JP4657228B2

JP4657228B2 - 波長変換素子

Info

Publication number: JP4657228B2
Application number: JP2007043469A
Authority: JP
Inventors: 隆史吉野
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2027-02-23
Also published as: JP2008209451A

Description

従来の技術

本発明は、波長変換素子に関するものである。

ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶のような非線形光学結晶は二次の非線形光学定数が高く、これら結晶に周期的な分極反転構造を形成することで、疑似位相整合（Quasi-Phase-Matched ：ＱＰＭ）方式の第二高調波発生（Second-Harmonic-Generation:SHG）デバイスを実現できる。また、この周期分極反転構造内に導波路を形成することで、高効率なSHGデバイスが実現でき、光通信用、医学用、光化学用、各種光計測用等の幅広い応用が可能である。

特許文献１の光変調素子では、支持基板の表面を平坦とし、また強誘電体薄板の厚さを一定とし、支持基板の平坦面と強誘電体薄板とを接着している。
WO 03/ 042749

特許文献２においては、強誘電体単結晶の薄板にリッジ型光導波路を設け、リッジ型光導波路内に周期分極反転構造を形成し、第二高調波発生素子を作製している。そして、強誘電体単結晶の薄板下に支持基板を接着し、支持基板に凹部を設け、リッジ型光導波路の直下に凹部が位置するようにしている。支持基板と強誘電体薄板背面とは、樹脂接着剤あるいは導電性接着剤で接合している。
特開２００３−１５６７２３号公報

しかし、特許文献１記載のような形態の高調波発生素子では、駆動時に、環境条件を一定にしていても、第二高調波の出力がかなり変動することがあり、安定した出力が得られないことがあった。

特許文献２記載のような高調波発生素子では、そのような高調波の出力変動という問題は生じなかった。しかし、支持基板に空隙を設ける加工には時間と手間とがかかり、煩雑であった。

本発明の課題は、強誘電体層内に波長変換部を設け、強誘電体層を支持基板上に接合する波長変換素子において、素子の出力変動を抑制できるようにし、かつ、支持基板に空隙を形成するためのコストを低減することである。

本発明に係る波長変換素子は、
支持基体、
強誘電性材料からなり、波長変換部が形成されている強誘電体層、
強誘電体層の背面側に形成されているバッファ層、
バッファ層と積層されているスペーサ層、および
スペーサ層と支持基体とを接着する樹脂接着剤層を備えており、強誘電体層にリッジ型光導波路が形成されており、このリッジ型光導波路内に波長変換部が設けられており、スペーサ層の内側かつバッファ層と樹脂接着剤層との間に空隙が形成されており、この空隙が波長変換部下に設けられていることを特徴とする。
また、本発明に係る波長変換素子は、支持基体、
強誘電性材料からなり、波長変換部が形成されている強誘電体層、
この強誘電体層の背面側に形成されているバッファ層、
バッファ層と積層されているスペーサ層、および
スペーサ層と前記支持基体とを接着する樹脂接着剤層
を備えており、強誘電体層が、波長変換部の両側にそれぞれ設けられている延在部、および波長変換部と各延在部との間にそれぞれ設けられている溝形成部を備えており、スペーサ層の内側かつバッファ層と樹脂接着剤層との間に空隙が形成されており、この空隙が波長変換部下に設けられていることを特徴とする。

本発明者は、上述した波長変換後の出力光の出力変動の原因について詳細に検討した。この点について、図１、図２を適宜参照しつつ説明する。まず、図２に示すような波長変換素子１１においては、強誘電体基板７の背面７ｄ側にバッファ層６が形成されており、背面７ｄと支持基板２とは樹脂接着剤層３によって接合している。リッジ型光導波路７ｃ内には波長変換部４が形成されており、その中に基本波ビームＬが入射する。

しかし、このビームＬの一部がバッファ層６を通して支持基板２側に漏れる。この漏光は、例えば支持基板２の表面に金属層を形成することで遮蔽可能である。しかし、漏れた光が樹脂接着剤層３に入射したときに、接着剤３の吸光係数が比較的高く、光を熱エネルギーに変換して接着剤層３の温度を若干上昇させる傾向が見られるようである。この結果、樹脂接着剤層３の直上の波長変換部４の温度も僅かに上昇する。ニオブ酸カリウムリチウム結晶などの強誘電体、特に単結晶における位相整合条件（位相整合波長）は厳格である上、素子の温度によって変動する。このため、樹脂接着剤層３に発生した熱によって波長変換部４の温度が僅かに上昇すると、位相整合波長が変化し、出力光の発振効率が低下し、出力が低下したものと思われる。そして出力光の出力が低下すると、波長変換部４内での発生熱量が低下し、その温度が低下する。すると、波長変換部における位相整合波長が初期条件に戻り、出力光の発振効率が上昇し、出力が上昇する。このようなサイクルを繰り返すことにより、素子からの出力光の出力が変動し、不安定になるものと考えられる。

更に、このような出力変動は、基本波の出力が低い場合には見いだされないので、従来は問題になってこなかったものと思われる。

本発明者は、以上の未知の仮説に立脚し、図１に示すように、バッファ層６と樹脂接着剤層３との間にスペーサ層５を設け、スペーサ層５の内側に空隙９を設けることを試みた。この結果、上述したような出力光の出力変動を抑制することに成功した。

この理由は明確ではないが、以下のように考えられる。空隙９は、バッファ層６と樹脂接着剤層３との間に挟まれており、波長変換部４の直下に存在する。この空隙９によっても、ビームＬからの漏れ光はスペーサ層９を通して樹脂接着剤層３に到達する。しかし、樹脂接着剤層３内で発生した熱は、空隙９内では輻射熱伝導となるので、バッファ層６へと到達する熱は少ない。これによって、波長変換部４への樹脂接着剤層３からの熱的影響を少なくし、これによる出力光の出力変動を抑制できたものと考えられる。

なお、特許文献２記載の素子では、支持基板２に凹部が形成されており、また凹部内には樹脂接着剤層が存在していない。この結果、上述した出力光の出力変動という問題が顕著ではなかったものと考えられる。

以下、図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る波長変換素子１を概略的に示す断面図であり、図２は、比較例の波長変換素子１１を概略的に示す断面図である。

強誘電体基板７は、リッジ型光導波路７ｃを含む波長変換部４、波長変換部４の両側に設けられている溝形成部７ｂ、および各溝形成部７ｂの外側に設けられている延在部７ａを備えている。溝形成部７ｂは、リッジ型光導波路７ｃおよび延在部７ａに比べて薄くなっており、表面側に溝８が形成されている。強誘電体層７の表面側には表面側バッファ層を形成することもできる。強誘電体層７の背面７ｄはその全面にわたって平坦面であり、背面７ｄ上にバッファ層６が形成されている。支持基体２の接着面はその全面にわたって平坦面であり、その上には樹脂接着剤層３が形成されている。強誘電体層７の背面７ａは、バッファ層６、スペーサ層５および樹脂接着剤層３を介して支持基板２に対して接合されている。

スペーサ層５の内側には空隙９が形成されており、空隙９は、バッファ層６と樹脂接着剤層３によって挟まれている。空隙９は、少なくとも波長変換素子４の直下に位置するが、本例では、更に溝形成部７ｂの直下まで広がっている。

前述したように、ビームＬからの漏れ光は、空隙９を通して樹脂接着剤層３に到達する。しかし、樹脂接着剤層３内で発生した熱は、空隙９内では輻射熱伝導となるので、バッファ層６へと到達する熱は少ない。これによって、波長変換部４への樹脂接着剤層３からの熱的影響を少なくし、これによる出力光の出力変動を抑制できたものと考えられる。

図２は、比較例の波長変換素子１１を示すものである。強誘電体基板７は、リッジ型光導波路７ｃを含む波長変換部４、波長変換部４の両側に設けられている溝形成部７ｂ、および各溝形成部７ｂの外側に設けられている延在部７ａを備えている。溝形成部７ｂは、リッジ型光導波路７ｃおよび延在部７ａに比べて薄くなっており、表面側に溝８が形成されている。強誘電体層７の背面７ｄは略平坦であり、背面７ｄ上にバッファ層６が形成されている。支持基体２の表面２ａ上には樹脂接着剤層３が形成されている。強誘電体層７の背面は、バッファ層６および樹脂接着剤層３を介して支持基板２に対して接合されている。

空隙９の幅Ｔは、樹脂接着剤層３で発生した熱を遮断するという観点からは、１０μｍ以上が好ましく、１５μｍ以上が更に好ましい。また、幅Ｔが大きくなり過ぎると、研磨加工などの加工時の応力によって破壊が生じやすくなるので、この観点からは、１００μｍ以下が好ましく、３０μｍ以下が最も好ましい。

また、波長変換部の幅Ｗは特に制限されず、光ファイバーの径などによって決定するべきものである。しかし、樹脂接着剤層３から波長変換部への熱の遮断という観点からは、Ｔ／Ｗを１．０以上とすることが好ましく、３．０以上とすることが更に好ましい。また、素子加工時の破損防止という観点からは、Ｔ／Ｗは、１０．０以下とすることが好ましく、５．０以下とすることが更に好ましい。

空隙９の高さＤは、樹脂接着剤層３で発生した熱を遮断するという観点からは、0.1μｍ以上が好ましく、0.5μｍ以上が更に好ましい。また、高さＤが大きくなり過ぎると、研磨加工などの加工時の応力によって破壊が生じやすくなるので、この観点からは、５．０μｍ以下が好ましく、２．０μｍ以下が最も好ましい。

波長変換部内における波長変換手段は特に限定されない。好適な実施形態においては、波長変換部内に周期分極反転構造を形成し、これによって基本光の波長を変換して高調波を出力する。このような周期分極反転構造の周期は波長に応じて変更する。また周期分極反転構造の形成方法も特に限定されないが、電圧印加法が好ましい。

あるいは、ニオブ酸リチウムカリウム、タンタル酸リチウムカリウム、ニオブ酸リチウムカリウム−タンタル酸リチウムカリウム固溶体のような非線形光学結晶を使用し、入射する基本光の波長を高調波に変換することも可能である。

強誘電体層を構成する材質は、光の変調が可能であれば特に限定されないが、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、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶などを例示することができる。

強誘電体層を構成する単結晶中には、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。

強誘電体層を構成する単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。

表面側バッファ層、背面側バッファ層の材質は、金属酸化物が好ましく、酸化シリコン、弗化マグネシウム、窒化珪素、及びアルミナ、五酸化タンタルを例示できる。

スペーサ層５は、バッファ層６と別体であってよく、一体であってもよいが、一体であることが特に好ましい。スペーサ層の材質は、金属酸化物が好ましく、酸化シリコン、弗化マグネシウム、窒化珪素、及びアルミナ、五酸化タンタルを例示できる。

樹脂接合剤層の材質は、特に限定されないが、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤を例示できる。

強誘電体層にリッジ型光導波路を形成するための加工方法は限定されず、機械加工、イオンミリング、ドライエッチング、レーザーアブレーションなどの方法を用いることができる。

支持基体２の材質は特に限定されない。好適な実施形態においては、支持基体２における熱膨張係数の最小値が強誘電体層７における熱膨張係数の最小値の１／５倍以上であり、かつ支持基体２における熱膨張係数の最大値が強誘電体層７における熱膨張係数の最大値の５倍以下である。

ここで、強誘電体層７、支持基体２をそれぞれ構成する各電気光学材料に熱膨張係数の異方性がない場合には、強誘電体層７、支持基体２において最小の熱膨張係数と最大の熱膨張係数とは一致する。強誘電体層７、支持基体２を構成する各電気光学材料に熱膨張係数の異方性がある場合には、各軸ごとに熱膨張係数が変化する場合がある。例えば、強誘電体層７を構成する各電気光学材料がニオブ酸リチウムである場合には、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の熱膨張係数が１６×１０^−６／℃であり、これが最大値となる。Ｚ軸方向の熱膨張係数が５×１０^−６／℃であり、これが最小値となる。従って、支持基体２の熱膨張係数の最小値は1×１０^−６／℃以上とし、支持基体２の熱膨張係数の最大値は８０×１０^−６／℃以下とする。なお、例えば石英ガラスの熱膨張係数は０．５×１０^−６／℃であり、１×１０^−６／℃未満である。

この観点からは、支持基体２の熱膨張係数の最小値を、強誘電体層７における熱膨張係数の最小値の１／２倍以上とすることが更に好ましい。また、支持基体２の熱膨張係数の最大値を、強誘電体層７の熱膨張係数の最大値の２倍以下とすることが更に好ましい。

支持基体２の具体的材質は、上記の条件を満足する限り、特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Siなどを例示することができる。この場合、熱膨張差の観点では、強誘電体層と支持基板とを同じ材質とすることが好ましく、ニオブ酸リチウム単結晶が特に好ましい。

（実施例）
図１に示すような形態の第二高調波発生素子を作製した。具体的には、厚さ0.5mmのＭｇＯ５％ドープニオブ酸リチウム５度オフカットY基板７上に、周期6.60μｍの櫛状周期電極をフォトリソグラフィ法によって形成した。基板背面には、全面にわたって電極膜を形成したのち、パルス電圧を印加し、周期分極反転構造を形成した。周期分極反転を形成した後、厚さ１μｍの酸化珪素バッファ層６をスパッタ法によって成膜した。エッチングによってバッファ層６に幅20um、深さ0.5umの空隙９を形成した。

厚さ0.5ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板２に接着剤を塗布した後、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板６と貼り合せ、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板６の表面を厚さ3.9μｍとなるまで研削、研磨で削り落とした。次に、レーザーアブレーション加工法によりリッジ導波路７ｃを形成した。形成したリッジ部７ｃの幅Ｗが４．５μｍであり、溝８の深さが２μｍであった。リッジ加工後、スパッタ法により厚さ0.5umの酸化珪素からなる上側バッファ層を導波路表面に成膜した。ダイサーで長さ12mm、幅1.4mmで素子を切断した後、両端を端面研磨した。その後両端に反射防止膜を施した。

この導波路において半導体レーザーを使用して光学特性を測定した。レーザーからの発振出力を１００ｍWに調整し、その基本光をレンズで導波路端面に集光した結果、60mWが導波路に結合できた。半導体レーザーの波長を温度によって可変させて位相整合する波長に調節した時に、最高１１ｍWのSHG出力が得られた。その際の基本光の波長は１０６０．５ｎｍであった。

次いで、実施例の素子を上の条件で連続運転し、第二高調波の出力の変化を測定した。測定結果を図３に示す。

（比較例）
図２に示す第二高調波発生素子を作製した。作製プロセスは実施例と同様にしたが、ただしスペーサ層５および空隙９は形成しなかった。そして、実施例１と同様にして、半導体レーザーの波長を温度によって可変させて位相整合する波長に調節した時に、最高１１ｍWのSHG出力が得られた。その際の基本光の波長は１０６０．５ｎｍであった。次いで、比較例の素子を上の条件で連続運転し、第二高調波の出力の変化を測定した。測定結果を図３に示す。

図３からわかるように、本発明の素子によれば、長期間にわたって第二高調波の出力が安定しており、出力変動が著しく抑制されている。

本発明の実施形態に係る波長変換素子１を概略的に示す断面図である。比較例に係る波長変換素子１１を概略的に示す断面図である。実施例および比較例の素子を使用したときのＳＨＧ出力の経時変化を示すグラフである。

符号の説明

１波長変換素子２支持基体３樹脂接着剤層４波長変換部５スペーサ層６バッファ層７強誘電体層７ａ延在部７ｂ溝形成部７ｃリッジ型光導波路路７ｄ背面９空隙Ｄ空隙９の高さＬ基本波のビームＴ空隙９の幅Ｗ波長変換部の幅

Claims

支持基体、
強誘電性材料からなる強誘電体層、
この強誘電体層の背面側に形成されているバッファ層、
前記バッファ層と積層されているスペーサ層、および
前記スペーサ層と前記支持基体とを接着する樹脂接着剤層
を備えている波長変換素子であって、
前記強誘電体層にリッジ型光導波路が形成されており、このリッジ型光導波路内に波長変換部が設けられており、前記スペーサ層の内側かつ前記バッファ層と前記樹脂接着剤層との間に空隙が形成されており、この空隙が前記波長変換部下に設けられていることを特徴とする、波長変換素子。
支持基体、
強誘電性材料からなり、波長変換部が形成されている強誘電体層、
この強誘電体層の背面側に形成されているバッファ層、
前記バッファ層と積層されているスペーサ層、および
前記スペーサ層と前記支持基体とを接着する樹脂接着剤層
を備えている波長変換素子であって、
前記強誘電体層が、前記波長変換部の両側にそれぞれ設けられている延在部、および前記波長変換部と前記の各延在部との間にそれぞれ設けられている溝形成部を備えており、前記スペーサ層の内側かつ前記バッファ層と前記樹脂接着剤層との間に空隙が形成されており、この空隙が前記波長変換部下に設けられていることを特徴とする、波長変換素子。
前記バッファ層と前記スペーサ層とが同種の材質からなることを特徴とする、請求項１または２記載の波長変換素子。
前記強誘電体層の前記背面が全面にわたって略平坦面であ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波長変換素子。
前記支持基体の前記樹脂接着剤層と接する接着面が全面にわたって略平坦面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波長変換素子。
前記空隙の幅Ｔの前記波長変換部の幅Ｗに対する比率Ｔ／Ｗが１．０以上、１０．０以下であ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波長変換素子。