JP4939576B2

JP4939576B2 - 高調波発生デバイスおよびその製造方法

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Publication number: JP4939576B2
Application number: JP2009184081A
Authority: JP
Inventors: 美典横井; 省一郎山口; 隆史吉野
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2029-08-07
Also published as: JP2011039129A

Description

本発明は、高調波発生デバイスおよびその製造方法に関するものである。

高色再現性、低消費電力を実現するレーザディスプレイには、高出力の緑色レーザが求められており、開発競争が行われている。緑色光光源としては、赤外光を基本波として発振するレーザと、擬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波長変換素子が期待されている。

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、レーザディスプレイ用だけでなく、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１〜５では、非線型光学結晶と波長変結晶とを接合し、外部のレーザ光源からポンピング光を非線形光学結晶に入射させて基本波を発振させ、この基本波を波長変換結晶へと入射させることで高調波を発振させる。

なお、本出願人は、周期分極反転構造の分極反転面のレーザ光（基本波）に対する傾斜角度を、垂直ではなく、８０〜８９°と垂直からずらすことによって、レーザ光源への戻り光に起因する発振不安定を防止することを開示した（特許文献６）。

特開２００５−５７０４３特開２００７−２２５７８６特開２００８−１０２２２８特開２００８−１９８７２８特開２００８−２２４９７２特願２００８−６７０４７

特許文献１〜５記載のような素子では、レーザ光源から発振したポンプを、複雑なレンズ系を用いて非線形光学結晶へと入射させ、非線形光学結晶内から発振するレーザ光を基本波として、結晶に接合された波長変換素子へと入射させる。しかし、この型の素子では、ポンプ光を小さい非線形光学結晶へと集光するためのレンズ系が複雑であり、高精度での組み立てが難しい。このため、生産性を上げることが困難である。

本発明の課題は、レーザ光の波長を変換して高調波を発生するための周期分極反転構造を備えている高調波発生素子において、レーザ光源から発振されたレーザ光を周期分極反転構造に集光するためのレンズ系を高精度で組み立てる必要をなくし、安定して高い高調波発振が得られるようにすることである。

また、本発明の課題は，レーザ光の波長を変換して高調波を発生するための周期分極反転構造を備えている高調波発生素子において、素子の生産効率を著しく向上させることである。

第一の発明は、レーザ光の波長を変換して高調波を発生するための高調波発生デバイスであって、
レーザ光を一次発光する面発光体チップ、
この面発光体チップに対して接合されており、強誘電性材料からなり、レーザ光の波長を変換する周期分極反転構造が内部に形成されており、レーザ光の伝搬方向が周期分極反転構造の分極反転面に対して傾斜している周期分極反転構造層、および
面状発光体チップと周期分極反転構造層との間に設けられた、面状発光体チップから発振されたレーザ光の波長を変換する非線形光学結晶層
を備えていることを特徴とする。

また、本発明は、レーザ光の波長を変換して高調波を発生するための高調波発生デバイスを製造する方法であって、
高調波発生デバイスが、レーザ光を一次発光する面発光体チップ、および面発光体チップに対して接合されており、強誘電性材料からなり、レーザ光の波長を変換する周期分極反転構造が内部に形成されており、レーザ光の伝搬方向が周期分極反転構造の分極反転面に対して傾斜している周期分極反転構造層を備えており、
レーザ光を一次発光する面状発光体と、強誘電性材料からなり、前記レーザ光の波長を変換する周期分極反転構造が形成されている基板とを接合して接合体を得る接合工程、および
この接合体を切断することによって面状発光体チップおよび周期分極反転構造層を切り出し、高調波発生デバイスを得る切断工程
を有する方法に係るものである。

また、第二の発明は、強誘電性材料からなり、レーザ光の波長を変換する周期分極反転構造が形成されており、前記レーザ光の伝搬方向と前記周期分極反転構造の分極反転面との角度が３０°〜８０°である周期分極反転構造層、および
この周期分極反転構造層に対して接合されている集光層を備えている高調波発生デバイスを製造するのに際して、
前記周期分極反転構造が内部に形成されている基板と、集光層基板とを接合して接合体得る接合工程、および
この接合体を切断することによって前記周期分極反転構造層および前記集光層を切り出し、前記高調波発生デバイスを得る切断工程
を有する方法に係るものである。

第一の発明によれば、レーザ光を一次発光する面発光体チップと、周期分極反転構造が形成されている波長変換層とを接合しているので、レーザ光源から発振されたレーザ光を周期分極反転構造に集光するためのレンズ系が不要であり、レンズ系を高精度で組み立てる必要がない。しかも、面状発光体と周期分極反転構造層が接合されていることから、両者の位置関係が安定しており、安定して高い高調波発振が得られる。

第二の発明によれば、レーザ光の伝搬方向と周期分極反転構造の分極反転面との角度を，直角から外し、３０°〜８０°とした状態で、周期分極反転構造層に対して集光層を接合する構造とし、このような接合チップを基板の切断によって作製する。従って、一つの基板から多数のチップを切断によって製造できるので、素子の生産性が著しく向上した。

なお、レーザ光の伝搬方向と周期分極反転構造の分極反転面との角度が直角である場合には、周期分極反転構造が多数形成された基板を製造することが困難であるため、一つの基板から多数のチップを切り出すことができない。本発明はこの点できわめて生産性の高い方法である。

分極反転面Ｐが光伝搬方向Ｔに対して傾斜している基板１を示す正面図である。（ａ）は、周期分極反転構造が形成された基板１，面状発光体７および集光層基板６の接合体を示す斜視図であり、分極反転面Ｐが光伝搬方向Ｔに対して傾斜している。（ｂ）は、（ａ）の接合体の切断位置を示す斜視図である。（ｃ）は、（ｂ）の接合体を切断して得られたデバイスを示す斜視図である。（ａ）は、基本波の入射方向Ｔと分極反転面の方向Ｐとが平行な例を示し、（ｂ）は、基本波の入射方向Ｔと分極反転面の方向Ｐとが傾斜している例を示す。（ａ）は、基板２０から周期分極反転構造層２１を切り出した状態を示す斜視図であり、（ｂ）は、周期分極反転構造層２１と面状発光体チップ１７との接合体を示す斜視図である。周期分極反転構造の形成された基板２０、面状発光体７および集光層基板６の接合体の製法を示す斜視図である。面状発光体チップ１７、非線形光学結晶層４０、周期分極反転構造層１１（２１）および集光層４５からなるデバイスを示す断面図である。面状発光体チップ１７、非線形光学結晶層４０、周期分極反転構造層１２、１３および集光層４５からなるデバイスを示す断面図である。

以下、製造プロセスに沿って述べる。
図１に示すように、強誘電性材料からなる基板１の内部に周期分極反転構造５を形成する。この周期分極反転構造は、多数の分極反転部３と非反転部４とが交互に形成されているものであり、電圧印加法などの公知の方法で作製できる。

ここで、本例においては、周期分極反転構造５の分極反転面、つまり分極反転部３と非反転部４との境界面の方向Ｐが、結晶のＺ軸の方向であり、光の伝搬方向Ｔに対して傾斜している。ただし、本例では、光の伝搬方向Ｔは、基板１の主面１ａ、１ｂに対して垂直である。

本例では、図２（ａ）に示すように、図１の基板１の主面１ｂ側に面状発光体７を接合し、他方の主面１ａ側に集光層基板６を接合する。次いで、図２（ｂ）に示すように、Ｃ線に沿って接合体を縦に切断し、図２（ｃ）のデバイスを得る。ここで、切断線Ｃは、光の伝搬方向Ｔに対して平行とする。

図２（ｃ）のデバイスにおいては、周期分極反転構造層１１の一方の主面１１ｂに面状発光体７が接合されており、他方の主面１１ａに集光層が接合されている。面状発光体１７から発振したレーザ光は矢印Ｔのように伝搬し、周期分極反転構造層１１に入射する。周期分極反転構造層における分極反転面の方向Ｐは、光伝搬方向Ｔに対して傾斜している。

ここで、図３（ａ）に示すように、周期分極反転構造層１１における分極反転面の方向Ｐが光伝搬方向Ｔと平行である場合には、入射した基本波Ｉはそのまま周期分極反転構造層９を透過し、矢印Ｏのように出射するため、波長変換は行われない。従って高調波発生デバイスとしては機能しない。

しかし、本例では、図３（ｂ）に示すように、周期分極反転構造層１１における分極反転面の方向Ｐが光伝搬方向Ｔに対して傾斜しているので、入射した基本波Ｉは波長変換を受け、波長変換光が矢印Ｏのように出射する。

ここで、波長変換を行わせるという観点から、周期分極反転構造層における分極反転面の方向Ｐと光伝搬方向Ｔとの角度は、３０°以上が好ましく、６０°以上が更に好ましい。また、波長変換の観点からは、周期分極反転構造層における分極反転面の方向Ｐと光伝搬方向Ｔとの角度の上限は９０°であってよい。

例えば、図４（ａ）に示すように、周期分極反転構造が形成された基板２０から周期分極反転構造層２１を切り出すことができる。この際、図４（ｂ）に示すように、周期分極反転構造１と共に、面状発光体チップ１７も切り出されるようにする。ここで、周期分極反転構造層２１内では、分極反転面の方向Ｐが、光の伝搬方向Ｔに対して垂直となるようにすることができる。従って、面状発光体チップ１７から発振した基本波は、周期分極反転構造層１の入射面２１ｂから入射し、周期分極反転構造内で波長変換を受け、波長変換光が出射面２１ａから出射する。

図５は、図４（ａ）、（ｂ）に示すデバイスを製造する方法の例を示す。まず、Ｚ方向に分極した基板３０を複数準備する。各基板３０内にはそれぞれ周期分極反転構造が形成されており、各周期分極反転構造の分極反転面の方向ＰはＺと平行である。

次いで、複数の基板３０を互いに貼り合わせることによって、一体の大面積の基板を作製する。このとき、隣接する基板３０間には接着層３２を形成する。これによって、大面積の基板２０を得ることができる。

次いで、基板２０の各主面に、それぞれ、面状発光体７および集光層基板６を接合し、例えば三層構造の接合体を得る。得られた接合体を、図２（ｂ）のように、光の伝搬方向Ｔと平行に切断することによって、図４（ｂ）のデバイスを得ることができる。

ただし、図４、図５のように、分極反転面Ｐと光伝搬方向Ｔとが垂直である場合には、複数の基板３０を貼り合わせることによって大面積の基板２０を作製することが必要である。一方、図２に示すように、分極反転面Ｐと光伝搬方向Ｔとが垂直ではない場合には、周期分極反転構造の形成された一枚の基板をカットするだけで複数のチップを作製でき、接着層３２が不要になる。

ただし、この観点からは、分極反転面Ｐと光伝搬方向Ｔとがなす角度を30°以上とすることが好ましく、また60°以上とすることが好ましい。

第二の発明においては、図２において面状発光体を省略することができる。この場合にも、分極反転面Ｐと光伝搬方向Ｔとが傾斜しているが、しかし垂直に傾斜はしていない場合には、周期分極反転構造の形成された一枚の基板をカットするだけで複数のチップを作製でき、接着層３２が不要になる。

好適な実施形態においては、面状発光体チップと周期分極反転構造層との間に、面状発光体チップから出射したレーザ光の波長を変換する非線形光学結晶層を形成することができる。

例えば図６の例では、面状発光体チップ１７上に非線型光学結晶層４０が接合されており、層４０上に周期分極反転構造層１１（２１）が形成されている。周期分極反転構造層１１（２１）上には、更に集光層４５が形成されている。本例では、集光層４５に空隙４３が形成されており、空隙４３に面するように凸レンズ４２が形成されている。この凸レンズ構造によって、周期分極反転構造層１１（２１）から出射した波長変換光を集光する。

なお、これら実施形態で説明した周期状分極反転構造層１１（２１）においては、周期は単一な周期ではなく、図7に示すように周期の異なる分極反転層１２と１３とを有するものであってもよい。

本発明では、一次発光する面状発光体を周期分極反転構造層と一体化することが必要である。ここで、一次発光する面状発光体とは、その外部からのレーザ光の入射なしにレーザ光を発光する発光面を有する素子を意味する。具体的には、半導体基板の垂直方向に、共振ミラー層、活性層などを形成して、垂直方向に光を出射させるものである。面発光レーザと称されることが多い。端面発光型レーザと比べると、へき開やその後の端面ミラー加工など工程を経ることなく、ウェハプロセスで光出力性能まで検査することができること、基板面内に２次元的に配列することが可能であり、低コスト化に有利である。

強誘電性材料は、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。

接着層の材質は、無機接着剤であってよく、有機接着剤であってよく、無機接着剤と有機接着剤との組み合わせであってよい。

集光層は、周期分極反転構造層から発振した高調波を集光する機能をもつ層である。具体的には、面発光体の光出射特性に合わせて、石英系のガラス材などの透明体基板に、屈折率を変化させたり、凹凸の形状などを持たせることで、分極反転構造層に効率よく光を反射させたり、ないしはかつ、効率よく光を外部に出射させるようにしたものである。

非線型光学結晶としては、YVO4、YAG、Nd：YAG、Yb：YAG、KTP、Nd：YLF、Nd：GdVO4などが例示することができる

１、２０、３０周期分極反転構造の形成された基板３分極反転部４非反転部５周期分極反転構造６集光層基板７面状発光体１７面状発光体チップ１１、１２、１３、１９、２１周期分極反転構造層３２接着層４０非線形光学結晶層４５集光層Ｃ切出線Ｔ光の伝搬方向Ｐ分極反転面の方向Ｚ結晶のＺ軸

Claims

レーザ光の波長を変換して高調波を発生するための高調波発生デバイスであって、
レーザ光を一次発光する面発光体チップ、
この面発光体チップに対して接合されており、強誘電性材料からなり、前記レーザ光の波長を変換する周期分極反転構造が内部に形成されており、前記レーザ光の伝搬方向が前記周期分極反転構造の分極反転面に対して傾斜している周期分極反転構造層、および
前記面状発光体チップと前記周期分極反転構造層との間に設けられた、前記面状発光体チップから発振されたレーザ光の波長を変換する非線形光学結晶層
を備えていることを特徴とする、高調波発生デバイス。
前記面状発光体チップがIII―V半導体またはII−VI半導体からなることを特徴とする、請求項１記載のデバイス。
前記周期分極反転構造層の前記面状発光体の反対側に接合されている集光層を備えていることを特徴とする、請求項１または２記載のデバイス。
レーザ光の波長を変換して高調波を発生するための高調波発生デバイスを製造する方法であって、
前記高調波発生デバイスが、レーザ光を一次発光する面発光体チップ、およびこの面発光体チップに対して接合されており、強誘電性材料からなり、前記レーザ光の波長を変換する周期分極反転構造が内部に形成されており、前記レーザ光の伝搬方向が前記周期分極反転構造の分極反転面に対して傾斜している周期分極反転構造層を備えており、
レーザ光を一次発光する面状発光体と、強誘電性材料からなり、前記レーザ光の波長を変換する周期分極反転構造が形成されている基板とを接合して接合体を得る接合工程、および
この接合体を切断することによって前記面状発光体チップおよび前記周期分極反転構造層を切り出し、前記高調波発生デバイスを得る切断工程
を有する方法。
前記面状発光体チップがIII―V半導体またはII−VI半導体からなることを特徴とする、請求項４記載の方法。
前記高調波発生デバイスが、前記周期分極反転構造層の前記面状発光体の反対側に接合されている集光層を備えていることを特徴とする、請求項４または５記載の方法。
前記高調波発生デバイスが、前記面状発光体チップと前記周期分極反転構造層との間に設けられた、前記面状発光体チップから発振されたレーザ光の波長を変換する非線形光学結晶層を備えていることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一つの請求項に記載の方法。
強誘電性材料からなり、レーザ光の波長を変換する周期分極反転構造が形成されており、前記レーザ光の伝搬方向と前記周期分極反転構造の分極反転面との角度が３０°〜８０°である周期分極反転構造層、および
この周期分極反転構造層に対して接合されている集光層を備えている高調波発生デバイスを製造するのに際して、
前記周期分極反転構造が形成されている基板と、集光層基板とを接合して接合体を得る接合工程、および
この接合体を切断することによって前記周期分極反転構造層および前記集光層を切り出し、前記高調波発生デバイスを得る切断工程
を有する方法。