JPH04265954A - 光波の周波数増倍装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基本光波を伝播させる
と共に２次高調波を発生させる非線形光学媒体を有し、
この非線形光学媒体が、空間的な周期性を有する構造体
を有する導波路を構成する光波の周波数増倍装置に関す
るものである。また、本発明は、空間的周期性を有する
導波路を具える光波の周波数増倍装置の製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】本発明による光波の周波数増倍装置は、
例えば赤の光を発生させる半導体レーザ光源と組み合せ
ることにより、光情報記録、遠隔通信又はレーザプリン
タ用の小型な青の光源として用いることができる。短波
長光を用いることにより、情報の記録密度を増大させる
ことができ、またフォトンエネルギーが一層大きくなる
ので情報の書込み及び消去できる範囲も拡大される。

【０００３】光波の周波数増倍装置においては、非線形
光学媒体の基本光波に対する屈折率と２次高調波に対す
る屈折率とが互いに相異し、光波が媒体中を伝播する際
両方の光波の位相差が増大する欠点があった。そして、
両方の光波間の干渉作用により、発生した青の光の大部
分が消光してしまう。このような課題を解決する方法と
して、複屈折材料を用いる方法がある。この方法では、
一方の波長光の常光線に対する屈折率を他方の波長光の
異常光線に対する屈折率と等しくしている。別の解決方
法として、空間的周期構造体を有する導波路を用いる方
法が既知である。この方法では、周期構造体の交互に形
成された領域の非線形光学特性を適切に選択し、基本光
波と２次高調波とが互いに違相関係になる領域において
２次高調波の発生量を減少させるか又はほとんど発生さ
せないようにし、完全な消光状態とならないように構成
している。或は、基本光波と２次高調波とが互いに違相
になる領域の非線形光学特性を、発生する青の光が逆相
（ドメイン反転）となるように変化させ、青の光につい
て別の増強作用を生じさせている。

【０００４】国際出願第９０／０４８０７　号公報には
、上述した装置　（ドメイン反転）　及びこのような装
置の製造方法について記載されている。この方法では、
アニール処理によりマスクを用いて非線形光学材料に強
誘電性反対極性のドメインを形成している。このアニー
ル処理はキューリー温度よりも若干低い温度で行なわれ
、このキューリー温度は例えばリチウムニオベイトの場
合約１２００℃である。上述した装置において十分に効
果的な導波路作用を達成するためには、例えばプロトン
拡散により屈折率を局部的に増大させる必要もある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した既知の方法の
欠点は、高温アニール処理（材料中に色中心を形成させ
る）が必要であること並びにパターンを用いてすなわち
２個のマスクを用いて両方の処理を行なう必要があるこ
とである。両方の処理を１個のマスクを用いて行おうと
すると、ドメイン構造に従ってセグメント化された導波
路になってしまう。しかしながら、種々の検討結果より
、セグメント化された導波路においては、ドメイン間の
界面において光散乱が生じてしまう（回折格子の効果）
。さらに、既知の装置及びその製造方法の別の欠点は、
ドメイン反転がリチウムニオベイトのＣ＋　結晶面にお
いてだけしか得られないことである。一方、Ｃ＋　結晶
面におけるエッチングはプロトン拡散処理中に不所望な
程度までエッチングが進行する不具合がある。

【０００６】従って、本発明の目的は、十分に満足し得
る導波路作用を有し光散乱の小さい光波の周波数増倍装
置を提供することにある。本発明の別の目的は、簡単で
しかも信頼性の高い方法で製造することができると共に
、光学特性が種々の制約の中で所望の用途に適合し得る
光波の周波数増倍装置を提供することにある。また、本
発明の目的は、このような装置の簡単で有効な製造方法
、特にパターンを用いて１回の処理工程だけですむ製造
方法を提供することにある。さらに、本発明の別の目的
は、高温処理（例えば、５００　℃以上）　が不要にな
り、非線形光学材料に対するダメージを回避し得る製造
方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段並びに作用】上記目的を達
成するため、本発明による光波の周波数増倍装置は、冒
頭部で述べた光波の周波数増倍装置において、前記導波
路を非線形光学材料で構成し、この非線形光学材料中に
、減少した２次感受率及び前記非線形光学材料に対して
増加した屈折率を有する周期的なドメインをプロトン交
換又はプロトン注入によって形成し、前記屈折率の増加
を　０．１０　以下としたことを特徴とする。ドメイン
の屈折率の増加は　０．０２〜０．０６、平均的には　
０．０５　とすることが望ましい。

【０００８】ＫＴｉＯＰＯ４　及び　Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５
Ｏ１５のような既知の材料を非線形光学材料として用い
ることができる。本発明による光波の周波数増倍装置に
おいては、非線形光学材料をリチウムニオベイト　Ｌｉ
ＮｂＯ３　またはリチウムタンタレート　ＬｉＴａＯ３
　で構成した場合最良の結果が得られた。

【０００９】本発明による光波の周波数増倍装置を製造
する方法は、非線形光学材料中に、減少したこと２次感
受率及び非線形光学材料よりも増加した屈折率を有する
周期的ドメインをブロトン交換又はプロトン注入により
形成し、その後加熱処理を施して、前記周期的ドメイン
の位置における材料の屈折率を、前記非線形光学材料の
値よりも　０．１０　以下だけ高い値まで低下させるこ
とを特徴とする。

【００１０】本発明による製造方法の好適実施例には、
周期的ドメインを、タンタリウム　Ｔａ　のマスク層を
介して高温燐酸　Ｈ４Ｐ２Ｏ５　によりプロトン拡散さ
せることにより形成する。本発明による製造方法の好適
実施例においては、加熱処理を２００　℃以上の温度の
酸素雰囲気中で行なう。高温処理の温度を適切に選択す
ることにより、高温処理時間は一層短縮される。しかし
ながら、非線形光学材料にダメージを与えないためには
、温度を高くしすぎてはならず、例えばリチウムニオベ
イトの場合　　５００　℃以下で処理しなければならな
い。

【００１１】本発明は、非線形光学材料の２次感受率が
プロトン交換又はプロトン注入により大きな影響を受け
るという現象に基いている。すなわち、リチウムニオベ
イトの非線形係数ｄ３３は　４０ｐｍ／Ｖ　から　２０
ｐｍ／Ｖ　以下まで低下させることができる。ドメイン
構造体においては、冒頭部で述べたように、この現象を
利用することにより２次高調波の形成を局部的に強く押
えることができる。

【００１２】リチウムニオベイト及びリチウムタンタレ
ートを用いて導波路を製造する場合プロトン交換又はプ
ロトン注入を利用することは既知であり、例えば１９８
９年に発行された雑誌“ジャーナル　　オブ　　アプラ
イド　　フィジクス（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌ
ｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）　”　６６　巻（１１）、第
５１６１〜５１７４頁に掲載されている文献に記載され
ている。プロトン内部拡散の結果、リチウムニオベイト
の異常光線に対する屈折率は、その表面において　２．
１７　から約２．３３まで増大し、拡散領域の平均値は
　２．２９　まで増大している。スグメント化された導
波路を用いる場合、相対的に屈折率差が大きくなると　
（表面では０．１６、平均値として０．１２）　、拡散
領域の境界部における回折格子効果により大きな光散乱
が生じてしまう。

【００１３】本発明は、屈折率差をより小さくすること
により十分満足し得る導波路作用が得られ、しかも光散
乱を低減することができるという認識に基いている。屈
折率差を小さくするため、例えば　５００℃以下の温度
条件下の熱処理を利用できる（この　５００℃はキュー
リー温度よりはるかに低い温度であり、例えばリチウム
ニオベイトのキューリー温度は１２００℃である）。加
熱処理を施すことにり、屈折率差は表面区域で約　　０
．０７まで減少し、拡散領域の平均値では約０．０５ま
で減少する。加熱処理により拡散領域はわずかに膨脹す
る。また、加熱処理により拡散領域の非線形係数ｄ３３
はわずかに増大するが、この非線形係数の値は光波の周
波数を有効に増倍するための適切な範囲に維持されてい
る。

【００１４】屈折率をわずかに増大させることと非線形
光学特性を実質的に低下させることとを組み合せること
により、２次感受率及び非線形係数ｄ３３について顕著
な変化が現われ、光散乱が限界以下に維持されると共に
周期的ドメインにおける消光が制限され、この結果十分
に長い（例えば数ｍｍ）　導波路を用いても有用な出射
光が得られる光波の周波数増倍装置が実現される。本発
明による方法によって製造された装置の特有な利点は、
高強度のレーザー光が入射しても放射光によるダメージ
を受けにくいことである。本発明による製造方法及び装
置の別の利点は、リチウムニオベイトのＣ−　結晶面を
用いて製造することができ、Ｃ−　結晶面はプロトン拡
散処理中おいてＣ＋　結晶面よりもエッチング量が一層
少ないことにある。

【００１５】以下図面を用いて本発明を詳細に説明する
。

【実施例】本実施例において、光波の周波数増倍装置は
リチウムニオベイト結晶から製造する。１００ｎｍ　の
厚さのタンタル層をスパッタリングによりＣ−　結晶面
上に形成する。既知のフォトリソグラフィ法を用い、例
えば　ＨＰＲ２０４　組成を有するフォトレジスト層を
形成し、その後リアクティブイオンエッチングによりタ
ンタル層を除去してタンタル層に開口を形成する。その
後フォトレジストを除去する。この状態を図１に線図的
に示す。図１において、符号１はリチウムニオベイト結
晶体を示し、この上に開口３が形成されているタンタル
のマスク層２が支持される。この開口３は幅がＷで長さ
がｌであり、本例ではこれら開口はピッチＰで単一の直
線状に形成する。 本発明では、開口を他の既知の形態に形成することもで
きる。

【００１６】上述したマスク層３を有する結晶体を　２
２８℃の高温燐酸沿に６０分間浸漬し、リチウムニオベ
イト結晶体中にプロトンを拡散させる。燐酸沿の温度は
例えば２００　℃から　３００℃の間に選択され拡散時
間は例えば１５分から　１２０分の間で選択される。こ
れら沿の温度及び拡散時間により拡散深さが決定され、
本発明による装置では約１μｍ　に設定する。浸漬処理
の代りに別の処理方法を適用することができ、例えば結
晶体上に燐酸層をスピンコートし、その後拡散を生じさ
せるのに必要な時間に亘って加熱処理する方法も適用す
ることができる。或は、例えば安息香酸を用いる拡散、
又はイオン注入のような既知の方法で所望量のプロトン
を供給することも可能である。

【００１７】拡散工程の後、例えば４体積％のフッ化水
素酸（濃度５０％）、４体積％の硝酸（濃度６５％）及
び４体積％の酢酸（濃度１００　％）の水溶液を用いて
湿式化学処理を施してタンタルのマスク層を除去する。 次に、酸素雰囲気下で加熱処理を施す。本例では、３０
０　℃で１〜３時間処理する。この処理温度は例えば　
２００℃〜５００　℃の間で選択され処理時間は例えば
１０分〜２０時間の間で選択され、所望の結果が得られ
るように適切に選択する。 加熱処理による効果を図２に基いて説明する。図２ａは
、拡散処理後加熱処理前におけるプロトンの濃度ＣＨ　
をリチウムニオベイト結晶体の表面からの深さの関数と
して示す。この濃度変化は急峻な遷移を有しステップ状
に変化している。さらに、プロトン拡散はほぼ等方的に
生じており、マスクのエッジ部においても同様に等方的
に拡散が生じている。拡散処理を長時間に亘って行なう
と共にマスクパターンの寸法及びパターン間隔を適切に
選択すれば、所望の場合に応じて拡散される領域を部分
的にオーバラップさせることができる。

【００１８】加熱処理後において、図２ｂに示すように
、プロトン濃度は深さに応じて減少し、この結果拡散領
域と拡散領域間に存在するリチウムニオベイトの非拡散
領域との間の屈折率差は小さくなる。シャープな遷移が
消滅するため、周波数増倍装置における光の散乱はほと
んど生じなくなる。この結果、例えば５ｍｍに亘る比較
的大きな導波路において適切な結果が得られる。本発明
による方法において、上述した仕様の加熱処理を施さな
い場合、光の散乱が大きくなり基本光波は１ｍｍ進行す
るだけで消滅する。さらに、この場合発生した青の光は
基板中で散乱する。

【００１９】本例において、１／Ｐ　の比は　０．５と
した。別の寸法の組み合せも用い、ピッチＰ及び幅Ｗが
　２　，　２．５　，　３　，　４　及び６μｍ　のも
のも用いた。マスクの開口の寸法（つまり、拡散領域の
寸法）は、既知の関係に基いて周波数増倍装置の所望の
光学特性に、特に周波数増幅が生ずる波長に適合させる
ことができる。

【００２０】図３は本発明による周波数増倍装置の用途
を示す。リチウムニオベイトの結晶体１１はプロトンが
拡散されているドメイン１３を有し、これらドメイン位
置において屈折率が増大し非線形光学特性は弱められて
いる。半導体レーザ光源１４を用いて例えば赤及び赤外
領域の光１５を発生させ、この光を入射プリズム１６を
介してリチウムニオベイト結晶体に入射させる。入射し
た光はドメイン１３から成る導波路を経て出射プリズム
１７まで伝播する。出射光は例えば相当量の青の光を含
んでおり、この青の光の周波数は入射光に対して２倍に
増倍されている。所望の場合、赤の入射光は出射位置に
フィルタ（図示せず）を配置することによりカットする
ことができる。

【００２１】別の実施例において、ドメインの長さを１
．２５μｍ　とし、その幅を　２．５μｍ　とし、ピッ
チＰを　２．５μｍ　とした。導波路の全長を３．５ｍ
ｍ　とした場合において、４０ｍＷの赤の光（波長８２
４ｎｍ）を入射させた場合　１００μＷ　の青の光（波
長　４１２　ｎｍ）が得られた。ドメインの寸法及びピ
ッチの精度を増大させることにより　（１０ｎｍの公差
の範囲内に）　、上記条件下においては論理的に１〜２
ｍＷの青の光を発生させることができる。

【００２２】図４は本発明による周波数増倍装置の変形
例を線図的に示す。結晶体としてリチウムタンタレート
の結晶体２１を用い、この結晶体はプロトンが拡散され
ているドメイン２３を有し、ドメインの位置の屈折率が
増大され非線形光学特性が弱められている。半導体レー
ザ光源２４を用いて例えば赤又は赤外領域の光２５を発
生させる。この光２５は結晶体２１の端面からリチウム
タンタレート結晶体中に入射する。入射光は、ドメイン
２３を有する導波路中を伝播して結晶体の端面から出射
する。この光射光２８は入射光に対して周波数が増倍さ
れた光を含んでいる。

【００２３】

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明による実施例を示す線図的斜視図
である。

【図２】図２は加熱処理の前後におけるプロトン濃度Ｃ
Ｈ　を表面からの深さｄの関数として示すグラフである
。

【図３】図３は本発明による装置の実施例を示す線図的
断面図である。

【図４】図４は本発明による装置の変形例を示す線図断
面図である。

【符号の説明】

１　　リチウムニオベイト結晶体 ２　　マスク層 ３　　開口 １４，　２４　　半導体レーザ光源 １３，　２３　　ドメイン。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基本光波を伝播させると共に２次高調
   波を発生させる非線形光学媒体を有し、この非線形光学
   媒体が、空間的な周期性を有する構造体を有する導波路
   を構成する光波の周波数増倍装置において、前記導波路
   を非線形光学材料で構成し、この非線形光学材料中に、
   減少した２次感受率及び前記非線形光学材料に対して増
   加した屈折率を有する周期的なドメインをプロトン交換
   又はプロトン注入によって形成し、前記屈折率の増加を
   　０．１０　以下としたことを特徴とする光波の周波数
   増倍装置。
2. 【請求項２】　　請求項１に記載の光波の周波数増倍装
   置において、前記ドメインの屈折率の増加を　０．０２
   　〜０．０６としたことを特徴とする光波の周波数増倍
   装置。
3. 【請求項３】　　請求項１又は２に記載の光波の周波数
   増倍装置において、前記非線形光学材料を、リチウムニ
   オベイト　ＬｉＮｂＯ３　又はリチウムタンタレートＬ
   ｉＴａＯ３で構成したことを特徴とする光波の周波数増
   倍装置。
4. 【請求項４】　　空間的周期性を有する導波路を具える
   光波の周波数増倍装置を製造するに当たり、非線形光学
   材料中に、減少した２次感受率及び非線形光学材料より
   も増加した屈折率を有する周期的ドメインをプロトン交
   換又はプロトン注入により形成し、その後加熱処理を施
   して、前記周期的ドメインの位置における材料の屈折率
   を、前記非線形光学材料の値よりも　０．１０　以下だ
   け高い値まで低下させることを特徴とする光波の周波数
   増倍装置の製造方法。
5. 【請求項５】　　請求項４に記載の光波の周波数増倍装
   置の製造方法において、前記周期的ドメインを、タンタ
   リウム　Ｔａ　のマスク層を介して高温燐酸Ｈ４Ｐ２Ｏ
   ５によりプロトン拡散させることにより形成することを
   特徴とする光波の周波数増倍装置の製造方法。
6. 【請求項６】　　請求項４に記載の光波の周波数増倍装
   置の製造方法において、前記加熱処理を、２００　℃以
   上の温度で酸素雰囲気中で行なうことを特徴とする光波
   の周波数増倍装置の製造方法。