JP5036610B2

JP5036610B2 - 擬似位相整合波長変換デバイスの製造方法

Info

Publication number: JP5036610B2
Application number: JP2008080893A
Authority: JP
Inventors: 庄司　　一郎; 宗矩川路; 健井村
Original assignee: 学校法人中央大学
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2028-03-26
Also published as: JP2009237081A

Description

本発明は、レーザ光の波長を変換する波長変換デバイスの製造方法に関するもので、特に、空間反転対称性を有しない化合物の結晶の方位を周期的に反転させて接合した擬似位相整合型の波長変換デバイスの製造方法に関する。

レーザ光の波長領域を変換して従来のレーザで得られない波長のレーザ光を得るためのデバイスとして、２次の非線形光学効果を用いた高効率の波長変換デバイスが知られている。この波長変換デバイスの製造方法で主流になっているのは、材料の結晶の向きを数〜数百μｍ周期で１８０°反転させる擬似位相整合で、この擬似位相整合により高効率な波長変換を行うことができる。
擬似位相整合波長変換デバイスの材料としては、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ₃）やリチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ₃）などの自発分極を有する強誘電体結晶が広く用いられている。これらの強誘電体結晶は、分極方向に電界を印加して分極の向きを周期的に反転させてやることにより、上記の擬似位相整合を実現させる。
しかしながら、上記強誘電体結晶を用いた擬似位相整合波長変換デバイスでは、変換できる波長領域が０．３〜５μｍに制限されていた。これは、上記変換できる波長領域が当該材料の透明波長領域によって制限されるためで、材料として強誘電体結晶を用いている限り、０．３μｍよりも短波長のレーザ光や、５〜２０μｍの長波長のレーザ光を得ることは困難である。更に、強誘電体結晶では、光損傷閾値（光損傷が起こり始める入射レーザ光のパワー）が十分に大きくないため、高出力の波長変換デバイスを製造するには限界がある。なお、光損傷は、結晶の屈折率が変化したり、結晶構造そのものが破壊されることをいう。

そこで、注目されているのが、半導体ガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用いた擬似位相整合波長変換デバイスである。ＧａＡｓは長波長での透明波長領域が広くかつ非常に大きな２次の非線形光学定数を有する材料であることは知られているが、光学的には等方的であり、上記の強誘電体結晶のように、電圧をかけると結晶構造が１８０°反転する性質がないため、これまで擬似位相整合を得ることが困難であった。
そこで、ＧａＡｓのプレートを、プレート面内の結晶方位を１８０°反転させながら順に接着して、交互に積層された積層体を作製すれば、さまざまな波長のレーザ光を高出力でかつ効率良く発生させることのできる擬似位相整合波長変換デバイスを得ることができると考えられる。
ＧａＡｓのプレート同士を接着した例としては、ＣｒをドープしたＧａＡｓの単結晶を［１１１］方向に垂直に切断したプレートの表面をケミカルエッチングした後、プレート同士を圧着させたものがある（例えば、非特許文献１参照）。
また、真空中でかつ高温（５００〜８４０°Ｃ）環境下で、ＧａＡｓ表面の酸化膜を除去した後にプレート同士を接合する拡散接合法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
一方、副格子交換エピタキシーを用いて擬似位相整合させる方法が提案されている。具体的には、ＧａＡｓ基板上に非反転層である第１のＧａＡｓ層を分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）で成長させた後、この第１のＧａＡｓ層の表面にＧｅ層を成長させ、このＧｅ層の上に反転層である第２のＧａＡｓ層を成長させる。次に、上記第２のＧａＡｓ層をストライプ状にエッチングし、このエッチング部分に上記第１のＧａＡｓ層の表面を露出させた後、非反転層から成る第３のＧａＡｓ層を形成する。最後に表面を研磨して平滑にすることにより、反転層である第２のＧａＡｓと非反転層である第３のＧａＡｓ層とがストライプ状に交互に並んだ積層体を得る（例えば、特許文献２参照）。
D.E.Thompson et.al" Second-harmonic generation in ＧａＡｓ stack of plates using high-power ＣＯ2 laser radiation"；Applied Physics Letters,Vol.29,No2,15 July1976:pp113-115 特開２００３−１５１７５号公報特開２００５−１１５１５０号公報

しかしながら、表面をケミカルエッチングした後に圧着させる方法では、２枚のプレートの界面に原子レベル以上の隙間ができてしまい、そのため、入射レーザ光及び波長変換光が上記界面で散乱されて、変換効率が大幅に低下するといった問題点がある。
また、拡散接合法は原子レベルでの接合が可能であるが、接合温度が高いためにＡｓの一部が飛んでしまうなどして、材料が劣化するといった問題点がある。
一方、副格子交換エピタキシーを用いて擬似位相整合させる方法では、高品質なデバイスを製造することはできるものの、厚さが数μｍ程度であるため、デバイスを高出力化するには限界がある。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、さまざまな波長のレーザ光を高出力でかつ効率良く発生させることのできる擬似位相整合波長変換デバイスを容易に作製する方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の擬似位相整合波長変換デバイスの製造方法は、空間反転対称性を有しない化合物の単結晶から成る同じ結晶方位を持つ２枚のプレートを、プレート面内の結晶方位が１８０°反転するように対向させて設置してから、これら２枚のプレートの表面に原子ビーム、分子ビーム、もしくは、イオンビームを照射して上記表面を活性化処理する第１のステップと、上記活性化処理されたプレートの表面同士を常温にて密着させて接合する第２のステップと、上記常温接合されたプレートと上記化合物から成る活性化処理されていない同じ結晶方位を持つプレート、もしくは、上記第１及び第２のステップにより常温接合された２枚のプレート同士を、プレート面内の結晶方位が１８０°反転するように対向させて設置し、これら２枚のプレートの表面を活性化処理する第３のステップと、上記活性化処理された表面同士を常温接合する第４のステップとを備え、上記第１及び第３のステップでは、上記２枚のプレートの側面側に設置されたビーム源から原子ビーム、分子ビーム、もしくは、イオンビームを上記２枚のプレートの表面に照射して、上記２枚のプレートの表面を同時に活性化処理することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の擬似位相整合波長変換デバイスの製造方法において、上記対向するプレートのプレート面を（１１０）面としたことを特徴とする。なお、上記プレート面は、プレートの厚さ方向に垂直な面を指す。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の擬似位相整合波長変換デバイスの製造方法であって、上記２枚のプレートの間隔が１〜５ｍｍであることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の擬似位相整合波長変換デバイスの製造方法であって、上記活性化処理に用いられる原子ビームはＡｒビームであり、このＡｒビームの広がり角が１０°〜３０°の範囲にあることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の擬似位相整合波長変換デバイスの製造方法であって、上記Ａｒビームの照射エネルギー密度が９０〜１２００Ｊ/ｃｍ²の範囲にあることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の擬似位相整合波長変換デバイスの製造方法であって、上記化合物は、III−Ｖ族化合物半導体もしくはII−VI族化合物半導体であることを特徴とする。

本発明によれば、ＧａＡｓなどのIII−Ｖ族化合物半導体、ＺｎＳｅなどII−VI族化合物半導体、ＳｉＣなどのIV−IV族化合物半導体、あるいは、水晶などの誘電体結晶のような、空間反転対称性を有しない化合物の単結晶から成る同じ結晶方位の２枚のプレート（例えば、プレート面が（１１０）面であるプレート）を、プレート面内の結晶方位が１８０°反転するように対向させて設置してから、これら２枚のプレートの表面に、２枚のプレートの側面側に設置されたビーム源から原子ビーム、分子ビーム、もしくは、イオンビームを上記２枚のプレートの表面に照射して上記２枚のプレートの表面を同時に活性化処理した後、上記活性化処理されたプレートの表面同士を常温接合する操作を繰り返し行って、隣接するプレート面の面内の結晶方位が１８０°異なるように接合されて擬似位相整合された波長変換デバイスを製造するようにしたので、短時間で、材料を劣化させることなく、接合面を原子レベルで接合することができる。したがって、さまざまな波長のレーザ光を高出力でかつ効率良く発生させることのできる擬似位相整合波長変換デバイスを容易に作製できる。
また、上記対向するように設置された２枚のプレートの間隔を１〜５ｍｍとすれば、活性化処理後の界面の状態がクリーンな状態で常温接合できるので、変換効率を向上させることができる。
また、上記活性化処理に用いる原子ビームとして、広がり角が１０°〜３０°の範囲にあるＡｒビームを用いれば、プレートの表面を均一にエッチングできるだけでなく、ケミカルエッチングのように、不要に深くエッチングすることがないので、表面を適正に活性化処理できる。したがって、原子レベルでの接合を確実に行うことができ、変換効率を向上させることができる。
また、Ａｒビームの照射エネルギー密度を９０〜１２００Ｊ/ｃｍ²の範囲とすれば、不要なエッチングをすることがなく、表面を確実に活性化処理することができる。

以下、本発明の最良の形態について、図１のフローチャートに基づき説明する。
まず、エピタキシャル成長させたＧａＡｓの単結晶から所定の大きさ（ここでは、一辺が５ｍｍ、厚さが０．１ｍｍ）のプレートを複数枚切り出す（ステップＳ１０）。このとき、上記切り出されたプレートの厚さ方向に垂直な面（プレート面）を（１１０）面とする。なお、ここでは、６枚のプレートを接合する例について説明する。
次に、上記プレートのうちの２枚を、図２に示すように、常温接合装置１０の真空チャンバー１１内に設置された第１及び第２の試料ホルダー１２，１３に、上記プレートの面内の［００１］方向が互いに１８０°異なるように、それぞれ取付ける（ステップＳ１１）。ここで、上記第１及び第２の試料ホルダー１２，１３の試料取付面１２ａ，１３ａを水平面とし、この面に垂直な方向を上下方向とする。なお、本例では、上記第１の試料ホルダー１２を可動ホルダーとし、上記第２の試料ホルダー１３を固定ホルダーとした。上記第１の試料ホルダー１２は、図示しない昇降機構により、上記第２の試料ホルダー１３方向に上下動する。
上記真空チャンバー１１内の上記第１及び第２のホルダー１２，１３の側面側には、Ａｒビームを照射するビーム源１４が設置されている。このビーム源１４から照射されるＡｒビームの中心は、固定ホルダーである上記第２の試料ホルダー１３の試料取付面１３ａから所定距離離れたところにある。

プレート２１，２２の取付けが終了すると、真空チャンバー１１を閉じ、図示しない真空ポンプにより、上記真空チャンバー１１内を所定の真空度まで真空引きする（ステップＳ１２）とともに、上記第１の試料ホルダー１２を、上記第２の試料ホルダー１３方向に下降させた後、上記プレート２１の表面２１ａと上記プレート２２の表面２２ａとの距離が所定の距離ｄになった位置で保持する（ステップＳ１３）。そして、真空チャンバー１１内が所定の真空度に到達してから、図３（ａ）に示すように、上記ビーム源１４を作動させて、Ａｒビームを上記プレート２１，２２の表面２１ａ，２２ａに所定時間照射して、上記表面２１ａ，２２ａをエッチングする（ステップＳ１４）。これにより、上記プレート２１，２２の表面２１ａ，２２ａを活性化処理することができる。
ここで、上記Ａｒビームの広がり角ωをω＝１０°〜３０°とし、上記２枚のプレート２１，２２の間隔ｄを１〜５ｍｍとすることが好ましい。また、上記Ａｒビームの照射エネルギー密度としては９０〜１２００Ｊ/ｃｍ²の範囲とすることが好ましい。これにより、プレート２１，２２の表面２１ａ，２２ａを均一にエッチングできるだけでなく、ケミカルエッチングのように、不要に深くエッチングすることがないので、上記表面２１ａ，２２ａを適正に活性化処理することができる。したがって、原子レベルでの接合を確実に行うことができ、変換効率を向上させることができる。

上記プレート２１，２２の表面２１ａ，２２ａの活性化処理が終了すると、図３（ｂ）に示すように、Ａｒビームの照射を停止するとともに、上記第１の試料ホルダー１２を、上記第２の試料ホルダー１３方向に下降させて、上記プレート２１の表面２１ａと上記プレート２２の表面２２ａとを密着させて、上記プレート２１と上記プレート２２とを常温接合する（ステップＳ１５）。本例では、上記２枚のプレート２１，２２の間隔ｄを１〜５ｍｍとしているので、上記接合を１〜３秒程度の短時間で行うことができる。
その後、真空ポンプを停止させるとともに、上記真空チャンバー１１内に不活性ガスを導入して、上記真空チャンバー１１内を大気圧に戻した後、上記真空チャンバー１１を開けて、プレート２１と上記プレート２２とが接合された複合プレート２０Ｄを取り出す（ステップＳ１６）。次に、上記複合プレート２０Ｄを可動側の試料ホルダーである第１の試料ホルダー１２に取付ける。また、固定側の試料ホルダーである第２の試料ホルダー１３には、新たなプレート２３を取付ける（ステップＳ１７）。このとき、上記第２の試料ホルダー１３に取付けられた新たなプレート２３のプレート面内の［００１］方向と、上記第１の試料ホルダー１２に取付けられた複合プレート２０Ｄの上記プレート２３に対向する側のプレート２２のプレート面内の［００１］方向とが互いに１８０°反転するように取付ける。
そして、上記ステップＳ１２〜ステップＳ１４までの操作を行い、図３（ｃ）に示すように、上記新たなプレート２３の表面２３ａと複合プレート２０Ｄの表面（上記プレート２２の裏面）２２ｂとを活性化処理した後、ステップＳ１５に進み、図３（ｄ）に示すように、上記新たなプレート２３と複合プレート２０Ｄとを常温接合する。
このような操作を、所定回数ｎ＝５だけ繰り返すことにより、図４に示すような、複数のプレート２１〜２６が、隣接するプレート同士の面内の［００１］方向が互いに１８０°異なるように接合されてＧａＡｓ擬似位相整合波長変換デバイス（以下、波長変換デバイスという）２０を作製することができる。

図５は、上記常温接合装置１０を用いて作製した、本発明の波長変換デバイスに、波長が１．０６４μｍのポンプレーザ光を入射し、波長が５μｍのシグナル光を発生させたときのポンプレーザ光のピークパワー（Ｐ_p：Pump Peak Power）とシグナル光のピークパワー（Ｐ_s：Signal Peak Power）との関係を調べた結果を示すグラフで、比較例として、拡散接合を用いて作製した波長変換デバイスの測定結果を合わせて記した。ピークパワーは、パルス動作するレーザのピーク位置でのパワーを示す。
なお、ＧａＡｓの接合枚数はいずれも６枚で、デバイスの長さは０．６ｍｍである。
また、本発明による波長変換デバイスの作製条件は以下の通りである。
真空度……２．０×１０^-6Ｔｏｒｒ
Ａｒビーム……電流：２ｍＡ、電圧：５ｋＶ、
広がり角：２０°、照射時間：６０秒
試料間距離……２ｍｍ
ビーム−試料間の距離……１０ｍｍ
接合時間……２秒
図５のグラフから、波長変換デバイスが動作を開始するポンプレーザ光のピークパワー（発振の閾値）は、拡散接合で作製した波長変換デバイスが３２０Ｗであるの対し、本発明の波長変換デバイスでは、１３０Ｗと発振の閾値が約６０％も低減していることがわかる。また、スロープ効率（シグナル光のピークパワーの変化率）も、変換効率（ポンプ光のピークパワーに対するシグナル光のピークパワー）も大幅に向上している。
このように、発振の閾値が低く、かつ、スロープ効率及び変換効率が高いということは、本発明による波長変換デバイスは、接合部におけるレーザ光の散乱が少なく、かつ、接合部近傍でのレーザ光の吸収も少ないことを意味している。すなわち、本発明による作製方法の方が、従来の拡散接合に比較して、プレート間の接合状態が良好である。
また、本発明による波長変換デバイスは、必要とする入射パワーが少なくて済むので、発熱も小さい。したがって、動作が安定しているだけでなく、耐久性も向上するので、レーザ装置の小型化・省エネ化を図ることができる。

このように本最良の形態によれば、エピタキシャル成長させたＧａＡｓの単結晶から切り出したプレート２１，２２を、常温接合装置１０の真空チャンバー１１内に設置された第１及び第２の試料ホルダー１２，１３に、上記プレート２１，２２のプレート面内の［００１］方向が互いに１８０°異なるように取付け、真空中にて、Ａｒビームを上記プレート２１，２２の表面２１ａ，２２ａに所定時間照射して、上記表面２１ａ，２２ａをエッチングして活性化処理した後、上記第１の試料ホルダー１２を下降させて、上記プレート２１の表面２１ａと上記プレート２２の表面２２ａとを密着させて、上記プレート２１と上記プレート２２とを常温接合する、という動作を繰り返して、複数のプレート２１〜２６が、隣接するプレート同士の面内の［００１］方向が互いに１８０°異なるように接合されたＧａＡｓ波長変換デバイス２０を作製するようにしたので、発振の閾値が低くかつスロープ効率及び発振効率に優れた波長変換デバイスを容易に作製することができる。

なお、上記最良の形態では、プレート２１〜２６の厚さを０．１ｍｍ、プレート枚数を６枚としたが、これに限るものではなく、入射するレーザ光の波長や変換したい波長、あるいは、入射パワーなどにより適宜決定されるものである。
また、上記例では、接合するＧａＡｓのプレート面を（１１０）面としたが、（１１１）面などの他の面を接合面としてもよい。
また、上記例では、複合プレート２０Ｄと新たなプレート２３とを接合したが、複合プレート２０Ｄ同士を接合することも可能である。
また、上記例では、ＧａＡｓのプレート２１，２２の表面２１ａ，２２ａをＡｒの原子ビームでエッチングしたが、分子ビーム、もしくは、イオンビームを用いてもよい。
また、上記プレート２１〜２６を構成する材料は、ＧａＡｓに限定されるものではなく、ＧａＰなどの他のIII−Ｖ族化合物半導体、あるいは、ＺｎＳｅなどのII−VI族化合物半導体、更には、ＳｉＣなどのIV−IV族化合物半導体、水晶などの誘電体結晶を用いても同様の効果を得ることができる。すなわち、本発明の擬似位相整合波長変換デバイスの製造方法に用いられる化合物単結晶材料としては、波長変換を行う波長領域で透明であり、かつ、空間反転対称性を有しない材料であれば、いずれも適用可能である。

以上説明したように、本発明によれば、発振の閾値が低くかつスロープ効率及び発振効率に優れているだけでなく、さまざまな波長を発生させることのできる擬似位相整合波長変換デバイスを容易に作製することができる。また、入力パワーが少なくてすむので、安定性や耐久性に優れるとともに、レーザ装置の小型化を図ることができる。

本発明の最良の形態に係る擬似位相整合波長変換デバイスの製造方法を示すフローチャートである。本発明の最良の形態に用いられる常温接合装置の模式図である。プレートの接合方法を示す図である。本発明による擬似位相整合波長変換デバイスの模式図である。本発明の擬似位相整合波長変換デバイスの特性を示す図である。

符号の説明

１０常温接合装置、１１真空チャンバー、１２第１の試料ホルダー、
１３第２の試料ホルダー、１２ａ，１３ａ試料取付面、１４ビーム源、
２０ＧａＡｓ擬似位相整合波長変換デバイス、２０Ｄ複合プレート、
２１〜２６プレート。

Claims

空間反転対称性を有しない化合物の単結晶から成る同じ結晶方位を持つ２枚のプレートを、プレート面内の結晶方位が１８０°反転するように対向させて設置してから、これら２枚のプレートの表面に原子ビーム、分子ビーム、もしくは、イオンビームを照射して上記表面を活性化処理する第１のステップと、
上記活性化処理されたプレートの表面同士を常温にて密着させて接合する第２のステップと、
上記常温接合されたプレートと上記化合物から成る活性化処理されていない同じ結晶方位を持つプレート、もしくは、上記第１及び第２のステップにより常温接合された２枚のプレート同士を、プレート面内の結晶方位が１８０°反転するように対向させて設置し、これら２枚のプレートの表面を活性化処理する第３のステップと、
上記活性化処理された表面同士を常温接合する第４のステップとを備え、
上記第１及び第３のステップでは、上記２枚のプレートの側面側に設置されたビーム源から原子ビーム、分子ビーム、もしくは、イオンビームを上記２枚のプレートの表面に照射して、上記２枚のプレートの表面を同時に活性化処理することを特徴とする擬似位相整合波長変換デバイスの製造方法。
上記対向するプレートのプレート面を（１１０）面としたことを特徴とする請求項１に記載の擬似位相整合波長変換デバイスの製造方法。
上記２枚のプレートの間隔が１〜５ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の擬似位相整合波長変換デバイスの製造方法。
上記活性化処理に用いられる原子ビームはＡｒビームであり、このＡｒビームの広がり角が１０°〜３０°の範囲にあることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の擬似位相整合波長変換デバイスの製造方法。
上記Ａｒビームの照射エネルギー密度が９０〜１２００Ｊ/ｃｍ²の範囲にあることを特徴とする請求項４に記載の擬似位相整合波長変換デバイスの製造方法。
上記化合物は、III−Ｖ族化合物半導体もしくはII−VI族化合物半導体であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の擬似位相整合波長変換デバイスの製造方法。