JPH03209891A - 非線形光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 この発明は、青色レーザ光源を供給する非線形光学素子
に関するものである。

［従来の技術］ 光ディスク等への応用から可視光帯、特に波長４００ｎ
ｍ帯の半導体レーザ（ＬＤ）の開発が望まれている現在
、その材料として、２．６　ｅ　Ｖ以上の禁止帯幅を有
するＺｎ５ｅ、ＺｎＳ等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体が
注目されている。しかしながら、これらの材料はダイオ
ードを作製するために必要なｐ−ｎ接合の形成が極めて
困難であるという大きな問題をかかえている。

そごで、ｐ−ｎ接合からなるダイオードの構成をとらず
に、青色レーザ光を得ることのできるＳ　ＨＧ　（Ｓｅ
ｃｏｎｄ　ｌ（ａｒｍｏｎｉｃ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ
：第２高調波）素子に大きな期待がかかっている。

一般にＺｎ５ｅ、ＺｎＳで代表されるｎ−ｖｔ族化合物
半導体は、非線形光学効果が強く、また吸収帯も波長４
００ｎｍ付近の短波長領域にあるため、青色もしくはさ
らに短波長のレーザ光を発するＳＨＧ素子用の材料とし
て有望である。

第８図は従来のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いたＳＨ
Ｇ素子の構造を示す概念図である。

第８図において、１０１はＧａＡｓ基板、１０２および
１０２′はＺ　ｎ　ＳＯ，Ｏ５Ｓ　ｅ　Ｏ，９５単結晶
薄膜からなるクラッド層（光閉じ込め用）、１０３はＺ
ｎ５ｅ単結晶薄膜からなる光導波層である。

なお光導波層１０３の層厚は０．５μｍ、クラッド層１
０２および１０２°の層厚は５μｍである。

またレーザ光源１０４としては、ＧａＡｓ　／　Ａ　Ｉ
　ＧａＡｓＤＨレーザが用いられる。

このように構成されるＳＨＯ素子１０５において、レー
ザ光源１０４より、基本波り、となる波長λ−０，８４
μｍのレーザ光を光導波層１０３の片端面に入射させて
、この光導波層１０３中にレーザ光を伝搬させると共に
、Ｚｎ５ｅの強い非線形光学効果により高調波を発生さ
せ、基本波りと、この高調波との位相整合をとることで
、反対側の端面より、１／２波長すなわちλ−０，４２
ｎｍの２倍高調波Ｌ２を得ようとするものである。

このようにＳＨＯ素子１０５において、２倍高調波Ｌ２
を効率的に取り出すために、基本波りと、非線形光学効
果により発生させた高調波との位相整合をとる方法には
、複屈折を利用する方法モード分散を利用する方法およ
びチェレンコフ放射を利用する方法等がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記３種の位相整合法には、各々以下に
示す問題点がある。

複屈折を利用する場合は、例えば基本波Ｌ１のＴＥモー
ドと高調波のＴＭモードとの実効屈折率を温度を制御す
ることによって、一致させる。しかし、これには誤差±
０．１°Ｃ以下の精密な温度制御系が必要となり、非常
に困難となる。

またモード分散を利用する場合は、基本波りの最低次モ
ードと高調波の高次モードとの実効屈折率を一致させる
。しかし、これには精密な温度制御系が必要となり、さ
らに光導波層１０３の層厚を精密に制御することが必要
となり、非常に困難となる。

チェレンコフ放射は、媒質の位相速度より大きな位相速
度を持った波すなわち高調波が、媒質中にある角度で放
射する現象である。したがってこのチェレンコフ放射を
利用する場合、基本波りの導波モードと高調波の放射モ
ードとの非線形結合を利用することによって、位相整合
は自動的に満足される。しかしながら、第８図に示す従
来のＳＨＧ素子１０５のように、基板としてＧａＡｓ基
板１０１を用いた場合、チェレンコフ放射の高調波は全
てＧａＡｓ基板１０１に吸収されるため、チェレンコフ
放射を利用して２倍高調波Ｌ２は得ることができないと
いう問題があった。

この発明の目的は、上記問題点に鑑み、精密な温度制御
系等が不必要であり、極めて容易に位相整合することで
き、かつ高効率な非線形光学素子を提供するものである
。

（課題を解決するための手段〕 請求項（１）記載の非線形光学素子は、Ａ℃２０３基板
と、このＡ　Ｎ　２０　ｓ基板上に形成されたＩＩ−Ｖ
Ｉ族化合物半導体とを備えたものである。

請求項（２）記載の非線形光学素子は、請求項（１）記
載の非線形光学素子において、基板上に形成されたＩＩ
−ＶＩ族化合物半導体が、異なる２種以上のｎ−ｖｔ族
化合物半導体の積層構造からなることを特徴とする 請求項（３）記載の非線形光学素子は、ＬｉＮｂＯ３基
板と、このＬｉＮｂＯ３基板上に形成されたＩＩ−ＶＩ
族化合物半導体とを備えたものである。

請求項（４）記載の非線形光学素子は、請求項（３）記
載の非線形光学素子において、基板上に形成された■−
■族化合物半導体が、異なる２種以上の■■族化合物半
導体の積層構造からなることを特徴とする。

〔作用〕

この発明の非線形光学素子によれば、ＡＩ！、□０３基
板またはＬｉＮｂＣ）＋基板上に■−■族化合物半導体
を備えることにより、これらＡｎ２０３基板およびＬ　
ｉＮ　ｂ　０３基板は、紫外線域から可視域までの広い
領域にわたって透明であるため、チェレンコフ放射によ
る位相整合をすることができる。

またＩ［−ＶＩ族化合物半導体を異なる２種以上の積層
構造とすることにより、非線形光学効果を向上できる。

［実施例］ 第１図はこの発明の第１の実施例の非線形光学素子を示
す斜視図である。

第１図に示すようにＡ　１２０３基板１１上には、Ｚｎ
５ｅ単結晶薄膜からなる光導波層１２を形成し、この光
導波層１２上には、ストライプ形状のＳｉＯ３薄膜膜か
らなるクラッド層１３を形成した。

このような装荷形構造とすることによって、レーザ光の
横方向の閉じ込めを行った。

なお光導波路の層厚は０．３μｍ、光導波路幅は２μｍ
、光導波路長は１５ｍｍとした。

第２図（ａ）、　（ｂ）、　（Ｃ）、　（ｄ）は第１図
に示す非線形光学素子の製造方法の一例を示す工程図で
ある。

第２図（ａ）に示すＡ　１２０３基板１１上に第２図（
ｂ）に示すように、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法
）により、Ｚｎ５ｅ単結晶を結晶成長させて光導波層１
２　（ＺｎＳｅ単結晶薄膜）を形成する。

これにより高品質のＺｎ５ｅ単結晶からなる光導波層１
２が得られた。

なおこの際、原料ガスとして、ジメチル亜鉛（ＤＭＺ）
とセレン化水素（Ｈ２Ｓ　ｅ　）とを用いた。また結晶
成長温度は４００°Ｃ１結晶成長圧力は１０Ｔｏ　ｒ　
ｒとした。

次に第２図（Ｃ）に示すように、光導波層１２の形成後
、その表面に５ｉｎ２膜１３゛を形成する。

そして最後に第２図（ｄ）に示すように、フォトリソグ
ラフィーとエツチングプロセスにより、ＳｉＯ□膜１３
”をストライブ状にエツチングし、クラッド層１３を形
成する。

このように形成した非線形光学素子１４を用いて、半導
体レーザによる波長８４０　ｎｍのレーザ光を基本波り
、とし、先導波層１２にレンズで結合してＳＨＧ実験を
行った結果、基本波り、のパワーが１００ｍＷとすると
、約１ｍＷの安定した２倍高調波Ｌ２　（ＳＨＧ）が得
られ、この際のＳＨＧ変換効率（基本波Ｌ１のパワーと
２倍高調波Ｌ２のパワーとの比）は１％が得られた。

なおこの際、ＳＨＧパターンは、チェレンコフ放射特有
の三日月状であった。

このような構成により、基本波り、と２倍高調波Ｌ２と
の位相整合を行う際にチェレンコフ放射を利用できるた
め、精密な温度制御等が不必要となり、位相整合が非常
に容易となった。

なお光導波層１２は、ＺｎＳＳｅまたはＺｎＣｄ５等の
ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の混晶を用いても良い。

また光導波層１２を異なる２種以上の■−■族化合物半
導体の極薄膜からなる超格子構造にすることによって、
非線形光学効果を向上させ、さらにＳＨＧ変換効率を向
上させることができる。

第３図は第１図に示す光導波層１２を異なる２種以上の
■−■族化合物半導体の積層構造とした場合の一実施例
の非線形光学素子を示す斜視図である。

第３図に示すように、Ａｊ２２０３基板１１上に、Ｚ　
ｎ　Ｓ　ｅ　／　Ｚ　ｎ　Ｓ超格子層３２を形成し、こ
のＺ　ｎ　Ｓ　ｅ　／　Ｚ　ｎ　Ｓ超格子層３２上に、
ストライプ形状のＳｉＯ３薄膜からなるクラッド層１３
を形成した。このＺ　ｎ　Ｓ　ｅ　／　Ｚ　ｎ　Ｓ超格
子層３２は、層厚２５人のＺｎ５ｅと、層厚５０人のＺ
ｎＳとの２種の異なるＩｆ−ＶＩ族化合物半導体を交互
に積層したいわゆる超格子構造であり、５０周期である
。

なおこのＺ　ｎ　Ｓ　ｅ　／　Ｚ　ｎ　Ｓ超格子層３２
の形成は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用い
た。また光導波路の層厚は０．３μｍ、光導波路幅は２
μｍ、光導波路長は１５ｍｍとした。

このような装荷形構造とすることによって、レーザ光の
横方向の閉じ込めを行った。

このようにＺｎ５ｅとＺｎＳとの異なる２種のＩＩ−Ｖ
Ｉ族化合物半導体を交互に積層し、その構造を超格子状
とすることにより、非線形光学効果を向上させ、ＳＨＧ
変換効率をさらに向上することができる。

また上記実施例において、ＡＩ！、２０３基板１１と光
導波層１２．３２との格子不整合により、その界面に転
位が発生し、結晶性が劣化するのを防ぐには、このＡ　
Ｅ　２０３基板１１と光導波層１２３２との間にＺｎＳ
層等のバッファ膜を形成するのが効果的である。

第４図（ａ）、　（ｂ）はＡ　１２２０３基板１１と、
光導波層１２またはＺ　ｎ　Ｓ　ｅ　／　Ｚ　ｎ　Ｓ超
格子層３２との間にＺｎＳ層等のバッファ膜を形成した
一実施例の非線形光学素子を示す斜視図である。

第４図（ａ）に示すように、ＡＩ！、２０３基板１１上
に、ＺｎＳ層からなるＺｎＳバッファ膜４４を形成し、
このＺｎＳバッファ膜４４上に、Ｚｎ５ｅ単結晶薄膜か
らなる光導波層１２を形成し、この光導波層重２上に、
ストライプ形状のＳｉＯ＋Ｆ［膜からなるクラッド層１
３を形成した。

また第４図（ｂ）に示すように、Ａ　ｆ　２０　’ｓ基
板１１上に、Ｚｎ５ｌｉからなるＺｎＳバッファ膜４４
を形成し、このＺｎＳバッファ［４４上にＺｎ５ｅ／　
Ｚ　ｎ　Ｓ超格子層３２を形成し、このＺｎ５ｅ／Ｚｎ
Ｓ超格子層３２上に、ストライプ形状の５ｉ０２薄膜か
らなるクラッド層１３を形成した。

この際、ＺｎＳバッファ膜４４の膜厚は０．４μｍとし
た。またＺｎ５ｅ単結晶薄膜からなる光導波層１２の形
成は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いた。

１ このようにＡｌ２Ｏ３基板１１と、光導波層１２マｔ、
＝　ハＺ　ｎ　Ｓ　ｅ　／　Ｚ　ｎ　Ｓ超格子層３２と
の間に形成したＺｎＳバッファ膜４４により、先導波路
の伝搬損失が低減でき、−層のＳＨＧ変換効率の向上が
見られた。

なおＺｎＳバッファ膜４４は、光導波層１２よりも低い
屈折率をもつならば、ＺｎＳＳｅ混晶であってもよい。

第５図はこの発明の第２の実施例の非線形光学素子を示
す斜視図である。

第５図に示すようにＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　０３基板５１上に
は、Ｚｎ５ｅ単結晶薄膜からなる光導波層１２を形成し
、この光導波層１２上には、ストライプ形状の５ｉＯｚ
Ｆｉ膜からなるクラッド層１３を形成した。このような
装荷形構造とすることによって、レーザ光の横方向の閉
じ込めを行った。

なお先導波路の層厚は０．３μｍ、光導波路幅は２μｍ
１光導波路長は１５ｍｍとした。

なお製造方法は、第２図に示すものと同様であり、Ｚｎ
５ｅ単結晶薄膜からなる光導波層１２は、２ 育機金属気相法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて結晶成長させ
た。またクラッド層１３は、フォトリソグラフィーとエ
ツチングプロセスにより、５ｉＯ７膜をストライプ状に
エツチングしたものである。

このように形成した非線形光学素子５２を用いて、半導
体レーザによる波長８４０　ｎｍのレーザ光を基本波Ｌ
１とし、その基本波り、のパワーが１００ｍＷとすると
、出力的１．５ｍＷの安定した２倍高調波Ｌ２　（ＳＨ
Ｇ）が得られ、この際のＳＨＧ変換効率は１，５％が得
られた。またこの構成により、電界印加による屈折率の
制御が可能となる。

また光導波層Ｉ２を異なる２種以上のＩ［−ＶＩ族化合
物半導体の極薄膜からなる超格子構造にすることによっ
て、非線形光学効果を同上させ、さらにＳＨＧ変換効率
を向上させることができる。

第６図は第５図に示す光導波層１２を異なる２種以上の
ｔ＋−■族化合物半導体の積層構造とした場合の一実施
例の非線形光学素子を示す斜視図である。

第６回に示すように、ＬｉＮｂＣ）＋基板５１上に、Ｚ
　ｎ　Ｓ　ｅ　／　Ｚ　ｎ　Ｓ超格子層３２を形成し、
このＺ　ｎ　Ｓ　ｅ　／　Ｚ　ｎ　Ｓ超格子層３２上に
、ストライプ形状の５ｉ０２Ｆ！膜からなるクラッド層
１３を形成した。このＺ　ｎ　Ｓ　ｅ　／　Ｚ　ｎ　Ｓ
超格子層３２は、層厚２５人のＺｎ５ｅと、層厚５ｏ人
のＺｎＳとの２種の異なる■−■族化合物半導体を交互
に積層したいわゆる超格子構造であり、５０周期である
。

なおこのＺ　ｎ　Ｓ　ｅ　／　Ｚ　ｎ　Ｓ超格子層３２
の形成は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用い
た。また光導波路の層厚は０．３μｍ、光導波路幅は２
μｍ、光導波路長は１５ｍｍとした。

このような装荷形構造とすることによって、レーザ光の
横方向の閉じ込めを行った。

このようにＺｎ５ｅとＺｎＳとの異なる２種の■−■族
化合物半導体を交互に積層し、その構造を超格子状とす
ることにより、非線形光学効果を向上させ、ＳＨＧ変換
効率をさらに向上することができる。

また上記第２の実施例において、ＬｉＮｂＯ３基板５１
、と光導波層１２．３２との格子不整合により、その界
面に転位が発生し、結晶性が劣化するのを防ぐには、こ
のＬｉＮｂＯ３基板５１と先導波層１２．３２との間に
ＺｎＳ層等のバッファ膜を形成するのが効果的である。

第７図（ａ）、　（ｂ）はＬｉＮｂＯ３基板５１と、光
導波層１２またはＺ　ｎ　Ｓ　ｅ　／　Ｚ　ｎ　Ｓ超格
子層３２との間にＺｎＳ層等のバッファ膜を形成した一
実施例の非線形光学素子を示す斜視図である。

第７図（ａ）に示すように、ＬｉＮｂＯ３基板５１上に
、ＺｎＳ層からなるＺｎＳバッファ膜４４を形成し、こ
のＺｎＳバッファ膜４４上に、Ｚｎ５ｅ単結晶薄膜から
なる光導波層１２を形成し、この光導波層１２上に、ス
トライプ形状の５ｉＣｈｌ膜からなるクラッド層１３を
形成した。

また第４図（ｂ）に示すように、ＬｉＮｂＯ３基板５１
上に、ＺｎＳ層からなるＺｎＳバッファ膜４４を形成し
、このＺｎＳバッファ膜４４上に、Ｚｎ５ｅ／　Ｚ　ｎ
　Ｓ超格子層３２を形成し、このＺｎ５ｅ／５ ＺｎＳ超格子層３２上に、ストライプ形状の５ｉ０２薄
膜からなるクラッド層１３を形成した。

この際、ＺｎＳバッファ膜４４の膜厚は０．４μｍとし
た。またＺｎ５ｅ単結晶薄膜からなる光導波層１２の形
成は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いた。

このようにＬｉＮｂ○、基板５１と、光導波層１２また
はＺ　ｎ　Ｓ　ｅ　／　Ｚ　ｎ　Ｓ超格子層３２との間
に形成したＺｎＳバッファ膜４４により、光導波路の伝
搬損失が低減でき、−層のＳＨＧ変換効率の向上が見ら
れた。

なおＺｎＳバッファ膜４４は、光導波層１２よりも低い
屈折率をもつならば、ＺｎＳＳｅ混晶であってもよい。

なお以上全ての実施例において、クラッド層１３には、
５ｉＯ８膜を用いたが、ＳｉＮまたはその他の誘電体、
ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、空気クラッド等であっても
よい。

〔発明の効果〕

この発明の非線形光学素子によれば、Ａ　ｌ　２０３６ 基板上またはＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３基板上にＩＩ−ＶＩ
族化合物半導体を備えることにより、これらＡＰ２０３
基板およびＬｉＮｂＯ３基板は、紫外線域から可視域ま
での広い領域にわたって透明であるため、チェレンコフ
放射による位相整合をすることができる。その結果、精
密な温度制御系が必要がなくなり、極めて容易に位相整
合することができる。

またＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を異なる２種以上の積層
構造とすることにより、非線形光学効果を向上できる。

その結果、基本波のパワーと２倍高調波のパワーとの比
であるＳＨＧ変換効率を一層向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例の非線形光学素子を示
す斜視図、第２図（ａ）、　（ｂ）、　（Ｃ）、　（ｄ
）は同実施例の非線形光学素子の製造方法の一例を示す
工程図、第３図は第１図に示す光導波層１２を異なる２
種以上のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の積層構造とした場
合の一実施例の非線形光学素子を示す斜視図、第４図（
ａ）、　（ｂ）はＡ／７２０３基板１１と、光導波層１
２またはＺ　ｎ　Ｓ　ｅ　／　Ｚ　ｎ　Ｓ超格子層３２
との間にＺｎＳ層等のバッファ膜を形成した一実施例の
非線形光学素子を示す斜視図、第５図はこの発明の第２
の実施例の非線形光学素子を示す斜視図、第６図は第５
図に示す光導波層１２を異なる２種以上の■−■族化合
物半導体の積層構造とした場合の一実施例の非線形光学
素子を示す斜視図、第７図（ａ）、　（ｂ）はＬｉＮｂ
０．基板５１と、光導波層１２またはＺ　ｎ　Ｓ　ｅ　
／　Ｚ　ｎ　Ｓ超格子層３２との間にＺｎＳ層等のバッ
ファ膜を形成した一実施例の非線形光学素子を示す斜視
図、第８図は従来のＳＨＧ素子の構造を示す概念図であ
る。 １１・・・Ａｎ、０．基板、５１・・・Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ
　Ｏ３基板 Ｅｐ８：ら士 ５８５−

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ａｌ＿２Ｏ＿３基板と、このＡｌ＿２Ｏ＿３基板
   上に形成されたII−VI族化合物半導体とを備えた非線形
   光学素子。
2. （２）基板上に形成されたII−VI族化合物半導体が、異
   なる２種以上のII−VI族化合物半導体の積層構造からな
   る請求項（１）記載の非線形光学素子。
3. （３）ＬｉＮｂＯ＿３基板と、このＬｉＮｂＯ＿３基板
   上に形成されたII−VI族化合物半導体とを備えた非線形
   光学素子。
4. （４）基板上に形成されたII−VI族化合物半導体が、異
   なる２種以上のII−VI族化合物半導体の積層構造からな
   る請求項（３）記載の非線形光学素子。