JPH04335330A - 第２高調波発生素子の製造方法 - Google Patents
第２高調波発生素子の製造方法Info
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- JPH04335330A JPH04335330A JP3106299A JP10629991A JPH04335330A JP H04335330 A JPH04335330 A JP H04335330A JP 3106299 A JP3106299 A JP 3106299A JP 10629991 A JP10629991 A JP 10629991A JP H04335330 A JPH04335330 A JP H04335330A
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
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- G02F1/3558—Poled materials, e.g. with periodic poling; Fabrication of domain inverted structures, e.g. for quasi-phase-matching [QPM]
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- Physics & Mathematics (AREA)
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- General Physics & Mathematics (AREA)
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、非線形光学効果を利用
してレーザ光の波長を変換し、より波長の短いレーザ光
を得るために用いられる第２高調波発生素子の製造方法
に関する。
してレーザ光の波長を変換し、より波長の短いレーザ光
を得るために用いられる第２高調波発生素子の製造方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】導波路型の第２高調波発生素子における
第２高調波の位相整合法としては、通常、（ａ）チェレ
ンコフ放射法（「応用物理」第５６巻第１２号（１９８
７）， ｐｐ．１６３７−１６４１）や（ｂ）温度位相
整合法（同上） が用いられるが、（ａ）の方法では基本波（励起光）の
導波モードが高調波光の放射モードと結合するため、放
射モードで出射する高調波光を効率よく集光することが
困難である。また、（ｂ）の方法では整合温度範囲が狭
い場合が多く、温度制御が非常に困難となる。そこで、
近年、導波路中に周期的に分極方向が反転した構造（グ
レーティング構造）を形成し、これによって基本波と第
２高調波の位相を擬似的に整合させる方法が検討されて
いる（「光学」第１９巻第６号（１９９０）， ｐｐ．
３７３−３７４）。
第２高調波の位相整合法としては、通常、（ａ）チェレ
ンコフ放射法（「応用物理」第５６巻第１２号（１９８
７）， ｐｐ．１６３７−１６４１）や（ｂ）温度位相
整合法（同上） が用いられるが、（ａ）の方法では基本波（励起光）の
導波モードが高調波光の放射モードと結合するため、放
射モードで出射する高調波光を効率よく集光することが
困難である。また、（ｂ）の方法では整合温度範囲が狭
い場合が多く、温度制御が非常に困難となる。そこで、
近年、導波路中に周期的に分極方向が反転した構造（グ
レーティング構造）を形成し、これによって基本波と第
２高調波の位相を擬似的に整合させる方法が検討されて
いる（「光学」第１９巻第６号（１９９０）， ｐｐ．
３７３−３７４）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】グレーティング構造に
よる第２高調波発生素子の概念的構成を図４に示す。グ
レーティング構造によって基本波（角振動数ω）から第
２高調波（角振動数２ω）を発生させる場合、その導波
路の分極方向反転の周期Λｐは Λｐ＝｛（２ｍ＋１）／４｝・｛λＦ
／｜ｎＦ−ｎＳＨ｜｝ ＝（２ｍ
＋１）・ｌｃ
…（１）ただし、 ｌｃ＝（λＦ／｜ｎＦ−ｎＳＨ｜）／４（ここで、ｍは
０又は正の整数、λＦは基本波の波長、ｎＦは導波路の
基本波に関する屈折率、ｎＳＨは第２高調波に関する屈
折率である。）という関係を満たす必要がある。式（１
）において、ｍ＝０のときが最も第２高調波の発生効率
が高いが、このときΛｐは最も小さい値（Λｐ０）とな
る。例えば、主に近赤外線〜赤色光を発生する半導体レ
ーザ光を基本波とする場合には、Λｐ０は数μｍ程度と
なる。
よる第２高調波発生素子の概念的構成を図４に示す。グ
レーティング構造によって基本波（角振動数ω）から第
２高調波（角振動数２ω）を発生させる場合、その導波
路の分極方向反転の周期Λｐは Λｐ＝｛（２ｍ＋１）／４｝・｛λＦ
／｜ｎＦ−ｎＳＨ｜｝ ＝（２ｍ
＋１）・ｌｃ
…（１）ただし、 ｌｃ＝（λＦ／｜ｎＦ−ｎＳＨ｜）／４（ここで、ｍは
０又は正の整数、λＦは基本波の波長、ｎＦは導波路の
基本波に関する屈折率、ｎＳＨは第２高調波に関する屈
折率である。）という関係を満たす必要がある。式（１
）において、ｍ＝０のときが最も第２高調波の発生効率
が高いが、このときΛｐは最も小さい値（Λｐ０）とな
る。例えば、主に近赤外線〜赤色光を発生する半導体レ
ーザ光を基本波とする場合には、Λｐ０は数μｍ程度と
なる。
【０００４】グレーティングの周期が短くなるに伴い、
グレーティング構造には高い寸法精度が要求されるよう
になる。さらに、強い第２高調波を得るためには、導波
路の長さは長い方が良い（第２高調波効率は導波路の長
さの２乗に比例する）。しかし、現在のレーザ溶融ペデ
スタル法（”Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌｅ
ｔｔｅｒｓ”， ５６（２），８，（１９９０）， ｐ
ｐ．１０８−１１０）やＴｉ拡散急冷法（「光学」第１
９巻第６号（１９９０）， ｐｐ．３７３−３７４）で
は、その主プロセスにおいて熱拡散を使用するため、こ
のような短周期のグレーティング構造を作成することは
困難であり、高強度用の長尺のものを得ることはなおさ
ら困難である。本発明はこのような課題を解決するため
に成されたものであり、その目的とするところは、第２
高調波を高効率に生成することのできる、短周期であり
、かつ、長尺の分極方向反転グレーティング構造を有す
る第２高調波発生素子を、容易に、かつ、高精度に製造
する方法を提供することにある。
グレーティング構造には高い寸法精度が要求されるよう
になる。さらに、強い第２高調波を得るためには、導波
路の長さは長い方が良い（第２高調波効率は導波路の長
さの２乗に比例する）。しかし、現在のレーザ溶融ペデ
スタル法（”Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌｅ
ｔｔｅｒｓ”， ５６（２），８，（１９９０）， ｐ
ｐ．１０８−１１０）やＴｉ拡散急冷法（「光学」第１
９巻第６号（１９９０）， ｐｐ．３７３−３７４）で
は、その主プロセスにおいて熱拡散を使用するため、こ
のような短周期のグレーティング構造を作成することは
困難であり、高強度用の長尺のものを得ることはなおさ
ら困難である。本発明はこのような課題を解決するため
に成されたものであり、その目的とするところは、第２
高調波を高効率に生成することのできる、短周期であり
、かつ、長尺の分極方向反転グレーティング構造を有す
る第２高調波発生素子を、容易に、かつ、高精度に製造
する方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明の第２高調波発生素子製造方法は、導
波路の分極方向を交互に反転させた上記グレーティング
構造を、レジストマスクを使用したイオン注入により作
成することを特徴とする。
に成された本発明の第２高調波発生素子製造方法は、導
波路の分極方向を交互に反転させた上記グレーティング
構造を、レジストマスクを使用したイオン注入により作
成することを特徴とする。
【０００６】
【実施例】本発明による第２高調波発生素子の製造方法
の一例を図１により説明する。まず、図１（ａ）に示す
ように、非線形光学物質としてニオブ酸リチウム（Ｌｉ
ＮｂＯ３）の基板１０を用意し、その表面にレジスト膜
１１を塗布する。次に、通常のレジストパタン作成方法
を用いて、このレジスト膜１１に長さΛｐの窓１２を周
期Λｐで開ける。ここで、窓１２の大きさ（及びピッチ
）であるΛｐは、対象とする基本波の波長λＦに対して
上記式（１）の関係になければならない。表１に代表的
なレーザ光の波長λＦに対するコヒーレント長ｌｃの値
を掲げる。
の一例を図１により説明する。まず、図１（ａ）に示す
ように、非線形光学物質としてニオブ酸リチウム（Ｌｉ
ＮｂＯ３）の基板１０を用意し、その表面にレジスト膜
１１を塗布する。次に、通常のレジストパタン作成方法
を用いて、このレジスト膜１１に長さΛｐの窓１２を周
期Λｐで開ける。ここで、窓１２の大きさ（及びピッチ
）であるΛｐは、対象とする基本波の波長λＦに対して
上記式（１）の関係になければならない。表１に代表的
なレーザ光の波長λＦに対するコヒーレント長ｌｃの値
を掲げる。
【０００７】
【表１】
【０００８】式（１）により、グレーティング周期Λｐ
はこのコヒーレント長ｌｃの奇数倍（２ｍ＋１）でなけ
ればならないが、前述の通り、第２高調波の発生効率は
ｍ＝０、すなわち、Λｐ＝ｌｃで最大となる。従って、
最大効率の第２高調波発生素子を得るためには、例えば
、赤色半導体レーザ（波長λ＝０．８６μｍ）を基本波
として用いる場合、レジスト膜１１のグレーティング周
期Λｐは１．７μｍとなる。
はこのコヒーレント長ｌｃの奇数倍（２ｍ＋１）でなけ
ればならないが、前述の通り、第２高調波の発生効率は
ｍ＝０、すなわち、Λｐ＝ｌｃで最大となる。従って、
最大効率の第２高調波発生素子を得るためには、例えば
、赤色半導体レーザ（波長λ＝０．８６μｍ）を基本波
として用いる場合、レジスト膜１１のグレーティング周
期Λｐは１．７μｍとなる。
【０００９】このようにして形成されたレジスト膜１１
の上から、例えばチタン（Ｔｉ）イオン１３を注入する
。従来の熱拡散法によるチタンの導入により分極反転領
域が形成されることが知られており、ここで行なうイオ
ン注入及び熱処理によっても同様に分極反転領域が形成
される。ただ、注入イオンはチタンのみに限定されるも
のではなく、基板材料に応じて分極反転を生じさせるい
かなるイオンをも使用することができる。ここにおける
イオン注入の深さが光導波路の深さとなるが、光導波路
の深さは使用する基本波の波長程度必要である。近赤外
線〜赤色光の半導体レーザを基本波とする場合には上述
の通り約１μｍ程度となり、この程度のイオン注入深さ
を確保するためには、加速電圧は最大数ＭｅＶ程度が必
要となる。なお、光導波路内においてイオン濃度をほぼ
均一にするために、多重エネルギ注入を行うことが望ま
しい。本実施例の条件の場合（基板１０としてニオブ酸
リチウムを、分極方向反転用注入イオンとしてＴｉを使
用する場合）に、１μｍの注入深さを得るための注入エ
ネルギの計算例を図２に示す。
の上から、例えばチタン（Ｔｉ）イオン１３を注入する
。従来の熱拡散法によるチタンの導入により分極反転領
域が形成されることが知られており、ここで行なうイオ
ン注入及び熱処理によっても同様に分極反転領域が形成
される。ただ、注入イオンはチタンのみに限定されるも
のではなく、基板材料に応じて分極反転を生じさせるい
かなるイオンをも使用することができる。ここにおける
イオン注入の深さが光導波路の深さとなるが、光導波路
の深さは使用する基本波の波長程度必要である。近赤外
線〜赤色光の半導体レーザを基本波とする場合には上述
の通り約１μｍ程度となり、この程度のイオン注入深さ
を確保するためには、加速電圧は最大数ＭｅＶ程度が必
要となる。なお、光導波路内においてイオン濃度をほぼ
均一にするために、多重エネルギ注入を行うことが望ま
しい。本実施例の条件の場合（基板１０としてニオブ酸
リチウムを、分極方向反転用注入イオンとしてＴｉを使
用する場合）に、１μｍの注入深さを得るための注入エ
ネルギの計算例を図２に示す。
【００１０】このようなイオン注入によりグレーティン
グ構造を形成した場合、注入イオンの基板１０内におけ
る横方向の広がりは最大でも０．２μｍ程度と推定され
るため、上記赤色光半導体レーザを基本波として用いる
場合でも、十分対応することができる。しかし、上述の
レーザ溶融ペデスタル法やＴｉ拡散急冷法等の熱プロセ
スでは横方向拡散が非常に大きいことから、このような
短い周期のグレーティング構造を形成することは困難で
ある。
グ構造を形成した場合、注入イオンの基板１０内におけ
る横方向の広がりは最大でも０．２μｍ程度と推定され
るため、上記赤色光半導体レーザを基本波として用いる
場合でも、十分対応することができる。しかし、上述の
レーザ溶融ペデスタル法やＴｉ拡散急冷法等の熱プロセ
スでは横方向拡散が非常に大きいことから、このような
短い周期のグレーティング構造を形成することは困難で
ある。
【００１１】その後、レジスト膜１１を適当な溶剤等で
除去し、イオン注入された部分の分極反転を誘起させ、
また、基板結晶のダメージを回復するために、アニール
（加熱）を施す。なお、分極反転を誘起する方法は、ア
ニール以外にも任意のものを用いることができる。また
、基板及びイオンの種類、あるいはイオン注入条件によ
り、イオン注入の状態のままで分極反転が誘起される場
合には、アニール等の処理は必要がない。
除去し、イオン注入された部分の分極反転を誘起させ、
また、基板結晶のダメージを回復するために、アニール
（加熱）を施す。なお、分極反転を誘起する方法は、ア
ニール以外にも任意のものを用いることができる。また
、基板及びイオンの種類、あるいはイオン注入条件によ
り、イオン注入の状態のままで分極反転が誘起される場
合には、アニール等の処理は必要がない。
【００１２】次に、以下に述べるプロトン交換法により
、基板１０の上記グレーティング形成部分に光導波路を
形成する。まず、図１（ｂ）に示すように、グレーティ
ング形成部分を除いて、基板１０の表面にＴａ等により
マスク１４を形成する。そして、ピロリン酸（Ｈ４Ｐ２
Ｏ７）等により基板１０のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ
Ｏ３）のリチウムＬｉの一部を水素Ｈと交換し、非マス
ク部をＨｘＬｉ１−ｘＮｂＯ３とすることにより、その
部分の屈折率を上昇させる。 これにより、マスク１４の窓の部分に導波路１５が形成
される。最後にマスク１４を除去すると、ＬｉＮｂＯ３
基板１０の表面に周期Λｐのチタン注入域と非注入域か
ら成る分極方向反転グレーティング構造が形成された第
２高調波発生素子が得られる（図１（ｃ））。
、基板１０の上記グレーティング形成部分に光導波路を
形成する。まず、図１（ｂ）に示すように、グレーティ
ング形成部分を除いて、基板１０の表面にＴａ等により
マスク１４を形成する。そして、ピロリン酸（Ｈ４Ｐ２
Ｏ７）等により基板１０のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ
Ｏ３）のリチウムＬｉの一部を水素Ｈと交換し、非マス
ク部をＨｘＬｉ１−ｘＮｂＯ３とすることにより、その
部分の屈折率を上昇させる。 これにより、マスク１４の窓の部分に導波路１５が形成
される。最後にマスク１４を除去すると、ＬｉＮｂＯ３
基板１０の表面に周期Λｐのチタン注入域と非注入域か
ら成る分極方向反転グレーティング構造が形成された第
２高調波発生素子が得られる（図１（ｃ））。
【００１３】上記実施例では周期Λｐが一定であるグレ
ーティング構造を作成する例を示したが、第２高調波は
Λｐが徐々に変化する構造（チャープグレーティング）
であっても発生することが知られている（”ＩＥＥＥ
Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ”， Ｖｏｌ
．２６（１９９０）， Ｎｏ．７， ｐｐ．１２６５−
１２７６）。このチャープグレーティング構造（図３（
ｂ））を有する第２高調波発生素子は周期一定のグレー
ティング構造（図３（ａ））を有する第２高調波発生素
子よりも高調波の発生効率が高いことが理論的に予測さ
れている。従って、上記実施例の最初のレジスト膜１１
形成の段階（図１（ａ））でレジスト膜１１をチャープ
グレーティング構造とすることにより、より高効率の第
２高調波発生素子を作成することができる。
ーティング構造を作成する例を示したが、第２高調波は
Λｐが徐々に変化する構造（チャープグレーティング）
であっても発生することが知られている（”ＩＥＥＥ
Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ”， Ｖｏｌ
．２６（１９９０）， Ｎｏ．７， ｐｐ．１２６５−
１２７６）。このチャープグレーティング構造（図３（
ｂ））を有する第２高調波発生素子は周期一定のグレー
ティング構造（図３（ａ））を有する第２高調波発生素
子よりも高調波の発生効率が高いことが理論的に予測さ
れている。従って、上記実施例の最初のレジスト膜１１
形成の段階（図１（ａ））でレジスト膜１１をチャープ
グレーティング構造とすることにより、より高効率の第
２高調波発生素子を作成することができる。
【００１４】
【発明の効果】本発明に係る第２高調波発生素子の製造
方法では、半導体製造において十分な実績のあるイオン
注入法を利用するため、数μｍ程度以下の周期のグレー
ティングパターンを容易に形成することができる。これ
は特に実用上重要度の高い近赤外線〜赤色光領域の半導
体レーザ光を緑から青色のレーザ光に変換する場合に好
適に利用することができる。また、高強度のレーザ光を
得るために必要な長尺の素子も容易に作成することがで
きる。従って、高密度光ＣＤピックアップ等の光情報処
理機器のレーザ光源用等、広い応用範囲をカバーするこ
とができる。
方法では、半導体製造において十分な実績のあるイオン
注入法を利用するため、数μｍ程度以下の周期のグレー
ティングパターンを容易に形成することができる。これ
は特に実用上重要度の高い近赤外線〜赤色光領域の半導
体レーザ光を緑から青色のレーザ光に変換する場合に好
適に利用することができる。また、高強度のレーザ光を
得るために必要な長尺の素子も容易に作成することがで
きる。従って、高密度光ＣＤピックアップ等の光情報処
理機器のレーザ光源用等、広い応用範囲をカバーするこ
とができる。
【図１】 本発明による第２高調波発生素子の製造方
法の一例の工程を示す工程図。
法の一例の工程を示す工程図。
【図２】 実施例の条件における多重イオン注入の注
入深さの計算結果を示すグラフ。
入深さの計算結果を示すグラフ。
【図３】 周期一定のグレーティング構造（ａ）とチ
ャープグレーティング構造（ｂ）の分極方向反転構造の
様子を示すグラフ。
ャープグレーティング構造（ｂ）の分極方向反転構造の
様子を示すグラフ。
【図４】 グレーティング構造を有する第２高調波発
生素子の構成図。
生素子の構成図。
１０…基板
１１…レジストマスク
１１…レジストマスク
Claims (1)
- 【請求項１】 分極方向が交互に反転するグレーティ
ング構造を有する導波路を備えた第２高調波発生素子の
製造方法であって、導波路の分極方向を交互に反転させ
た上記グレーティング構造を、レジストマスクを使用し
たイオン注入により作成することを特徴とする第２高調
波発生素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3106299A JPH04335330A (ja) | 1991-05-13 | 1991-05-13 | 第２高調波発生素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3106299A JPH04335330A (ja) | 1991-05-13 | 1991-05-13 | 第２高調波発生素子の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04335330A true JPH04335330A (ja) | 1992-11-24 |
Family
ID=14430147
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3106299A Pending JPH04335330A (ja) | 1991-05-13 | 1991-05-13 | 第２高調波発生素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04335330A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6917463B2 (en) * | 2000-10-24 | 2005-07-12 | Fuji Photo Film Co., Ltd. | Wavelength converting element and method of manufacture thereof |
| US11262495B1 (en) * | 2017-10-04 | 2022-03-01 | Facebook Technologies, Llc | Waveguides with high refractive index gratings manufactured by post-patterning infusion |
-
1991
- 1991-05-13 JP JP3106299A patent/JPH04335330A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6917463B2 (en) * | 2000-10-24 | 2005-07-12 | Fuji Photo Film Co., Ltd. | Wavelength converting element and method of manufacture thereof |
| US7336880B2 (en) | 2000-10-24 | 2008-02-26 | Fujifilm Corporation | Wavelength converting element and method of manufacturing thereof |
| US11262495B1 (en) * | 2017-10-04 | 2022-03-01 | Facebook Technologies, Llc | Waveguides with high refractive index gratings manufactured by post-patterning infusion |
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