JP6228509B2 - 波長変換素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は非線形光学効果を用いた光学素子に関し、具体的には、光通信システムや光計測システムにおいて用いられる波長変換素子に関する。

光通信における光信号波長変換や光変調、光計測、光加工、医療、生物工学などの応用のための紫外域−可視域−赤外域−テラヘルツ域にわたるコヒーレント光の発生と変調のために、多くの非線形光学デバイス及び電気光学デバイスの開発が進められている。

このような素子に用いられる非線形光学媒質および電気光学媒質としては種々の材料が研究開発されており、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）などの酸化物系化合物基板は２次非線形光学定数・電気光学定数が非常に高く有望な材料として知られている。このニオブ酸リチウムの高い非線形性を用いた光デバイスの一例として、擬似位相整合による第二高調波発生・差周波発生・和周波発生を利用した波長変換素子が知られている。

例えば、２から５μｍの中赤外の波長域には様々な環境ガスの基準振動などの強い吸収線が存在するため、小型の中赤外光源の開発が望まれている。このような中赤外域の光源には、技術的に成熟された１μｍ付近の励起光源と通信波長帯の信号光を用いることのできる差周波発生が有望だと考えられている。

また、０．５μｍ付近の可視光の波長域には、半導体レーザでは実現の難しい波長域が存在することから、１μｍ付近の励起光源を用いて、第二高調波発生や和周波数発生により、緑色光などの可視光の発生を行うことのできる波長変換技術が有望視されている。

さらに、差周波発生を用いた波長変換技術を用いると、光ファイバ通信で主に用いられている波長１．５５μｍ帯の光を一括で別の波長帯に変換できることから、波長分割多重方式における光のルーティングや、光ルーティングにおける波長の衝突回避などへ適用が可能であり、波長変換装置は大容量通信光ネットワークを構築するキーデバイスの一つとして考えられている。

波長変換素子において高効率を得るためには、光導波路型のデバイスが有効であり、種々の導波路が研究開発されている。主にこれまでは、Ｔｉ拡散導波路や、プロトン交換導波路と呼ばれる、拡散型の導波路を用いて検討がなされてきた。

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ところが上記の拡散型の導波路は、作製において結晶内に不純物を拡散することから、光損傷耐性や長期信頼性の観点から問題があった。すなわち拡散型の導波路では、高強度の光を導波路に入射するとフォトリフラクティブ効果による結晶の損傷が発生してしまうため、導波路に入力できる光パワーに制限があるという問題があった。

そこで近年では、結晶のバルクの特性をそのまま利用できることから、高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計が容易等の特徴を持つリッジ型の光導波路が研究開発されている。二枚の基板を接合して形成された光学素子の一方の基板を薄膜化した後リッジ加工をすることにより、リッジ型の光導波路を形成することができる。

しかしながら、高強度の光を導波路中に入射する場合には、導波路内での結晶の光吸収により導波路が加熱され、結果として屈折率が変化してしまう。結晶の光吸収係数はごくわずかではあるものの、完全にゼロではないことに起因して、導波路が光により暖まり屈折率が変化してしまう。これにより位相整合条件が満たされなくなり、高パワーの光入力の場合に変換効率が低下する。

導波路の光の吸収には、入力した光パワーの吸収と、変換された光による吸収の両方が存在する。非特許文献１に記述されている通り、変換光が短波の場合、吸収係数が基本波よりも大きくなることが一般的に知られている。変換光は、導波路長の２乗により変化するため、入力側よりも出力側の方で変換光パワーが強くなる。そのため、変換光に起因した導波路の加熱により出力側がより高い熱分布となってしまう。さらに、基本波光による熱分布の影響も加わるため、導波路内の熱分布は非常に複雑になる。基本波光パワーは、入力側が最大となる。導波路の長手方向に伝搬するにつれ、基本波光からのエネルギーの移行により変換光が生成されるため、基本波光パワーは出力側の方が入力側よりも小さくなる。さらに、光の吸収には、線形吸収と２光子吸収などの線形とは異なる吸収とが存在するため、導波路内の熱分布の把握は非常に難しい。

この熱分布が、擬似位相整合を用いた波長変換素子に及ぼす影響を説明する。簡単のために第二高調波発生で考えることにする。例えば、素子長５０ｍｍの周期分極反転ニオブ酸リチウム導波路を想定すると、波長１５６０ｎｍの基本波光を入力して波長７８０ｎｍの第二高調波を発生する場合、基本波波長に対する位相整合波長の帯域は０．２ｎｍ程度である。また、位相整合波長は、温度が１℃変わると０．１ｎｍ程度ずれてしまう。このことからもわかる通り、温度分布を１℃よりも十分小さい値に抑える必要がある。特に、１００ｍＷ以上の光を入力する場合はこの導波路内の光による熱分布の影響が無視できない。

これまでは、波長変換素子全体を温度コントロールすることで位相整合波長を制御する方法が一般的に用いられてきた。均一な温度変化であれば、導波路全体を温度制御することで補正が可能であるが、導波路の長手方向に熱分布を発生させる光起因の熱分布を制御する方法はこれまで実現されていなかった。

さらに、位相整合特性に特殊な形状を持たせている場合にも熱の分布による屈折率変化は問題となる。例えば非特許文献２や非特許文献３にあるように、周期分極反転構造の周期を光の伝搬方向に対して変化させていく方法や、周期分極反転構造の一部に位相反転構造を付与することで、帯域拡張や複数ピーク化などの位相整合特性の形状を設計することができる。しかしながら、これらの手法は、導波路の屈折率分布が均一であることを前提とした上で成立する。つまり、入力する光パワーが比較的小さい場合は所望の特性を得ることができるが、ハイパワー入力により導波路内に屈折率の分布ができてしまうと、設計した位相整合特性は得られず、特性が大幅に低下してしまうという問題があった。

それゆえ通常では、ハイパワー出力のための波長変換には、バルク結晶か導波路幅の広いスラブ型を用いらざるをえなかった。構造を大きくすることで熱の寄与を小さくすることができる。

しかしながら、バルクやスラブ型を用いる場合には、変換効率が導波路型に比べると落ちるため、消費電力が大きくなってしまうという問題があった。さらに、バルクやスラブ型の導波路では、波長変換素子をシングルモードで動作させることが難しいなどの問題もあった。

また、素子の作製誤差によっても同様に高効率な波長変換が困難となる。光導波路の幅や厚みによって導波路の屈折率が決定されるため、幅や厚みがばらついてしまうと、熱の影響と同様に導波路内に屈折率分布が生じ、位相整合波長もばらついてしまうことになる。その結果、位相整合波長の半値幅が大きくなってしまう場合や複数のピーク構造を生じてしまう場合がある。位相整合曲線の積分値は構造により一定であるため、半値幅が大きくなるとそれに伴い変換効率の最大値（ピーク値）は下がることになる。従って、半値幅の増大や複数のピークは高効率の波長変換には好ましくない。

本発明は上記従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、２次非線形材料の光導波路において、導波路作製誤差やハイパワー光入力時の導波路内の熱分布を制御することが可能となり、高効率かつ高出力の波長変換素子を提供することである。

上記の課題を解決するために、実施形態に記載された発明は、ベース基板と、該ベース基板上に設けられ、分極反転構造を有する２次非線形光学結晶からなるリッジ型の光導波路と、該光導波路上に形成されたオーバークラッド層とを備える波長変換素子の製造方法であって、前記オーバークラッド層を、紫外線照射により屈折率が変化する材料により形成する第１工程と、前記光導波路上に形成された前記オーバークラッド層を前記光導波路の導波方向にｎ個（ｎ≧２）の領域に区分けし、当該オーバークラッド層の前記ｎ個の領域のうちの所定の領域にのみ紫外線照射することにより、位相整合条件を満たすように当該オーバークラッド層の屈折率を調整する第２工程とを含むことを特徴とする波長変換素子の製造方法である。

波長変換素子の基本構造例の説明図である。 低パワー入力および高パワー入力における位相整合曲線を示す図である。 本実施形態の波長変換素子の構成の説明図である。 ＧｅＯ_２添加石英ガラスにおける屈折率変化の紫外線照射時間依存性を示す図である。 紫外線照射後の位相整合波長シフト量のオーバークラッド層の厚さ依存性を示す図である。 本発明における波長変換素子作製プロセスを示す図で、導波路作製後に設置する領域分割マスクを示す図である。 本発明における波長変換素子作製プロセスを示す図で、導波路への高屈折率樹脂滴下を示す図である。 本発明における波長変換素子作製プロセスを示す図で、導波路への高屈折率樹脂滴下に伴う位相整合曲線の変化を示す図である。 本発明における波長変換素子作製プロセスを示す図で、導波路へオーバークラッドを形成することを示す図である。 本発明における波長変換素子作製プロセスを示す図で、導波路へ遮蔽マスクを設置し、紫外光を照射することを示す図である。 本発明における波長変換素子の完成図である。 本発明による屈折率調整を行う前後の波長変換素子の位相整合曲線を示す図である。 寸法が不均一な波長変換素子を示す説明図である。 寸法が均一な波長変換素子と不均一な波長変換素子における位相整合曲線を示す図である。 本発明による屈折率調整を寸法が不均一な波長変換素子に適応した後の位相整合曲線を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態の波長変換素子は、ベース基板と、該ベース基板上に設けられ、分極反転構造を有する２次非線形光学結晶からなるリッジ型の光導波路と、該光導波路上に形成され、導波方向にｎ個（ｎ≧２）の領域に分割されたオーバークラッド層とを備え、該オーバークラッド層の任意の領域を紫外線照射して、当該オーバークラッド層の屈折率を調整している。オーバークラッド層の屈折率は、位相整合特性を満たすように調整される。

本実施形態の波長変換素子を説明する前に、図１を用いて波長変換素子の基本的な構造について説明する。すなわち、オーバークラッド層の形成前の波長変換素子について説明する。図１は、波長変換素子の基本構造例の概略を示す図である。図１（ａ）は導波路の側面を示す図であり、図１（ｂ）は破線部分の断面図を表す図である。図において、導波路中の上下の矢印は周期分極反転構造による分極の向きを表している。図１に示すように、波長変換素子は、分極反転構造を施したＺｎドープニオブ酸リチウムからなる導波路基板を加工して形成されたリッジ型の光導波路２と、Ｍｇドープニオブ酸リチウムからなるベース基板１とが直接接合法により貼り合わされた基本構造を備え、光導波路２に１つ以上の入力光を入射することで、変換光が出力されるものである。波長変換素子は、素子全体の温度調整を行なうために、支持基板の下に半導体を用いたペルチェ素子等の温度調節素子を配置し、素子全体の温度調節を行いながら用いることが多い。

非線形過程としては、第二高調波発生、和周波発生、差周波数発生、パラメトリック増幅、およびそれらの複数の組み合わせが可能である。本実施形態では、効果を最も簡単に記述できる点から第二高調波発生を行う場合を用いて説明するが、それ以外の非線形過程であっても実現可能である。

図１に示す波長変換素子では、リッジ型の光導波路２に入射した波長１５６０ｎｍの入力光（基本波光)は導波路２内での第二高調波発生過程により波長７８０ｎｍの光に変換される。周期分極反転構造をもつ波長変換素子で波長変換が実現するには、まず基本波光と、結晶内で発生する第二高調波光との間で位相整合条件が満たされる必要がある。すなわち、基本波光の波長および屈折率をλｆ、ｎｆとし、第二高調波の波長および屈折率をλｓｈ、ｎｓｈとすると、擬似位相整合条件を満たす分極反転構造の周期Λとは、以下の（式１）を満足しなくてはならない。

第二高調波光パワーが基本波光パワーに比べ十分小さい状態（小信号近似下）では、第二高調波光パワーは基本波光パワーの２乗に比例して大きくなる。第二高調波光パワーが基本波光パワーと同程度まで増大すると、第二高調波発生に伴う基本波光パワーの減衰が顕著になり、結果として第二高調波光パワーは基本波光パワーにほぼ比例して大きくなる。しかしながら、図１に示す波長変換素子においては、基本波光パワーがある一定以上を超えると、熱の影響により第二高調波光パワーが線形増加から乖離してくる様子が観測される。どの程度の入力パワーで熱の影響が現れるかは、結晶品質にも依存するが、およそ１０００ｋＷ／ｃｍ＾２を超える入力パワーを入れる場合には考慮が必要である。本実施形態の波長変換素子では、１００ｍＷ程度の入力パワーから熱の影響が出始めると考えられる。各基本波光パワーレベルにおける、基本波波長に対する第二高調波光出力依存性（以下、位相整合特性）を調べた。

図２（ａ）（ｂ）は、基本波光パワーがそれぞれ１ｍＷ、５００ｍＷの場合の位相整合特性を示す図である。基本波光パワーが１ｍＷの場合、図２（ａ）に示すように、熱の影響が無視できるほど小さいため、理想的なｓｉｎｃ＾２の曲線が得られている。熱により導波路内で屈折率の分布ができるということは、位相整合条件（式１）を満たす波長が導波路内で異なることを意味する。つまり、ある一定の基本波波長に対しては、素子の実効長が短くなってしまうことに相当する。変換効率は素子長の２乗に比例するため、素子の実効長が実質的に短くなることは、変換効率に大きな影響を与える。図２（ｂ）の基本波光パワー５００ｍＷに対する位相整合特性を見ると、ピークが分離していることが判る。素子全体はペルチェ素子で温調しているものの、局所的な熱の影響により屈折率分布ができているため、位相整合曲線の形に変化が現れている。メインのピークは長波長側にシフトし、かつ複数のピークが発生し、第二高調波光出力が劣化する。このままでは、波長変換効率が下がってしまうため、何らかの調整が必要である。

本実施形態の波長変換素子では、オーバークラッド層の各々の領域ごとにオーバークラッド層形成後に紫外線照射して屈折率を調整することにより、波長変換効率の低下を抑制している。図３は、本実施形態の波長変換素子の概略を示す図である。図３（ａ）は側面図であり、図３（ｂ）、（ｃ）は断面図を示している。本実施形態の波長変換素子は、ベース基板１の上に設けられたリッジ導波路２の上面および側面に、オーバークラッド層３ａ、３ｂとして、紫外光を照射すると屈折率が変化するＧｅＯ_２添加石英ガラスをさらに設けている。オーバークラッド層３ａ、３ｂは、紫外光の照射領域（３ｂ）と非照射領域（３ａ）とから構成される。紫外光の照射領域のオーバークラッド層３ｂの屈折率は、非照射領域のオーバークラッド層３ａの屈折率よりも大きくなっている。例えば、リッジ導波路２の長さを５０ｍｍ、導波路幅を７μｍ、導波路高さを４μｍに形成した場合、オーバークラッド層３ａ、３ｂであるＧｅＯ_２添加石英ガラスの厚みは０．５μｍとすることができる。オーバークラッド層３ａ、３ｂは導波路の長手方向に例えば８つの領域に分割されており、領域ごとに紫外光の照射／非照射を選択して作製することができる。

オーバークラッド層３ａ、３ｂの厚みが０．５μｍ以上で、照射領域と非照射領域が分離されていれば屈折率を調整することができるが、より好ましくは本実施形態の波長変換素子のように複数個に領域を分割して、それぞれの領域毎に照射、非照射を選択することでより制御性を高くすることができる。

図４はＧｅＯ_２無添加の石英ガラスとの比屈折率差が０．７％となる９ｍｏｌ％ＧｅＯ_２添加石英ガラスにおける、波長１５６０ｎｍでの屈折率変化の紫外光照射依存性を示す図である。図４によれば、およそ６時間の照射により、屈折率が１．０×１０^−２ほど上昇していることが分かる。第二高調波の波長である０．７８ｎｍにおける屈折率も同様に変化しており、従って（式１）のｎｓｈ−ｎｆは紫外光照射により変化することになる。このような性質をもつＧｅＯ_２の石英ガラスをオーバークラッド層として用いると、屈折率変化を及ぼしたい領域のみに限定して屈折率を変化させることができるため、位相整合曲線の形を整えるトリミングには最適である。ＧｅＯ_２の石英ガラスをオーバークラッド層として用いて紫外光の照射により屈折率を変化させる方法は石英系光導波路回路ではよく用いられている（非特許文献４）。因みに、このような石英系光導波路回路でＧｅＯ_２の石英ガラスをオーバークラッド層として用いる用途は隣接する複数導波路間の位相差の調整であり、本実施形態の波長変換素子に用いられるような非線形光学素子、特に周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウムリッジ導波路素子に適用した例はなく、どの程度の厚みのオーバークラッドを形成する必要があるか、また具体的な作成方法に関する報告はなかった。

図５は導波路構造における位相整合波長シフト量のオーバークラッド厚依存性を示す図である。照射時間は作製に実用的な６時間までとした。位相整合の帯域は通常０．２ｎｍであり、帯域と同程度、すなわち２℃程度の温度差を補償できれば十分有効であると考えられる。グラフから０．５μｍ以上のオーバークラッド厚でこの０．２ｎｍの波長シフト分の屈折率調整が可能であることが分かる。しかも０．５μｍ未満では、位相整合波長シフト量の厚み依存性が大きく、作製制御が困難である一方、０．５μｍ以上では位相整合波長シフト量は飽和傾向であることも判明した。従って、０．５μｍ厚以上のオーバークラッドを導波路に形成し、照射領域と非照射領域を適切に切り分けることによって、位相整合特性の劣化を補償し、高効率な波長変換が実現できることが今回初めて明らかになった。

次に、本実施形態の波長変換素子の作製工程について説明する。本実施形態の波長変換素子では、例えば、波長１５６０ｎｍの基本波光を入力し、波長７８０ｎｍの第二高調波を発生させるが、この場合、分極反転周期はおよそ１７μｍになる。分極反転構造は、電界印加法により形成した。図１の波長変換素子の基本構造と同様に、導波路基板としてＺカットＺｎ添加ＬｉＮｂＯ_３基板を用い、ベース基板としてＺカットＭｇ添加ＬｉＮｂＯ_３基板を用いて基本構造を作成する。導波路基板とベース基板は、熱膨張係数がほぼ一致している。また、導波路基板の屈折率とベース基板の屈折率はほぼ等しいが、ベース基板のほうが若干小さい。なお、導波路基板及びベース基板は何れも両面が光学研磨されてある３インチウエハであり、基板厚さはそれぞれ３００μｍ、５００μｍである。導波路基板及びベース基板の表面を通常の酸洗浄あるいはアルカリ洗浄によって親水性にした後、これら二つの基板を清浄雰囲気中で重ね合わせた。そして、この重ね合わせた第一及び第二の基板を電気炉に入れ、例えば、４００℃で３時間程度熱処理することにより拡散接合を行った。今回は、二つの基板を直接接合により接合したが、アンダークラッドとして接着層や誘電体層を間に挟んだ構造としてもよい。

次に、研磨装置を用いて、接合された基板の導波基板の厚さが数μｍになるまで研磨加工を施した。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより鏡面の研磨表面を得ることができた。この薄膜基板は、接着剤を用いず、導波基板とベース基板とを熱処理による拡散接合によって直接貼り合わせることにより作製したため、３インチウエハの全面積にわたって均一な組成、膜厚を持つものであった。

その後、作製した薄膜基板を用い、光導波路の作製手段としてはドライエッチングプロセスを用いて波長変換素子を作製した。即ち、薄膜基板（導波基板）の表面に通常のフォトリソグラフィのプロセスによって導波路パターンを作製した後、ドライエッチング装置に基板をセットし、Ａｒガスをエッチングガスとして薄膜基板（導波基板）の表面をエッチングすることによりリッジ型光導波路を作製した。リッジ導波路形状は、コア高さ４μｍ、コア幅７μｍである。本実施形態においては、光導波路の作製手段としてはドライエッチングプロセスを用いたが、ダイシングなどの機械加工の技術を用いてもよい。ここまでの工程により、図１の波長変換素子が作製できる。

次いで、オーバークラッド層の屈折率を調整するために、導波路のオーバークラッドのどの領域に紫外光を照射／非照射するかを決める必要がある。まず、図６のように、作製した直接接合リッジ導波路に、導波路領域を８分割程度に区切った分割マスク１０を設置する。この分割マスク１０は金属、ガラス、樹脂等の材料で作成可能であり、隣あった領域と独立している穴１１が開いている。導波路間隔および導波路長に合わせて領域の長さや間隔が設計されている。そこで、まず、導波路に光を導入し、実際の動作条件にしたうえで、波長可変光源等を用いて、位相整合曲線を測定する。そして、図７に示すように各領域に開いた穴１１ａ、１１ｂ、１１ｃ・・・に順番に、例えば、０．７８μｍ帯において１．７０前後の高屈折率となる樹脂接着剤を滴下していく。この樹脂は紫外光照射型のもので、紫外光を照射すると硬化が起こり、未照射では硬化しない性質を持っている。滴下は例えば隣の領域に順番に行っていくが、各領域が区切られているために隣の領域に広がることはない。樹脂は粘度が高く、滴下量を制御することにより、およそ２μｍ厚のオーバークラッド層を形成することができる。

図８はオーバークラッド層の屈折率の変化による位相整合曲線の変化を示す図である。１．７０前後の高屈折率のオーバークラッドを形成すると、形成領域の導波モードの屈折率は変化し、位相整合波長が例えば１２ｎｍ程度短波長側へずれることになる。この状態で位相整合曲線を測定すると、この領域の波長変換の寄与分が離れた帯域へ移動し、位相整合曲線が図８（ａ）から図８（ｂ）へと変化する。変換効率は長さの２乗に比例するため、１／８の寄与が無くなることはすなわち、１／８長さが短くなることを意味し、元々の波長における変換効率は下がっていく。しかしながら、このとき、もしこの領域の寄与分がサブピークを形成しているのならばこのピークは消失することになる。次の領域への滴下によって、位相整合曲線は図８（ｂ）から図８（ｃ）へと変化した。

このように順番に各領域の波長変換における寄与分を別の帯域にシフトさせることにより、どの領域にどの程度の屈折率変化を与えればよいかが分かる。各領域における照射／非照射の判定が終了した後は、滴下した樹脂製接着剤を有機溶剤等により剥離して取り除くことができる。本実施形態の波長変換素子では連続して順番に滴下を行ったが、１領域毎に樹脂の滴下と剥離を繰り返してもよい。

照射領域が決定した後は図９に示すように、導波路２全面にオーバークラッド層３として０．５μｍ厚のＧｅＯ_２添加石英ガラスを堆積した。堆積にはスパッタ法を用いたが、ＣＶＤ法を用いることもできる。ＧｅＯ_２の添加量は例えば９ｍｏｌ％とした。また、層の厚みは０．５μｍ以上であればよく、上記の値に限定されるものではない。今回は屈折率変化を大きくするために、約１００気圧の高圧の水素中に３−５日間程度放置する水素ローディング法を実施したが、必要な屈折率変化量次第では省略することができる。

その後、オーバークラッド層３の照射領域に紫外光を照射する。図１０に示すように、上述した試験により判定された照射領域に穴１１があいており、非照射領域は塞がっている金属性の遮蔽マスク１２を作製し導波路に配置した。これは金属製で２０μｍ程度の十分な厚みがあり、穴１１が開いてない部分に紫外光が照射されても基板に到達しない。この遮蔽マスク１２を導波路に配置し、紫外光照射を例えば波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーを用いて、２００ｍＪ／パルスの強度で２０Ｈｚのパルス繰返しでおよそ６時間程度照射した。この遮蔽マスク１２は基板全体の導波路特性を反映して作製されているため、一括で照射を完了させることができる。

このような処理を施すことにより、図１１に示すように導波路２の特定の領域３ｂのみ紫外光が照射された導波路素子をウエハ単位で作製することができた。この導波路素子中の一つの素子について位相整合曲線を測定すると、オーバークラッド形成および紫外光照射による屈折率調整前には図１２（ａ）に示されるような曲線であったが、上述してきたプロセスによる屈折率調整後には図１２（ｂ）に示されるような、非常に理想に近い形状の位相整合曲線であった。本実施形態の波長変換素子では、実際の動作条件下で、屈折率調整が必要な領域および変化量を見積もっているため、設計と一致しやすく誤差が少ないというメリットがある。今回の例では、紫外線照射は一度のみ行ったが、２回から３回ほど分割して行い、各領域の屈折率をさらに詳細に調整することもできる。また、本例では導波路の長手方向の領域分割数を８としたが、この数に限定されるものではない。しかしながら、実験の結果、領域分割数を４以上としたほうが、紫外光照射による屈折率調整効果が大きく、屈折率調整による位相整合特性の改善により有効であることが分かった。

一方、紫外光照射により導波路の屈折率が変化するために、位相整合波長が６ｎｍほど短波長側へシフトするので、素子設計の段階でこの分を差し引いておく必要がある。

本実施形態の波長変換素子では、ＧｅＯ_２無添加の石英ガラスとの比屈折率差Δが０．７％程度となるように、ＧｅＯ_２の添加量を９ｍｏｌ％としたが、屈折率変化をさらに大きくするために添加量をさらに増やしてもよい。紫外光照射による屈折率変化の効果を用いて導波路の屈折率調整を行うためには９ｍｏｌ％以上の添加量が望ましい。

オーバークラッド層がない波長変換素子では、低入力パワーで熱の影響が少なくとも、同様の位相整合曲線の乱れが生じることがある。上述したように、導波路の屈折率は、光導波路の幅や厚みによって決定されるため、幅や厚みがばらついてしまうと、熱の影響と同様に導波路内に屈折率分布が生じ、位相整合波長もばらついてしまうことになる。図１３に幅や厚みが不均一な導波路の例を示す。図１３（ａ）はオーバークラッド層がない波長変換素子側面図である。図１３の例では導波路の中央（図１３（ｃ））に比べて、導波路の左側（図１３（ｂ））では幅は広くなり、右側（図１３（ｄ））では厚みが大きくなっている。導波路の幅が増える、あるいは導波路の厚みが増えると位相整合曲線は短波長側にずれる。その結果、位相整合波長の帯域が広くなり変換効率が下がる場合や複数のピーク構造を生じてしまう場合がある。図１４（ａ）に均一な導波路の位相整合曲線、図１４（ｂ）に不均一な導波路の位相整合曲線を示す。図１４（ｂ）では、図２（ｂ）と同様に複数のピークが発生し、半値幅も大きくなっていることが分かる。

そこで上記実施形態で説明したように紫外光の照射領域と非照射領域を有するオーバークラッド層による屈折率調整を実施したところ、位相整合曲線は図１５のように線幅の細い理想的なｓｉｎｃ^２形状に近づき波長変換効率が向上した。波長１５６０ｎｍの基本波光を入力し、波長７８０ｎｍの第二高調波を発生させる場合において、３０ｍＷの基本波の入力に対して、屈折率調整前では１５ｍＷの第二高調波出力しか得られなかったものが、紫外光の照射領域と非照射領域を有するオーバークラッド層を採用することにより、波長変換効率が上がり、２２ｍＷの第二高調波出力を得ることができた。

以上の実施形態では、光導波路としては、ＺｎドープＬｉＮｂＯ_３を用いた例を挙げて説明したが、ＺｎドープＬｉＮｂＯ_３に代えて、ＫＮｂＯ_３ 、ＬｉＴａＯ_３ 、ＬｉＮｂ_（ｘ） Ｔａ_{（１−ｘ）} Ｏ_３ （０≦ｘ≦１）もしくはＫＴｉＯＰＯ_４ 、または、これらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、もしくはＩｎから選ばれた少なくとも一種を添加物として含有した材料を用いてもよい。

ベース基板としては、ＭｇドープＬｉＮｂＯ_３を用いた例を挙げて説明したが、ＭｇドープＬｉＮｂＯ_３に代えて、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂ(x)Ｔａ(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ₄、または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有する材料、石英、または酸化珪素を主成分とする高融点材料からなる材料を用いても良い。

また、オーバークラッドの材料として、ＧｅＯ_２添加石英ガラスに代えてＳｉＯ_２に窒素を添加したＳｉＯＮガラスを用いてもよい。

波長１５６０ｎｍの基本波光を入力し、波長７８０ｎｍの第二高調波を発生させる場合において、５００ｍＷの基本波の入力に対して、従来では２３０ｍＷの第二高調波出力しか得られなかったものが、以上の実施形態にかかる波長変換素子によれば、波長変換効率が上がり、３５０ｍＷの第二高調波出力を得ることができた。

本発明によれば、２次非線形光学結晶のリッジ型導波路において、ハイパワー入力が可能で高い変換高率を得ることができ、さらに位相整合特性の状況に応じて適切に調整することが可能な波長変換素子を提供することができる。また、２次非線形材料の光導波路において、導波路作製誤差やハイパワー光入力時の導波路内の熱分布を制御することが可能となり、高効率かつ高出力の波長変換素子、ならびにそれを用いた波長変換装置を提供することができる。

１ ベース基板
２ 光導波路
３、３ａ、３ｂ オーバークラッド層
１０ 分割マスク
１１ 穴
１２ 遮蔽マスク

Claims (7)

1. ベース基板と、該ベース基板上に設けられ、分極反転構造を有する２次非線形光学結晶からなるリッジ型の光導波路と、該光導波路上に形成されたオーバークラッド層とを備える波長変換素子の製造方法であって、
   前記オーバークラッド層を、紫外線照射により屈折率が変化する材料により形成する第１工程と、
   前記光導波路上に形成された前記オーバークラッド層を前記光導波路の導波方向にｎ個（ｎ≧２）の領域に区分けし、当該オーバークラッド層の前記ｎ個の領域のうちの所定の領域にのみ紫外線照射することにより、位相整合条件を満たすように当該オーバークラッド層の屈折率を調整する第２工程とを含むことを特徴とする波長変換素子の製造方法。
2. 前記第１工程に先立って、前記光導波路を導波方向に前記ｎ個の領域に区分けし、当該ｎ個の各領域の光導波路の上に仮オーバークラッド層を順次形成して位相整合曲線を測定することにより、前記第２工程において紫外線照射する前記所定の領域を予め決定する予備工程とをさらに含み、前記仮オーバークラッド層は、前記各領域での光導波路上に形成することで当該領域での導波モードの屈折率を変化させる材料から成り、前記位相整合曲線を測定した後に除去されることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子の製造方法。
3. 前記オーバークラッド層はＧｅＯ₂を添加した石英ガラスから構成され、該オーバークラッド層のＧｅＯ₂添加量は９ｍｏｌ％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換素子の製造方法。
4. 前記光導波路は、ＬｉＮｂＯ₃ 、ＫＮｂＯ₃ 、ＬｉＴａＯ₃ 、ＬｉＮｂ_(x) Ｔａ_(1-x) Ｏ₃ （０≦ｘ≦１）もしくはＫＴｉＯＰＯ₄ 、または、これらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、もしくはＩｎから選ばれた少なくとも一種を添加物として含有した材料から構成され、
   前記オーバークラッド層はＧｅＯ₂を添加した石英ガラスから構成され、０．５μｍ以上の厚さであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の波長変換素子の製造方法。
5. 前記光導波路は、ＬｉＮｂＯ₃ 、ＫＮｂＯ₃ 、ＬｉＴａＯ₃ 、ＬｉＮｂ_(x) Ｔａ_(1-x) Ｏ₃ （０≦ｘ≦１）もしくはＫＴｉＯＰＯ₄ 、または、これらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、もしくはＩｎから選ばれた少なくとも一種を添加物として含有した材料から構成され、
   前記オーバークラッド層はＳｉＯＮガラスから構成され、０．５μｍ以上の厚さであることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換素子の製造方法。
6. 前記ベース基板は、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）もしくはＫＴｉＯＰＯ₄、または、これらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、もしくはＩｎから選ばれた少なくとも一種を添加物として含有する材料、石英、または酸化珪素を主成分とする高融点材料から構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の波長変換素子の製造方法。
7. 前記領域数ｎは４以上であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の波長変換素子の製造方法。