JP4977119B2 - Wavelength conversion element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、波長変換素子及びその製造方法に関し、特に波長変換素子の長期信頼性を確保するために必要とされる構造及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a wavelength conversion element and a manufacturing method thereof, and more particularly to a structure required for ensuring long-term reliability of a wavelength conversion element and a manufacturing method thereof.
単一もしくは複数の励起レーザ光を、非線形性を有する誘電体材料に照射することにより、和周波光、差周波光、第2次もしくはそれ以上の次数の高調波光を発生させる波長変換素子が用いられている(例えば、非特許文献1参照。)。 A wavelength conversion element that generates sum frequency light, difference frequency light, and second-order or higher-order harmonic light by irradiating a dielectric material having nonlinearity with single or plural excitation laser beams is used. (See, for example, Non-Patent Document 1).
図6は、波長変換レーザ光源の一例を示す構成概略図である。波長変換レーザ光源111は、波長変換モジュール112、ファイバカプラ116、2つの半導体レーザ114、115で構成される。第1の半導体レーザ114から出力された波長λ1の光と、第2の半導体レーザ115から出力された波長λ2の光は、ファイバカプラ116で結合されて、波長変換モジュール112に内蔵された波長変換素子113に入力光117として入射される。波長変換素子113では、波長λ1の光と、波長λ2の光の和周波に相当する波長λ3の光が発生し、出力光118として出射される。なお、λ1、λ2、λ3の間には、1/λ3=1/λ1+1/λ2の関係が成立する。例えばλ1を976nm、λ2を1307nmとすると、λ3は559nmとなり、2つの赤外レーザ光から黄色のレーザ光を発生することができる。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a wavelength conversion laser light source. The wavelength conversion
次に、本発明に特に関わる波長変換素子113とその周囲の構造について図7を用いて説明する(例えば、特許文献1参照。)。図7に、従来の波長変換素子のA−A’断面図の一例を示す。
亜鉛ドープニオブ酸リチウム(LiNbO3:Zn)に分極反転構造(擬似位相整合構造、QPM構造)を形成したリッジ型導波路構造の波長変換体12が、タンタル酸リチウム(LiTaO3)からなる基板14の上に直接接合され、金属製のキャリア板11の上に、接着されている。さらに、キャリア板11は、波長変換素子113全体を所望の温度に設定するための温度調節素子120の上に接着されている。
Next, a
A
従来の波長変換素子113では、図7に示すように波長変換体12は空気面に露出しており、キャリア板11とは電気的に絶縁されている状態であった。
しかしながら、上記に述べた構造の波長変換素子113では、波長変換体12を構成する誘電体結晶の一部が損壊し、波長変換効率が著しく低下するという問題点があった。
However, the
図8に、従来の波長変換レーザ光源のオンオフ試験の結果の一例を示す。縦軸は波長559nmの出力光の強度を示し、横軸は時間を示す。1時間に3回、波長変換レーザ光源全体のパワーをオンオフした際に、出力光の強度が、時間の経過とともにどう変化するかを観測したものである。約40時間、すなわち120回のオンオフを経過した際に、出力光の強度が急激に減少し、波長変換レーザ光源は故障していることがわかる。出力減少後の波長変換素子113を、オン状態で観察したところ、波長変換体12を構成する誘電体材料の結晶の欠損に起因する輝点が見られた。
FIG. 8 shows an example of a result of an on / off test of a conventional wavelength conversion laser light source. The vertical axis represents the intensity of output light having a wavelength of 559 nm, and the horizontal axis represents time. This is an observation of how the intensity of the output light changes over time when the power of the entire wavelength conversion laser light source is turned on and off three times per hour. It can be seen that the intensity of the output light suddenly decreases after about 40 hours, that is, 120 on / off cycles, and the wavelength conversion laser light source is broken. When the
発明者らは、波長変換体12に蓄積された電荷が瞬間的に放電する際に、誘電体結晶の一部が損壊し、波長変換効率が著しく低下するという故障が発生していることを発見した。そして、波長変換体12に蓄積された電荷は、温度調節素子120にて常温から設定温度まで温度変化を加える際に、波長変換体12の誘電体材料そのものや焦電性に起因する電荷、あるいは温度変化によるキャリア板11のたわみによる応力効果に起因する電荷が、波長変換体12に発生したものであることを発見した。
The inventors have discovered that when the electric charge accumulated in the
そこで、本発明は、波長変換体への電荷の蓄積を防止する波長変換素子、及びその製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a wavelength conversion element that prevents charge accumulation in a wavelength converter, and a method for manufacturing the same.
上記課題を解決するために、本発明に係る波長変換素子は、波長変換体に蓄積しつつある電荷を常時キャリア板に放電させることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the wavelength conversion element according to the present invention is characterized in that the charge accumulated in the wavelength converter is always discharged to the carrier plate.
具体的には、本発明に係る波長変換素子は、導電性を有するキャリア板と、前記キャリア板に搭載され、焦電性を有する誘電体材料からなり、通過する光の波長を変換する波長変換体と、前記キャリア板及び前記波長変換体に電気的に接続され、導電性材料又は半絶縁性材料からなり、前記波長変換体に蓄積された電荷を前記キャリア板に移動させる電荷移動膜と、を備え、前記キャリア板は、接地されていることを特徴とする。 Specifically, the wavelength conversion element according to the present invention includes a carrier plate having conductivity and a dielectric material mounted on the carrier plate and having a pyroelectric property, and converts the wavelength of light passing therethrough. A charge transfer film electrically connected to the carrier plate and the wavelength converter, made of a conductive material or a semi-insulating material, and moving the charge accumulated in the wavelength converter to the carrier plate; The carrier plate is grounded .
電荷移動膜を備えるので、波長変換体に蓄積しつつある電荷を常時キャリア板に放電させることができる。したがって、波長変換体への電荷の蓄積を防止することができる。
また、キャリア板が接地されているため、波長変換体に蓄積しつつある電荷を常時放電させることができる。
Since the charge transfer film is provided, the charge accumulated in the wavelength converter can always be discharged to the carrier plate. Therefore, it is possible to prevent charge accumulation in the wavelength converter.
In addition, since the carrier plate is grounded, the charges accumulated in the wavelength converter can be discharged at all times.
本発明に係る波長変換素子では、前記波長変換体は、分極反転構造を有していることが好ましい。
光高率な波長変換特性を得ることができる。
In the wavelength conversion element according to the present invention, it is preferable that the wavelength converter has a domain-inverted structure.
A wavelength conversion characteristic with high light efficiency can be obtained.
本発明に係る波長変換素子では、前記波長変換体は、波長を変換する前記光を導波する導波路光構造を有していることが好ましい。前記導波路構造は、リッジ型又はスラブ型であることが好ましい。
波長変換モジュールに用いることができる。
In the wavelength conversion element according to the present invention, it is preferable that the wavelength converter has a waveguide optical structure for guiding the light for converting the wavelength. The waveguide structure is preferably a ridge type or a slab type.
It can be used for a wavelength conversion module.
本発明に係る波長変換素子では、前記電荷移動膜の表面抵抗は、前記波長変換体での焦電効果により生じる電荷に起因する電界を生じさせない程度に低いことが好ましい。
波長変換体内での電界の発生を防ぐことができる。従って急激な放電による波長変換素子の損壊を回避することができる。
In the wavelength conversion element according to the present invention, it is preferable that the surface resistance of the charge transfer film is low enough not to generate an electric field due to charges generated by a pyroelectric effect in the wavelength converter.
Generation of an electric field in the wavelength converter can be prevented. Therefore, damage to the wavelength conversion element due to rapid discharge can be avoided.
本発明に係る波長変換素子では、前記波長変換体を構成する誘電体材料は、LiNbO3又はLiTaO3を含む。 In the wavelength conversion element according to the present invention, the dielectric material constituting the wavelength converter includes LiNbO 3 or LiTaO 3 .
本発明に係る波長変換素子では、導電性材料は、導電性ポリマー、界面活性剤、金属酸化物分散材料、カーボンナノチューブを含む。半絶縁性材料は、絶縁性材料に結晶不完全性を持たせるか、又は、絶縁性材料に導電性酸化物をドーピングすることによって、絶縁性材料を半絶縁性にした金属酸化物系材料を含む。 In the wavelength conversion element according to the present invention, the conductive material includes a conductive polymer, a surfactant, a metal oxide dispersion material, and a carbon nanotube. A semi-insulating material is a metal oxide-based material in which an insulating material is made semi-insulating by imparting crystal imperfection to the insulating material or by doping a conductive oxide into the insulating material. Including.
本発明に係る波長変換素子の製造方法は、本発明に係る波長変換素子の製造方法であって、前記波長変換体を、前記キャリア板に搭載する搭載工程と、導電性材料又は半絶縁性材料を、前記キャリア板及び前記波長変換体にまたがるように塗布し、前記電荷移動膜を形成する塗布工程と、を順に有することを特徴とする。
電荷移動膜の塗布工程を有するので、波長変換体に蓄積しつつある電荷を常時キャリア板に放電させることができる。したがって、波長変換体への電荷の蓄積を防止することができる。
A method for manufacturing a wavelength conversion element according to the present invention is a method for manufacturing a wavelength conversion element according to the present invention, wherein the wavelength converter is mounted on the carrier plate, and a conductive material or a semi-insulating material. And a coating step of coating the carrier plate and the wavelength converter so as to form the charge transfer film.
Since the charge transfer film is applied, the charge accumulated in the wavelength converter can be discharged to the carrier plate at all times. Therefore, it is possible to prevent charge accumulation in the wavelength converter.
本発明によれば、波長変換体への電荷の蓄積を防止する波長変換素子、及びその製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the wavelength conversion element which prevents accumulation | storage of the electric charge to a wavelength converter, and its manufacturing method can be provided.
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiment described below is an example of the configuration of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiment.
(実施形態1)
図1は、本実施形態に係る波長変換素子の一例を示すA−A’断面図である。本実施形態に係る波長変換素子91は、キャリア板11と、波長変換体12と、電荷移動膜13と、を備える。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ showing an example of the wavelength conversion element according to the present embodiment. The
キャリア板11は、導電性を有する。例えば金属製キャリアである。波長変換体12は、キャリア板11の上に搭載され、通過する光の波長を変換する。電荷移動膜13は、キャリア板11及び波長変換体12に電気的に接続され、波長変換体に蓄積された電荷を前記キャリア板に移動させる。このように、電荷移動膜13は、波長変換体12と、それが搭載されているキャリア板11とにまたがるように、電荷移動膜13を設けることで、波長変換体12に蓄積しつつある電荷を常時、キャリア板11に放電させることができる。これにより、波長変換体への電荷の蓄積を防止することができる。そのため、キャリア板11は、接地されていることが好ましい。
The
ここで、電荷移動膜13は、波長変換体12の表面の少なくとも一部と、キャリア板11の少なくとも一部の両方に電気的に接続されていることが好ましい。これにより、波長変換体12に蓄積された電荷を除去することができる。また、電荷移動膜13は、波長変換体12の表面全体を覆っていることが好ましい。これにより、波長変換体12に残存している電荷を少なくすることができる。
Here, the
電荷移動膜13の表面抵抗は、波長変換体12での焦電効果により生じる電荷に起因する電界を生じさせない程度に低いことが好ましい。例えば、波長変換体12の容量Cc及びバルク抵抗Rbで決まる時定数τcに比べて、波長変換体12の容量Cc及びバルク抵抗Rbと、電荷移動膜13の抵抗Rsで決まる時定数τdが1桁以上短いことが好ましい。これにより、波長変換体12内での電界の発生を防ぐことができる。従って急激な放電による波長変換素子の損壊を回避することができる。なお、時定数τc及びτdは次式で表される。
τc=Cc・Rb (1)
τd=Cc/(1/Rb+1/Rs) (2)
The surface resistance of the
τ c = C c · R b (1)
τ d = C c / (1 / R b + 1 / R s ) (2)
波長変換体12は、焦電性を有する誘電体材料からなる。そのような誘電体材料は、例えば、LiNbO3、LiTaO3、LiNbxTa(1−x)O3(0≦x≦1)、KNbO3又はKTiOPO4である。波長変換体12は、分極反転構造を有していることが好ましい。例えば、亜鉛ドープニオブ酸リチウム(LiNbO3:Zn)、MgドープLiNbO3、ScドープLiNbO3又はInドープLiNbO3によって分極反転構造を形成する。波長変換体12は、リッジ型、スラブ型又はバルク型などの波長を変換する光を導波する導波路光構造を有する。このほか、プロトン注入導波路、埋め込み導波路であってもよい。
The
例えば、波長変換体12は、分極反転構造(擬似位相整合構造、QPM構造)が形成された亜鉛ドープニオブ酸リチウム(LiNbO3:Zn)からなる。そして、バルク型導波路構造を有し、キャリア板11上に、接着されている。
For example, the
電荷移動膜13は、導電性材料又は半絶縁性材料からなる。導電性材料は、例えば、導電性ポリマー、界面活性剤、金属酸化物分散材料、又はカーボンナノチューブを含む材料である。導電性ポリマーは、例えば、ポリチオフェン系導電性ポリマー、ポリエチレンジオキシチオフェン系導電性ポリマーである。金属酸化物分散材料は、例えば、SnO2又はIn2O3等の導電性酸化物系分散材料である。半絶縁性材料は、例えば、金属酸化物系材料等の絶縁性材料に結晶不完全性を持たせるか、又は、金属酸化物系材料等の絶縁性材料にSnやIn等の導電性酸化物をドーピングすることによって、TiO2又はSiO2等の絶縁性材料を半絶縁性にした金属酸化物系材料である。
The
電荷移動膜13の導電率は、波長変換体12のバルク抵抗Rb>>電荷移動膜13の抵抗Rsとなるような値以下であり、かつ、電荷の蓄積速度より十分小さい時定数τdが得られる値以下であることが好ましい。例えば、電荷移動膜13のシート抵抗は、1Ω/□以上1×1013Ω/□以下であることが好ましい。これによって、電荷の蓄積量を低減することができる。
The electrical conductivity of the
本実施形態に係る波長変換素子の製造方法は、搭載工程と、塗布工程と、を順に有することを特徴とする。
搭載工程では、波長変換体12を、キャリア板11の上に搭載する。例えば、キャリア板11の上に波長変換体12を直接接合する。また、両者を、接着剤、もしくはSiO2層で接着してもよい。特に異種基板接合の場合に限らず、波長変換体12と基板が同じ誘電体材料で形成されている場合にも適用できる。
塗布工程では、導電性材料又は半絶縁性材料を、キャリア板11及び波長変換体12にまたがるように塗布し、電荷移動膜13を形成する。
The method for manufacturing a wavelength conversion element according to the present embodiment is characterized by having a mounting step and a coating step in this order.
In the mounting process, the
In the application step, a conductive material or a semi-insulating material is applied so as to straddle the
(実施形態2)
図2は、本実施形態に係る波長変換素子の一例を示すA−A’断面図である。波長変換素子92は、実施形態1で説明した波長変換素子に、さらに、基板14を備え、キャリア板11、基板14及び波長変換体12順に積層されている。これにより、スラブ型導波路構造が形成されている。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ showing an example of the wavelength conversion element according to the present embodiment. The
基板14の屈折率は、波長変換体12の屈折率より小さく、波長変換体12における導波路を形成する。基板14は、例えば、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、Si又はSiO2からなる。
The refractive index of the
例えば、波長変換体12は、亜鉛ドープニオブ酸リチウム(LiNbO3:Zn)に分極反転構造(擬似位相整合構造、QPM構造)が形成されたスラブ型導波路構造を有している。波長変換体12が亜鉛ドープニオブ酸リチウム(LiNbO3:Zn)の場合、基板14はタンタル酸リチウム(LiTaO3)からなることが好ましい。そして、基板14がキャリア板11上に、接着されている。
For example, the
さらに電荷移動膜13が、波長変換体12及び基板14を覆うように、キャリア板11にかけて塗布されている。キャリア板11は接地されている。なお、本実施形態では電荷移動膜13の導電性材料に導電性ポリマーを用いている。他に、結晶不完全性を持たせるか又は導電性酸化物をドーピングしたTiO2膜、界面活性剤、金属酸化物分散材料、もしくはカーボンナノチューブ材料も利用できる。
Further, a
(実施形態3)
図3及び図4は、本実施形態に係る波長変換素子の第1例及び第2例を示すA−A’断面図である。本実施形態に係る波長変換素子93及び94は、実施形態2のスラブ型導波路構造に代え、リッジ型導波路構造となっている。
(Embodiment 3)
3 and 4 are AA ′ cross-sectional views showing a first example and a second example of the wavelength conversion element according to the present embodiment. The
波長変換体12は、亜鉛ドープニオブ酸リチウム(LiNbO3:Zn)に分極反転構造(擬似位相整合構造、QPM構造)が形成されたリッジ型導波路構造を有している。基板14はタンタル酸リチウム(LiTaO3)である。波長変換体12は基板14上に直接接合されている。基板14はキャリア板11の上に接着されている。
The
さらに電荷移動膜13が、波長変換体12及び基板14を覆うように、キャリア板11にかけて塗布されている。キャリア板11は接地されている。電荷移動膜13の電性材料に導電性ポリマーを用いている。他に、結晶不完全性を持たせるか又は導電性酸化物をドーピングしたTiO2膜、界面活性剤、金属酸化物分散材料、もしくはカーボンナノチューブ材料も利用できる。
Further, a
図4に示す波長変換素子の実施例について説明する。図4に示す波長変換素子94を図6に示す波長変換レーザ光源111に搭載し、559nm波長変換レーザ光源を構成した。そして、8分間隔で1時間に7.5回、光源全体のパワーをオンオフした際に、出力光の強度が、時間の経過とともにどう変化するかを観測した。
An embodiment of the wavelength conversion element shown in FIG. 4 will be described. The
図5に、波長変換レーザ光源のオンオフ試験の結果の一例を示す。縦軸は波長559nmの出力光の強度を示し、横軸は時間を示す。
1300時間、すなわち9750回のオンオフを経過しても出力は減少せず、故障は見られなかった。すなわち、電荷移動膜13を、波長変換体12及び基板14を覆うように、キャリア板11にかけて塗布することにより、波長変換体12に蓄積した電荷の急激な放電による結晶の損壊に起因する波長変換素子の急激な変換効率の劣化を回避でき、長期的に安定に動作する波長変換レーザ光源を実現できることがわかった。
FIG. 5 shows an example of the result of an on / off test of the wavelength conversion laser light source. The vertical axis represents the intensity of output light having a wavelength of 559 nm, and the horizontal axis represents time.
Even after 1300 hours, that is, 9750 times of on / off, the output did not decrease and no failure was observed. That is, by applying the
ここで、電荷移動膜13の表面抵抗について説明する。
波長変換体12の分極反転構造の単位セルが、長さ4μm、幅8μm、高さ7μmの場合、波長変換体12の容量Ccは1.2×10−12F、波長変換体12のバルク抵抗は1.5×1022Ωと見積もられる。この状態で、放電時定数は1.8×107secとなる。25℃から1分間かけて50℃に昇温、2分間保持し、1分間かけて元の25℃に降温する温度サイクルを仮定した場合、最大電界は4.2kV/mmに達する。この場合に、急激な放電による波長変換体12を構成する誘電体材料の結晶の欠損が生じ得る。
Here, the surface resistance of the
Unit cell of poled structure in the
一方、塗付された電荷移動膜13の表面抵抗が1×1016Ωmの場合、放電時定数は10.3secとなり、最大電界は0.75kV/mmにしか達しない。このような場合には、急激な放電による波長変換体12を構成する誘電体材料の結晶の欠損が回避できる。
On the other hand, when the surface resistance of the applied
上記の単位セル形状、及び温度サイクルを仮定した場合、表面抵抗が1×1010〜1×1016Ωmでの最大電界(0.75kV/mm)は、1×1018〜1×1024Ωm(さらに無限大まで)での最大電界(4.2kV/mm)の20%以下となり、焦電効果による帯電が回避できる。いいかえれば電荷移動膜13の表面抵抗が、焦電効果により生ずる電荷に起因する電界を生じさせない程度に低ければ、波長変換体12の帯電を防止することができる。
Assuming the above unit cell shape and temperature cycle, the maximum electric field (0.75 kV / mm) when the surface resistance is 1 × 10 10 to 1 × 10 16 Ωm is 1 × 10 18 to 1 × 10 24 Ωm. It becomes 20% or less of the maximum electric field (4.2 kV / mm) at (up to infinity), and charging due to the pyroelectric effect can be avoided. In other words, if the surface resistance of the
なお、図1及び図2に示す波長変換素子91及び92について、電荷移動膜13に導電性ポリマーを用いて、温度変化履歴を観測した。この場合においても、図5と同様に、1万回程度の温度変化履歴を加えても、波長変換体12を構成する誘電体材料の結晶の欠損は生じなかった。
For the
また、以上の実施例は、分極反転構造における559nmの和周波発生光源に限られるものではなく、589nmや547nmの和周波発生光源、532、488nmの第2高調波発生光源、3μm帯や4μm帯の差周波発生光源にも適用できる。 The above embodiments are not limited to the 559 nm sum frequency generation light source in the domain-inverted structure, but the 589 nm and 547 nm sum frequency generation light sources, the 532 and 488 nm second harmonic generation light sources, the 3 μm band and the 4 μm band. It can also be applied to a difference frequency generating light source.
本発明は、波長変換レーザ光源に用いられることから、電気通信業に利用することができる。 Since the present invention is used for a wavelength conversion laser light source, it can be used in the telecommunications industry.
11 キャリア板
12 波長変換体
13 電荷移動膜
14 基板
91、92、93、94 波長変換素子
111 波長変換レーザ光源
112 波長変換モジュール
113 波長変換素子
114、115 半導体レーザ
116 ファイバカプラ
117 入力光
118 出力光
120 温度調節素子
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記キャリア板に搭載され、焦電性を有する誘電体材料からなり、通過する光の波長を変換する波長変換体と、
前記キャリア板及び前記波長変換体に電気的に接続され、導電性材料又は半絶縁性材料からなり、前記波長変換体に蓄積された電荷を前記キャリア板に移動させる電荷移動膜と、
を備え、
前記キャリア板は、接地されていることを特徴とする波長変換素子。 A conductive carrier plate;
A wavelength converter that is mounted on the carrier plate, is made of a dielectric material having pyroelectricity, and converts the wavelength of light passing therethrough,
A charge transfer film electrically connected to the carrier plate and the wavelength converter, made of a conductive material or a semi-insulating material, and moving charges accumulated in the wavelength converter to the carrier plate;
Equipped with a,
The wavelength conversion element , wherein the carrier plate is grounded .
前記波長変換体を、前記キャリア板に搭載する搭載工程と、
導電性材料又は半絶縁性材料を、前記キャリア板及び前記波長変換体にまたがるように塗布し、前記電荷移動膜を形成する塗布工程と、
を順に有することを特徴とする波長変換素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the wavelength conversion element according to any one of claims 1 to 7 ,
A mounting step of mounting the wavelength converter on the carrier plate;
An application step of applying a conductive material or a semi-insulating material so as to straddle the carrier plate and the wavelength converter, and forming the charge transfer film;
In order, the manufacturing method of the wavelength conversion element characterized by the above-mentioned.
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