JP5155385B2 - 波長変換素子 - Google Patents

Description

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。
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。

本発明者は、固体半導体レーザ光源から出射した基本波をスラブ光導波路へと向かって入射させ、第二高調波を発生させることを試みていた。この際、酸化マグネシウムドープしたニオブ酸リチウム単結晶のＺ板をスラブ光導波路として使用し、このスラブ光導波路内に電圧印加法によって周期分極反転構造を形成した。このＺ板は、別体の厚い支持基板に対して樹脂接着剤で接着した。
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１は、本発明の実施形態に係る波長変換素子１を模式的に示す図である。
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。

以下、図面を参照しつつ、本発明の作用効果を更に詳細に説明する。
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。

（実施例１）
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ＳｉＯ_２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Ｔａ_２Ｏ_５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Ｔａ_２Ｏ_５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。

波長変換用基板の厚さが１０μｍ未満であると、結合効率が低下した。また、接着剤層の厚さが０．５μｍであると、端面に気泡が露出し、この結果、ＳＨＧ出力が低下した。また、接着剤層の厚さが２．１μｍであると、端面の接着層が一部燃焼し、破壊した。
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)

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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