JPH04254834A - 光波長変換素子 - Google Patents

光波長変換素子

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JPH04254834A
JPH04254834A JP3016196A JP1619691A JPH04254834A JP H04254834 A JPH04254834 A JP H04254834A JP 3016196 A JP3016196 A JP 3016196A JP 1619691 A JP1619691 A JP 1619691A JP H04254834 A JPH04254834 A JP H04254834A
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Kazuhisa Yamamoto
和久 山本
Hiroaki Yamamoto
博昭 山本
Kiminori Mizuuchi
公典 水内
Tetsuo Yanai
哲夫 谷内
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、コヒ−レント光を利用
する光情報処理分野、あるいは光応用計測制御分野に使
用する光波長変換素子およびその製造方法に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】図4に従来の光波長変換素子の構成図を
示す。以下1.06μmの波長の基本波に対する高調波
発生(波長0.53μm)について図を用いて詳しく述
べる。 (E.J.Lim, M.M.Fejer, R.L.
Byer , ”Second harmonic g
enerationof blue and gree
n light in periodically−p
oled planar lithium nioba
te waveguides”, In Topica
l Meeting Nonlinear Guide
d Wave Phenomena,PD3,1989
年、参照)。図4に示されるようにLiNbO3基板1
には光導波路2が形成され、さらに光導波路2には周期
的に分極の反転した層3(分極反転層)が形成されてい
る。 基本波P1と発生する高調波P2の伝搬定数の不整合を
分極反転層3の周期構造で補償することにより高効率に
高調波を出すことができる。光導波路2の入射面10に
基本波P1を入射すると、光導波路2から高調波P2が
効率良く発生され、光波長変換素子として動作する。
【0003】このような従来の光波長変換素子は分極反
転構造を基本構成要素としていた。この素子の製造方法
について図5を用いて説明する。同図(a)で非線形光
学結晶であるLiNbO3基板1表面にSiO26のパ
ターンをスパッタ蒸着とフォトリソグラフィーにより幅
数μmの周期で形成していた。次に同図(b)で110
0℃程度の温度で熱処理を行いLiNbO3基板1と分
極が反対向きに反転した分極反転層3を形成した。次に
同図(c)で導波路のパターンを形成したあと、安息香
酸(200℃)中で30分熱処理を行った後350℃で
アニールを行い光導波路2を形成する。上記安息香酸処
理により作製される光波長変換素子は波長1.06μm
の基本波P1に対して、光導波路の長さを1mm、基本
波P1のパワーを1mWにしたとき高調波P2のパワー
0.5nWが得られていた。基本波が40mW入射した
とすると800nWの高調波出力が可能である。この場
合1cmの素子での変換効率は0.2%である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記のような分極反転
層を基本とした光波長変換素子では、例えば分極反転層
3と非分極反転層5とをたした分極反転構造の周期が3
μmのとき分極反転層3の深さ方向の厚みは1μmしか
ない。その理由としては分極反転層が三角形をしている
ためである。つまり、分極反転層の深さ方向の厚みを増
そうとした場合、SiO2膜6直下の分極反転層3は、
深さ方向だけでなく幅方向にも広がる。基板表面で隣の
分極反転層どうしが接触してしまうとそれ以上分極反転
層は広がらないので自ずから深さが決まってしまう。
【0005】また、分極反転層の深さを大きくしようと
して分極反転構造の周期を大きくすれば基板表面で分極
反転層は横方向につながってしまい、非分極反転層がな
くなり波長変換ができなくなってしまう。
【0006】光波長変換素子の変換効率は光導波路と、
分極反転層と非分極反転層で構成される分極反転構造と
の重なりが大きい程高く、分極反転層の厚みは大きいほ
ど望ましくなる。そのため光波長変換素子変換効率は分
極反転構造の深さが2μmあるとした場合に対して1μ
mでは1/5になっていた。
【0007】そこで、本発明は高調波を高効率で出力す
る光波長変換素子とその製造方法を提供することを目的
とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するため、非線形光学結晶表面に、光導波路と、前
記光導波路の伝搬方向に対し周期的な分極反転層を有し
、前記光導波路上に屈折率が前記光導波路と近接した装
荷層が形成されている光波長変換素子である。
【0009】また、本発明の光波長変換素子の製造方法
は高出力な光波長変換素子を得るために非線形光学結晶
表面に、光導波路と、前記光導波路の伝搬方向に対し周
期的な分極反転層と、前記光導波路上に屈折率が前記光
導波路と近接した装荷層を形成する工程を含む光波長変
換素子の製造方法である。
【0010】
【作用】本発明の光波長変換素子は光導波路を伝搬する
基本波の導波モードの中心を装荷層側に寄せて分極反転
層との重なりを大きくすることにより高効率で高調波が
発生できる。また、本発明の光波長変換素子の製造方法
によれば、上記作用により高効率な光波長変換素子を簡
単に製造できる。
【0011】
【実施例】実施例の一つとして本発明の光波長変換素子
の構成を図面を用いて説明する。まず、本発明による光
波長変換素子の第1の実施例の構造図を図1に示す。こ
の実施例では分極反転型の光波長変換素子としてLiN
bO3基板1中にプロトン交換を用いて作製した光導波
路2を用いたものである。図1で1は+Z板(Z軸と垂
直に切り出された基板の+側)のLiNbO3基板、2
は基板1表面に形成された光導波路、3は分極反転層、
10は基本波P1の入射部、12は高調波P2の出射部
、15は光導波路上に形成された装荷層である。光導波
路2に入った基本波P1は位相整合長Lの長さを持った
分極反転層で高調波P2に変換され、次の同じくLの長
さを持った非分極反転層で高調波パワーは増す事になる
。このようにして光導波路2内でパワーを増した高調波
P2は出射部12より放射される。次にこの光波長変換
素子の製造方法について図面を使って説明する。図2(
a)でまずLiNbO3基板1に通常のフォトプロセス
とドライエッチングを用いてSiO26をパターニング
する。次に同図(b)でSiO2が形成されたLiNb
O3基板1に1080℃、90分間熱処理を行いSiO
26直下に厚み1μmの分極反転層3を形成する。熱処
理の上昇レートは10℃/分、冷却レートは50℃/分
である。冷却レートが遅いと不均一反転が生じるので3
0℃/分以上が望ましい。SiO26直下はLiが減少
しておりキュリー温度が低下するため部分的に分極反転
ができる。分極反転層3の長さLは1.5μmである。 次に同図(c)でHF:HNF3の1:1混合液にて2
0分間エッチングしSiO26を除去する。次にLiN
bO3基板1にプロトン交換を用いて光導波路2を形成
する。光導波路2用マスクとしてTaをストライプ状に
パターニングを行った後、Taマスクに幅6μm、長さ
12mmのスリットが形成されたものに230℃、2分
間プロトン交換を行った。次にマスクを除去した後35
0℃で1時間アニールを行った。アニール処理により均
一化されロスが減少した上にプロトン交換層に非線形性
が戻る。プロトン交換された保護マスクのスリット直下
の領域は屈折率が0.03程度上昇した高屈折率層2と
なる。光は高屈折率層2を伝搬し、これが光導波路2と
なる。最後に同図(d)でこの光導波路上にスパッタ蒸
着によりTa2O5による装荷膜15を3000A形成
する。Ta2O5の屈折率は基本波の波長に対して2.
1である。
【0012】上記のような工程により装荷層付き光波長
変換素子が製造された。この光導波路2の厚みdは2μ
mであり分極反転層3の厚み1μmに比べ大きく装荷層
がなければ有効に波長変換されない。図3に従来の装荷
層なしの場合と本発明との構造および導波モードと分極
反転層の重なりを示す。同図(a)は従来の装荷層なし
の場合で、分極反転層で高調波に変換されるのは導波す
る光の半分程度しかないために高調波な出力は低くなっ
てしまう。本発明では同図(b)に示されるように導波
路の上に装荷層をつけることによって導波する光の大部
分が分極反転層を通るので入射基本波は効率よく高調波
に変換される。分極反転層3の周期は3μmであり波長
0.84nmに対しては温度50℃で動作する。また、
この光導波路2の非分極反転層4と分極反転層3の屈折
率変化はなく、光が導波する場合の伝搬損失は小さい。 光導波路2に垂直な面を光学研磨し入射部10および出
射部12を形成した。このようにして図1に示される光
波長変換素子が製造できる。また、この素子の長さは1
0mmである。図1で基本波P1として半導体レーザ光
(波長0.84μm)を入射部10より導波させたとこ
ろシングルモード伝搬し、波長0.42μmの高調波P
2が出射部12より基板外部に取り出された。光導波路
2の伝搬損失は0.5dB/cmと小さく高調波P2が
有効に取り出された。低損失化の原因の1つとして燐酸
により均一な光導波路が形成されたことがある。基本波
40mWの入力で2mWの高調波(波長0.42μm)
を得た。 この場合の変換効率は5%である。本発明で0.65〜
1.6μmの波長の基本波を用いて本光波長変換素子に
よる高調波発生を確認した。
【0013】次に本発明の光波長変換素子の第2の実施
例を説明する。ここで光波長変換素子の構成は実施例1
と同様である。本実施例ではLiNbO3基板に比べて
光損傷に強いMgOドープのLiNbO3を用い110
0℃で熱処理し分極反転層を形成した。LiNbO3に
比べて処理温度が高いのはキュリー温度がMgOドープ
することにより80℃程度高いためである。又、光導波
路には分極反転層の形成時の熱処理温度に比べて低温処
理が可能であるプロトン交換光導波路を用いた。装荷層
としては基本波の波長に対する屈折率2.4のTiO2
膜を2000A付加した。変換効率は40mW入力で3
%であった。
【0014】次に本発明の光波長変換素子の第3の実施
例を説明する。光波長変換素子の構成は実施例1と同様
である。本実施例ではLiNbO3基板の代わりにLi
TaO3を基板として用いた。LiTaO3はキュリー
温度が620℃と低く低温で分極反転処理が可能である
。光導波路2は燐酸中でのプロトン交換により作製しそ
の厚みは1.5μm、幅4μm、長さは2cmである。 LiTaO3基板1aにプロトン交換により作製される
光導波路は非線形性が大きいためアニール処理を行う必
要がない。分極反転の周期は3.8μm、厚みは3.5
μmであった。装荷層は屈折率2.1のTa2O5を4
000Aスパッタ蒸着した。波長840nmに対しての
動作点は65℃である。 この実施例での変換効率は40mW入力で5%である。 光損傷はなく高調波出力は非常に安定していた。
【0015】なお実施例では非線形光学結晶としてLi
NbO3、LiTaO3を用いたがKNbO3、KTP
等の強誘電体、MNA等の有機材料にも適用可能である
。また、実施例ではTa2O5、TiO2を用いたが装
荷層の屈折率が基板に近い2.1から2.4の間であれ
ば装荷層へのしみだしが大きく特に有効である。
【0016】
【発明の効果】以上説明したように本発明の光波長変換
素子によれば、分極反転層を持つ光波長変換素子の光導
波路上に装荷層を設け伝搬する基本波のモードを装荷層
側に移行させることにより分極反転層との重なりを大き
くできる。これにより従来の光波長変換素子に比べて大
幅に高調波出力の向上を図ることができる。
【0017】また、本発明の光波長変換素子の製造方法
により簡単に高効率な光波長変換素子が作製でき、その
実用的効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光波長変換素子の第1の実施例の構造
図である。
【図2】本発明の光波長変換素子の光波長変換素子の製
造工程断面図である。
【図3】従来の光波長変換素子と本発明の光波長変換素
子の構造断面図および基本波の導波モードを示す図であ
る。
【図4】従来の光波長変換素子の構成図である。
【図5】従来の光波長変換素子の製造工程断面図である
【符号の説明】
1  LiNbO3基板 2  光導波路 3  分極反転層 15  装荷層 P1  基本波 P2  高調波

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  非線形光学結晶表面に、光導波路と、
    前記光導波路の伝搬方向に対し周期的な分極反転層を有
    し、前記光導波路上に屈折率が前記光導波路と近接した
    装荷層が形成されていることを特徴とする光波長変換素
    子。
  2. 【請求項2】  非線形光学結晶表面に、分極反転層を
    形成する工程と、光導波路を形成する工程と、前記光導
    波路上に屈折率が光導波路と近接した装荷層を形成する
    工程とを含むことを特徴とする光波長変換素子の製造方
    法。
  3. 【請求項3】  非線形光学結晶がLiNbxTa1−
    xO3(0≦X≦1)基板であることを特徴とする請求
    項1記載の光波長変換素子または請求項2記載の光波長
    変換素子の製造方法。
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