JPH0453934A - 第２高調波発生素子 - 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） 本発明は、極めて高い第２高調波光への変換効率を有す
る第２高調波発生素子に関し、特に本発明は、ＬｉＮｂ
０．基板上にＬｉＴａ０＋薄膜が形成され、該ＬｉＴａ
Ｏ３１膜上にＬｉＮｂＯ３薄膜導波層が形成されてなる
第２高調波発生素子（以下、第２高調波発生素子をＳＨ
Ｇ素子という）に関する。

（従来の技術） ＳＨＯ素子は非線形光学効果をもつ光学結晶材料の非線
形光学効果を利用して入射された波長λのレーザーをλ
／２の波長に変換して出力する素子であって、出力光の
波長が１／２に変換されることから、光デイスクメモリ
やＣＤプレーヤ等に応用することにより記録密度を４倍
にすることができ、またレーザープリンタ、フォトリソ
グラフィー等に応用することにより高い解像度を得るこ
とができる。

従来ＳＨＧ素子としては、高出力のガスレーザーを光源
とする、非線形光学結晶のバルク単結晶が用いられてき
た。しかし、近年光デイスク装置、レーザープリンタ等
の装置全体を小型化する要求が強いこと、ガスレーザー
は光変調のため外部に変調器が必要であり小型化に適し
ていないことから、直接変調が可能で、ガスレーザーに
比べて安価で取扱が容易な半導体レーザーを使用するこ
とができるＳＨＯ素子が要求されている。　なお、半導
体レーザーを光源とする場合、一般に半導体レーザーの
出力が数ｍＷから数十ｍＷと低いことから、特に高い変
換効率を得ることのできるＳＨＧ素子であることが必要
である。

ところで、非線形光学効果を持ち、ＳＨＧ素子に使用す
ることのできる光学結晶材料としては、ニオブ酸リチウ
ム（ＬｉＮｂＯｓ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ
ｚ　）、ＫＴｉＯＰＯ，、Ｋ　Ｎ　ｂ　Ｏｚ　、Ｂ　ａ
　ｚ　Ｎ　ａ　Ｎ　ｂ　５０　＋　ｓ、ＢａｚＬｉＮｂ
ｓＯ＋ｓ等があり、なかでもＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｘは非
線形光学定数が高（、光損失が小さく最も適している。

（従来技術の問題点） 従来ＬｉＮｂＯ３材料を使用して光導波路を形成する方
法としては、Ｌ　ｉＮ　ｂ　Ｏｓのバルク単結晶にＴｉ
拡散、プロトン交換、外拡散等の処理を施して屈折率を
変化せしめた層を形成する方法が知られているが、これ
らの方法で得られる導波路は、波長の短いレーザー光源
、特に波長が１μｍ以下のレーザー光源に対しては、バ
ルクとの屈折率の差をそれ程大きくすることが困難で、
第２高調波を発生させるための位相整合、すなわち、入
射レーザー光の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を一致させることが極めて
困難〔山田、宮崎；電子情報通信学会技術研究報告、Ｍ
Ｗ８７−１１３　（１９８８）〕であり、しかも導波路
とバルクとの境界が明確でないことから光波が導波路か
ら拡がり易く、光エネルギーを集中させ難いため、特に
高い変換効率を得ることが困難であるという問題があっ
た。

このため本発明者らはＬｉＮｂＯ５材料を使用し、０．
８μｍ帯の半導体レーザー光源を用いて、基本波光と第
２高調波光の位相整合が得られる組み合わせについて種
々検討し、特定の屈折率を有するＬ　＋　Ｔ　ａ　Ｏｙ
単結晶と、その表面に特定の屈折率を有するＬ　ｉ　Ｎ
　ｂ　Ｏｓ薄膜を導波層として組み合わせた構造で位相
整合が可能となる条件を見出し、先に特願昭６３−１６
０８０４号を出願した。

しかしながら先の発明は、基本波レーザー光源として０
．８μｍ帯の半導体レーザーを使用することができるだ
けの極めて適用範囲の狭いものであり、しかも、物質の
屈折率は一般的に波長により変化するため、異なった波
長のレーザ光光源には適用することができなかった。

また、先の発明ではＬｉＴａＯ３基板上に直接Ｌ　Ｉ　
Ｎ　ｂ　Ｏｚ薄膜を形成しているが、単結晶薄膜の担体
として使用されている市販のＬｉＴａＯ３単結晶基板は
、主としてＳＡＷデバイス用であって、不純物の含有量
が多い（〉２ｐｐｍ）、屈折率分布が大きい（１０−’
／ｃｍ程度）、結晶性が悪いなどの問題があり、このた
め光学薄膜用の基板として使用した場合、基板上に形成
される薄膜導波層は基板の結晶性を転写することから、
ドメイン（粒界）等の欠陥が生じゃすく、薄膜導波層の
光の伝播性、電気光学効果、非線形光学効果などの特性
が低下してしまう。

また、前記基板として光学グレードのＬｉＴａ０１基板
を使用することが可能であるが、光学グレードの単結晶
基板はＬｉＮｂ○、を除いて殆ど市販されておらず、高
価であり汎用向きではない。

そこで本発明者らは、ＬｉＮｂ０ｚ材料を使用し、種々
の波長のレーザ光光源で位相整合が可能となるＳＨＧ素
子の条件について鋭意研究した結果、基板としてＬｉＮ
ｂ○、基板上に形成されたＬｉＴａ０ｔ￥ｉＩ膜を使用
し、このＬｉＴａＯ３薄膜の上にＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓ
薄膜導波層を形成し、ＬｉＴａＯ３薄膜の基本波レーザ
ー光波長（λμｍ）における常光屈折率（ｎｏｓ＋　）
および第２高調波波長（λμｍ／２）における異常光屈
折率（ｎｅｓｔ　）の値を特定の範囲とし、なおかつ基
本波レーザー光波長（λμｍ）における ＬｉＮｂＯ５薄膜導波層の常光屈折率（ｎａｙ＋）、Ｌ
ｉＴａＯ３薄膜の第２高調波波長（λμｍ／２）におけ
る異常光屈折率（ｎ、ｓ□）およびＬｉＮｂ０．薄膜導
波層の第２高調波波長（λμｍ／２）における異常光屈
折率（ｎ＊ｙｚ　）を特定の関係を満足せしめるよう設
定することにより、第２高調波を極めて効率的に発生さ
せることができることを新規に見出すに到り、本発明を
完成させた。

ｃ問題を解決するための手段） 本発明は、ＬｉＮｂ○、基板上にＬｉＴａＯ３薄膜が形
成され、該ＬｉＴａＯ３薄膜上にＬｉＮｂｏ２薄膜導波
層が形成されてなり、 ＬｉＴａＯ３薄膜の基本波レーザー光波長（λμｍ）に
おける常光屈折率（ｎａｓ＋）が２．００〜２．２０、
第２高調波波長（λμｍ／２）における異常光屈折率（
ｎ＠！Ｚ　）が２．１５〜２．３５であり、Ｌ　ｉ　Ｎ
　ｂ　Ｏｓ　ｆｉ膜導波層の基本波レーザー光波長（λ
μｍ）における常光屈折率（ｎＯＦ、）と第２高調波波
長（λμｍ／２）における異常光屈折率（ｎａＦ□）が
下記の関係式で示されることを特徴とするＳＨＧ素子で
ある。

（ｎｏｖ＋　　　ｎｅｓｔ　　） （作用） 本発明のＳＨＧ素子の構造は、Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｚ基
板上にＬｉＴａ０ｓＦｊｉ膜が形成されてなり、該Ｌｉ
　Ｔ　ａ　Ｏｚ薄膜上にＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｘ薄膜導波
層が形成されてなるものであることが必要である。

ＳＨＧ素子の構造として、薄膜導波層が形成されてなる
ことが必要な理由は、 薄膜導波層が形成されたＳＨＧ素子における第２高調波
光の発生は、薄膜に集中した光のエネルギーを利用でき
ることや光波が薄膜内に閉じ込められ、拡がらないため
に、長い距離にわたって相互作用を行わせ得ることなど
の利点を有しているばかりでなく、従来用いられている
バルクを使用したＳＨＧ素子では、位相整合できない物
質でも薄膜のモード分散を利用することにより位相整合
ができることなどの利点を有するからである。

また、本発明の薄膜導波層としてＬｉＮｂＯ５を用いる
ことが必要な理由は、前記ＬｉＮｂ０゜は非線形光学定
数が大きいこと、光の損失が小さいこと、均一な膜を作
成できることが挙げられる。

前記基板としてＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｘを用いることが必
要である理由は、該基板は市販されているため入手しや
すく、機械的、熱的衝撃に強く、薄膜形成工程における
破損のおそれが殆どないためである。

また、前記ＬｉＴａＯ３と前記ＬｉＮｂ０．は結晶構造
が類似しており、互いに薄膜を形成しやすいことから薄
膜導波路型ＳＨＧ素子の構成材料として好適である。

なお、前記ＬｉＴａ０ｓｉｌ膜、前記ＬｉＮｂＯ３薄膜
、Ｌ　ｉＮ　ｂ　Ｏｓ基板は、いずれも単結晶であるこ
とが有利である。

これは、単結晶の方が光学的特性が優れているからであ
る。

本発明（Ｄ　Ｌ　ｉＮ　ｂ　Ｏ！薄膜導波層がＬｉＮｂ
０１基板上のＬｉＴａＯ３薄膜の上に形成されてなるこ
とが必要な理由は、次のように説明できる。

一般にＬｉＮｂ０．は、ＬｉＴａＯ３に比べ結晶性が優
れていることから、ＬｉＮｂ０．基板上にＬｉＴａ○、
薄膜を形成することにより、ＬｉＮｂ○３基板の結晶性
をＬ　ｉ　Ｔ　ａ　Ｏｘ薄膜に転写でき、前記結晶性に
優れたＬｉＴａＣ１＋薄膜を形成できる。

このため、前記結晶性に優れたＬｉＴａＯ３薄膜上にｆ
！＃導波層としてＬｉＮｂＯ３を形成することにより、
光の伝播性、非線形光学効果などの特性が優れた薄膜導
波路が得られ、高効率のＳＨＧ出力を得ることが可能だ
からである。

また、平板状のＬｉＴａＯ５を基板とする場合よりも、
機械的、熱的衝撃に強い、ＬｊＮｂＯｚ薄膜の担体を得
ることができる。

前記Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓ基板は、光学グレードである
ことが望ましい。

前記光学グレードのＬｉＮｂ０．基板とは、結晶性が優
れ、鉄などの不純物の含有量２ｐｐｍ以下、屈折率分布
１０−’／ｃｍ（局所≦１Ｏ−５）以下、原料純度９９
．９９９％以上のものを指す。

前記Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３基板が、光学グレードである
ことが望ましい理由は、光学グレードのＬｉＮｂ０、基
板上にＬｉＴａ０ｓＥ！膜を形成することにより、光学
グレードのＬｉＴａＯ５薄膜を得ることができ、この光
学グレードのＬｉＴａＯ３薄膜上にＬｉＮｂＯ３を形成
することにより、前記ＬｉＴａｏ、薄膜の結晶性がＬｉ
ＮｂＯ５に転写され、光の伝播性、電気光学効果、非線
形光学効果が特に優れた薄膜導波層が得られるからであ
る。

前記ＬｉＴａＯ３薄膜の厚みは、０．２〜３０μｍであ
ることが望ましい。

この理由は、前記ＬｉＴａ０３ｆｉ膜の厚みが０゜２μ
ｍより薄い場合、導波光が漏れてしまい、また、３０μ
ｍより厚い場合、結晶性が低下してしまうからである。

前記ＬｉＮｂＯ５？！膜の厚みは、特に０．５〜１０μ
ｍが好ましく、１〜５μｍが有利である。

本発明における、ＬｉＴａＯ３薄膜とＬｉＮｂ０ｆｆ基
板、およびＬｉＴａ○、薄膜とＬｉＮｂ０：＋ＦＩ膜導
膜層波層れぞれ格子整合されてなることが望ましい。

前記格子整合とは、Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｘの格子定数を
、ＬｉＴａ０ｉ格子定数の９９．８１〜１００．０７％
とすることである。

このような格子整合が望ましい理由は、格子の歪みやマ
イクロクランク等のない薄膜を形成できるからである。

゛本発明における格子整合の方法としては、ＬｉＮｂ０
．基板あるいはＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３薄膜導波層に異種
元素を含有させ、格子定数を大きくするか、逆にＬｉＴ
ａＯ３薄膜に異種元素を含有させ、格子定数を小さくす
る方法が有利である。

前記ＬｉＮｂ０．基板あるいはＬｉＮｂＯ５薄膜導波層
に含有させる異種元素は、ＮａとＭｇであることが望ま
しい。

この理由は、ＮａとＭｇの原子もしくはイオンは、Ｌｉ
Ｎｂ０．に対する置換あるいは固溶により、ＬｉＮｂ０
．の格子定数を大きくする効果を有しているため、Ｎａ
とＭｇの組成を調整することによりＬｉＮｂ０．基板も
しくは、薄膜導波層とＬｉＴａ０ｚ！膜の格子整合を得
ることができるからである。

また、Ｍｇは、薄膜の光損傷を防止する効果があり、高
効率のＳＨＣ，出力を得るために有利である。

また、前記ＮａとＭｇの含有量は、それぞれＬｉ　Ｎ　
ｂ　Ｏ３に対して、０．１〜４．８モル％、０゜８〜１
０．８モル％であることが望ましい。

この理由は、Ｎａの含有量が０．１モル％より少ない場
合、Ｍｇ添加量の添加量の如何に関わらず、ＬｉＮｂ○
、薄膜とＬｉＴａＯ３薄膜との格子整合が得られず、ま
た、４．８モル％を越えた場合は逆に格子定数が大きく
なりすぎ、いずれの場合もＬ　ｉＮ　ｂ　Ｏｓ薄膜とＬ
ｉＴａ０ｚ薄膜との格子整合が得られないからである。

また、Ｍｇの含有量が０．８モル％より少ない場合は、
光損傷を防止する効果が不十分であり、１０．８モル％
を越える場合は、ＬｉＭｇ０ｚ系の結晶が析出してしま
うため含有させることができない。

また、前記Ｌ　ｉ　Ｔ　ａ　Ｏｚ薄膜に含有させる異種
元素は、Ｔｉであることが好ましい。

この理由は、ＴｉはＬｉＴａＯ３の格子定数を小さくす
る効果を有するからである。

前記Ｔｉの含有量は、５．０〜７．０ｍｏ　１％である
ことが望ましい。

この理由は、上記範囲を外れた場合、ＬｉＮｂ０１基板
あるいは薄膜導波層との格子整合が得られないからであ
る。

さらに、前記ＬｉＴａＯ３薄膜の（０００１）面にＬ　
ＩＮ　ｂ　Ｏｉ　薄膜を形成することが望ましい。

前記（０００１）面とは、結晶のＣ軸に垂直な面を意味
する。

前記ＬｉＴａ０ｓｆｉ膜の（０００１）面がＬｉＮｂ０
．薄膜の成長面であることが望ましい理由は、前記（０
’０Ｏ１）面は、ａ軸のみで構成されるため、ａ軸の格
子定数を変えるだけで、ＬｉＮｂ０１基板膜と格子整合
できるからである。

また、前記ＬｉＴａＯ５薄膜上に形成されるＬｉＮｂ０
１基板膜の格子定数（ａ軸）は、前記ＬｉＴａｇ、薄膜
の格子定数（ａ軸）の９９．８１〜１００．０７％が好
ましく、９９．９２〜１００゜０３％が好適である。

この理由は、前記範囲を外れる場合、Ｌ　１ＴａＯ３と
Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　０３の格子定数を整合させ難いからで
ある。

本発明のＳＨＧ素子を構成するＬｉＮｂ０＊ｍ膜は、波
長０．８３μｍの半導体レーザ光に対する光伝播損失が
、１．４ｄＢ／ｃｍ以下であることが望ましい。

前記光伝播損失は、光が薄膜中を伝播する際の光の進行
方向の単位長さ当りの光強度低下割合を示すものであり
、これには散乱損失と吸収損失が含まれる。

散乱損失は、基板と薄膜との界面の状態、ｍ）Ｉ＃の表
面状態及び薄膜中のマイクロクランク等に依存する。

また、吸収損失は、薄膜の特性にのみ関与するものであ
り、薄膜の結晶性や不純物混入割合等に依存する。

本発明のＳＨＧ素子は、ＬｉＴａ０ｚＦ！膜の基本波レ
ーザー光波長（λ）における常光屈折率（ｎｅｓｔ）が
２．００〜２．２０、第２高調波波長（λ／２）におけ
る異常光屈折率（ｎｅｓｔ　）が２．１０〜２．４０で
あり、基本波レーザー光波長（λμｍ）におけるＬｉＮ
ｂ０＞薄膜導波層の常光屈折率（ｎｏｙ＋　）　、Ｌ　
ｉ　Ｔ　ａ　０３薄膜の第２高調波波長（λμｍ／２）
における異常光屈折率（ｎｍｓ、）と第２高調波波長（
λμｍ／２）における異常光屈折率（ｎｍｙｚ　）が下
記の関係式を満足するものであることが必要である。

（λμｍ／２）における異常光屈折率（ｎ’ｓ□）力＜
２．１５〜２．３５であり、しかも前記関係式を満足す
る構造とすることにより、極めて高い変換効率を有する
ＳＨＧ素子を得ることができるからである。

特に高い変換効率を得るには、 Ｔ　　（ｎｏｖ＋　　　ｎｍ５ｚ　　）を満足すること
が有利であり、なかでも、（ｎｍＦｌ　　　ｎ６３ｇ　
　） その理由は、前記ＬｉＴａ０ｓｆｉ膜膜の基本波レーザ
ー光波長（λμｍ）における常光屈折率（ｎ。５．）が
２．００〜２．２ｏ、第２高調波波長Ｔ　　（ｎｏｖ＋
　　　ｎｅｓｔ　　）を満足することが好適である。

本発明のＳＨＧ素子は、ＬｉＴａＯ３薄膜の基本波レー
ザー光波長（λμｍ）における常光屈折率（ｎ＋＋ｓ＋
）が２．００〜２．２０、第２高調波波長（λμｍ／２
）における異常光屈折率（ｎｕｓ２）が２．１５〜２，
３５であることが必要である。

その理由は、ＬｉＴａ０ｉ薄膜の基本波レーザ−光波長
における常光屈折率（ｎｏｓ＋　）および第２高調波波
長における異常光屈折率（ｎゆ、２）は、なるべく低い
ことが望ましいが、前記屈折率の範囲よりも低いＬｉＴ
ａ０ｘｆｊｆ膜を得ることは困難であるからであり、一
方前記屈折率の範囲よりも高いと高い変換効率を有する
ＳＨＧ素子を得ることが困難になるからである。

前述の如き屈折率を有するＬｉＮｂ０ａ薄膜導波層、も
しくはＬｉＴａＯ３薄膜は、Ｎａ、Ｃｒ。

Ｍｇ、Ｎｄ、Ｔｉ、■などの異種元素を含有させること
により、屈折率を調整したものを使用することが有利で
ある。

前記ＬｉＮｂ０ｘＦ！膜導波層、ＬｉＴａ０３ｍ膜に、
Ｎａ、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｔｉなどを含有させることにより、
前記ＬｉＮｂ０□薄膜導波層、およびＬｉＴａ０ｚ薄膜
の屈折率を上げることができ、また、Ｍｇ　　Ｖなどを
含有させることにより、前記ＬｉＮｂ０．薄膜導波層、
およびＬｉＴａ０＋薄膜の屈折率を下げることができる
。

前記Ｎａの含有量は、０．１〜１０ｍｏ１％であること
が望ましい。この理由は、Ｎａの含有量が１　Ｏｍｏ　
１％を越える場合は、ＬｉＴａ０３Ｆ！［膜の光学的特
性が低下するからであり、また０゜１ｍｏ１％より低い
場合、屈折率が殆ど変化しないため、いずれの場合も実
用的なＳＨＧ素子とはならないからである。前記Ｎａの
含有量は、なかでも０．８ｍｏ１％〜２ｍｏ　１％が好
適である。

また、前記Ｃｒの含有量は、０．０２〜２０ｍｏ１％で
あることが望ましい。この理由は、前記Ｃｒの含有量が
２０ｍ膜１％を越える場合は、ＬｉＮｂＯ３薄膜導波層
、あるいはＬｉＴａＱ。

薄膜の光学的特性が低下するからであり、またＯｌｌｍ
ｏ　１％より低い場合、屈折率が殆ど変化しないため、
いずれの場合も実用的なＳＨＧ素子とはならないからで
ある。前記Ｃｒの含有量は、なかでも０．２ｍｏ１％〜
１０ｍｏ１％が好適である。

さらに、前記Ｍｇの含有量は、０．１〜２０ｍｏ１％で
あることが望ましい。この理由は、前記Ｍｇの含有量が
２０ｍ膜１％を越える場合は、ＬｉＴａ０ｚ薄膜の光学
的特性が低下するからであり、またＱ、１ｍｏ１％より
低い場合、光損傷を防止する効果が殆どないため、いず
れの場合も実用的なＳＨＧ素子とはならないからである
。前記Ｍｇの含有量は、なかでも２．Ｏｍｏ１％〜１０
ｍｏ　１％が好適である。

前記Ｔｉの含有量は、０．２〜３０ｍｏ１％であること
が望ましい。この理由は、Ｔｉの含有量が３０ｍ膜１％
を越える場合は、ＬｉＮｂＯ３薄膜導波層、あるいはＬ
ｉＴａＯ３薄膜の光学的特性が低下するからであり、ま
た０、２ｍｏ１％より低い場合、屈折率が殆ど変化しな
いため、いずれの場合も実用的なＳＨＧ素子とはならな
いからである。前記Ｔｉの含有量は、なかでも１．Ｏｍ
ｏ１％〜］　５ｍｏ　１％が好適である。

前記Ｎｄの含有量は、０．０２〜ｌ　Ｏｍｏ　Ｉ％であ
ることが望ましい、この理由は、Ｎｄの含有量が１０ｍ
膜１％を越える場合は、Ｌ　ｉＮ　ｂ　Ｏｓ薄膜導波層
、あるいはＬｉＴａＯ３薄膜の光学的特性が低下するか
らであり、また０、０２ｍ膜１％より低い場合、屈折率
が殆ど変化しないため、いずれの場合も実用的なＳＨＧ
素子とはならないからである。前記Ｎｄの含有量は、な
かでも０゜５ｍｏ　１％〜５ｍｏ　１％が好適である。

前記■の含有量は、０．０５〜３０ｍｏ１％であること
が望ましい。この理由は、前記■の含有量が３０ｍ膜１
％を越える場合は、ＬｉＮｂＯ５薄膜導波層、あるいは
ＬｉＴａＯ３薄膜中に構造の異なる結晶が析出して光学
的特性が低下するからであり、また０、０５ｍ膜１％よ
り低い場合は屈折率が殆ど変化しないため、いずれの場
合も実用的なＳＨＧ素子とはならないからである。前記
■の含有量は、なかでも２．Ｑｍｏ１％〜１０ｍｏ１％
が好適である。

なお、前記含有量はＬ　ｉＮ　ｂ　Ｏ：ｌあるいはＬｉ
ＴａＣＬに対する異種元素のｍｏ１％で表わされている
。

ところで、前記ＬｉＮｂ、Ｏｚ薄膜導波層に前記Ｎａ、
Ｃｒ、Ｎｄ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｖなどの異種元素を含有させ
た場合、前記ＬｉＮｂＯｘ薄膜導波層の格子定数と屈折
率が同時に変化するため、必要に応して前記異種元素の
含有量を調整することが望ましい。

本発明において、Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３薄膜導波層、Ｌ
ｉＴａｏ＊薄膜、ＬｉＮｂＯ３基板に前記Ｎａ。

Ｃｒ、Ｍｇ、Ｎｄ、Ｔｉ、Ｖなどの異種元素を含有させ
る方法としては、予め原料と異種元素あるいは異種元素
化合物を混合しておき、液相エピタキシャル成長法にて
ＬｉＴａＯ３薄膜や［，１Ｎｂｏｚ薄膜導波層を形成す
る方法、あるいはＬｉＮｂＯ３単結晶をチョクラルスキ
ー法にて成長させる方法、もしくはスパッタリング法、
有機金属化学堆１１　（ＭＯＣＶＤ）法、分子ビームエ
ピタキシー（ＭＢＥ）法、拡散法、イオン注入法など種
々の方法を用いることができる。

本発明のＳＨ’Ｇ素子は、基本波レーザー光波長（λμ
ｍ）が、０．６８〜０．９４μｍであることが好ましい
。

その理由は、前記基本波レーザー光（λμｍ）としては
、なるべく波長の短いものであることが有利であるが、
基本波レーザー光波長が０．６８μｍより短くなると、
発生する第２高調波の波長は０．３４μｍより短くなる
が、この波長以下ではＬｉＮｂ０ｓｉ！膜あるいはＬｉ
Ｔａ０＋Ｆｉｉｌｌｌｌの光吸収損失が急激に増大して
高いＳＨＯ出力を得ることが困難になるからであり、か
つ、半導体レーザとして現在人手し易い波長としては、
０．６８μｍ〜０．９４μｍおよび、１．２μｍ〜１゜
５５μｍのものがあるが、後者の波長を基本波レーザー
光として使用した場合には、得られる第２高調波の波長
が直接半導体レーザによって比較的簡単に発生させるこ
とのできる波長領域となるためＳＨＧ素子を使用する優
位性が見出せないからである。

前記基本波レーザー光の波長（λ）は、半導体レーザー
光源を比較的入手し易い０．７８〜０゜８６μｍが有利
であり、なかでも、高い出力の半導体レーザー光源を入
手し易い０．８２〜０．８４μｍが実用上好適である。

本発明の５）（Ｇ素子のＬ　ｉＮ　ｂ　Ｏｓ薄膜導波層
の膜厚（Ｔ）は０．１〜２０μｍの範囲であることが好
ましい。

その理由は、前記薄膜導波層の膜厚（Ｔ）が０゜１μｍ
より薄い場合、基本波レーザー光を入射させることが困
難で、入射効率が低いため実質的に高いＳＨＧ変換効率
が得られ難いからであり、方２０μｍより厚い場合光パ
ワー密度が低く、ＳＨＧ変換効率が低くなってしまい、
いずれの場合もＳＨＯ素子として使用することが困難で
あるからである。前記薄膜導波層の膜厚は、なかでも０
゜２〜１０ａｍが有利であり、特に０．４〜８μｍが実
用上好適である。

本発明のＳＨＧ素子は、薄膜導波層の光学軸（Ｚ軸）に
対する基本波レーザー光の入射角（θ）がＯ±１５＠あ
るいは９０±１５″の範囲内であることが好ましい。

その理由は、前記基本波レーザー光の入射角（θ）が前
記範囲内の場合、第２高調波への変換効率が極めて高い
からである。前記基本波レーザー光の入射角は、なかで
も０±５°あるいは９０±５＠の範囲内であることが有
利である。

また、本発明のＳＨＧ素子は、幅が１〜１０μｍである
チャンネル型であることが有利である。

チャンネル型のＳＨＧ素子が有利である理由は、スラブ
型に比べて光パワー密度を高くできるからであり、また
、幅が１〜１０μｍであることが有利である理由は、幅
が１μｍより小さいと入射光を導波路に導入することが
難しく、入射効率が低いためＳＨＧ変換効率も低くなっ
てしまうからであり、一方入射効率は幅が大きいほど高
いが、１０μｍより大きいと光パワー密度が低下するた
め、ＳＨＧ変換効率が低下するからである。

本発明に用いるＬｉＴａ０ｚ薄膜、ＬｉＮｂ０１薄膜、
ＬｉＮｂ０．基板は、いずれも表面を鏡面研磨したり、
化学エツチングなどにより処理したものなどを用いるこ
とができる。

本発明のＳＨＧ素子は、第２高調波光の透過率が１００
％もしくは、１００％近くで、基本波レーザ光を全く透
過させないかもしくは殆ど透過させない波長選択性の薄
膜（フィルター）が、光の出射端面の後方もしくは、出
射端面に直接形成されてなることが望ましい。

この理由は、不要な基本波レーザ光を出射光から取り除
き、必要な第２高調波光のみを効率良く取り出すことが
できるからである。

また、前記波長選択性の薄膜を、直接出射端面に形成し
て第２高調波光に対する反射防止条件を満たすよう調整
することにより、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜層と空気
との屈折率に大きな差があるために出射端面で生してい
た反射による損失を低減でき、ＳＨＧ出力を向上させる
ことができる。

前記波長選択性の薄膜は、出射端面の後方の出射端面か
ら離れた位置に形成されてもよく、また適当な接着剤を
用いて出射端面上に固定されていてもよい。

前記接着剤を用いて出射端面上に固定する場合は、接着
層の屈折率、厚さを前記第２高調波光に対する反射防止
条件に適合するよう調節して、ＳＨＧ出力を向上させる
ことが望ましい。

前記波長選択性の薄膜としては、色ガラスフィルター、
ガラス基板上に波長選択性の干渉膜をコーティングした
もの、等を使用できる。

前記波長選択性の薄膜の材料としては、５１０２、Ｍｇ
Ｏ，Ｚｎ０２Ａ　ｊ！　ｚ　Ｏｓ等の酸化物、ＬｉＮｂ
Ｏ３、Ｌ　１Ｔａ０３　、Ｙ２　Ｇａｓ　０１２、Ｇｄ
５ＧａｓＯ＋□等の複合酸化物、あるいはＰＭＭＡ、Ｍ
ＮＡ等の有機物等を用いることができ、これらを重ねた
多層薄膜も用いることができる。

前記波長選択性の薄膜の作成方法としては、スパッタリ
ング法、液相エピタキシャル法、蒸着法、ＭＢＥ（分子
ビームエピタキシャル：Ｍｏ１ｅｃｕｌａｒ　　Ｂｅａ
ｍ　　Ｅｐｉｔａｘｉａｌ）法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａ
ｌ　　Ｏｒｇａｎｉｃ　　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　　Ｖａｐ
ｏｒ　　Ｄｅｐｏｓｉｔｉ。

ｎ）法、イオンブレーティング法、ＬＢ法、スピンコー
ド法、デイツプ法などが有利である。

また、本発明のＳＨＧ素子は基本波レーザー光の透過率
が１００％もしくは１００％近くになるように入射端面
に発射防止コーティング処理をほどこしたものが望まし
い。

前記反射防止コーティングの材料としてはＳｉ０、　、
ＭｇＯ，ＺｎＯ１Ａｊ２２０．等の酸化物、Ｌ　ｉ　Ｎ
ｂ０ｚ　、Ｌ　１ＴａＯｓ　、Ｙａ　　Ｇａｓ　　Ｏａ
ｔ、Ｇｄｚ　Ｇ’ａｓ　Ｏ□等の複合酸化物、あるいは
ＰＭＭＡ、ＭＮＡ等の有機物等を用いることができ、こ
れらを重ねた多層薄膜も用いることができる、作成方法
としてはスパッタリング法、液相エピタキシャル法、蒸
着法、ＭＢＥ（分子ビームエピタキシャル：Ｍｏ１ｅｃ
ｕｌａｒ　　Ｂｅａｍ　　Ｅｐｉｔａｘｉａｌ）法、Ｍ
ＯＣＶＤ　（Ｍｅ　ｔ　ａ　１０ｒｇａｎｉｃ　　Ｃｈ
ｅｍｉｃａｌ　　ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓ　ｉｔ　１ｏｎ
）法、イオンブレーティング法、ＬＢ法、スピンコード
法、デイツプ法などが有利である。

さらに、本発明のＳＨＣ，素子は、基本波レーザ光の透
過率が１００％もしくは１００％近くであり、かつ、波
長０．６μｍ〜基本波長未満までの光を全く透過させな
いか、もしくは殆ど透過させない波長選択性の薄膜が入
射端面に形成されていることが望ましい。

この理由は、半導体レーザは一般に中心波長以外にも周
辺の波長の弱いレーザ光もしくは自然光を放出しており
、この周波の波長の光はＳＨＧ素子として用いる場合に
は一般に不要だからである。

また、本発明のＳＨＧ素子は、Ｌ　ｉＮ　ｂ　Ｏｘ薄膜
導波層上にクラッド層が形成されてなることが望ましい
。

この理由は、前記クラッド層をＬ　ｉＮ　ｂ　Ｏ：＋薄
膜導波層上に設けることにより、ＬｉＴａ０ｓｆ！膜、
ＬｉＮｂ０．薄膜導波層、クラッド層が屈折率に関して
対称形に近くなるため、基本波レーザ光および第２高調
波光の電界分布を対称形とすることができ、薄膜導波層
の膜厚が理論位相整合膜厚に完全に一致していない場合
でも第２高調波光の出力低下を緩和できることから、位
相整合膜厚の許容範囲が広く高変換効率のＳＨＧ素子が
得られるからである。

また、前記クラッド層は保護層として働き、導波層の破
損や塵、埃の付着による光散乱を防止でき、端面研磨で
問題となる導波層のカケ（ピンチング）を完全に防止で
き、素子作成の歩留まりを著しく向上させることができ
る。

さらに、前記クラッド層は関係式ｌ）および２）を満た
すことが望ましい。

特に、膜厚の位相整合誤差の許容範囲を拡張するために
は、式３）および４）を満たすことが好ましい。

ｎｏｓ−ｏ、ｓｏ≦ｎ６ｃ≦ｎａｓ　０．０５・・−式
１）ｎｏｓ−ｏ、７ｏ≦ｎ１ｌｃ≦ｎａｓ　　Ｏ，１５
”　’式２）ｎ、、−０，２５≦ｎ６ＣＳ　ｎ　ｏｓ　
０．１０　・”式３）ｎ□−０，５５≦ｎｍｃ≦ｎ、、
−０，２０・・・式４）ｎ０８：基本波レーザ光波長（
λμｍ）におけるＬｉＴａＯ３薄膜の常光屈折率 ｎｏｃ：基本波レーザ光波長（λμｍ）におけるクラッ
ド層の常光屈折率 ｎｌ、：第２高調波波長（λμｍ／２）におけるＬｉＴ
ａＯ５薄膜の異常光屈折率 ｎ、ｃ：第２高調波波長（λμｍ／２）におけるクラン
ド層の異常光屈折率 この理由は、前記クラッド層が前記ｌ）および２）式を
満足することにより、第２高調波光と基本波レーザ光の
電界分布型なりを最大限にでき、位相整合膜厚の許容範
囲が広く高変換効率のＳＨＧ素子が得られるからである
。

ｎ、１：基本波レーザ光波長（λμｍ）におけるＬｉＴ
ａＯ３薄膜の常光屈折率 ｎａｃ’基本波レーザ光波長（λμｍ）におけるクラッ
ド層の常光屈折率 ｎ１ｌｓ：第２高講波波長（λμｍ／２）におけるＬｉ
ＴａＯ５薄膜の異常光屈折率 ｎｍｃ’第２高調波波長（λμｍ／２）におけるクラッ
ド層の異常光屈折率 また、本発明のＳＨＯ素子のクラッド層の厚みは、０．
２〜３０μｍが望ましい、この理由は、０．２μｍより
薄い場合は導波光を閉じ込めることができず、また３０
μｍより厚い場合はクラ、７ド屡の結晶性が低下して、
光学的特性が低下し、またクラッド層の形成に時間がか
かり、生産性が低下するからである。

前記クラッド層は、０．５〜ｌＯμｍが好ましく、１〜
８μｍが好適である。

本発明におけるクラッド層は各種光学材料を使用するこ
とができ、ＺｎＯ１Ｍｇ０１ＡＩｌｚＯｓ、ＰＭＭＡ、
ＳｉＯ□、パイレックスガラス、ソーダガラスなどが使
用でき、なかでもＺｎＯが好適である。

本発明のＳＨＧ素子は、レーザ光がＳＨＧ素子の導波路
に入射されるように、半導体レーザのヘアチップを接合
し、パッケージ化しておくことが望ましい。

本発明のＳＨＧ素子は、イオンビームエツチングや反応
性イオンエツチング、スパッタエツチング、プラズマエ
ツチング、反応性イオンビームエツチングなど、種々の
方法にて製造することができるが、特にチャンネル型の
ＳＨＧ素子の製造方法としては、ＬｉＴａＯ３薄膜上に
スパッタリングや液相エピタキシャル成長法などの方法
によりＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓ薄膜導波層を形成した後、
さらに、前記薄膜導波層上にフォトリソグラフィーとＲ
ＦスパッタリングによりＴｉ導波路パターンを形成し、
これをエツチングマスクとしてイオンビームエツチング
することにより段差を形成し、ついでエツチングマスク
を除去して、再度イオンビームエンチングを行い、位相
整合膜厚に調整することによりチャンネル型のＳＨＯ素
子を作成するなどの方法が有利である。

上記製造方法で、段差を設けた後位相整合膜厚に調整す
ることが有利である理由は、次のように説明される。

一般に、基板上に形成された薄膜の厚みを正確に測定す
ることは困難であり、電子顕微鏡を使用して測定する場
合でも誤差が発生してしまう。

しかし、１１１表面に段差を設け、これを実測し、一方
で電子顕微鏡を使用して、段差と薄膜導波層の厚みの比
率を計算することにより、正確に膜厚を測定できる。

このため、ＬｉＮｂＣ１＋薄膜の厚みを正確に位相整合
膜厚に合わせることができる。

Ｃ実施例〕 以下、本発明の詳細な説明する。

実施例１ （１）厚さ０．５閣の光学グレードＺカットのＬｉ　Ｎ
　ｂ　Ｏｓ単結晶基板の上にＲＦスパッタ法により膜厚
５μｍのＬｉＴａＯ５単結晶薄膜を形成した。

（２）（１）で得たＬｉＴａＯ５単結晶薄膜の上に液相
エピキャシタル成長法により、膜厚５μｍのＴｉ、Ｍｇ
、Ｎａ　（各５．　５．　２ｍｏｌＸ）固溶Ｌｉ　Ｎ　
ｂ　Ｏｓ単結晶薄膜を成長させた。

（３）（２）で得たＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓ単結晶薄膜の
表面を鏡面に研磨し、このＬ　Ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３単結晶
薄膜を導波路とするスラブ型導波路を作成した。

（４）（３）の導波路の膜厚をイオンビームエ・ンチン
グにより位相整合膜厚３．６６±０．０３μｍに調整し
た。

（５）（４）で得たスラブ型導波路の両端面をバフ研磨
により、鏡面研磨して端面からの光の入出射可能として
第２高調波発ｑ　（ＳＨＧ）素子とした。

基本波レーザ光波長λを０．８３０ＩＩｍとしたとき、
ＬｉＴａＯ３薄膜の常光屈折率（ｎ　ｏｓ’）は２．１
５１１、ＬｉＮｂ０．単結晶薄膜導波層の常光屈折率（
ｎ　（ＩＦ＋）は２．２６７０、第２高調波波長λ／２
におけるＬｉＴａＯ３単結晶薄膜の異常光屈折率（ｎ□
よ）は２．２６１０、λ／２におけるＬ　ｆ　Ｎ　ｂ　
Ｏ２単結晶薄膜導波層の異常光屈折率（ｎ　ａｒｔ）は
２．２６５１、であった。

このＳＨＧ素子は、 ｎ５ｒｔ　　−ｎｅｓｔ このＳＨＧ素子について、波長０．８３０μｍ、４０ｍ
Ｗの半導体レーザを単結晶薄膜の結晶軸ＣＺ軸）に対し
て９０°の角度で入射した場合のＳＨＧ変換効率を測定
したところ１．８３％であり、非常に高い効率が得られ
た。

実施例２ （１）厚さ０．５ｍの光学グレードＺカットのＬｉＮｂ
ｏ、単結晶基板の上にＲＦスバンタ法により、膜厚８μ
ｍのＬｉＴａｏ、単結晶薄膜を形成した。

（２）（１）で得られたＬ　ｉ　Ｔ　ａ　Ｏ２単結晶薄
膜の上に液相エピタキシ中ル成長法により、膜厚５μｍ
のＭｇ、　Ｎｄ　（それぞれ５ｍｏｌχ、　２１１０１
χ）固溶ＬｉＮｂＯ５単結晶薄膜を成長させた。

（３）（２）で得たＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３単結晶薄膜の
表面を鏡面に研磨し、このＬｉＮｂＯ５単結晶薄膜を導
波路とするスラブ型導波路を作成した。

（４）（３）の導波路の膜厚をイオンビームエツチング
により位相整合膜厚４．６３±０．０４μｍに調整した
。

（５）（４）で得たスラブ型導波路の両端面をパフ研磨
により、鏡面研磨して端面からの光の入出射を可能とし
て第２高調波発生（ＳＨＯ）素子とした。

基本波レーザ光波長λを０．８３２μｍとしたとき、Ｌ
ｉＴａＯ３単結晶薄膜の常光屈折率（ｎ。、１）は２．
１５１１、Ｍｇ、Ｎｄ固溶ＬｉＮｂ０ｘＦｊｌ膜導波層
の常光屈折率（ｎ　ＩＩＦ＋）は２．２６４４、第２高
調波λ／２におけるＬｉＴａＯ５単結晶薄膜の異常光屈
折率（ｎａｓｚ）は２，２６１１、Ｍｇ＋　Ｎｄ固ｉ′
８ＬｉＮｂｏｓ薄膜導波層の異常光屈折率（ｎ　ＩＩＦ
りは２．２６３１あった。

このＳＨＧ素子は、 ｎａｖｙ　　　　ｎｅｓｔ このＳＨＯ素子について、波長０．８３２μｍ、４０ｍ
Ｗの半導体レーザを単結晶薄膜の結晶軸（Ｚ軸）に対し
て９０°の角度で入射した場合のＳＨＧ変換効率を測定
したところ２．２１％であり、非常に高い効率が得られ
た。

実施例３ （１）Ｈさ０．５閣の光学グレードＺカットのＬｉ　Ｎ
　ｂ　Ｏｓ単結晶基板の上にＲＦスパッタ法により膜厚
５ｐｍのＬｉＴａ０ｚ単結晶薄膜を形成した。

（２）（１）で得たＬｉＴａＯ３単結晶薄膜の上に液相
エピタキシャル成長法により、膜厚５μｍのＴｉ、Ｍｇ
、Ｎａ　（各５．　５．　２ｓｏｌχ）固溶ＬｉＮ　ｂ
　Ｏｓ単結晶薄膜を形成した。

（３）（２）で得たＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３単結晶薄膜の
表面を鏡面に研磨し、このＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓ単結晶
薄膜を導波層とするスラブ型導波路を作成した。

（４）（３）の導波路の膜厚をイオンビームエツチング
により、位相整合膜厚４．０５±０．０３μｍに調整し
た。

（５）（３）および（４）で得たスラブ型導波路をフォ
トリソグラフィーにより、幅ｌＯμｍ、膜厚４．０５±
０．０３μｍ、段差１．３ｐｍのりッジ型のチャンネル
型導波路を作成した。

（６）（５）で得られたチャンネル型導波路の両端面を
バフ研摩により、鏡面研磨して端面からの光の入出射を
可能として第２高調波発生素子とした。

基本波レーザ光波長λを０．７８０μｍとしたとき、Ｌ
ｉＴａＯ５単結晶薄膜の常光屈折率（ｎＯ１＋）は２．
１５５１、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｎａ固溶ＬｉＮ　ｂ　Ｏｓ薄膜
導波層の常光屈折率（ｎｏｖ＋）は２゜２６９１、第二
高調波λ／２におけるＬ　ｉ　Ｔ　ａ　Ｏｓ単結晶薄膜
の異常常光屈折率（ｍａｉｌ）は２．２６３２、Ｔｉ、
Ｍｇ、Ｎａ固溶ＬｉＮｂ０．薄膜導波層の異常屈折率（
ｎ　ａｒｔ）は２．２６７５、であった。

このＳＨＧ素子は、 ｎ　ａＦ！　　　　ｎ　＠Ｉ！ このＳＨＯ素子について、波長０．７８μｍ４０ｍＷの
半導体レーザを単結晶薄膜の結晶軸（Ｚ軸）に対して９
０°の角度で入射した場合のＳＨＧ変換効率を測定した
ところ５．７２％であり、非常に高い効率が得られた。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、容品に入手できる
ＬｉＮｂ０．単結晶基板を用いて極めて高いＳＨＧ変換
効率を有する薄膜導波型第２高調波発生素子を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例であるスラブ型導波路より
なる第２高調波素子の斜視図であり、第２図は、チャン
ネル型導波路よりなる第２高調波発生素子の斜視図であ
る。 １・・・ＬｉＮｂ０ｚｆｉ膜導波層 ２・・・ＬｉＴａ０１薄膜 ３・・・ＬｉＮｂ０．基板 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ＬｉＮｂＯ＿３基板上にＬｉＴａＯ＿３薄膜が形成
   され、該ＬｉＴａＯ＿３薄膜上にＬｉＮｂＯ＿３薄膜導
   波層が形成されてなり、 ＬｉＴａＯ＿３薄膜の基本波レーザー光波長（λμｍ）
   における常光屈折率（ｎ＿Ｏ＿Ｓ＿１）が２．００〜２
   ．２０、第２高調波波長（λμｍ／２）における異常光
   屈折率（ｎ＿ｅ＿Ｓ＿２）が２．１５〜２．３５であり
   、基本波レーザー光波長（λμｍ）におけるＬｉＮｂＯ
   ＿３薄膜導波層の常光屈折率（ｎ＿Ｏ＿Ｆ＿１）、Ｌｉ
   ＴａＯ＿３薄膜の第２高調波波長（λμｍ／２）におけ
   る異常光屈折率（ｎ＿ｅ＿Ｓ＿２）およびＬｉＮｂＯ＿
   ３薄膜導波層の第２高調波波長（λμｍ／２）における
   異常光屈折率（ｎ＿ｅ＿Ｆ＿２）が下記の関係式で示さ
   れることを特徴とする第２高調波発生素子。 １．０≦（ｎ＿Ｏ＿Ｆ＿１−ｎ＿ｅ＿Ｓ＿２）／（ｎ＿
   ｅ＿Ｆ＿２−ｎ＿ｅ＿Ｓ＿２）≦３０．０２、前記Ｌｉ
   ＮｂＯ＿３薄膜導波層は０．１〜３０μｍの厚さである
   請求項１記載の第２高調波発生素子。 ３、前記基本波レーザー光波長（λ）は０．６８〜０．
   ９４μｍである請求項１記載の第２高調波発生素子。 ４、前記薄膜導波層の光学軸（Ｚ軸）に対する基本波レ
   ーザー光の入射角（θ）が０±１５゜あるいは９０±１
   ５゜である請求項１記載の第２高調波発生素子。 ５、前記第２高調波発生素子は幅が１〜１０μｍのチャ
   ンネル型である請求項１記載の第２高調波発生素子。