JP4613358B2

JP4613358B2 - 光波長変換素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP4613358B2
Application number: JP2000391214A
Authority: JP
Inventors: 公典水内; 和久山本; 健二北村; 保典古川; 俊二竹川; 優中村
Original assignee: Panasonic Corp; National Institute for Materials Science; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; National Institute for Materials Science; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2020-12-22
Also published as: JP2002196381A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非線形光学効果を利用した光波長変換素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）単結晶（以下、ＬＮとする）の温度−組成比の相関図（相図）は古くから知られており、従来、組成の均質性の高いＬＮを製造するためには、結晶と融液が同じ組成で平衡共存する一致溶融（コングルエント）組成であるモル分率が４８．５％（Ｌｉ／Ｎｂのモル分率は９４％）の融液から回転引き上げ法で成長されていた。成長されたアズグロウンＬＮ単結晶は多分域状態となっているため、成長後の結晶をキュリー温度である１１５０℃以上に加熱した状態で結晶のＺ軸方向に電圧を印加し、単一分域化した後、結晶を冷却するポーリング処理を施されていた。単一分域化処理された結晶は所定の大きさに加工された後、各種用途に使用されていた。ＬＮは高い光学定数を有し、かつ大型結晶の成長が容易なため各種の光学素子に応用されている。
【０００３】
ＬＮ結晶の用途の一つとして、ＬＮ結晶の有する高い非線形光学効果を利用した光波長変換素子がある。結晶内に周期状の分極反転構造を形成することで位相整合条件の成立が可能となり任意の波長を高効率で波長変換することが可能となる。コングルエントのＬＮ結晶においては周期状の分極反転構造を形成する方法が種々提案されている。例えば、Ｔｉ拡散を利用した方法がある。コングルエント組成のＺ板ＬＮ基板表面にストライプ状のＴｉ金属を周期状に形成し、これを基板のキュリー温度近くで熱処理することで周期状の分極反転構造を形成する。形成された分極反転構造は結晶表面を底面とする逆三角形形状であり、この分極反転構造を利用して光波長変換素子が製造されている。
【０００４】
また、ＳｉＯ₂の堆積と熱処理による方法もある。この方法はコングルエント組成のＺ板ＬＮ基板の表面にストライプ状のＳｉＯ₂膜を周期状に形成し、これを熱処理する方法である。基板のキュリー温度近くまで熱処理することで、Ｔｉ拡散による方法と同様の逆三角形の分極反転構造が形成され、これを利用して光波長変換素子が製造されている。
【０００５】
また、従来の他の光波長変換素子の製造方法として電界印加による分極反転形成を利用した方法がある。コングルエント組成のオフカット板ＬＮ結晶の表面に櫛形電極を形成し、電界を印加することで基板のＺ軸方向に向かって分極反転構造を形成する方法で、結晶内を斜め方向に針状の分極反転構造が周期的に形成できる。分極反転は半円に近い逆三角形で基板表面を底面として形成される。この方法を利用して光波長変換素子が製造されている。周期的な分極反転構造による非線形グレーティングを利用し、導波路内で基本波と高調波との位相整合をとることで、高効率の波長変換が行われている。
【０００６】
従来ＬＮ単結晶は、従来組成の均質性の高いＬＮを製造するためには、結晶と融液が同じ素子で平衡共存する一致溶融（コングルエント）組成であるＬｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が４８．５％の融液から回転引き上げ法で成長されていた。形成される結晶のモル分率は溶液の組成と等しく４８．５％（Ｌｉ／Ｎｂのモル分率は９４％）であり、キュリー温度は約１１５０℃であった。これに対し、Ｌｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が４９．５〜５０．２％と化学量論比に近いストイキオメトリックＬＮ結晶の成長が最近可能になった（特開平１０−４５４９８号公報）。作製方法は、２重坩堝法によるもので、結晶引き上げの際に、ニオブ酸リチウム溶液の組成をリチウム成分の過剰なＬｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率を５６〜６０％の特定範囲に保った溶液組成とし、自動的に原料を供給する手段を備えた２重坩堝法を用いる。ストイキオメトリックＬＮはアズグロウンで単分域化されているため成長後のポーリング処理が不要で結晶成長と光学的均質性の良いことを特徴とする。さらに、コングルエント組成の結晶に対し、キュリー温度が１１８５〜１２１５℃高い特徴を有する。
【０００７】
ストイキオメトリックＬＮはコングルエント組成ＬＮに対し、わずかなモル分率の変化であるが、化学量論比に近づくに従いその結晶特性は大幅に異なる。特に結晶のモル分率が４９．５〜５０．２％（Ｌｉ／Ｎｂのモル分率は９５〜１０１％）の範囲で従来のコングルエント組成の結晶とは大きく異なる光学特性を有する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
コングルエント組成における周期状の分極反転構造の形成およびそれを利用した光波長変換素子については、種々の分極反転製造方法および光波長変換素子の構成が報告されている。しかしながら、結晶中のＬｉ，Ｎｂ比を制御したストイキオメトリック組成の結晶においては、周期状の分極反転構造の形成およびその特性が明らかにされていないという問題がある。
【０００９】
また、ストイキオメトリック組成のＬＮ結晶は、未だ分極反転特性が明らかにされておらず、分極反転特性が従来のコングルエント組成とは大きく異なるため従来の分極反転形成方法では、分極反転構造が形成し難いという問題がある。
【００１０】
コングルエント組成のＬＮを利用した波長変換素子は高い変換効率が達成されており、高効率で青色、緑色の波長領域の変換光が確認されている。しかしながら、コングルエント組成のＬＮ結晶を用いた光波長変換素子は、光損傷の発生による出力不安定化が大きな問題となっている。光波長変換素子の出力安定化には、耐光損傷強度の向上が望まれている。ＬＮの耐光損傷強度（光損傷の発生しない最大光強度）の値は、導波路形状に依存するが波長４００ｎｍ帯の光に対して１ｍＷ以下、ＭｇドープのＬＮ基板に形成したプロトン交換導波路でも数１０ｍＷ程度であり、高出力の光波長変換素子を実現するには、耐光損傷強度の向上が求められている。
【００１１】
本発明は、前記従来の問題を解決するため、ストイキオメトリックＬＮ結晶に形成した周期状分極反転構造において、安定な分極反転構造を得、この分極反転構造を用いることで光導波路プロセス等による分極反転構造の不均一性の発生を押さえ、高効率の光波長変換素子構造を実現し、さらに、分極反転形成位置を精密に制御できるようにし、これによって光波長変換素子を形成する際の歩留まり向上および第２次高調波（ＳＨＧ）素子特性を向上させた光波長変換素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光波長変換素子は、Ｌｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が４９．５〜５０．２％のストイキオメトリックＬｉＮｂＯ₃結晶と、前記結晶表面に形成された分極反転部分とを有し、複数の前記分極反転部分が周期状に配置されており、前記結晶のＣ軸が前記結晶表面に対し、０．３〜１０°の範囲で傾いており、前記結晶表面に垂直な断面において、前記分極反転部分の厚み方向のうち、前記結晶表面から遠い側に位置する分極反転部分の底部を含む一部分が、隣接する分極反転部分と連続していることを特徴とする。
【００１３】
次に本発明の光波長変換素子の製造方法は、Ｌｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が４９．５〜５０．２％のストイキオメトリック組成を有するＬｉＮｂＯ₃結晶からなる基板内に複数の分極反転部分を備えた波長変換素子であって、前記結晶のＣ軸が前記結晶表面に対し、０．３〜１０°の範囲で傾いており、前記分極反転部分は、前記C軸と平行な方向に周期状に位置し、前記結晶表面に垂直な断面において、前記分極反転部分の厚み方向のうち、前記結晶表面から遠い側に位置する分極反転部分の底部を含む一部分が、隣接する分極反転部分の一部分と互いに連続していることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、ストイキオメトリックＬＮ結晶における安定な周期状分極反転構造を見いだした点にある。ストイキオメトリックＬＮ結晶における高効率な光波長変換素子を構成するには均一な周期状分極反転構造が不可欠であり、結晶的に安定な周期状分極反転構造が必要とされる。
【００１５】
また、ストイキオメトリックＬＮ結晶において周期状分極反転構造を形成するための新たな形成方法を提案する。ストイキオメトリックＬＮ結晶においては、分極反転構造の形成場所を精度よく決めるのが難しいという問題が見いだされた。そこで、この問題を解決する分極反転形成方法を提案することで、分極反転構造の形成場所を高精度で制御することを可能とし、青色から紫外にかけて高効率な光波長変換素子の実現を可能にした。
【００１６】
ストイキオメトリックＬＮはコングルエント組成ＬＮに対し、わずかなモル分率の変化であるが、化学量論比に近づくに従いその結晶特性は大幅に異なる。特に結晶のモル分率が４９．５〜５０．２％の範囲で従来のコングルエント組成の結晶とは大きく異なる光学特性を有し、今回見いだされた分極反転特性についても、このモル分率を有するストイキオメトリックＬＮ特有の効果である。
【００１７】
ストイキオメトリックＬＮは、最近作製が可能になった結晶であり、その光学特性および分極反転特性については、未だ総てが明らかにされていない。特に分極反転特性については、本発明者らが初めて明らかにしたものである。また、この特性を利用した光学素子特性の向上については、さらに未開拓な分野であった。
【００２０】
また本発明においては、前記ストイキオメトリックＬｉＮｂＯ₃結晶のキュリー温度が、１１８５〜１２０５℃の範囲であることが、非線型光学案定数の向上が図れ、高効率の波長変換素子が形成できることから好ましい。
【００２１】
また本発明においては、前記結晶がＭｇ，Ｚｎ，Ｓｃ，Ｉｎのいずれかの添加物を０．０３重量％以上１重量％以下の範囲含有させることが、結晶の耐光損傷強度を増大させ、高出力特性を向上させることから好ましい。０．０３重量％未満では、前記の作用効果は発現しにくく、１重量％を超えると結晶構造が不均一になり、ＳＨＧ特性が劣化する傾向となる。
【００２２】
また本発明においては、前記分極反転部の周期が３．５μｍ以下であると、波長４００ｎｍ帯のＳＨＧ光発生可能になることから好ましい。
【００２３】
次に本発明方法においては、前記櫛形電極が、周期状のグレーティング構造からなる歯の部分と、前記歯の部分を互いにつなぐストライプ部分から構成され、前記ストライプ部分が前記結晶表面と絶縁膜を介して接触していることが、形成された分極反転構造が均一になることから好ましい。
【００２４】
また、前記結晶のＣ軸が前記結晶表面に対し、０．３〜１０°の範囲で傾いていることが、導波路の伝播損失が小さくなることから好ましい。
【００２５】
また、前記周期状の複数の分極反転部分のうち隣接する分極反転部分と連続している連続部分の厚さが、断面から見て前記周期状の複数の分極反転部分のうち隣接する分極反転部分と連続していない不連続部分の厚さの５〜２００％の範囲であることが、分極反転構造の安定性が向上することから好ましい。
また、前記櫛型電極に、５ｍｓ以下のパルス電圧を印加して、前記分極反転部分を形成することが好ましい。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
ＬＮ結晶の光学定数の向上を目的としたストイキオメトリック組成のＬＮ結晶が提案されている（特開平１０−４５４９８号公報）。Ｌｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率を４９．５〜５０．２％のＬＮを用いることで、結晶内の欠陥密度の低減が図れ、電気光学定数、非線型光学定数等の各種定数の増大が確認されている。さらに光散乱が少なく波長４００〜６００ｎｍの可視光領域での光透過特性にも優れている。発明者らは、このストイキオメトリックＬＮ結晶における周期的分極反転構造の形成を試みた。コングルエント組成のＬＮはパターン電極による周期状分極反転構造が可能である。印加電圧は約２０ｋＶ／ｍｍと非常に高い印加電圧が必要である。形成された分極反転構造は安定で５００℃程度の熱処理および導波路形成に必要なプロトン交換によっても反転構造は変化せず安定である。これに対し、ストイキオメトリックＬＮは分極反転に必要な印加電圧が極端に低下する。分極反転に必要な電圧は５ｋＶ／ｍｍ以下であった。これはＬｉ、Ｎｂの組成が完全結晶に近いストイキオメトリックＬＮは結晶内における結晶欠陥が少ないため、分極反転に対向する内部抵抗が少なくなるためである。低電圧で分極反転が可能なため絶縁破壊が生じにくく厚い結晶にも分極反転構造の形成が容易である。
【００２７】
本発明者らは、ストイキオメトリックＬＮの分極反転特性について詳細に検討したところ、外乱により形成された分極反転が再反転し、分極反転構造に不均一性を増大させることを見いだした。分極反転電圧が極端に低下することで分極反転構造の不安定性が増大したと考えられる。波長４５０ｎｍ以下の青色〜紫外にかけての第２次高調波（ＳＨＧ）の光発生を行うには、周期３．５μｍ以下の短周期の分極反転構造が必要である。ところが分極反転構造を３．５μｍ以下の短周期構造にした場合、その不安定性の現象が顕著に現れた。原因は、熱処理時に発生する焦電電界により分極反転が再反転したためと考えられる。
【００２８】
ストイキオメトリックＬＮ結晶は反転電圧が低いため、焦電効果により発生した電界が分極反転構造に影響を与える。周期３〜３．５μｍの周期状分極反転構造を形成したストイキオメトリックＬＮ基板の温度を急激に変化させたところ、周期状の分極反転構造が一部再反転し、形成された分極反転構造の均一性が劣化した。これは従来のコングルエント組成のＬＮでは観測されなかった現象である。また分極反転の均一性が劣化する現象は高温で熱処理する場合にも生じた。
【００２９】
本発明者らは、短周期の分極反転構造の安定化について種々検討を行ったところ、分極反転構造により再反転の発生が異なることを見いだした。即ち、幾つかの分極反転構造においては急激な温度変化や高温の熱処理に対しても分極反転構造を安定に保てることを見いだした。通常分極反転構造は非線形グレーティングを構成するため、分極反転部と非反転部分が交互に存在する。短周期になると形成される分極反転部の断面積は小さくなる。これによって分極反転部の不安定性が増大した。
【００３０】
周期３．５μｍ以下の短周期構造では、熱処理等により形成された分極反転構造が変化した。これに対し、隣接する分極反転構造の一部が互いに接触して連続化することで、分極反転構造の安定性が大幅に向上した。ストイキオメトリックＬＮにおいても周期が１０μｍ以上の反転構造においては構造の安定性は問題がない。ところが、周期３．５μｍ以下の短周期構造においては構造の不安定性が顕著になった。これに対し、隣接する分極反転構造の一部を違いに接触させて分極反転の断面積を大きくしたところ、分極反転構造の安定性が大幅に向上することがわかった。
【００３１】
次に、分極反転を形成する基板結晶の方位について検討した。Ｚ板の基板において、形成される分極反転構造は比較的安定であった。これに対し、オフカット基板に形成した分極反転構造は外乱による再反転現象の発生が顕著であり、不安定性が増大した。これはオフカット基板に形成される個々の分極反転部の断面積が制約されるためである。オフカット基板で形成される分極反転は電極先端で発生し、結晶軸に沿って基板内部に形成される。隣接する分極反転部は互いに非接触でそれぞれの分極反転部が独立しているため、各反転部の断面積は１０μｍ²程度と小さくなる。そこで、オフカットのストイキオメトリックＬＮにおける安定な分極反転構造について検討した。結晶はオフカット基板のストイキオメトリックＬＮ結晶で、結晶のＸ軸が基板表面の法線に対し３°傾いている。
【００３２】
図１（ａ）は本発明の一実施例の光波長変換素子の斜視図、図１（ｂ）は同平面図である。
【００３３】
図１（ａ）に示すように、基板１の表面に櫛形電極４を、基板の裏面に平面電極５を形成し、電極間に電圧を印加することで櫛形電極から分極反転が成長し、結晶内部に向かって分極反転部６（図２（ａ）〜（ｃ））が形成された。形成した分極反転構造を断面（図１（ｂ）のＸ−Ｘ線断面）から観測した。この断面を図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。
【００３４】
電極構造と電界印加条件を変えて、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す分極反転構造断面を形成した。図２（ａ）は隣接する分極反転が接触していない構造、図２（ｂ）は隣接する分極反転場合が上面近傍で接触している構造、図２（ｃ）は隣接する分極反転が底面近傍で接触している構造である。図２（ａ）は従来の分極反転構造であり、分極反転構造の安定性に問題があった。これに対して本発明の一実施例である図２（ｂ）〜（ｃ）の構造にすることで温度変化や高温処理に対しても安定性が大幅に向上した。図２（ａ）は理想的な形状である。ただし、ストイキオメトリック結晶においては、図２（ａ）の構造を形成するには分極反転部分をかなり小さく制限する必要があった。すなわち、印加する電流量を極端に制限することで図２（ａ）の形状の形成が可能となった。ただし、この場合の分極反転厚みは０．５μｍ以下となり、高効率の光波長変換素子の形成は難しかった。さらに加える電流量を増やしていくと、図２（ｂ）の形状の分極反転構造が形成できた。しかしながら、さらに電流量を増加させると、隣接する分極反転部が互いに接触し、部分的に連続化し、周期構造が観測されなくなった。図２（ｃ）の形の分極反転構造を形成するには、印加する電圧を短パルス化する必要がある。図２（ａ）〜（ｂ）の方法では印加する電圧は０．１〜１ｓ以上の印加時間を有する。これに対し、数ｍｓ以下の短パルスの電圧を印加することで、図２（ｃ）の分極反転構造の形成が可能となった。とくに印加パルス電圧は５ｍｓ以下の短パルスが好ましい。この傾向は、ストイキオメトリックＬＮに特有の現象として観測された。分極反転形成は、ストイキオメトリックＬＮとコングルエントＬＮでは大きく異なることが明らかになった。
【００３５】
次に形成した分極反転構造を内に光導波路を形成して図３に示す光波長変換素子を形成した。図３は本発明の光波長変換素子、すなわち図２（ｃ）の分極反転構造を有する光波長変換素子の構成を示している。図３において、１はストイキオメトリック組成のＬＮ基板、２は周期状分極反転構造、３はプロトン交換光導波路である。分極反転構造２を形成した後、光導波路３はプロトン交換とアニール処理により形成した。プロトン交換層をストライプ状に形成した後アニール処理することで、高非線形性を有する低損失光導波路が形成できた。導波路内に波長８２０ｎｍの光を入射し、分極反転構造により波長変換することで波長４１０ｎｍの紫色光を発生する光波長変換素子を形成した。
【００３６】
図２（ａ）の分極反転構造を用いて光波長変換素子を形成すると、第２次高調波（ＳＨＧ）の変換効率は５％以下であり、高効率の波長変換素子の製造は難しかった。これは光導波路を形成するプロセスの影響で分極反転構造に不均一性が生じたためと考えられる。図２（ｃ）の分極反転構造を有する光波長変換素子は１００ｍＷの半導体レーザに対し２０ｍＷの紫色光の発生が可能であり効率２０％の効率波長変換を達成した。これに対し図２（ｂ）の分極反転構造において変換効率は１／１０の２％に低下した。これは分極反転が光導波路の表面近傍で接触しているため非線形グレーティングとして機能が効率よく働かなかったためである。
【００３７】
光導波路は２〜３μｍ程度の厚みであり、光導波路を伝搬する光のパワー密度が最も高いのは導波路表面から１μｍ程度のところである。基本波と高調波のオーバラップもこの部分で最大となる。分極反転構造が表面近傍で互いに接触すると光導波路の表面近傍において波長変換が生じなくなるので変換効率が大幅に減少する結果となった。これに対し、図２（ｃ）の構造では、分極反転が導波路底面部で接触し連続しているため、導波路表面近傍における波長変換が阻害されることなく高効率の波長変換を達成することができた。前記図２（ｃ）の構造において、周期状分極反転部分６の連続部分８は、周期状分極反転部分６のうち隣接する分極反転部分６と連続していない不連続部分の厚さの約１０％であった。分極反転構造の安定性と変換効率特性をまとめると、表１の結果となる。連続部分８の厚さは、分極反転部分のうちの不連続部分の厚さの５％以上が安定化のために必要である。ただし、その厚みが周期状の分極反転部分のうちの不連続部分の厚みに対し、２倍を超えると周期状の反転部分のうちの不連続部分の厚みは減少するため、２倍以下に抑えるのが好ましい。
【００３８】
【表１】

【００３９】
表１において、分極反転構造の安定性の○は、安定性に問題ないことを示す。
具体的には、４００℃程度の熱処理プロセスが分極反転形状に影響を与えないことを確認した。同×は４００℃程度の熱処理プロセスにより分極反転形状に変化が観測された。変換効率の○は、１００ｍＷの基本波に対して２０％以上の変換効率が得られた。同×は１００ｍＷの基本波に対して、数％の変換効率しか得られなかった。
【００４０】
分極反転構造の安定性と高効率の波長変換を実現できるのは、図２（ｃ）の構造においてである。
【００４１】
ＡｌＧａＡｓ系の波長可変ＤＢＲ半導体レーザ（波長８２０ｎｍ）が用いて短波長光源を実現できた。波長可変ＤＢＲ半導体レーザは、活性領域とＤＢＲ領域の２電極から構成され、ＤＢＲ領域への注入電流を調整することにより、発振波長を調整することができる。半導体レーザと導波路型の光波長変換素子を直接結合することで小型の短波長光源を実現できた。半導体レーザ出力１００ｍＷに対して光導波路に６０ｍＷの半導体レーザ光が結合した。
【００４２】
導波損失は−０．５ｄＢ／ｃｍと従来の導波損失の１／２となり、低損失の光導波路が実現できた。ストイキオメトリックＬＮを用いることで結晶の透過率を上げることが可能となり、同時に、低電圧の電界印加による分極反転が形成されるため、分極反転時に結晶に与えるダメージが少なくなり、分極反転構造内に低損失の光導波路の形成が可能となった。
【００４３】
さらに、隣接する分極反転部を違いに接触することで分極反転部の境界で発生していたわずかな屈折率変化による光導波路の伝搬損失の増大が低減したためである。このため、非常に低損失の光導波路形成が可能になった。さらに、光波長変換素子の変換効率は約５０％になり、従来の２倍以上に向上することができた。これは、導波路損失の低減に加え、基板の非線形光学定数が向上したためで、ストイキオメトリックＬＮ結晶はコングルエント組成ＬＮ結晶に比べ１．２倍以上の非線形光学定数を有するためである。さらに高い屈折率変化を利用して、光導波路のプロトン濃度を低減することが可能であるため、導波路内の非線形光学定数の増大が実現し、高効率の光波長変換素子が形成できた。
【００４４】
なお、本実施例では、基板としては３°オフカットのＸ板ストイキオメトリックＬＮについて検討したが、基板のオフカット角（基板表面の法線と結晶のＸ軸のなす角度）は０．３〜１０°が望ましい。オフカット角はわずかに存在することで分極反転が結晶のＺ軸に沿って成長するため深い分極反転構造が形成される。しかしながら、オフカット角が浅くなるに従い分極反転の厚みは減少し、０．３°以下になると通常のＸ板に形成される１μｍ程度の分極反転構造しか形成されなくなる。
【００４５】
一方、オフカット角が厚くなると深い分極反転構造が形成され高効率の光波長変換素子の製造が可能となる。しかし、オフカット角の増大とともに形成されるプロトン交換光導波路の伝搬損失が増大する。１０°以上の角度では伝搬損失が３ｄＢ／ｃｍ以上になり、光波長変換素子の変換効率が大幅に低下するため好ましくない。
【００４６】
なお、本実施例では、ストイキオメトリックＬＮにおける分極反転構造について検討したが、ストイキオメトリックＬＮにＭｇ，Ｚｎ，Ｓｃ，Ｉｎのいずれかの添加物を０．０３重量％以上添加することで、光波長変換素子の特性を大幅に向上させることが可能となった。耐光損傷強度を向上させることで出力特性が向上する。添加物を含まない結晶では１ｍＷ程度のＳＨＧ出力に対しても、光損傷による出力の不安定現象が観測されたが、添加物を入れることで５０ｍＷ以上のＳＨＧ出力も安定に出力することが可能となった。
【００４７】
なお、本実施の形態では、光波長変換素子への応用について説明したが、その他、分極反転構造を利用した光スイッチ、光偏光器、変調器等への応用についても同様の素子特性の向上が図れた。例えば、３次元導波路に周期状の分極反転構造を形成し、これに電界を印加することで導波路内にグレーティング構造を形成／消去することが可能となる。グレーティングを利用した方向性結合器やＴＥ／ＴＭモード変換器、ＤＢＲグレーティング等の機能を電界印加により制御することが可能となる。このようなグレーティング構造を形成する場合にも、本発明の構成をとることで安定な形状を保つことが可能となる。
【００４８】
また、光偏光器においてもグレーティングによるＤＢＲを利用するもの３角の反転形状を利用しプリズム効果による偏光を実現するものがあるが、微細な分極反転形成を利用する場合には、いずれも、分極反転の一部を接触させることで安定な形状が実現できる。電界印加による屈折率変化を利用するこれらの素子においては、ストイキオメトリックＬＮを用いることで、高屈折率の光導波路の利用が可能になることと、電気光学定数の増大が図れることで、光学素子の特性が大幅に向上できた。
【００４９】
（実施例２）
ここでは、ストイキオメトリックＬＮにおける周期状分極反転構造の製造方法について述べる。オフカット基板における周期状分極反転構造の形成方法は図１に示す電極構造により分極反転を形成した。分極反転は電極指の先端近傍で発生し、結晶のＺ軸に沿って基板内部に形成された。これは、櫛形電極と平面電極間に電圧を印加した場合、電極指の先端で電界強度が最大に成るためである。
【００５０】
これに対し、ストイキオメトリックＬＮにおいては分極反転の形成される位置が電極指先端に限られず、電極指の付け根やストライプ部分等でランダムに発生することが見いだされた。これは、ストイキオメトリックＬＮの反転電圧が低いため、電極内の電界分布において電界強度差が小さく成り、分極反転の発生場所が比較的ランダム生じたためと考えられる。分極反転の形成される位置が再現性よく決定されないと、光導波路位置が決まらず光波長変換素子の高効率設計が再現性よくできない。そこで、分極反転の形成される部分のみ電極を基板に接触させる方法を見つけた。
【００５１】
図４に本発明の光波長変換素子の製造方法の構成を示す。ストイキオメトリック組成ＬＮオフカット基板１１の表面にストライプ状の電気絶縁膜１２を形成した。電気絶縁膜１２としては、市販の感光性樹脂を用いた。次に電気絶縁膜１２を介して櫛形電極１３を形成した。基板の裏面には平面電極１４を形成した。櫛形電極は周期状に電極部分が並んだ歯の部分１５と、歯の部分をつなぐストライプ部分１６からなり、分極反転構造の形成に必要な電極１５のみを基板に接触させて連続させ、他の部分は電気絶縁膜により基板から絶縁した。電極間に電圧を印加すると基板に接触した電極部分１５から分極反転が発生し、周期状の分極反転構造が形成された。従来の方法では分極反転の形成位置は数１０μｍ以上ばらついた。これに対し、本実施例の方法により製造した分極反転構造は１μｍ以下の精度で分極反転構造の位置を再現性よく決定することが可能となった。周期状分極反転部分の連続部分は、実施例１と同様に周期状分極反転部分の厚さの約１０％であった。
【００５２】
従来の方法と本発明の方法により製造した分極反転構造を用いて光波長変換素子を作製した。作製方法としては、周期状の分極反転構造を横切るように光導波路を形成した。光導波路は、選択マスクを用いてストライプ状にプロトン交換を行い作製した。作製した光波長変換素子の変換効率を測定したところ、従来の方法で作製した光波長変換素子の歩留まりは５％以下と低かった。これは、分極反転部分の形成位置が決定できないため、光導波路と分極反転部分が効率よく重なる確率が低いためである。
【００５３】
これに対して、本発明の製造方法により作製した光波長変換素子は８０％以上の高い歩留まりで作製することができた。また、作製した光波長変換素子の変換効率も従来の方法に対し２倍以上の変換効率が得られた。本発明の製造方法により光導波路内に均一な周期状分極反転構造の形成が可能になったからである。
【００５４】
Ｍｇの高濃度添加に関しては、０．２ｍｏｌ％以上の添加で耐光損傷強度は大幅に改善されるが、２ｍｏｌ％以上添加することで、耐損傷強度は青色光に対して７０ｍＷ以上に増大し、さらに３ｍｏｌ％以上添加することで１００ｍＷの青色光の発生も可能になった。これらのＭｇドープ量の増大によっても、結晶欠陥、散乱損失の増大は観測されず、良好な光学特性が得られた。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ストイキオメトリックＬＮ結晶に形成した周期状分極反転構造において、隣接する分極反転部を一部接触させることで安定な分極反転構造を得ることが可能となった。この分極反転構造を用いることで光導波路プロセス等による分極反転構造の不均一性の発生が押さえられ、高効率の光波長変換素子構造を実現できるため、その実用効果は大きい。
【００５６】
また、分極反転構造を形成する際に、電極の一部を基板と絶縁することで、分極反転形成位置を精密に制御することが可能となった。これによって光波長変換素子を形成する際の歩留まり向上およびＳＨＧ素子特性の向上が可能となりその実用効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の一実施例の光波長変換素子の斜視図、（ｂ）は同平面図である。
【図２】本発明の一実施例と従来例の光波長変換素子における分極反転構造の断面図で、（ａ）は従来例の光波長変換素子の分極反転構造を示す図、（ｂ）は本発明の一実施例の上面が接触している分極反転構造を示す図、（ｃ）は本発明の一実施例の下面が接触している分極反転構造を示す図である。
【図３】本発明の一実施例の光波長変換素子の斜視図である。
【図４】本発明の一実施例の光波長変換素子の製造方法を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ストイキオメトリック組成のＬＮ基板
２周期状分極反転構造
３プロトン交換光導波路
４，１３櫛形電極
５，１４平面電極
６分極反転部
７分極非反転部
８分極反転部の連続部
１１ストイキオメトリック組成ＬＮオフカット基板
１２ストライプ状の電気絶縁膜
１５電極の歯の部分
１６電極のストライプ部分

Claims

Ｌｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が４９．５〜５０．２％のストイキオメトリック組成を有するＬｉＮｂＯ₃結晶からなる基板内に周期状の複数の分極反転部分を備えた波長変換素子であって、
前記結晶のＣ軸が前記結晶表面に対し、０．３〜１０°の範囲で傾いており、
前記分極反転部分は、前記C軸と平行な方向に周期状に位置し、
前記結晶表面に垂直な断面において、前記分極反転部分の厚み方向のうち、前記結晶表面から遠い側に位置する分極反転部分の底部を含む一部分が、隣接する分極反転部分の一部分と互いに連続していることを特徴とする光波長変換素子。
前記ＬｉＮｂＯ₃結晶のキュリー温度が、１１８５〜１２０５℃の範囲である請求項１に記載の光波長変換素子。
前記ＬｉＮｂＯ ₃結晶がＭｇ，Ｚｎ，Ｓｃ，Ｉｎのいずれかの添加物を０．０３重量％以上含有する請求項１又は２のいずれかに記載の光波長変換素子。
前記分極反転部の周期が３．５μｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の光波長変換素子。
前記周期状分極反転部分のうち隣接する分極反転部分と連続している連続部分の厚さが、断面から見て前記周期状分極反転部分のうち隣接する分極反転部分と連続していない不連続部分の厚さの５〜２００％の範囲である請求項１〜４のいずれかに記載の光波長変換素子。
Ｌｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が４９．５〜５０．２％のストイキオメトリック組成を有するＬｉＮｂＯ₃結晶であって、前記結晶のＣ軸が前記結晶表面に対し、０．３〜１０°の範囲で傾いている結晶からなる基板の表面に絶縁膜を形成し、
周期状のグレーティング構造からなる歯の部分と、前記歯の部分を互いにつなぐストライプ部分から構成される櫛形電極を、前記歯の部分が前記基板の表面と接触し、前記ストライプ部分が前記絶縁膜と接触するように形成し、
前記基板の表面に対向する面に平面電極を形成し、
前記電極間に電界を印加して周期状の複数の分極反転部分を形成する光波長変換素子の製造方法。
前記結晶表面に垂直な断面において、前記分極反転部分の厚み方向のうち、前記結晶表面から遠い側に位置する分極反転部分の底部を含む一部分が、隣接する分極反転部分と連続しており、前記周期状の複数の分極反転部分のうち隣接する分極反転部分と連続している連続部分の厚さが、断面から見て前記周期状の複数の分極反転部分のうち隣接する分極反転部分と連続していない不連続部分の厚さの５〜２００％の範囲である請求項６に記載の光波長変換素子の製造方法。
前記櫛型電極に、パルス電圧を印加して、前記分極反転部分を形成することを特徴とする請求項６又は７のいずれか一方に記載の光波長変換素子の製造方法。
前記パルス電圧は５ｍｓ以下であることを特徴とする請求項６〜８に記載の光波長変換素子の製造方法。