JPH04116629A - Wavelength conversion element and production thereof - Google Patents

Wavelength conversion element and production thereof

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JPH04116629A
JPH04116629A JP23837890A JP23837890A JPH04116629A JP H04116629 A JPH04116629 A JP H04116629A JP 23837890 A JP23837890 A JP 23837890A JP 23837890 A JP23837890 A JP 23837890A JP H04116629 A JPH04116629 A JP H04116629A
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single crystal
light
frequency
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孝二 森
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Abstract

PURPOSE:To obtain the second harmonic wave generating element having high conversion efficiency and the high reliability strong to a fluctuation in temp., etc., by forming this element in such a manner that the ordinary light refractive index at the frequency omegaof the incident light on a 2nd layer and a 3rd layer and the extraordinary light refractive index at frequency 2omega of the exit light satisfy a prescribed relation and satisfy the phase matching conditions for generating the second harmonic waves. CONSTITUTION:This element is made into the 3-layered structure laminated and formed with the waveguide phase consisting of a 2nd layer 3 consisting of an LiTayNb1-yO3 single crystal (O<=y<=1, and x<y) varying in the compsn. ratio and a 3rd layer 4 consisting of an LiTazNb1-zO3 single crystal (O<=z<=1, and z<y) on a 1st layer 2 consisting of an LiTaxNbrxO3 single crystal substrate (O<=x<=1) and is so formed that the 2nd layer 3 and the 3rd layer 4 satisfy the conditions of equation I when the ordinary light refractive index at the frequency omega of the incident light is designated as no<omega> and the extraordinary light refractive index at the frequency 2 omega of the exit light as ne<2omega>. The second harmonic wave generating element which allows easy produc tion, has the high conversion efficiency, is strong to a fluctuation in temp., etc., and has high reliability is obtd. in this way.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、第2高調波発生素子、青色発光素子等として
用いられる光波長変換素子及びその製造方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to an optical wavelength conversion element used as a second harmonic generation element, a blue light emitting element, etc., and a method for manufacturing the same.

従来の技術 第2高調波発生(SHG=セカンド・ハーモニック・ジ
ェネレーション)素子とは、非線形光学効果を有する光
学結晶材料」の非線形光学効果を利用して、波長λのレ
ーザ光をλ/2の波長光に変換する素子である。よって
、出射光の波長が入射光の172となり、記録密度を4
倍にできるため、光ディスクを始めとして、CDプレー
ヤ、レーザプリンタ、フォトリソグラフィ等に応用され
つつある。
Conventional technology A second harmonic generation (SHG) element is a device that converts laser light with a wavelength of λ to a wavelength of λ/2 by using the nonlinear optical effect of an optical crystal material that has a nonlinear optical effect. This is an element that converts light into light. Therefore, the wavelength of the emitted light is 172 that of the incident light, and the recording density is 4.
Since it can be doubled, it is being applied to optical discs, CD players, laser printers, photolithography, etc.

ここに、このようなSHG素子として小型、直接変調等
の要求に応えるため、入力光源として半導体レーザが主
流となりつつある。このような半導体レーザを光源とす
る場合、高い変換効率を得る必要上、薄膜導波路構造の
SHG素子が用いられる。良質な光導波路を形成できる
非線形光学効果を持つ光学結晶材料としては、一般にL
iNbO3か最適と考えられている。しかし、LiNb
O3単結晶では、0.82〜0.84amなる半導体レ
ーザの光源波長では位相整合(位相整合とは、入射し・
−ザ光の光導波路中での屈折率=実効屈折率と、第2高
調波光の実効屈折率とが一致することをいう)が不可能
なことが報告されている。これは、LiNbO3の場合
入射光の周波数ωでの常光屈折率n″=2.253、呂
射先の周波数2ωでの異常光屈折率n   =2.28
2となり、位相整合のための必要条件(n  =n  
)を満たさないためである。
In order to meet the demands for small size and direct modulation of such SHG elements, semiconductor lasers are becoming mainstream as input light sources. When such a semiconductor laser is used as a light source, an SHG element having a thin film waveguide structure is used because it is necessary to obtain high conversion efficiency. L is generally used as an optical crystal material with a nonlinear optical effect that can form a high-quality optical waveguide.
iNbO3 is considered to be optimal. However, LiNb
In an O3 single crystal, at the semiconductor laser light source wavelength of 0.82 to 0.84 am, phase matching (phase matching refers to the incident
- It has been reported that the refractive index of the second harmonic light in the optical waveguide (meaning that the effective refractive index of the second harmonic light matches the effective refractive index of the second harmonic light) is impossible. In the case of LiNbO3, the ordinary refractive index n'' at the frequency ω of the incident light = 2.253, and the extraordinary refractive index n = 2.28 at the frequency 2ω of the incident light.
2, and the necessary condition for phase matching (n = n
) is not satisfied.

このようなことから、例えば特開平2〜12135号公
報によれば、波長0.82〜0.84(tmのレーザ光
を基本光とし、LiTa0.単結晶基板上に3.7〜9
.olImのLiNb0.導波層を形成した2層構造と
し、結晶軸に対しO〜35゜の角度で入射させることに
よりSHGの位相整合をとるようにしたものがある。
For this reason, for example, according to Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2-12135, using a laser beam with a wavelength of 0.82-0.84 (tm) as the fundamental light, LiTa0.
.. olIm LiNb0. There is a two-layer structure in which a waveguide layer is formed, and the SHG phase is matched by making the light incident at an angle of 0 to 35 degrees with respect to the crystal axis.

また、電子情報通信学会 技術研究報告9MW89−1
44(7)rLD光源を用いた導波型S HG素子の出
力特性」によれば、LiTa0.単結晶基板上にLiN
b0.薄膜を形成し、さらに、その上にMgOドープの
LiNb01層を形成した3層構造とし、基本波長0.
83pmの半導体レーザ光を5HGi換するようにした
ものが示されている。
Also, the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers Technical Research Report 9MW89-1
According to 44(7) Output characteristics of waveguide type SHG element using rLD light source, LiTa0. LiN on a single crystal substrate
b0. A three-layer structure is formed in which a thin film is formed, and an MgO-doped LiNb01 layer is further formed on the thin film, and the fundamental wavelength is 0.
A device in which 83 pm semiconductor laser light is converted to 5HGi is shown.

発明が解決しようとする課題 前者の公報方式によれば、LiNb0.導波層の膜厚を
変えることにより導波路の実効的屈折率を変えることが
できる。光の導波に際しては、Z軸(光学軸)に対して
位相整合の可能な角度で光を入射させるととにより、位
相整合条件を満足する状態が存在し、SHGが実現され
る。ところが、厳しい角度整合精度が要求されるもので
あり、温度、波長等の変動に対して弱いという欠点があ
る。
Problem to be Solved by the Invention According to the former publication method, LiNb0. By changing the thickness of the waveguide layer, the effective refractive index of the waveguide can be changed. When guiding light, a state exists in which the phase matching condition is satisfied by making the light incident at an angle that allows phase matching with respect to the Z axis (optical axis), and SHG is realized. However, it requires strict angular alignment accuracy and has the drawback of being vulnerable to changes in temperature, wavelength, etc.

一方、後者の文献方式の場合、M g○ドープのLiN
bO3層は元々位相整合条件を満たすように作製した導
波路であり、SHG特性を有している。ところが、位相
整合条件を満足するための膜厚制御とその精度が非常に
難しい。よって、前者の場合と同様に、温度、波長等の
変動に対して弱いという欠点を持つ。
On the other hand, in the case of the latter literature method, Mg○-doped LiN
The bO3 layer is a waveguide originally manufactured to satisfy phase matching conditions and has SHG characteristics. However, controlling the film thickness and its accuracy to satisfy the phase matching conditions is extremely difficult. Therefore, like the former case, it has the disadvantage of being vulnerable to changes in temperature, wavelength, etc.

よって、これらの従来方式による場合、SHG変換効率
が各種変動の影響を大きく受けるため、現実には数%程
度の変換効率しか持たない不十分なものである。
Therefore, in the case of these conventional methods, the SHG conversion efficiency is greatly affected by various fluctuations, and in reality, the conversion efficiency is only a few percent, which is insufficient.

課題を解決するための手段 非線形光学効果を有する光導波路を用いた光波長変換素
子において、L 1TaxNb、−xO,単結晶基板(
但し、O≦x≦1)による第1層上に、組成比の異なる
L I T a 、 N b +□○、単結晶(但し、
0≦y≦I、かつ、x<y)による第2層とL i T
 a、Nbz−,0,単結晶(但し、0≦Z≦1、かつ
、z < y )による第73層とによる導波層を積層
形成した3層構造とし2、入射光の周波数ωでの常光屈
折率をn″とし、出射光の周波数2ωての異常光屈折率
をn2“ とじたとき、前記第2層と前記第3層とを 0<(n ” −n ” )(第2層)−(noω−n
2″)(第3層)≦o、01なる条件を満たすように形
成した。
Means for Solving the Problems In an optical wavelength conversion element using an optical waveguide having a nonlinear optical effect, L 1TaxNb, -xO, single crystal substrate (
However, on the first layer with O≦x≦1), L I T a , N b +□○ with different composition ratios, single crystal (
2nd layer with 0≦y≦I and x<y) and L i T
A,Nbz-,0,single crystal (however, 0≦Z≦1 and z<y) has a three-layer structure in which a waveguide layer is laminated with a 73rd layer 2, and at the frequency ω of the incident light. When the ordinary light refractive index is n'' and the extraordinary light refractive index at the frequency 2ω of the emitted light is n2'', the second layer and the third layer are 0<(n'' - n'') (second layer )-(noω-n
2'') (third layer)≦o,01.

この場合、第1層、第2層及び第3層の各層に少なくと
もMgOをドープさせるとともに、第3層にLi、Be
、Na、Ni、Ti、V、Nd。
In this case, each of the first, second and third layers is doped with at least MgO, and the third layer is doped with Li, Be.
, Na, Ni, Ti, V, Nd.

Cr、に、Ca、Sr、Ce、Baの元素の内の少なく
とも一つの元素をドープさせた。
Cr was doped with at least one of the elements Ca, Sr, Ce, and Ba.

このような光波長変換素子の製造方法として、第1層上
に、少なくとも第2層と第3層とを液相成長法により形
成し、第3層に対してイオン注入法、スパッタリング法
、拡散法又はレーザアブレーション法の何れかのドーピ
ング法により第2層と第3層とが所望の屈折率分布関係
を持つ状態に所望の元素をドープさせるようにした。
As a manufacturing method of such an optical wavelength conversion element, at least a second layer and a third layer are formed on the first layer by a liquid phase growth method, and the third layer is formed by an ion implantation method, a sputtering method, or a diffusion method. The second layer and the third layer are doped with a desired element using a doping method such as a doping method or a laser ablation method so that the second layer and the third layer have a desired refractive index distribution relationship.

作用 Li’T’a、Nb−8○、爪結晶基枦による第1層に
対して、組成比を異ならせたり、iTa、\F)01単
結晶による第2層とLiT’a、\F、−703単結晶
による第3層とによる導波層を積層させた3層構造にお
いて、第2層と第3層とにおける入射光の周波数ωでの
常光屈折率と出射光の周波数2ωでの異常光屈折率とが
所定の関係式を満足すると、第2高調波発生のための位
相整合条件を満たす。このような条件を満たすように第
2,3層の屈折率を微妙に制御することは、請求項3記
載の発明のようなイオン注入法等のドーピング法により
容易である。よって、作製容易にして高変換効率を持つ
温度等の変動に強い高信頼性の第2高調波発生素子が実
現でき、波長0.8μm程度なる半導体レーザでの角度
整合等の不要な直接的な第2高調波発生が可能ともなる
The composition ratio of the first layer made of Li'T'a, Nb-8○, and nail crystal matrix is varied, and the second layer made of iTa,\F)01 single crystal and LiT'a,\F , -703 In a three-layer structure in which a third layer is made of a single crystal and a waveguide layer is laminated, the ordinary refractive index of the second and third layers at the frequency ω of the incident light and the frequency 2ω of the output light are When the extraordinary light refractive index satisfies a predetermined relational expression, the phase matching condition for second harmonic generation is satisfied. Subtle control of the refractive index of the second and third layers so as to satisfy such conditions is easy using a doping method such as an ion implantation method as in the third aspect of the invention. Therefore, it is possible to realize a highly reliable second harmonic generation element that is easy to manufacture, has high conversion efficiency, and is resistant to fluctuations in temperature, etc., and can be used directly without the need for angle matching with a semiconductor laser with a wavelength of about 0.8 μm. It also becomes possible to generate second harmonics.

特に、請求項2記載のように、各層にMgOをドープし
て伝搬損失の少ないものとするとともに、所定の元素を
ドープして第3層を形成することにより、第3層の膜厚
方向の屈折率分布が第2高調波発生のための位相整合条
件を満たすことが容易に実現できる。
In particular, as claimed in claim 2, each layer is doped with MgO to reduce propagation loss, and the third layer is formed by doping with a predetermined element. It is easily realized that the refractive index distribution satisfies the phase matching condition for second harmonic generation.

実施例 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。Example An embodiment of the present invention will be described based on the drawings.

本実施例の光波長変換素子1は、基本的には、第1図(
a)に示すようにLITaXNbl−xO3単結晶基板
(但し、O≦x≦1)による第1層2上に、組成比の異
なるL iTa、Nb+−、O,単結晶(但し、0≦y
≦1、かつ、x<y)による第2層3とL 1. T 
a −N b + −!03単結晶(但し、0≦Z≦1
、かつ、z<y)による第3層4とによる導波層を積層
形成した3層構造からなる。このような薄膜状導波層に
周波数ωの基本波を入射させたときの常光の屈折率をn
″、SHGによって出でくる周波数2ωの異常光の屈折
率をrl 2“ と定義した時、一般には、noω(n
2“ であるため、位相整合条件n″=nyOは満たさ
れない。また、L i T a xN b L−XO,
のような納品にした場合において、組成比Xを変えても
、上記の位相整合条件は満たされず、ωにλ=0.83
μmの半導体レーザのよう・な光を用いた場合、S i
−(Gは実現不可能である。
The optical wavelength conversion element 1 of this embodiment is basically as shown in FIG.
As shown in a), on the first layer 2 made of LITaXNbl-xO3 single crystal substrate (however, O≦x≦1), LiTa, Nb+-, O, single crystal with different composition ratios (however, 0≦y
≦1 and x<y) second layer 3 and L 1. T
a −N b + −! 03 single crystal (however, 0≦Z≦1
It has a three-layer structure in which a waveguide layer is laminated with a third layer 4 and a third layer 4 where z<y. When a fundamental wave of frequency ω is incident on such a thin film waveguide layer, the refractive index of ordinary light is n
'', when the refractive index of the extraordinary light with frequency 2ω produced by SHG is defined as rl 2'', in general, noω(n
2", the phase matching condition n"=nyO is not satisfied. Also, L i T a xN b L-XO,
In the case of delivery, even if the composition ratio X is changed, the above phase matching condition is not satisfied, and λ = 0.83
When using light such as a μm semiconductor laser, Si
-(G is not realizable.

そこで、本実施例では、第1図に示す第1〜3層2〜4
の各層のn″、n2“を、組成比X、37゜Zを変え、
かつ、適当な不純物(ドーパント)を加えることにより
、位相整合条件を温度、波長、膜厚に対して幅広い範囲
で満足するようにしたものである。
Therefore, in this embodiment, the first to third layers 2 to 4 shown in FIG.
By changing the composition ratios X and 37°Z of n″ and n2″ of each layer,
In addition, by adding appropriate impurities (dopants), phase matching conditions can be satisfied over a wide range of temperature, wavelength, and film thickness.

まず、第1層2のL ITaxNb+−xo、単結晶に
対して、第2層3のLiTaxNb1−、○、単結晶は
、屈折率を低くするためにその組成をL i TaO3
に近付ける方向にする。そのためには、X〈yのような
条件で、第2層3を形成する。次に、第3層4のL i
 Ta、N b、、0.単結晶は、n“<02″ なる
条件を逆転させるようなドーパントの導入を行い、n″
〉n  なる条件とする。
First, in contrast to the first layer 2 of LiTaxNb+-xo, single crystal, the second layer 3 of LiTaxNb1-, ○, single crystal has its composition changed to LiTaO3 in order to lower the refractive index.
Move it in a direction that brings it closer to . For this purpose, the second layer 3 is formed under conditions such as X<y. Next, L i of the third layer 4
Ta, Nb,,0. Single crystals are made by introducing dopants that reverse the condition n"<02", and
〉n.

ただし、環境温度、半導体レーザ波長及び導波層膜厚の
変動等に対して安定な位相整合条件を満たすために、第
2層3、第3層4は、 0<(n2″−n″)(第2層)”=(n″−n 2’
)(第3層)≦0.O1なる関係式を満足するように形
成されている。
However, in order to satisfy stable phase matching conditions against changes in environmental temperature, semiconductor laser wavelength, waveguide layer thickness, etc., the second layer 3 and third layer 4 should be 0<(n2''-n''). (Second layer)"=(n"-n 2'
) (third layer)≦0. It is formed to satisfy the relational expression O1.

この条件が満たされたとき、位相整合の様子を示すモー
ド分散カーブ特性を第2図(a)に示す。
FIG. 2(a) shows a mode dispersion curve characteristic showing the state of phase matching when this condition is satisfied.

ちなみに、同図(b)は従来方式によるモード分散カー
ブ特性を示す。図から判るように、同図(b)の従来方
式では入射光であるTM″と5)(G光であるTE  
どの位相整合点が急峻に交わっているのに対し、本実施
例の特性を示す同図(a)によればゆるやかに交わって
おり、前述したような各変動に対して位相整合条件が広
いことを示している。
Incidentally, FIG. 6(b) shows the mode dispersion curve characteristics according to the conventional method. As can be seen from the figure, in the conventional method shown in Figure (b), the incident light TM" and 5) (G light TE
Which phase matching points intersect sharply, whereas according to FIG. It shows.

3層構造全体として見た場合の各層の屈折率分布は第1
図(b)に示すようになっている。第2層3は第1層2
に対してTaとNbの組成比を変えることで、niv、
n2” の屈折率を小さくしている。第3層4について
はn″がn  より太きくるような元素、例えばNa”
、 K”、 Ca”、 N i”T i”、 Nd”、
 L i+などがドーパントとしてドープされている。
When looking at the entire three-layer structure, the refractive index distribution of each layer is the first
It is as shown in Figure (b). The second layer 3 is the first layer 2
By changing the composition ratio of Ta and Nb, niv,
The refractive index of n2" is made small. For the third layer 4, an element such that n" is larger than n, such as Na" is used.
, K”, Ca”, N i”T i”, Nd”,
Li+ or the like is doped as a dopant.

これらのドーパントとしての導入方法としては、液相エ
ピタキシャル成長法及びスパッタリング法、そして、最
近では、イオン注入法により任意にn  、n   を
コントロールすることができる。さらには、レーザアブ
レーション法でもよい。また、全体としては伝搬損失等
の緩和のために、各層にMgOを全体的にドープしてお
くことも必要である。その他のドーパントとしては、ア
ルカリ系を中心として前述したちの以外に、例えばBe
、Ba、Ce、Sr、Cr、V等の元素が有望である。
Methods for introducing these dopants include liquid phase epitaxial growth, sputtering, and recently, ion implantation to control n and n as desired. Furthermore, a laser ablation method may be used. Further, in order to alleviate propagation loss and the like, it is also necessary to dope MgO into each layer as a whole. In addition to the above-mentioned dopants, mainly alkaline dopants, for example, Be
, Ba, Ce, Sr, Cr, V, and other elements are promising.

また、導波層として第3層4を見た場合、00″、n2
″ が第2層3のそれより大きいほうが望ましいことは
いうまでもない。結晶方位と入射光のモードとの関係に
おいても、Xカット、Xカットの結晶についてはTMモ
ードでの入射、Zカット(C軸カット)についてはTE
モードでの入射が基本になることはもちろんである。
Also, when looking at the third layer 4 as a waveguide layer, 00'', n2
It goes without saying that it is desirable that `` is larger than that of the second layer 3. Regarding the relationship between the crystal orientation and the mode of incident light, for X-cut and X-cut crystals, it is preferable that For C-axis cut), TE
Of course, the basic principle is incidence in mode.

ところで、このような基本構成′に基づく実際的なSH
G素子1は例えば第3図に示すように構成すればよい。
By the way, practical SH based on such basic configuration'
The G element 1 may be configured as shown in FIG. 3, for example.

これは、光の利用効率を向上させるためにリッジ型導波
路構造としたものである。基本構造ないしはこの第3図
に示すようなSHG素子の具体的な製造方法を第4図を
参照して説明する。
This has a ridge-type waveguide structure to improve light utilization efficiency. The basic structure or a specific manufacturing method of the SHG element as shown in FIG. 3 will be explained with reference to FIG. 4.

具体例1 まず、第4図(a)に示すように、MgOドープのLi
Nb0.単結晶基板による第1層2上に、液相成長法に
よりLiTa、Nb1−yo、  (但し、O≦y≦1
、ここではy=Q、5)の単結晶薄膜をエピタキシャル
成長させて第2層3を膜厚5μmに形成した。さらに、
第3層4としてMgOドープのLiNb0.を液相成長
で膜厚5μmに成長させた後、同図(b)に示すように
イオン注入法によりNa+をI X 10” [/cn
tlなるドーズ量だけドーズした。この時、イオン注入
が膜厚5μmの第3層4全体に渡って均一となるように
、yOKeVと60KeVとの2段階のエネルギーに分
けて注入を行うようにした。これにより、ドープ層とし
て第3層4が形成される。
Specific example 1 First, as shown in FIG. 4(a), MgO-doped Li
Nb0. On the first layer 2 made of a single crystal substrate, LiTa, Nb1-yo, (where O≦y≦1
, here y=Q, 5) A single crystal thin film was epitaxially grown to form the second layer 3 to a thickness of 5 μm. moreover,
As the third layer 4, MgO-doped LiNb0. After growing the film to a thickness of 5 μm by liquid phase growth, as shown in FIG.
The dose amount was tl. At this time, the implantation was performed at two levels of energy, yOKeV and 60KeV, so that the ion implantation was uniform over the entire third layer 4 having a film thickness of 5 μm. As a result, the third layer 4 is formed as a doped layer.

具体例2 Mg0ドープのL I T a XN b +−xo、
  (但し、OSX≦1であり、ここではx=0.1)
単結晶による第1層2上に、スパッタリング法によって
L iゴayNb1−yoよ (イ旦し、O≦y≦1、
こ二ではy=0.9)の単結晶薄膜を膜厚3μmに形成
した後、結晶性改善のためにアニール(600℃、2時
間、Ar不活性カス中)を施した。その後、電子ビーム
により元素〜′を蒸着させて100人の厚さの膜を形成
し、1000’Cで2時間の拡散を施して第3層4を形
成した。
Specific example 2 Mg0-doped L I T a XN b +-xo,
(However, OSX≦1, here x=0.1)
On the first layer 2 made of single crystal, a sputtering method is applied to form Ligo ayNb1-yo (with O≦y≦1,
In this case, a single crystal thin film with y=0.9) was formed to a thickness of 3 μm, and then annealing (600° C., 2 hours, in Ar inert gas) was performed to improve crystallinity. Thereafter, element ~' was deposited using an electron beam to form a film with a thickness of 100 nm, and the third layer 4 was formed by diffusion at 1000'C for 2 hours.

具体例3 上記具体例1 (又は、具体例2)で形成した3層構造
のSHG素子1を、実際に導波路として使用するために
は、第4図(c)に示すような導波路加工を施す。即ち
、所定寸法、例えばW=5μmのレジスト(○FPR)
5を第3層4上に形成した後、イオンビームエツチャー
(Arイオン)で2μmエツチングして第3図に示した
ようなリッジ型の導波路とした。これを30分のO,ア
ッシングにより同図(d)に示すようにレジスト除去し
、さらに、アニール(500°C130分、○オ中)を
施すことにより、S +−’ G素子lを完成させた。
Concrete Example 3 In order to actually use the three-layer SHG element 1 formed in Concrete Example 1 (or Concrete Example 2) as a waveguide, the waveguide must be processed as shown in FIG. 4(c). administer. That is, a resist (○FPR) with a predetermined dimension, for example, W = 5 μm.
5 was formed on the third layer 4, and then etched by 2 μm using an ion beam etcher (Ar ions) to form a ridge-type waveguide as shown in FIG. The resist was removed by O and ashing for 30 minutes as shown in the same figure (d), and then annealing was performed (500°C for 130 minutes, O in O) to complete the S+-' G element l. Ta.

第3図は二のように作製されたS l−(G素f1に半
導体レーザ6を組合せてなる青色発光素子7としての構
成例を示す。8はヒートシシグである。
FIG. 3 shows an example of the structure of a blue light emitting device 7 formed by combining the S1-(G element f1 produced as shown in FIG. 2) with a semiconductor laser 6. 8 is a heatshisig.

このような具体例によれば、導波層の実効屈折率がS 
HG条件を満たし、半導体し・−ザの波長であるλ=0
.83μmに対して直接SHGが可能となり、従来にな
い10〜数十%の高効率の青色発光素子が実現できたも
のである。
According to such a specific example, the effective refractive index of the waveguide layer is S
λ = 0, which is the wavelength of the semiconductor that satisfies the HG condition.
.. Direct SHG is now possible for 83 μm, and a blue light-emitting element with a high efficiency of 10 to several tens of percent, which is unprecedented, has been realized.

発明の効果 本発明は、上述したように、LiTa、、、Nb○、単
結晶基板による第1層に対して、組成比を異ならせたL
 i T a、N b +−,Oユ単結晶による第2層
とLjTa、Nb、−、○、単結晶による第3層とによ
る導波層を積層させた3層構造において、第2層と第3
層とにおける入射光の周波数ωての常光屈折率と出射光
の周波数2ωでの異常光屈折率とが所定の関係式を満足
し、第2高調波発生のだめの位相整合条件を満たすよう
に形成したので、請求項3記載の発明のように製造容易
な3層構造にして高変換効率を持つ温度等の変動に強い
高信頼性の第2高調波発生素子を実現でき、波長0゜8
μm程度なる半導体レーザでの角度整合等の不要な直接
的な第2高調波発生も可能となり、特に、請求項2記載
の発明によれば、各層にMgOをドープしているので伝
搬損失の少ないものとすることができ、また、所定の元
素をドープして第3層を形成したので、第3層の膜厚方
向の屈折率分布が第2高調波発生のための位相整合条件
を満たすような微妙な制御を容易に実現できるものであ
る。
Effects of the Invention As described above, the present invention provides L with different composition ratios for the first layer made of LiTa,...,Nb○, single crystal substrate.
In a three-layer structure in which a waveguide layer consisting of a second layer made of i Ta, N b +-, O Yu single crystal and a third layer made of LjTa, Nb, -, O, single crystal are laminated, the second layer and Third
The layer is formed so that the ordinary refractive index of the incident light at the frequency ω and the extraordinary refractive index of the output light at the frequency 2ω satisfy a predetermined relational expression and satisfy the phase matching condition for second harmonic generation. Therefore, as in the invention described in claim 3, it is possible to realize a highly reliable second harmonic generation element having a three-layer structure that is easy to manufacture, has high conversion efficiency, and is resistant to fluctuations in temperature, etc., and has a wavelength of 0°8.
It is also possible to directly generate second harmonics that do not require angle matching in a semiconductor laser of about μm, and in particular, according to the invention as claimed in claim 2, since each layer is doped with MgO, there is little propagation loss. In addition, since the third layer is doped with a predetermined element, the refractive index distribution in the thickness direction of the third layer satisfies the phase matching condition for second harmonic generation. This makes it possible to easily achieve delicate control.

色発光素子構成例を示す斜視図、第4図は製造工程を示
す工程図である。
FIG. 4 is a perspective view showing an example of the configuration of a color light emitting element, and FIG. 4 is a process diagram showing the manufacturing process.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、非線形光学効果を有する光導波路を用いた光波長変
換素子において、LiTa_xNb_1_−_xO_3
単結晶基板(但し、0≦x≦1)による第1層上に、組
成比の異なるLiTa_yNb_1_−_yO_3単結
晶(但し、0≦y≦1、かつ、x<y)による第2層と
LiTa_zNb_1_−_zO_3単結晶(但し、0
≦z≦1)かつ、z<y)による第3層とによる導波層
を積層形成した3層構造とし、入射光の周波数ωでの常
光屈折率をn_o^ωとし、出射光の周波数2ωでの異
常光屈折率をn_e^2^ωとしたとき、前記第2層と
前記第3層とを 0<(n_e^2^ω−n_o^ω)(第2層)≒(n
_o^ω−n_e^2^ω)(第3層)≦0.01なる
条件を満たすように形成したことを特徴とする光波長変
換素子。 2、第1層、第2層及び第3層の各層に少なくともMg
Oをドープさせるとともに、第3層にLi、Be、Na
、Ni、Ti、V、Nd、Cr、K、Ca、Sr、Ce
、Baの元素の内の少なくとも一つの元素をドープさせ
たことを特徴とする請求項1記載の光波長変換素子。 3、第1層上に、少なくとも第2層と第3層とを液相成
長法により形成し、第3層に対してイオン注入法、スパ
ッタリング法、拡散法又はレーザアブレーション法の何
れかのドーピング法により第2層と第3層とが所望の屈
折率分布関係を持つ状態に所望の元素をドープさせるよ
うにしたことを特徴とする光波長変換素子の製造方法。
[Claims] 1. In an optical wavelength conversion element using an optical waveguide having a nonlinear optical effect, LiTa_xNb_1_-_xO_3
On a first layer made of a single crystal substrate (however, 0≦x≦1), a second layer made of LiTa_yNb_1_-_yO_3 single crystal (however, 0≦y≦1 and x<y) and LiTa_zNb_1_- with different composition ratios. _zO_3 single crystal (however, 0
≦z≦1) and a third layer with z<y), the optical refractive index at the frequency ω of the incident light is n_o^ω, and the frequency of the output light is 2ω. Let n_e^2^ω be the extraordinary refractive index at
An optical wavelength conversion element characterized in that it is formed to satisfy the following condition:_o^ω-n_e^2^ω)(third layer)≦0.01. 2. At least Mg in each of the first layer, second layer and third layer
In addition to doping with O, the third layer is doped with Li, Be, and Na.
, Ni, Ti, V, Nd, Cr, K, Ca, Sr, Ce
2. The optical wavelength conversion element according to claim 1, wherein the optical wavelength conversion element is doped with at least one of the following elements: , Ba. 3. Form at least a second layer and a third layer on the first layer by a liquid phase growth method, and dope the third layer by any of the ion implantation method, sputtering method, diffusion method, or laser ablation method. 1. A method for manufacturing an optical wavelength conversion element, characterized in that a desired element is doped into the second layer and the third layer to have a desired refractive index distribution relationship by a method.
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