JP5155385B2 - 波長変換素子 - Google Patents
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Description
本出願人は、特開2005−55528において、ファブリーペロー型ブロードエリア半導体レーザ発振素子からの出力光を、非線形光学結晶からなるスラブ光導波路に対して基本波として入射させ、スラブ光導波路から青色レーザ光を出力させることを開示した。ここで、スラブ光導波路は、ニオブ酸リチウムカリウムなどの非線型光学単結晶のZ板を薄く研磨して作製する。
しかし、このような波長変換素子を実際に作製し、第二高調波を発振させたところ、以下のような予期しない現象が見られた。即ち、第二高調波出力のバラツキが予測外に大きく、一部の素子では第二高調波出力が著しく低下することがあった。また、素子を作製して外部の光ファイバに対して光軸調整するときに、レーザ光を素子に入射させて光量を計測する。このとき、素子の端面の近傍で樹脂接着層が燃焼し、端面付近で接着破壊が生ずることがあった。
本発明の課題は、スラブ光導波路内に周期分極反転構造を形成し、このスラブ光導波路を支持基板に対して接着する構造の波長変換素子において、波長変換光の出力の低下や変動、接着層の燃焼による端面破壊を防止し、安定して高出力を得ることである。
本発明は、
支持基板、
強誘電性単結晶からなるZ板からなり、周期分極反転構造が形成されており、厚さが10μm以上、100μm以下である波長変換用基板、
この波長変換用基板の底面に設けられているバッファ層、および
支持基板とバッファ層とを接着し,厚さが0.6μm以上、2.0μm以下である有機樹脂接着剤層を備えていることを特徴とする。
本発明者は、前述した波長変換光の出力低下や接着層の燃焼の原因を検討したところ、周期分極反転構造、バッファ層および樹脂接着層の間の相互作用により、樹脂接着層の膜厚に応じて、変換光の出力低下と接着層の燃焼を生ずることを見いだした。
そして、この知見に基づき、周期分極反転構造およびバッファ層の直下にある樹脂接着層の膜厚を0.6μm以上、2.0μm以下とすることによって、変換光の出力を安定して高く維持でき、かつ樹脂接着層の燃焼による端部破壊も防止できることを見いだし、本発明に到達した。
図2は、比較例に係る波長変換素子を模式的に示す図である。
図3は、比較例に係る波長変換素子を模式的に示す図である。
図1は、本発明に係る波長変換素子1を模式的に示す図である。
本例では、強誘電性単結晶からなるZ板2の中に、上面2aから底面2bへと向かって延びる分極反転部3が、一定周期で形成されている。Z板とは、分極反転方向が、基板の上面から下面へと向かって延びる基板のことである。隣接する分極反転部3の間には、それぞれ、非分極反転部4が残されている。分極反転部3と非分極反転部4とを交互に一定周期で多数形成することによって、周期分極反転構造5が形成されている。波長変換用基板2の底面2bにバッファ層6が形成されている。本例では、バッファ層6の下に支持基板8が有機樹脂接着層7によって接着されている。
なお、図1には図示しないが、基板2の上面2a側にもバッファ層を形成することができるし、その上に更に別の支持基板を接着することも可能である。
そして、図示しない光源から入射面2cへと矢印Aのように基本波を入射させると、周期分極反転構造5を通過して波長変換を受け、波長変換光が出射面2dから矢印Bのように出射する。変換光の波長は、光の伝搬方向に見たときの分極反転周期によって定まる。
本発明においては、有機樹脂接着剤によって支持基板とバッファ層とを接着すると共に、有機樹脂接着剤層7の厚さtを0.6μm以上、2.0μm以下に限定する。この限定理由と作用効果について述べる。
周期分極反転構造を通過した波長変換光の損失が増大する理由について種々検討したところ、以下の知見を得た。これについて、図2を参照しつつ説明する。
まず、周期分極反転構造を強誘電性単結晶のZ基板に形成した場合には、基板の底面において、分極反転部3が非分極反転部4に対して僅かに後退する傾向がある。この結果、基板の底面には、微小な凹凸が生じている。この上にバッファ層6を設けると、バッファ層6の表面にも、波長変換用基板2の底面の微細な凹凸が転写される。
有機樹脂接着剤7が薄い場合、特に0.6μmに達しない場合には、バッファ層6の表面の微細な凹部内に樹脂接着剤が入り込みにくく、微細な気泡9を形成する傾向があった。周期分極反転構造5内での伝搬光は、この多数の気泡9の影響を受けて外部へと散乱し、光損失をもたらす。この光損失が、波長変換光の出力低下の原因となっていた。
ここで、本発明者は、有機樹脂接着剤層7の厚さtを0.6μm以上とすることによって、バッファ層表面の微細な凹凸を充填し、気泡9の発生を防止でき、波長変換光の出力を向上させ、安定させ得ることを見いだした。
一方、図3に示すように、有機樹脂接着剤層7が厚い場合、特に厚さtが2.0μmを超える場合には、確かにバッファ層6の表面の凹凸を充填して気泡の発生を防止することができる。しかし、予期せざることに、周期分極反転構造5内で波長変換された波長変換光が有機樹脂接着剤層7内に吸収されることにより、樹脂層7が発熱し、端部で燃焼することが判明した。このような発熱、燃焼は、基本波では発生せず、周期分極反転構造によって発生する波長変換光による特有の現象である。
なお、強誘電性単結晶からなる波長変換用基板2がZ板ではなく、X板、Y板、オフセットX板などの場合には、波長変換用基板2の底面2bに周期分極反転構造が露出せず、これによる凹凸が発生しない。このため、バッファ層6の表面凹凸に起因する上記の樹脂接着剤層の燃焼や光損失による波長変換光の出力低下が生じない。
また、波長変換部が周期分極反転構造でない場合にも、やはり波長変換用基板2の底面2bに周期分極反転構造が露出せず、これによる凹凸が発生しない。このため、バッファ層6の表面凹凸に起因する上記の樹脂接着剤層の燃焼や光損失による波長変換光の出力低下が生じない。つまり、本発明は、上記した特定の構造に特有の問題点を発見したことに基づく発明であり、この点で進歩性を有する。
本発明では、波長変換用基板2の厚さTを10μm以上、100μm以下とする。これを10μm以上とすることによって、基本波を導波路に入射する事が容易になり、基本波の結合効率が上がる。この観点からは、波長変換用基板2の厚さは、20μm以上とすることが更に好ましい。
また、波長変換用基板2の厚さTを100μm以下とすることによって、導波光のエネルギー密度を高め、変換効率を向上させることができる。この観点からは、波長変換用基板2の厚さを 80μm以下とすることが更に好ましい。
波長変換用基板を構成する強誘電性単結晶は、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。
バッファ層6の材質は、酸化シリコン、弗化マグネシウム、窒化珪素、アルミナ、五酸化タンタルを例示できる。
バッファ層6の厚さcは特に限定されない。しかし、バッファ層の厚さcが小さすぎると光伝搬損失が増加するので、この観点からは、cは0.2μm以上が好ましい。また、バッファ層の厚さcが大きすぎると、バッファ層の形成が難しくなるので、この観点からは、cは2.0μm以下が好ましく、1.5μm以下が更に好ましい。
有機樹脂接着剤層を構成する有機樹脂接着剤は、特に限定されず、紫外線硬化型接着剤、熱硬化型接着剤などであってよい。有機樹脂接着剤の具体例は特に限定されないが、アクリル系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤を例示できる。
図1に示すような形態の光変換素子を作製した。
具体的には、厚さ0.5mmのMgO5%ドープニオブ酸リチウムZ基板上に、周期7.0μm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。この基板裏面には全面に電極膜を形成したのち、パルス電圧を印加した。フッ硝酸溶液でエッチングし、周期分極反転構造5が形成されていることを確認した。周期分極反転構造5を形成した後、厚さ0.4μmのSiO2バッファ層6をスパッタ法によって成膜した。
厚さ0.5mmのノンドープニオブ酸リチウム基板に アクリル系の接着剤を塗布した後、前記のMgOドープニオブ酸リチウム基板と貼り合せた。その際の接着剤層の厚さtは0.6μmであった。MgOドープニオブ酸リチウム基板の表面を、厚さ50μmとなるまで研削、研磨した。光導波路の形成後、厚さ0.5μmのTa2O5オーバークラッドをスパッタ法によって成膜した。ダイサーで長さ5mm、幅8.0mmで素子を切断した後、端面を研磨した後、反射防止膜を施した。
この導波路においてNd:YAG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5W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、96%が導波路に結合でき、100mWのSHG出力が得られた。
(実施例2)
実施例1と同様にして波長変換素子を作製した。ただし、接着剤層7の厚さtは2.0μmであった。Nd:YAGレーザーからの発振出力を5W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、95%が導波路に結合でき、 93mWのSHG出力が得られた。
(比較例1)
厚さ0.5mmのノンドープニオブ酸リチウム基板に接着剤を塗布した後、前記のMgOドープニオブ酸リチウム基板と貼り合せた。その際の接着層厚は0.3μmであった。MgOドープニオブ酸リチウム基板の表面を厚さ50μmとなるまで研削、研磨した。
光導波路の形成後、厚さ0.5μmのTa2O5オーバークラッドをスパッタ法によって成膜した。ダイサーで長さ5mm、幅8.0mmで素子を切断した後、端面を研磨した。その際、端面部に気泡9が露出し、スラブ導波路が一部剥離した。
この導波路においてNd:YAG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2W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、65%が導波路に結合でき、58mWのSHG出力が得られた。
(比較例2)
比較例1において、接着剤層の厚さtを0.5μmとした。ダイサーで長さ5mm、幅8.0mmで素子を切断した後、端面を研磨した。その際、端面部に気泡9が露出し、スラブ導波路が一部剥離した。
この導波路においてNd:YAG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2W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、70%が導波路に結合でき、 65mWのSHG出力が得られた。
(比較例3)
比較例1において、接着剤層の厚さtを3.0μmとした。この導波路においてNd:YAG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5W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、95%が導波路に結合でき、98mWのSHG出力が得られたが、その後端面の接着層にて燃焼破壊が発生した。
(比較例4)
比較例1において、接着剤層の厚さtを2.2μmとした。この導波路においてNd:YAG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5W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、 96%が導波路に結合でき、99mWのSHG出力が得られたが、端面の接着層が一部燃焼し、SHG出力が40mWまで低下した。
次に、実施例1と同様にして波長変換素子を作製し、実施例1と同様にしてSHG出力を測定すると共に、波長変換素子の外観を観測した。ただし、波長変換用基板の厚さ、支持基板の厚さは、表1に示すように変更した。SHG出力および観察された現象を表1に示す。
本発明の特定の実施形態を説明してきたけれども、本発明はこれら特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の範囲から離れることなく、種々の変更や改変を行いながら実施できる。
Claims (1)
- 支持基板、
強誘電性単結晶からなるZ板からなり、周期分極反転構造が形成されており、厚さが10μm以上、100μm以下である波長変換用基板、
この波長変換用基板の底面に設けられているバッファ層、および
前記支持基板と前記バッファ層とを接着し,厚さが0.6μm以上、2.0μm以下である有機樹脂接着剤層を備えていることを特徴とする、波長変換素子。
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