be described.
(Example 1)
An optical waveguide element 1A shown in FIG. 1 was manufactured. Specifically, the lithium niobate material 9 (thickness 0.5 mm) doped with 5 mol% of MgO on the X-plane (87 ° Z cut) of the 3 ° off-cut substrate has a period of 3.2 μm by a voltage application method, A periodically poled structure 5 having a domain inversion depth of 2 μm was formed. Specifically, as shown in FIG. 25 and FIG. 26, the polarization inversion structure 25 is generated by a voltage application method on the off-cut (3 degrees) X plate 21 (made of MgO-doped lithium niobate) with a pitch of 3.2 μm. It was. Comb electrodes 23 and stripe electrodes 22 were formed on the surface 21a of the substrate 21 so as to extend in the Z direction and to face each other. A uniform planar electrode 24 was formed on the back surface 21 b of the substrate 21. By applying voltages of V1 = 5 kV / mm and V2 = 5 kV / mm between the comb electrode 23 and the planar electrode 24 (V1) and between the comb electrode 23 and the stripe electrode 22 (V2), respectively, A periodic domain-inverted structure 25 was formed.
[0107]
Here, since the substrate 21 is off-cut, the formed inversion pattern extends along the polarization direction (Ps) of the substrate. Therefore, the substrate 21 moves from the substrate surface 21a toward the inside of the substrate to the surface 21a. It extends in a direction inclined by 3 degrees.
[0108]
Next, the bonding surface 9a of the material 9 and the surface 2a of the substrate 2 (x-cut lithium niobate substrate, thickness 1 mm) were bonded. As the adhesive, low melting glass mainly composed of silicon oxide was used. The bonding temperature was about 500 ° C. The thickness of the adhesive layer 3 was about 0.5 μm.
[0109]
Next, the material 9 was ground by a mechanical grinding device, and the thickness of the material 9A was 50 μm. Next, the ridge structure shown in FIGS. 1 and 3 was formed using a dicing apparatus. At this time, in FIG. 3, the thickness A of the extended portion 15 was 1 μm, the height (ridge height) B of the optical waveguide 4 was 1.5 μm, and the width C of the ridge structure was 4 μm. As the dicing blade, a resin bonded diamond grinding stone “SD6000” (outer diameter φ: about 52 mm, thickness: 0.1 mm) was used. The rotation speed of the blade was 30,000 rpm, and the feed rate of the blade was 1.0 mm / second. After the ridge structure was formed, the substrate was cut in the cross-sectional direction to form an element having a length of 10 mm. Both end surfaces of the optical waveguide 4 were subjected to chemical mechanical polishing.
[0110]
Using this element, a second harmonic was generated using a titanium-sapphire laser. The phase matching wavelength was 850 nm, and the second harmonic wavelength was 425 nm. The SHG conversion efficiency was about 500% / W. When the incident power of the fundamental wave was 100 mW, a second harmonic output of 50 mW was obtained, and no characteristic deterioration due to light damage or the like was observed in the second harmonic. Table 1 shows the relationship between the fundamental wave output and the second harmonic output.
[0111]
[Table 1]
Figure 0003848093
[0112]
(Comparative Example 1)
In the same manner as in Example 1, the lithium niobate material 9 (thickness 0.5 mm) doped with 5 mol% of MgO on the X-plane (87 ° Z cut) of the 3 ° off-cut substrate was subjected to a period of 3. A periodically poled structure 5 having a thickness of 2 μm and a domain inversion depth of 2 μm was formed.
[0113]
Next, a three-dimensional optical waveguide extending in a direction perpendicular to the polarization inversion pattern of the substrate was formed by a proton exchange method using pyrophosphoric acid. Specifically, the surface of the substrate was masked with a mask made of tantalum. At this time, an elongated linear opening having a width of 4 μm was formed in the mask. This substrate was immersed in pyrophosphoric acid heated to 200 ° C. for 10 minutes. The mask was removed from the substrate, and the substrate was annealed in the atmosphere at 350 ° for 4 hours to form a three-dimensional optical waveguide. The board | substrate was cut | disconnected and the element of length 10mm was created. Both ends of the optical waveguide were subjected to chemical mechanical polishing.
[0114]
Using this element, a second harmonic was generated using a titanium-sapphire laser. The phase matching wavelength was 850 nm, and the second harmonic wavelength was 425 nm. The SHG conversion efficiency was about 500% / W. Until the second harmonic output reached about 15 mW, characteristic deterioration such as optical damage was not caused, and stable second harmonic oscillation was possible. However, when the output of the second harmonic exceeded about 15 mW, the output beam fluctuated due to optical damage. When this output reached 20 mW, stable oscillation of the second harmonic was impossible.
[0115]
(Example 2)
An optical waveguide device 1D shown in FIG. 6 was manufactured. Specifically, in the same manner as in Example 1, voltage was applied to the lithium niobate material 9 (thickness 0.5 mm) doped with 5 mol% of MgO on the X-plane (87 ° Z cut) of the three-off cut substrate. By the method, a periodically poled structure 5 having a period of 3.2 μm and a domain inversion depth of 2 μm was formed.
[0116]
Next, striped Nb having a width of 4 μm and a thickness of 300 nm is formed on the bonding surface of the material 9 in a direction perpendicular to the direction of the domain-inverted pattern.2 OFive A film (dielectric layer) was formed.
[0117]
Next, the bonding surface 9a of the material 9 and the surface 2a of the substrate 2 (x-cut lithium niobate substrate, thickness 1 mm) were adhered. As the adhesive, an epoxy-based room temperature curable resin was used. The thickness of the adhesive layer 3 was about 0.5 μm.
[0118]
Next, the material 9 was ground by a mechanical grinding device, and the thickness of the material 9A was 20 μm. Subsequently, the recessed part 11 shown in FIG. 6 was formed using the dicing apparatus. At this time, the thickness of the extended portion 15 was set to 3 μm. As the dicing blade, a resin bonded diamond grindstone “SD5000” (outer diameter: about 52 mm, thickness: 0.1 mm) was used. The rotation speed of the blade was 10,000 rpm, and the blade feed rate was 0.5 mm / second. The board | substrate was cut | disconnected in the cross-sectional direction, and the element of length 10mm was formed. Both ends of the optical waveguide were subjected to chemical mechanical polishing.
[0119]
Using this element, a second harmonic was generated using a titanium-sapphire laser. The phase matching wavelength was 850 nm, and the second harmonic wavelength was 425 nm. The SHG conversion efficiency was about 500% / W. When the incident power of the fundamental wave was 100 mW, a second harmonic output of 50 mW was obtained, and no characteristic deterioration due to light damage or the like was observed in the second harmonic.
[0120]
(Example 3)
The element 1L shown in FIG. 14 was manufactured according to the procedure of FIGS.
[0121]
Specifically, in the same manner as in Example 1, the lithium niobate material 9 doped with 5 mol% of MgO on the X-plane (87 ° Z cut) of the 3 ° off-cut substrate was cycled by 2.8 μm by a voltage application method. Then, a periodically poled structure 5 having a domain inversion depth of 2.5 μm was formed.
[0122]
Next, two rows of grooves 23 having a depth of 1.5 μm and a width of 5 μm were formed on the surface of the material 9 by laser processing using an excimer laser. The distance between the pair of grooves 23 was 5 μm.
[0123]
Next, the grooved surface 9a of the material 9 was bonded to the surface 2a of the substrate 2 (X-cut lithium niobate substrate, thickness 1 mm). As the adhesive, an acrylic room temperature curable resin was used. The thickness of the bonding layer 3 was about 0.3 μm. The groove 23 is filled with an adhesive.
[0124]
Next, the material 9 was ground by a mechanical grinding device to obtain the structure of FIG. The thickness of the thick portion 8 was 3 μm. This substrate was cut in the cross-sectional direction to form an element having a length of 10 mm. Both ends of the optical waveguide were subjected to chemical mechanical polishing.
[0125]
Using this element, a second harmonic was generated using a titanium-sapphire laser. The phase matching wavelength was 820 nm, and the second harmonic wavelength was 410 nm. When the input of the fundamental wave was 100 mW, a second harmonic of 60 mW was obtained, and no characteristic deterioration due to optical damage was observed.
[0126]
(Example 4)
A periodically poled structure having a period of 2.8 μm was formed on a Z-cut lithium niobate material 9 (thickness: 0.3 mm) doped with 5 mol% of MgO by a corona charging method. Specifically, a periodically poled structure having a pitch of 2.7 μm was formed on the + Z plane of the substrate, and a corona wire was scanned on the −Z plane of the substrate to generate the domain-inverted structure. The domain-inverted structure was uniformly formed throughout the thickness direction of the substrate.
[0127]
Next, a strip-shaped plate having a width of 0.5 mm was cut out from the material 9 in the Y direction, and the cut surface (X) of the plate was subjected to chemical mechanical polishing.
[0128]
Next, the X surface of the strip-shaped plate and the substrate (single crystal silicon, thickness 0.35 mm) were bonded. As the adhesive, an acrylic room temperature curable resin was used. The thickness of the adhesive layer 3 was about 0.3 μm. Next, the material 9 was ground by a mechanical grinding apparatus, and the thickness of the material 9A was 3.5 μm. Next, two rows of grooves 23 having a depth of 2 μm and a width of 5 μm were formed on the surface of the material 9A by laser processing using an excimer laser. The distance between the pair of grooves 23 was 4 μm.
[0129]
Next, the substrate was cut in the cross-sectional direction to form an element having a length of 10 mm. Both ends of the optical waveguide were subjected to chemical mechanical polishing.
[0130]
Using this element, a second harmonic was generated using a titanium-sapphire laser. The phase matching wavelength was 820 nm, and the second harmonic wavelength was 410 nm. When the input of the fundamental wave was 150 mW, a second harmonic of 100 mW was obtained, and no characteristic deterioration due to optical damage was observed.
[0131]
【The invention's effect】
As is apparent from the above, according to the present invention, in the optical waveguide device, even when the output of the emitted light from the optical waveguide is increased, fluctuations in output can be reduced and stable oscillation can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing an optical waveguide device 1A according to an embodiment of the present invention, in which a ridge-type three-dimensional optical waveguide 4 and a periodically poled structure 5 are formed. . FIG. 2B is a perspective view schematically showing the element of FIG.
2A and 2B are cross-sectional views schematically showing a process for producing the optical waveguide device of FIG.
3 is an enlarged view of a ridge structure portion of the element of FIG. 1;
4 is a cross-sectional view schematically showing an optical waveguide device 1B according to another embodiment of the present invention, in which a thick portion 8 is removed from the device of FIG.
5 is a cross-sectional view schematically showing an optical waveguide device 1C according to another embodiment of the present invention, in which a groove 2c is formed in a substrate 2. FIG.
6 is a cross-sectional view schematically showing an optical waveguide device 1D according to another embodiment of the present invention, in which a groove 2c is formed in a substrate 2, and a thick portion 8 is removed from the device of FIG. ing.
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing an optical waveguide device 1E according to another embodiment of the present invention, in which a dielectric-loaded optical waveguide 10 is formed.
8A and 8B are cross-sectional views schematically showing a process for producing the optical waveguide device of FIG.
9 is a cross-sectional view schematically showing an optical waveguide device 1F according to another embodiment of the present invention, in which a thick portion is removed from the optical waveguide device of FIG.
10 is a cross-sectional view schematically showing an optical waveguide device 1G according to another embodiment of the present invention, in which a dielectric 12 is loaded on the optical waveguide 10. FIG.
11 is a cross-sectional view schematically showing an optical waveguide device 1H according to another embodiment of the present invention, in which a thick portion 8 is removed from the device of FIG.
12 is a cross-sectional view schematically showing an element 1J according to an embodiment of the present invention, in which a groove 7 is formed even in the bonding layer 3 and an extending portion 15 is removed. FIG.
FIG. 13 is a cross-sectional view schematically showing an element 1K according to another embodiment of the present invention, in which an overcoat layer 21 is formed on the entire surface of the element and covers an optical waveguide.
FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing an element 1L according to another embodiment of the present invention, in which the element 1L has a pair of extending portions 26 and the extending portions 26 toward the bonding layer 3 side. And a protruding ridge-type optical waveguide 24.
15A, 15B, and 15C are cross-sectional views showing manufacturing steps of the element of FIG.
FIG. 16 shows a model for calculating fundamental mode (excitation light) and harmonic single-mode propagation conditions when a pair of extending portions are formed on both sides of a ridge-type optical waveguide in the element of the present invention.
FIG. 17 is a graph showing a single mode condition of a waveguide when the height t1 of the ridge portion 4 is 1.0 μm and the width w of the ridge portion 4 and the thickness t2 of the extending portion 15 are changed. .
FIG. 18 is a graph showing a single mode condition of a waveguide when the height t1 of the ridge portion 4 is 2.0 μm and the width w of the ridge portion 4 and the thickness t2 of the extending portion 15 are changed. .
FIG. 19 is a graph showing the relationship between the refractive index difference between the optical waveguide and the bonding layer and the electric field distribution.
FIG. 20 is a graph showing the relationship between the refractive index difference dn between the optical waveguide and the bonding layer and the maximum thickness that satisfies the single mode condition when MgO-doped LiNbO 3 is used as the optical waveguide.
FIG. 21 is a schematic diagram showing a relationship among refractive indexes of respective layers when a three-layer structure of a waveguide, a bonding layer (the refractive index of the bonding layer <the refractive index of the substrate), and the substrate is adopted.
FIG. 22 is a graph showing the relationship between guided light intensity and depth when a bonding layer is provided.
FIG. 23 is a graph showing the relationship between guided light intensity and depth when no bonding layer is provided.
FIG. 24 is a graph showing the relationship between the thickness of the bonding layer, the phase matching wavelength, and the effective refractive index.
FIG. 25 is a perspective view showing a state in which a voltage application method is applied to an offcut substrate.
FIG. 26 is a schematic diagram showing the direction of the polarization inversion pattern on the offcut substrate.
FIG. 27 is a cross-sectional view showing an element 1M according to an embodiment of the present invention, in which a three-dimensional optical waveguide 34 includes a pair of protrusions 34a and 34b.
28 is a cross-sectional view showing an element 1N according to an embodiment of the present invention, in which a recess 31 is formed on the surface 2a side of the substrate 2. FIG.
29 is a cross-sectional view showing an element 1P according to an embodiment of the present invention, in which a recess 31 is formed on the surface 2a side of the substrate 2, and a part of the optical waveguide 24A is inserted into the recess 31. FIG. Yes.
30 is a cross-sectional view showing an element 1Q according to an embodiment of the present invention, in which a recess 31 is formed on the surface 2a side of the substrate 2, and the three-dimensional optical waveguide 34 has a pair of protrusions 34a and 34b. The protrusion 34 b is inserted into the recess 31.
FIG. 31 is a cross-sectional view showing an element 1R according to an embodiment of the present invention, in which two types of bonding layers 3B and 3C are used.
[Explanation of symbols]
1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G, 1H, 1J, 1K, 1L, 1M, 1N, 1P, 1Q, 1R Optical waveguide element 2 Substrate 2a Substrate surface 2b Substrate protrusion 2c Substrate groove
3, 3A, 3B, 3C Junction layer 4, 24 Ridge type three-dimensional optical waveguide
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 Periodic polarization inversion structure 7 Groove 8 Thick part 9 Optical waveguide shaping | molding material 9a Joint surface of material 9 10 Dielectric loading type three-dimensional optical waveguide 11 Recessed part 12 Dielectric layer 15, 26 A pair of extension part 17 Ridge structure Grooves on both sides of the 18 ridge structure
21 Overcoat layer 22 Amorphous material filled in groove 23
23 A groove between the optical waveguide 24 and the thick portion 8 30 A base layer of the optical waveguide 4 34 A three-dimensional optical waveguide having a pair of protrusions

Claims (24)

バルク状の非線形光学結晶からなる三次元光導波路と、この光導波路に対して接合されている基板と、前記光導波路と前記基板とを接合している非晶質材料からなる接合層とを備えており、前記接合層の屈折率が前記光導波路の屈折率より5%以上低いことを特徴とする、光導波路素子。A three-dimensional optical waveguide made of a bulk nonlinear optical crystal, a substrate bonded to the optical waveguide, and a bonding layer made of an amorphous material bonding the optical waveguide and the substrate. The optical waveguide device is characterized in that the refractive index of the bonding layer is 5% or more lower than the refractive index of the optical waveguide. 前記接合層が前記光導波路のアンダークラッドとして機能することを特徴とする、請求項1記載の光導波路素子。The optical waveguide device according to claim 1, wherein the bonding layer functions as an underclad of the optical waveguide. 前記基板が前記光導波路のアンダークラッドとして機能することを特徴とする、請求項1記載の光導波路素子。The optical waveguide device according to claim 1, wherein the substrate functions as an underclad of the optical waveguide. 少なくとも前記光導波路内に周期分極反転構造が形成されており、前記光導波路素子が高調波発生用素子として機能することを特徴とする、請求項1−3のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。The periodic polarization inversion structure is formed at least in the optical waveguide, and the optical waveguide element functions as a harmonic generation element. Optical waveguide element. 前記光導波路の横断面形状が略矩形であることを特徴とする、請求項1−4のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。The optical waveguide device according to any one of claims 1 to 4, wherein a cross-sectional shape of the optical waveguide is substantially rectangular. 前記光導波路が前記非線形光学結晶の機械加工によって形成されていることを特徴とする、請求項1−5のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。The optical waveguide device according to claim 1, wherein the optical waveguide is formed by machining the nonlinear optical crystal. 前記光導波路が前記接合層から突出するリッジ型の光導波路であることを特徴とする、請求項1−6のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。The optical waveguide element according to any one of claims 1 to 6, wherein the optical waveguide is a ridge-type optical waveguide protruding from the bonding layer. 前記光導波路の横断面方向の両側に向かって延びる一対の延設部を備えていることを特徴とする、請求項1−7のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。The optical waveguide device according to any one of claims 1 to 7, further comprising a pair of extending portions extending toward both sides of the optical waveguide in a cross-sectional direction. 前記光導波路が前記延設部から前記接合層に向かって突出していることを特徴とする、請求項8記載の光導波路素子。9. The optical waveguide element according to claim 8, wherein the optical waveguide protrudes from the extending portion toward the bonding layer. 前記各延設部の外側にそれぞれバルク状の非線形光学結晶からなる肉厚部分を備えており、前記肉厚部分と前記光導波路との間に凹部が形成されており、この凹部内に前記非晶質材料が充填されていることを特徴とする、請求項9記載の光導波路素子。A thick portion made of a bulk nonlinear optical crystal is provided on the outside of each extending portion, and a recess is formed between the thick portion and the optical waveguide, and the non-existing portion is formed in the recess. The optical waveguide device according to claim 9, wherein the optical waveguide device is filled with a crystalline material. 前記光導波路が誘電体装荷型の光導波路であり、前記光導波路を形成するための誘電体層を備えていることを特徴とする、請求項1−10のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。The optical waveguide according to claim 1, wherein the optical waveguide is a dielectric-loaded optical waveguide, and includes a dielectric layer for forming the optical waveguide. Optical waveguide element. 前記誘電体層が前記接合層を挟んで前記基板と対向していることを特徴とする、請求項11記載の光導波路素子。12. The optical waveguide element according to claim 11, wherein the dielectric layer faces the substrate with the bonding layer interposed therebetween. 前記高調波発生素子の基本波の波長および波長変換波の波長の双方に対してシングルモード伝搬となることを特徴とする、請求項8−12のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。The optical waveguide device according to any one of claims 8 to 12, wherein single-mode propagation is performed with respect to both a wavelength of a fundamental wave and a wavelength of a wavelength converted wave of the harmonic generation device. . 前記光導波路の幅が1−10μmであり、前記光導波路の前記延設部からの高さが0.2−5μmであり、前記延設部の厚さが0.5−5μmであることを特徴とする、請求項13記載の光導波路素子。The width of the optical waveguide is 1-10 μm, the height from the extended portion of the optical waveguide is 0.2-5 μm, and the thickness of the extended portion is 0.5-5 μm. The optical waveguide device according to claim 13, wherein the optical waveguide device is characterized. 前記基板の屈折率が前記光導波路の屈折率よりわずかに低く、かつ前記光導波路を伝搬する光導波モードの電界分布が前記基板に存在することを特徴とする、請求項1−14のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。The refractive index of the substrate is slightly lower than the refractive index of the optical waveguide, and an electric field distribution of an optical waveguide mode propagating through the optical waveguide exists in the substrate. An optical waveguide device according to one claim. 前記基板の屈折率と前記導波路の屈折率との差が5%以下であることを特徴とする、請求項1記載の光導波路素子。Wherein the difference between the refractive index and the refractive index of the waveguide of the substrate is 5% or less, according to claim 1 5 optical waveguide device according. 前記接合層が酸化珪素を主成分とするガラスからなることを特徴とする、請求項1−1のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。The optical waveguide element according to any one of claims 1 to 16 , wherein the bonding layer is made of glass containing silicon oxide as a main component. 前記光導波路が、LiNbx Ta(1-x) O3 (0≦x≦1)を主成分とする非線形光学材料からなることを特徴とする、請求項1−1のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。The optical waveguide, characterized by comprising the non-linear optical material composed mainly of LiNbx Ta (1-x) O3 (0 ≦ x ≦ 1), in any one of claims 1-1 7 The optical waveguide device described. 前記接合層が酸化珪素を主成分とするガラスからなり、前記接合層の厚さが0.1μm以上であることを特徴とする、請求項18記載の光導波路素子。19. The optical waveguide device according to claim 18 , wherein the bonding layer is made of glass containing silicon oxide as a main component, and the thickness of the bonding layer is 0.1 [mu] m or more. 少なくとも前記光導波路を被覆するオーバーコート層を備えていることを特徴とする、請求項1−19のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。The optical waveguide device according to any one of claims 1 to 19 , further comprising an overcoat layer covering at least the optical waveguide. バルク状の非線形光学結晶からなる光導波路成形用材料をこれとは別体の基板へと非晶質材料からなる接合層を介して接合し、この際前記非線形光学結晶の屈折率よりも前記接合層の屈折率を低くし、次いで前記光導波路成形用材料を加工することによって前記三次元光導波路を成形することを特徴とする、光導波路素子の製造方法。An optical waveguide molding material made of a bulk nonlinear optical crystal is joined to a separate substrate through a joining layer made of an amorphous material. At this time, the joining is made more than the refractive index of the nonlinear optical crystal. A method of manufacturing an optical waveguide element, wherein the three-dimensional optical waveguide is formed by lowering the refractive index of the layer and then processing the optical waveguide molding material. バルク状の非線形光学結晶からなる光導波路成形用材料をこれとは別体の基板へと非晶質材料からなる接合層を介して接合し、この際前記非線形光学結晶の屈折率よりも前記基板の屈折率を低くし、次いで前記光導波路成形用材料を加工することによって前記三次元光導波路を成形することを特徴とする、光導波路素子の製造方法。An optical waveguide molding material made of bulk nonlinear optical crystal is joined to a separate substrate through a joining layer made of an amorphous material, and the substrate has a refractive index higher than that of the nonlinear optical crystal. A method for producing an optical waveguide element, wherein the three-dimensional optical waveguide is formed by lowering the refractive index of the optical waveguide and then processing the optical waveguide molding material. 前記光導波路成形用材料の前記基板への接合面側に予め周期分極反転構造を形成し、この後に前記光導波路成形用材料を前記基板へと接合することを特徴とする、請求項21または22記載の光導波路素子の製造方法。The previously formed periodically poled on the bonding surface side to the substrate of the optical waveguide forming material, characterized by joining the optical waveguide forming material after this to the substrate, according to claim 21 or 22 The manufacturing method of the optical waveguide element of description. 前記光導波路成形用材料を前記基板に接合した後、前記光導波路成形用材料を機械加工することを特徴とする、請求項2123のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子の製造方法。The optical waveguide element manufacturing method according to any one of claims 21 to 23 , wherein the optical waveguide molding material is machined after the optical waveguide molding material is bonded to the substrate. Method.
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