JP5164192B2

JP5164192B2 - 光導波路基板および高調波発生デバイス

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Publication number: JP5164192B2
Application number: JP2011261701A
Authority: JP
Inventors: 省一郎山口; 隆史吉野
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2004-10-12
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2025-10-11
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Description

本発明は、疑似位相整合方式の高調波発生デバイス、光変調素子として好適に使用できる光導波路基板に関するものである。

現在、各種材料に光導波路を形成し、光を制御するデバイスを開発しようとする研究がなされており、こうしたデバイスが、光通信用のシステムに組み込まれようとしている。特に、リッジ構造といわれる光導波路形状は、光の閉じ込め性を高くすることができ、光を制御する効率が高いので、光変調器、光スイッチング素子等において期待される導波路構造となっている。

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、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（特開平４−３３５３２８号公報）の記載によれば、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムのような強誘電体単結晶基板に光導波路を形成するため、基板の加工面に、基板を構成する結晶よりも屈折率の高い液相エピタキシャル膜（ＬＰＥ膜）を形成している。そして、液相エピタキシャル膜をドライエッチングにより加工することによって、リッジ構造体を形成し、このリッジ構造体の中に光を閉じ込めている。

また、本出願人は、特許文献２（特開平９−２６９４３０号公報）において、酸化物単結晶をエキシマレーザーによってアブレーション加工することで、第二高調波発生デバイス用のリッジ型光導波路を形成することを開示した。こうした酸化物単結晶として、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体を開示した。

特開平４−３３５３２８号公報特開平９−２６９４３０号公報

このようなリッジ型光導波路において、光学特性（基本光の損失、第2高調波発生（SHG）出力）を測定したところ、設計条件にもよるが、基本光の損失が大きくなる傾向が見られ、SHG出力も理論値に比べて高くなかった。

これは、例えばＳＨＧの基本光が横方向に漏れやすく、光をリッジ部分に閉じ込めて伝搬させにくくしており、これによって基本光の損失が増大しているのではないかと考えられる。

本発明の課題は、リッジ型光導波路を有する光導波路基板において、三次元光導波路を入射光が伝搬する際の損失を低減できるような構造を提供することである。

本発明は、強誘電性材料からなる強誘電体層の表面に形成されているリッジ部と、このリッジ部の両側にそれぞれ設けられており、リッジ部よりも低い段差部と、各段差部の外側にそれぞれ形成されている溝と、溝の外側に突出する強誘電体部とを有しており、リッジ部に三次元光導波路が設けられており、強誘電体材料が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウムからなり、各段差部の深さが０．５μｍ以上、４μｍ以下であることを特徴とする、光導波路基板に係るものである。

また、本発明は、前記光導波路基板を備えており、光導波路に周期分極反転構造が形成されていることを特徴とする、高調波発生デバイスに係るものである。

本発明者は、例えば図１に模式的に示す断面を有する光導波路を形成し、その形態と光学特性との関係を検討した。

図１においては、例えばＭｇＯドープニオブ酸リチウム単結晶からなる層３と支持基体１とが接着層２によって接着されている。層３には一対の略平行な細長い溝６が形成されており、これらの溝６によってリッジ部５が形成されている。リッジ部５および溝６によって光導波路構造４が形成され、リッジ部５が三次元光導波路として機能する。

このような導波路においては、溝６の側面５ｂ、８は、通常は表面５ａに対して垂直にすることは困難であり、５ａに対する垂直軸に対して傾斜している。また、溝６の底面７は略平坦である。

ところが、底面７の下側において、矢印Ａで示すように入射光（高調波発生素子の場合は基本光）が漏れやすく、光をリッジ部分に閉じ込めて伝搬させるのを難しくしているものと考えられた。

本発明者は、この知見に基づき、例えば図２に示すように、リッジ部５の両側にそれぞれ溝１０を設けるのに際して、各溝１０内にそれぞれ細長い突起１１を形成することを想到した。このような突起１１を形成することによって、内側溝２０を堀り込み、伝搬光の横方向への漏れ量を少なくし、光閉じ込め効果を向上させることができる。

SHG出力は、基本光の損失が小さければ小さいほど高くなりやすく、また、光の閉じ込め状態が強ければ強いほど高くなるので、本例では高い出力が得られることになる。

但し、図２の光導波路構造には若干の問題があることが分かった。即ち、溝２０の掘り込みが大きいところで（例えば２２）で欠けが生じることがある。例として、図３に導波路の上面から観察した写真を示す。また、図４にも、光導波路の断面において観察された例を示す。

このように深く溝を形成しようとすると、レーザー光の強度に耐えられず、導波路にダメージを与えることがある。欠け２２の生じた導波路については、光学特性は悪く、基本光の損失が極めて悪く、SHGの出力も低くなるので、製造歩留りが低下する。

内側溝２０の深さＤ１を浅くし、欠け２２が生じにくいようにすると、伝搬光の閉じ込めが弱くなり、高調波発生出力も低下する傾向が見られる。

ここで、本発明においては、例えば図５に模式的に示すように、層３の表面にリッジ部１５を形成し、リッジ部１５の両側にそれぞれ段差部２５Ａ、２５Ｂを形成し、各段差部２５Ａ、２５Ｂの外側にそれぞれ溝１６を形成し、リッジ部１５に三次元光導波路が設けられている。

この場合には、リッジ部１５の最大高さ（Ｄ４）部分１５ａから両側にいったん段差部２５Ａ、２５Ｂを設け、次いで段差部２５Ａ、２５Ｂの外側に溝１６を設ける。前述した加工時の欠けは、溝１６の深さＤ４が大きくなるのにつれて生じ易くなる。また、三次元光導波路を主として構成するのはリッジ部分１５であるので、リッジ部分１５（特に角部２４）に欠けが発生すると、光が散乱しやすくなり、光の伝搬損失が増加する。

これに対して、本発明においては、リッジ部の最大高さ部分１５ａに隣接して段差部２５Ａ、２５Ｂを設けているので、その段差はＤ５であり、Ｄ５はＤ４に比べて小さくできる。従って、リッジ部分１５の中央の最大高さ部分１５ａの（特に角部２４周辺での）欠けが生じにくくなる。この結果、欠けによる光学特性劣化への影響を低減できる。

一方、段差部２５Ａ、２５Ｂの溝底からの高さは（Ｄ４−Ｄ５）となる。段差部２５Ａ、２５Ｂ（特にその角部２６近辺）では、溝１６の深さＤ４が大きくなると確かに欠けが生じ易くなる。しかし、段差部２５Ａ、２５Ｂにおける欠けの生じ易さは、段差部の高さ（Ｄ４−Ｄ５）に依存しているので、図２に示すようなリッジ部５に比べて欠けは生じにくくなる。その上、段差部２５Ａ、２５Ｂの角部２６は光導波路の中心から離れていることから、仮に欠けが生じても、光学特性には大きな影響を与えない。

このように二段以上の段差を形成することによって、溝１６の深さＤ４を大きくして光導波路の横方向の閉じ込めを強くしつつ、かつリッジ部分１５における欠けを低減し、伝搬光の損失を低減し、高調波発生効率を増大させることができる。

また、本発明を高調波発生素子に適用した場合には、次の作用効果が得られる。即ち、定性的には波長の長い基本光はコア径の大きい導波路の方が好ましく、波長の短い第二高調波に対しては、コア径が小さいことが好ましい。従って、段差部２５Ａ、２５Ｂを設けることによって基本光の伝搬特性を向上させるのとともに、第二高調波についてはリッジ部１５内で十分に良好な伝達特性を得ることができ、段差部がない場合に比べて導波路形状の設計自由度が高まる。

図１は、比較例の光導波路構造を模式的に示す断面図である。図２は、参考形態に係る光導波路基板１２を模式的に示す断面図である。図３は、図２の光導波路基板の表面を示す写真であり、光導波路のエッジに欠けが生じている。図４は、図２の光導波路基板の断面を示す写真であり、光導波路のエッジに欠けが生じている。図５は、本発明の実施形態に係る光導波路基板１３を模式的に示す断面図である。図６は、参考形態に係る光導波路基板１２Ａを模式的に示す断面図である。図７は、参考形態に係る光導波路基板１２Ｂを模式的に示す断面図である。図８は、本発明の他の実施形態に係る光導波路基板１３Ａを模式的に示す断面図である。図９は、本発明の他の実施形態に係る光導波路基板１３Ｂを模式的に示す断面図である。図１０は、光導波路基板１３を形成するためのマスクの一例を示す平面図である。

参考形態において好ましくは、リッジ部と各突起との間にそれぞれ内側溝が形成されている。これによってリッジ部における光の閉じ込めを一層向上させることができる。例えば図２に示す例では、リッジ部５と各突起１１との間に内側溝２０が形成されている。

参考形態において好ましくは、リッジ部から見たときに、各突起の外側にそれぞれ外側溝が形成されている。これによって光の横方向への閉じ込めを一層向上させることができる。また、このように内側溝と外側溝とを設けると、各溝の深さを調整することで、光の閉じ込めを強くしつつ、欠けなどの加工時の損傷を低下させる設計を行い易くなる。

好適な形態においては、外側溝が内側溝よりも深い。例えば、図２に示す例においては、外側溝２１の深さＤ２を内側溝２０の深さＤ１よりも大きくする。このように内側溝２０の深さＤ１を相対的に小さくすることによって、リッジ部５の角部２２における欠けの頻度を低減できる。これとともに、外側溝２１の深さＤ２を相対的に大きくすることによって、光の閉じ込めを改善できる。

参考形態においては、内側溝２０の深さＤ１が小さいと、リッジ部への光の閉じ込めが弱くなり、伝搬光の損失が増大するので、この観点からは、Ｄ１は１.０μｍ以上であることが好ましく、１．５μｍ以上であることが更に好ましい。また、内側溝の深さＤ１が大きくなると、リッジ部５において欠けが発生しやすくなるので、この観点からは、Ｄ１は４μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以下であることが更に好ましい。

参考形態においては、外側溝２１の深さＤ２が小さいと、リッジ部への光の閉じ込めが弱くなり、伝搬光の損失が増大するので、この観点からは、Ｄ２は１.０μｍ以上であることが好ましく、１．５μｍ以上であることが更に好ましい。また、外側溝の深さＤ２が大きくなると、突起１１において欠けが発生しやすくなるので、この観点からは、Ｄ２は４μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以下であることが更に好ましい。なお、図２の図面では、溝１０の深さＤ３は外側溝２１の深さＤ２と一致する。

Ｄ１とＤ２との差は特に限定されないが、前述の作用効果の観点からは、０.１μｍ以上であることが好ましい。

突起１１の高さＨ１は特に限定されないが、溝１０の深さＤ３よりも小さいことが好ましい。これによって、突起１１における欠けの発生を低減でき、また光の閉じ込めの点からも問題は少ない。

参考形態においては、リッジ５の幅Ｗ１が広いと、光の閉じ込めが弱くなり、特にＳＨＧを発光させる効率が低くなるので、この観点からは、Ｗ１は６．５μｍ以下であることが好ましく、５．５μｍ以下であることが更に好ましい。一方、リッジ５の幅Ｗ１が狭いと、光の閉じ込めが強くなり、マルチモードが励振されやすくなるので、この観点からは、Ｗ１は３μｍ以上であることがこのましく、３．５μｍ以上であることが更に好ましい。

参考形態においては、溝１０の幅Ｗ２、Ｗ３が狭いと、光の閉じ込めが弱くなり、伝搬光の損失が大きくなるので、この観点からは、Ｗ２、Ｗ３は２μｍ以上であることがこのましく、３μｍ以上であることが更に好ましい。

参考形態においては、誘電体層３の厚みＴ１が厚いと、光の閉じ込めが弱くなり、伝搬光の損失が大きくなるので、この観点からは、Ｔ１は６μｍ以下であることがこのましく、５μｍ以下であることがさらに好ましい。一方、Ｔ１が薄いと、光の閉じ込めが強くなり、マルチモードが励振されやすくなるので、この観点からは、Ｔ１は２．５μｍ以上であることがこのましく、３μｍ以上であることが更に好ましい。

参考形態において好ましくは、強誘電体層と支持基体とを接着する下地接着層２を備えている（図２参照）。
下地接着層２に無機接着剤層を設け、無機接着剤層を強誘電体層に接触させることができる。図６は、この実施形態に係るものである。

図６の基板１２Ａは図２の基板１２と同様のものであるが、しかし接着層は、有機接着剤層３３と無機接着剤層３２との二つに分かれている。そして強誘電体層３には無機接着剤層３２が接触している。

このように、強誘電体層３に無機接着剤を接触させることによって、この無機接着剤層がバッファ層として作用し、光学的な安定性が向上する。

また、強誘電体層の表面側を被覆する上側基板を設けることができる。
また、強誘電体層と上側基板とを接着する上側接着層を設けることができる。
更に、無機接着剤を強誘電体層に接触させることができる。

図７は、これらの形態に係る光導波路基板１２Ｂを概略的に示す断面図である。
図７の基板１２Ｂでは、強誘電体層３上に、無機接着剤層３４および有機接着剤層３５を介して上側基板３６を貼り合わせている。無機接着剤層の厚さはほぼ一定であり、有機接着剤３５は、強誘電体層３の凹部に充填されている。

このように上側基板３６を設けることによって、光導波路基板の厚さ方向での光学特性、応力分布が対称になり、温度等の外乱に対して安定になる。

本発明においては、段差部２５Ａ、２５Ｂの深さＤ５が小さいと、横方向への光の閉じ込めが弱くなるので、光の閉じ込めを強くするという観点からは、段差部２５Ａ、２５Ｂの深さＤ５は０．５μｍ以上であり、１．０μｍ以上であることが更に好ましい。一方、段差部の深さＤ５が大きくなると、リッジ部１５の形成時に欠けが発生しやすくなるので、この観点からは、Ｄ５は４μｍ以下とし、３μｍ以下とすることが更に好ましい。

本発明においては、溝１６の深さＤ４が小さいと、横方向への光の閉じ込めが弱くなるので、光の閉じ込めを強くするという観点からは、溝１６の深さＤ４は０．５μｍ以上であることが好ましく、１．０μｍ以上であることが更に好ましい。一方、溝１６の深さＤ４が大きくなると、段差部２５Ａ、２５Ｂの形成時に欠けが発生しやすくなるので、この観点からは、Ｄ４は４μｍ以下とすることが好ましく、３μｍ以下とすることが更に好ましい。

本発明においては、リッジ１５の幅Ｗ４が広いと、光の閉じ込めが弱くなり、特にＳＨＧを発光させる効率が低くなるので、この観点からは、Ｗ１は６．５μｍ以下であることが好ましく、５．５μｍ以下であることが更に好ましい。一方、リッジ５の幅Ｗ１が狭いと、光の閉じ込めが強くなり、マルチモードが励振されやすくなるので、この観点からは、Ｗ１は３μｍ以上であることがこのましく、３．５μｍ以上であることが更に好ましい。

本発明においては、段差部２５Ａ、２５Ｂの幅Ｗ５、Ｗ６が狭いと、本発明の効果が著しく低下するので、この観点からは、Ｗ５、Ｗ６は１μｍ以上であることがこのましく、２μｍ以上であることが更に好ましい。一方、Ｗ５、Ｗ６が広いと、光の閉じ込めが弱くなり、ＳＨＧを発光される効率が低くなるので、この観点からは、Ｗ５、Ｗ６は４μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以下であることがさらに好ましい。

本発明においては、溝１６の段差部２５Ａ、２５Ｂの幅を差し引いたＷ７、Ｗ８が狭いと、光閉じ込めが弱く、伝搬光の損失が大きくなるので、この観点からは、Ｗ７、Ｗ８は１μｍ以上であることがこのましく、２μｍ以上であることが更に好ましい。

本発明においては、誘電体層３の厚みＴ２が厚いと、光の閉じ込めが弱くなり、伝搬光の損失が大きくなるので、この観点からは、Ｔ２は６μｍ以下であることがこのましく、５μｍ以下であることがさらに好ましい。一方、Ｔ２が薄いと、光の閉じ込めが強くなり、マルチモードが励振されやすくなるので、この観点からは、Ｔ２は２．５μｍ以上であることがこのましく、３μｍ以上であることが更に好ましい。

本発明において好ましくは、強誘電体層と支持基体とを接着する下地接着層２を備えている（図５参照）。

本発明において、下地接着層２に無機接着剤層を設け、無機接着剤層を強誘電体層に接触させることができる。図８は、この実施形態に係るものである。
図８の基板１３Ａは図５の基板１３と同様のものであるが、しかし接着層は、有機接着剤層３３と無機接着剤層３２との二つに分かれている。そして強誘電体層３には無機接着剤層３２が接触している。

このように、強誘電体層３に無機接着剤を接触させることによって、この無機接着剤層３２がバッファ層として作用し、光学的な安定性が向上する。

また、本発明においては、強誘電体層の表面側を被覆する上側基板を設けることができる。
また、本発明において、強誘電体層と上側基板とを接着する上側接着層を設けることができる。
更に、本発明において、無機接着剤を強誘電体層に接触させることができる。

図９は、これらの実施形態に係る光導波路基板１３Ｂを概略的に示す断面図である。
図９の基板１３Ｂでは、強誘電体層３上に、無機接着剤層３４および有機接着剤層３５を介して上側基板３６を貼り合わせている。無機接着剤層の厚さはほぼ一定であり、有機接着剤３５は、強誘電体層３の凹部に充填されている。

強誘電体層にリッジ構造を形成するための加工方法は限定されず、機械加工、イオンミリング、ドライエッチング、レーザーアブレーションなどの方法を用いることができる。

研削加工装置としては、各種装置が可能であるが、現在、その機械精度の高さから、精密マイクログラインダーと呼ばれている研削装置を使用することが特に好ましい。また、精密研削加工法としては、ＥＬＩＤ研削（電解作用によりドレッシングしながら研削を行う方法）を適用できる。ＥＬＩＤ研削とは、砥石を電解作用によりドレッシングしながら研削作業に供し、加工性能を改善、安定させる加工法であり、「砥粒加工学会誌」Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．５，１９９５年９月号第２頁に記載されている。

仕上げの平面研磨加工の方法として、ケミカルメカニカルポリシングを用いることができる。

あるいは、機械加工は、ダイシングなどの方法を用いて行うことができる。好適な実施形態においては、ダイシング加工機に幅０．１〜０．２ｍｍ、メッシュ数＃２００〜３０００の砥石を設置し、回転数１００００〜５００００ｒｐｍ、送り速度５０〜３００ｍｍ／ｍｉｎの運転条件で溝を形成する。

レーザーアブレーションとは、加工対象である材料を構成する各分子間の結合エネルギーと同等のエネルギーの波長の光を、材料へと向かって照射することによって、各分子を解離、蒸発させて除去加工する方法である。これは、熱的加工ではないので、レーザー照射部分のみを選択的に加工することができ、加工部分の周辺への影響がないので、リッジ構造体の高精度の加工が可能である。ここで言うレーザーアブレーションは、多光子吸収過程によるものを含み、若干の熱的影響がある場合（擬似熱的加工）も含む。

層３を構成する材料の吸収端の波長と、レーザー光の波長との差を、１００ｎｍ以下とすることが好ましく、５０ｎｍ以下とすることが一層好ましい。こうした方法によって、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からなる母材を、波長１５０〜３００ｎｍのレーザー光で加工して溝を形成できる。

加工用のレーザービームの種類としてはエキシマレーザー、Ｎｄ−ＹＡＧレーザーの第４次高調波等を好ましく使用できる。エキシマレーザーの応用技術に関する文献としては、「ＯｐｌｕｓＥ」１９９５年１１月号、第６４〜１０８頁の特集「実用期に入ったエキシマレーザー」を挙げることができる。

好適な実施形態においては、エキシマレーザーを用いて溝を形成する。この際、単位面積当たり５〜１０Ｊ／ｃｍ^２の高い強度のレーザーを直接照射して、基材３の残り厚み１００μｍ程度まで粗加工し、１〜４Ｊ／ｃｍ^２の比較的低い強度のレーザーを１０〜３０回スキャンさせて溝を形成する。あるいは、他の実現方法として、研削、研磨加工により基材３の残り厚み５μｍ程度まで薄板状に加工を行い、０.５〜２Ｊ／ｃｍ^２の比較的低い強度のレーザーを２〜３回スキャンさせて溝を形成する。

例えば図２、図５に示すように、強誘電体層３を支持基体１に対して接着層２を介して接着することができる。また、上側基板と強誘電体層とを接着層を介して接着することができる。

こうした接着剤は、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。

有機接着剤の具体例は特に限定されないが、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料と比較的近い熱膨張係数を有するアロンセラミックスＣ（商品名、東亜合成社製）（熱膨張係数１３×１０^−６／Ｋ）を例示できる。

また無機接着剤としては、低誘電率で接着温度（作業温度）が約６００℃以下のものが好ましい。また、加工の際に十分な接着強度が得られるものが好ましい。具体的には、酸化珪素、酸化鉛、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ホウ素等の組成を単体もしくは複数組み合わせたガラスが好ましい。
また、他の無機接着剤としては、例えば五酸化タンタル、酸化チタン、五酸化ニオブ、酸化亜鉛がある。

無機接着層の形成方法は特に限定されず、スパッタ法、蒸着法、スピンコート法、ゾルゲル法などがある。

また、強誘電体層３と支持基体１との間に接着剤のシートを介在させ、接合することができる。好ましくは、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤からなるシートを、強誘電体層３の裏面と支持基体１との間に介在させ、シートを硬化させる。このようなシートとしては、３００μｍ以下のフィルム樹脂が適当である。

支持基体１の材質は特に限定されない。好適な実施形態においては、支持基体１における熱膨張係数の最小値が強誘電体層３における熱膨張係数の最小値の１／５倍以上であり、かつ支持基体１における熱膨張係数の最大値が強誘電体層３における熱膨張係数の最大値の５倍以下である。

ここで、強誘電体層３、支持基体１をそれぞれ構成する各電気光学材料に熱膨張係数の異方性がない場合には、強誘電体層３、支持基体１において最小の熱膨張係数と最大の熱膨張係数とは一致する。強誘電体層３、支持基体１を構成する各電気光学材料に熱膨張係数の異方性がある場合には、各軸ごとに熱膨張係数が変化する場合がある。例えば、強誘電体層３を構成する各電気光学材料がニオブ酸リチウムである場合には、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の熱膨張係数が１６×１０^-6／℃であり、これが最大値となる。Ｚ軸方向の熱膨張係数が５×１０^-6／℃であり、これが最小値となる。従って、支持基体１の熱膨張係数の最小値は1×１０^-6／℃以上とし、支持基体１の熱膨張係数の最大値は８０×１０^-6／℃以下とする。なお、例えば石英ガラスの熱膨張係数は０．５×１０^-６／℃であり、１×１０^-6／℃未満である。

この観点からは、支持基体１の熱膨張係数の最小値を、強誘電体層３における熱膨張係数の最小値の１／２倍以上とすることが更に好ましい。また、支持基体１の熱膨張係数の最大値を、強誘電体層３の熱膨張係数の最大値の２倍以下とすることが更に好ましい。

支持基体１の具体的材質は、上記の条件を満足する限り、特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Siなどを例示することができる。この場合、熱膨張差の観点では、強誘電体薄層と誘電体層とを同じ材質とすることが好ましく、ニオブ酸リチウム単結晶が特に好ましい。

好適な実施形態においては、支持基体１における熱膨張係数の最小値が上側基板３６における熱膨張係数の最小値の１／５倍以上であり、かつ支持基体１における熱膨張係数の最大値が上側基板３６における熱膨張係数の最大値の５倍以下である。

ここで、上側基板３６、支持基体１をそれぞれ構成する各電気光学材料に熱膨張係数の異方性がない場合には、上側基板３６、支持基体１において最小の熱膨張係数と最大の熱膨張係数とは一致する。上側基板３６、支持基体１を構成する各電気光学材料に熱膨張係数の異方性がある場合には、各軸ごとに熱膨張係数が変化する場合がある。

この観点からは、支持基体１の熱膨張係数の最小値を、上側基板３６における熱膨張係数の最小値の１／２倍以上とすることが更に好ましい。また、支持基体１の熱膨張係数の最大値を、上側基板３６の熱膨張係数の最大値の２倍以下とすることが更に好ましい。

上側基板の材質は特に限定されない。
上側基板３６の具体的材質は、上記の条件を満足する限り、特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラス等のガラスや水晶、Siなどを例示することができる。この場合、熱膨張差の観点では、支持基板と上側基板を同じ材質とすることが好ましく、ニオブ酸リチウム単結晶が特に好ましい。

また、上側基板を、熱伝導性の高い材質、たとえばSiによって形成することで、基板の長さ方向の温度分布が均一になり、高出力時のSHGの安定性が改善される。
上側基板の厚さも特に限定されないが、上記の観点からは１００μｍ以上が好ましい。また、上側基板の厚さの上限も特にないが、実用的には２ｍｍ以下が好ましい。

（比較例１）
図１に示すような光導波路基板を製造した。
具体的には、周期１７．６μｍの周期状分極反転構造を形成した厚さ５００μｍのＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板を、厚さ１ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板１に貼り合せ、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の表面を厚さ５μｍとなるまで研削、研磨で削り落とした。次いで、溝６はレーザーアブレーション加工で形成し、図１の形状とした。図１において、リッジ部５の幅が５．５μｍであり、溝６の深さが２μｍである。リッジ加工後、長さ４５ｍｍで素子を作製し、両端を端面研磨した。

この導波路において、光学特性（基本光の損失、ＳＨＧ出力）を測定したところ、基本光の損失が１．５ｄＢ／ｃｍと大きく、ＳＨＧ出力は基本光を２ｍＷ入力した時に５μＷであった。ここで、導波路に入力する基本光および出力されるＳＨＧの光出力にはフレネル損失を差し引いた値で示した。なお、この導波路の基本光の波長は約１．５６μｍで、ＳＨＧ光の波長は約０．７８μｍであった。

（参考例１）
図２に示すリッジ型光導波路構造９を有する光導波路基板１２を製造した。
具体的には、比較例１と同様、周期状分極反転を形成した厚さ５００μｍのＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板を、厚さ１ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板１に貼り合せ、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の表面を厚さ５μｍとなるまで研削、研磨で削り落とした。次いで、溝１０をレーザーアブレーション加工で形成し、図２の形状とした。

溝の幅はマスクの幅に依存し、溝の各部分の深さはレーザー光の出力、基板を走査する速度、繰り返し走査回数に依存する。図２において、リッジ部５の幅が５．５μｍであり、内側溝２０の深さＤ１が１．９μｍであり、外側溝２１の深さＤ２および溝１０の最大深さＤ３がともに２．２μｍであり、突起１１の高さＨ１が０．８μｍであった。

図２の光導波路の光学特性を評価した結果、基本光の損失が０．８ｄＢ／ｃｍと低減され、ＳＨＧ出力が、基本光を２ｍＷ入力した時に１０μＷに向上した。理論的には明らかではないが、内側溝２０により、基本光の横方向への漏れ量が少なく、光閉じ込め効果が向上したものと思われる。ＳＨＧ出力は、基本光の損失が小さければ小さいほど高くなりやすく、また、光の閉じ込め状態が強ければ高くなるので、高い出力が得られることになる。

ただし、製造の際に、図３、図４に示すような欠けが見られることがあった。図３には、光導波路の上面から観察した写真を示し、図４は、光導波路の断面において観察された例を示す。このように深く溝を形成しようとすると、レーザー光の強度に耐えられず、導波路にダメージを与えることがある。欠けの生じた導波路については、光学特性は悪く、基本光の損失が極めて悪く、ＳＨＧ出力も低くなっている。このような欠けは、例えば光導波路基板の製造個数１０個に対して３個発生した。

（参考例２）
参考例１と同様にして、図２に示す光導波路基板を作製した。ただし、図２において、リッジ部５の幅が５．５μｍであり、内側溝２０の深さＤ１が１．４μｍであり、外側溝２１の深さＤ２および溝１０の最大深さＤ３がともに１．５μｍであり、突起１１の高さＨ１が０．６μｍであった。

図２の光導波路の光学特性を評価した結果、基本光の損失が１．２ｄＢ／ｃｍと低減され、ＳＨＧ出力が、基本光を２ｍＷ入力した時に８μＷに向上した。ただし、上述した欠けはほとんど発生しなくなった。

（参考例３）
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を種々変更し、上記と同様の実験を行った結果、Ｄ１、Ｄ２は２μｍ以上とすることが、伝搬光の損失低減、ＳＨＧ出力向上の点で好ましいことが分かった。しかし、この場合には上述した欠けが発生する可能性があり、歩留り低下の原因となることも判明した。

（実施例１）
図５に示す光導波路基板１３を作製した。
具体的には、周期状分極反転構造を形成した厚さ５００μｍのＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板を、厚さ１ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板１に貼り合せ、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の表面を厚さ５μｍとなるまで研削、研磨で削り落とした。次いで、溝１６をレーザーアブレーション加工で形成し、図５の形状とした。

溝の幅はマスクの幅に依存し、溝の各部分の深さはレーザー光の出力、基板を走査する速度、繰り返し走査回数に依存する。例えば、図６に示すような形状のマスク３０を使用する。このマスク３０には一対の開口３１が形成されており、各開口３１は、長さＬ１の開口部分３１ａと長さＬ２の開口部分３１ｂとからなり、各開口３１はそれぞれ溝１６に対応している。開口部分３１ａの長さＬ１は開口部分３１ｂの長さＬ２よりも小さい。

レーザー光光源を固定した上で、マスク３０を矢印Ｂのように移動させ、開口３１の透過光を強誘電体層３の表面に照射する。すると、開口部分３１ａからのレーザー光の照射時簡Ｔ１は長さＬ１に比例し、開口３１ｂからのレーザー光の照射時間Ｔ２は長さＬ２に比例する。従って、開口部分３１ａの下には、深さＤ５の相対的に浅い段差部２５Ａ、２５Ｂが形成され、開口部分３１ｂの下には、深さＤ４の溝１６が形成される。

得られた光導波路基板においては、リッジ部１５の幅が５．５μｍであり、段差部２５Ａ、２５Ｂの深さＤ５が１．０μｍであり、段差部２５Ａ、２５Ｂの幅がそれぞれ２μｍであり、段差部の深さＤ４は２．５μｍであった。

この結果、基本光の伝搬損失は０．６ｄＢであり、ＳＨＧ出力は、基本光を２ｍＷ入力した時に１５μＷであった。また、歩留まりに関していえば、導波路の中央で欠けが生じにくい構造であることが起因して、安定して低損失な導波路が得られ、ＳＨＧ出力のバラツキも小さかった。
また、加工によるダメージについては、溝の深さＤ４を２．５μｍ程度まで大きくしても、欠けは観測されず、歩留りの高い導波路形状となっている。

（参考例４）
図７に示す光導波路基板１２Ｂを製造した。
具体的には、周期17.6μｍの周期状分極反転を形成した厚さ500μｍのMgO ドープニオブ酸リチウム基板表面に、SiO₂膜３２をスパッタ法で成膜した後、厚さ1mm のノンドープニオブ酸リチウム基板１に有機接着剤３３で貼り合わせた。その後、MgO ドープニオブ酸リチウム基板の表面を厚さ5μｍとなるまで研削・研磨で削り落として強誘電体層３を形成した。次いで、実施例１と同様な溝をレーザーアブレーション加工で形成した。

作製した導波路の上に、Ta₂O₅ 膜３４をスパッタ法で成膜した後に、厚さ0.5mm のノンドープニオブ酸リチウム基板３６を有機接着剤３５で貼り合わせた後、研削・研磨で100μｍまで削り落とした。
この光導波路基板（ＳＨＧ素子）１２Ｂの光学特性を評価した結果、基本光の損失は実施例１と同様の0.8dB/cm であり、SHG 出力が基本光2mW の入力に対し、10μW
が得られた。
また本光導波路基板の長時間動作試験を行った結果、従来構造の３倍の30000 時間までSHG 出力低下が見られなかった。

（実施例２）
また、図９に示す光導波路基板１３Ｂも参考例４と同様にして作成し、同様の結果を得た。

（参考例５）
図７に示す光導波路基板１２Ｂを作製した。
具体的には、周期6.57μｍの周期状分極反転を形成した厚さ500μｍのMgO ドープニオブ酸リチウム基板表面にSiO₂３２をスパッタ法で成膜した後、厚さ1mm のノンドープニオブ酸リチウム基板１に有機接着剤３３で貼り合わせた。その後、MgO ドープニオブ酸リチウム基板の表面を厚さ3.7μｍとなるまで研削・研磨で削り落とし、強誘電体層３を得た。次いで、実施例１と同様な溝をレーザーアブレーション法で形成した。
作製した光導波路の上にTa₂O₅膜３４をスパッタ法で成膜した後に、厚さ0.5mm のSi 基板３６を有機接着剤３５で貼り合わせた。

この光導波路基板（ＳＨＧ素子）の光学特性を評価した結果、基本光の損失は0.8dB/cm であり、SHG 出力が基本光100mW の入力に対し20mW が得られた。
また、本素子の高出力動作試験を行った結果、SHG 出力において従来構造の２倍の500mW を得ることができた。

（実施例３）
また、図９に示す光導波路基板１３Ｂも参考例５と同様にして作成し、同様の結果を得た。

より短波のＳＨＧ光を発生させたい場合には、導波路のサイズは相対的に小さくすることが好ましい。基板部の厚さについていえば、基本光の波長が1mm程度であれば、基板部の厚さは3.5mmぐらいにすることが好ましい。反対に長い波長のSHGを発生させたいという場合には、基板部の厚さを6mm、7mmに増加させることが好ましい。

Claims

強誘電性材料からなる強誘電体層の表面に形成されているリッジ部と、このリッジ部の両側にそれぞれ設けられており、前記リッジ部よりも低い段差部と、前記各段差部の外側にそれぞれ形成されている溝と、前記溝の外側に突出する強誘電体部とを有しており、前記リッジ部に三次元光導波路が設けられており、前記強誘電体材料が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウムからなり、前記各段差部の深さが０．５μｍ以上、４μｍ以下であることを特徴とする、光導波路基板。
前記強誘電体層の底面側を支持する支持基体を備えていることを特徴とする、請求項１記載の光導波路基板。
前記支持基体における熱膨張係数の最小値が前記強誘電体層における熱膨張係数の最小値の１／５倍以上であり、かつ前記支持基体における熱膨張係数の最大値が前記強誘電体層における熱膨張係数の最大値の５倍以下であることを特徴とする、請求項２記載の光導波路基板。
前記強誘電体層と前記支持基体とを接着する下地接着層を備えていることを特徴とする、請求項２または３記載の光導波路基板。
前記下地接着層が、前記強誘電体層に接触する無機接着剤を含むことを特徴とする、請求項４記載の光導波路基板。
前記強誘電体層の前記表面側を被覆する上側基板を備えていることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか一つの請求項に記載の光導波路基板。
前記強誘電体層と前記上側基板とを接着する上側接着層を備えていることを特徴とする、請求項６記載の光導波路基板。
前記上側接着層が、前記強誘電体層に接触する無機接着剤を含むことを特徴とする、請求項７記載の光導波路基板。
請求項１〜８のいずれか一つの請求項に記載の光導波路基板を備えており、前記光導波路に周期分極反転構造が形成されていることを特徴とする、高調波発生デバイス。