JPH0496027A - Second harmonic wave generating element - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明は、製造が容易で、高変換効率を有する第2高調
波発生素子(SHC;素子)に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a second harmonic generation element (SHC) that is easy to manufacture and has high conversion efficiency.
(従来の技術)
SHC素子は、非線形光学効果を持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光の波長を1/2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、レーザプリンタ、フォトリソグラフィー
等番ご応用することにより、高い解像度を得ることがで
きる。(Prior art) An SHC element is an element that converts the wavelength of incident light to 1/2 and outputs it by utilizing the nonlinear optical effect of an optical crystal material that has a nonlinear optical effect, and the wavelength of the output light is is 1/2
Because it is converted to be able to.
従来、SHO素子としては、高出力のガスレーザを光源
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、ガスレーザは、
光変調のため、外部に変調器が必要となるため、小型化
に適しておらず、直接変調が可能で、ガスレーザに比べ
て安価T:取り扱いが容易な半導体レーザを使用できる
SHG素子が要求されている。Conventionally, a bulk single crystal nonlinear optical crystal using a high-power gas laser as a light source has been used as a SHO element. However, in recent years, there has been a strong demand to downsize entire devices such as optical disk devices and laser printers, and gas lasers have
Optical modulation requires an external modulator, which is not suitable for miniaturization, allows direct modulation, and is cheaper than gas lasersT: SHG elements that can use easily handled semiconductor lasers are required. ing.
ところで、半導体レーザを光源とする場合、般に半導体
レーザの出力が数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薄膜導波路構造のS
HG素子が要求されている。(深山、宮崎;電子通信学
会技術研究報告、○QE75− (1975)、宮崎、
星野、赤尾。By the way, when a semiconductor laser is used as a light source, the output of the semiconductor laser is generally low, ranging from several mW to several tens of mW.
HG elements are required. (Miyama, Miyazaki; Institute of Electronics and Communication Engineers Technical Research Report, ○QE75- (1975), Miyazaki,
Hoshino, Akao.
電磁界理論研究会資料、EMT−78−5(1978)
)。Electromagnetic Field Theory Study Group Materials, EMT-78-5 (1978)
).
すなわち、薄膜導波路を用いた第2高調波光の発注は、
■、薄膜に集中した光のエネルギーを利用できること、
2.光波が薄膜内に閉し込められ、広がらないために、
長い距離にわたって相互作用を行わせ得ること、3.バ
ルクでは、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。In other words, ordering second harmonic light using a thin film waveguide is as follows:
■ Being able to utilize the energy of light concentrated in a thin film;
2. Because light waves are confined within a thin film and cannot spread out,
3. The interaction can take place over long distances; 3. This is because even materials that cannot be phase-matched in bulk can be phase-matched by utilizing the mode dispersion of a thin film.
しかしながら、薄膜導波路構造のSHO素子で高変換効
率を実現させるためには、導波層の膜厚を理論的位相整
合膜厚に一致させる必要があり、位相整合膜厚の許容範
囲は、百分の1μm以下であることから、高精度のlI
!厚制開制御技術要であった。However, in order to achieve high conversion efficiency in a SHO device with a thin film waveguide structure, it is necessary to match the thickness of the waveguide layer to the theoretical phase matching film thickness, and the allowable range of the phase matching film thickness is 100%. Since it is less than 1/1 μm, high precision lI
! Thickness opening control technology was essential.
このように、位相整合膜厚の許容範囲が狭い理由は、次
のようムこ説明される。The reason why the allowable range of the phase matching film thickness is narrow is explained as follows.
薄膜導波層に基本波レーザ光あるいは第2高調波光が伝
播する際の基板、WI膜導波層、クラッド層における電
界分布を考えた場合、クラッド層が空気である場合には
、空気の屈折率は1であり、基板の屈折率より小さいた
め、基本波レーザ光あるいは第2高調波光の電界分布は
いずれも対称形とはならない。When considering the electric field distribution in the substrate, WI film waveguide layer, and cladding layer when fundamental wave laser light or second harmonic light propagates through the thin film waveguide layer, if the cladding layer is air, air refraction Since the refractive index is 1, which is smaller than the refractive index of the substrate, the electric field distribution of the fundamental laser beam or the second harmonic beam is not symmetrical.
また、前記薄膜導波層から出射される第2高調波光の出
力は、前記基本波レーザ光の電界分布と第2高調波光の
電界分布の重なり積分に比例する。Further, the output of the second harmonic light emitted from the thin film waveguide layer is proportional to the overlapping integral of the electric field distribution of the fundamental wave laser light and the electric field distribution of the second harmonic light.
ところが、前記薄膜導波層の膜厚が、理論位相整合#厚
と完全に一致していない場合、第2高調波光の電界分布
が太き(基板側ヘシフトし、また電界分布が非対称形で
あることから電界分布の重なりが著しく減少し、第2高
調波光の出力が低下してしまう、このため、薄膜導波路
の位相整合膜厚の許容範囲が著しく狭くなる。However, if the thickness of the thin film waveguide layer does not completely match the theoretical phase matching # thickness, the electric field distribution of the second harmonic light becomes thick (shifts toward the substrate side, and the electric field distribution becomes asymmetrical). As a result, the overlap of the electric field distributions is significantly reduced, and the output of the second harmonic light is reduced. Therefore, the allowable range of the phase matching film thickness of the thin film waveguide is significantly narrowed.
本発明者らは、鋭意研究した結果、特定の屈折率条件を
有するクラッド層を薄膜導波層上;こ形成することによ
り、位相整合膜厚の許容範囲を拡大できることを新規に
見出し、本発明を完成した。As a result of intensive research, the present inventors have newly discovered that the allowable range of phase matching film thickness can be expanded by forming a cladding layer having a specific refractive index condition on a thin film waveguide layer. completed.
(発明を解決するための手段)
本発明は、基板上に薄膜導波層が形成されてなる第2高
調波発生素子であって、
前記薄膜導波層上には、クラッド層が形成されてなり、
前記クラッド層は、関係式1)および2)を満たすこと
を特徴とする。(Means for Solving the Invention) The present invention provides a second harmonic generation element in which a thin film waveguide layer is formed on a substrate, and a cladding layer is formed on the thin film waveguide layer. Become,
The cladding layer is characterized in that it satisfies relational expressions 1) and 2).
no、−0,50≦noc≦nos−o、os・H・式
1)nes−0,70≦nec≦n os 0.15
・・・式2)n、s:基本波レーザ光波長(λμm)に
おける基板の常光屈折率
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
net:第2高調波波長(λμm/2)における基板の
異常光屈折率
n□: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
(作用)
本発明のSHG素子は、基板上に薄膜導波層が形成され
てなり、さらに前記薄膜導波層上にクラッド層が形成さ
れてなることがd・要である。no, -0,50≦noc≦nos-o, os・H・Formula 1) nes-0,70≦nec≦no os 0.15
...Formula 2) n, s: Ordinary refractive index of the substrate at the fundamental laser light wavelength (λμm) noc: Ordinary refractive index of the cladding layer at the fundamental laser light wavelength (λμm) net: Second harmonic wavelength (λμm) /2) Extraordinary optical refractive index of the substrate n□: Extraordinary optical refractive index of the cladding layer at the second harmonic wavelength (λμm/2) (effect) The SHG element of the present invention has a thin film waveguide layer formed on the substrate. It is essential that a cladding layer is further formed on the thin film waveguide layer.
この理由は、前記クラッド層を薄膜導波層上に設けるこ
とにより、基板、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。The reason for this is that by providing the cladding layer on the thin film waveguide layer, the substrate, the thin film waveguide layer, and the cladding layer become nearly symmetrical with respect to the refractive index. The distribution can be made symmetrical, and even if the thickness of the thin film waveguide layer does not completely match the theoretical phase matching film thickness, the decrease in the output of the second harmonic light can be alleviated. This is because an SHG element with a wide tolerance range and high conversion efficiency can be obtained.
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・ノチング)を完全に防
止できる。In addition, the cladding layer acts as a protective layer and can prevent damage to the waveguide layer and light scattering due to adhesion of dust and dirt, and completely prevent chipping (pi-notching) of the waveguide layer, which is a problem when polishing the end face. can.
さらに、前記クラッド層は、関係式1)および2)を満
たすことが必要である。Furthermore, the cladding layer needs to satisfy relational expressions 1) and 2).
n1le’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
この理由は、前記クラッド層が、前記1)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小限にでき、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。n1le' Extraordinary refractive index of the cladding layer at the second harmonic wavelength (λμm/2) This is because the cladding layer satisfies the above equations 1) and 2), so that the second harmonic light and the fundamental wave laser This is because the electric field distribution of light can be minimized, the allowable range of phase matching film thickness is wide, and an SHG element with high conversion efficiency can be obtained.
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。In particular, in order to expand the allowable range of phase matching errors in film thickness, it is preferable to satisfy equations 3) and 4).
nos 0.50≦00ゎ≦nos−0,05・・・式
1)nes−0,70≦nec≦n’s−0,15・・
・式2)nos−0,25≦n6c≦n1lf O,
10” ’式3)nils 0.55≦n−≦nes
−−0.20・・・式4)nos:基本波レーザ光波長
(λμm)における基板の常光屈折率
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
n−:第2高調波波長(λμm / 2 ) 4こるけ
る基板の異常光屈折率
n03・基本波レーザ光波長(λμm)における基板の
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
n、ド第2高調波波長(λμm/2)における基板の異
常光屈折率
n1IC’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
本発明のSHO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、0±15@
あるいは90±15°の範囲内であることが好ましい。nos 0.50≦00ゎ≦nos-0,05...Formula 1) nes-0,70≦nec≦n's-0,15...
・Formula 2) nos-0,25≦n6c≦n1lf O,
10” 'Equation 3) nils 0.55≦n-≦nes
--0.20...Formula 4) nos: Ordinary refractive index of the substrate at the fundamental laser light wavelength (λμm) noc: Ordinary refractive index of the cladding layer at the fundamental laser light wavelength (λμm) n-: Second harmonic Wave wavelength (λμm/2) 4 Extraordinary refractive index of the substrate n03/Ordinary refractive index of the substrate at the fundamental laser light wavelength (λμm) nOc: Ordinary refractive index n of the cladding layer at the fundamental laser light wavelength (λμm) , Extraordinary optical refractive index of the substrate at the second harmonic wavelength (λμm/2) n1 IC'Extraordinary optical refractive index of the cladding layer at the second harmonic wavelength (λμm/2) The SHO element of the present invention has a thin film waveguide layer. The incident angle (θ) of the fundamental laser beam with respect to the optical axis (Z axis) of is 0±15@
Alternatively, it is preferably within the range of 90±15°.
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。The reason is that the incident angle (θ) of the fundamental laser beam is
This is because within the above range, the conversion efficiency to the second harmonic is extremely high. The angle of incidence of the fundamental laser beam is preferably within the range of 0±5° or 90±5°.
本発明のSHO素子に入射される基本波レザー光の波長
(λ)は、0.4〜16μmであることが好ましい。The wavelength (λ) of the fundamental laser light incident on the SHO element of the present invention is preferably 0.4 to 16 μm.
その理由は、前記基本波レーザー光(λ)と巳ては、な
るべく波長の短いものであることが有利であるが、半導
体レーザによって0.4μmより短い波長のレーザー光
を発生させることは、実質的に困難であるからであり、
一方1.6μmより長い波長の基本波レーザー光を使用
した場合には、得られる第2高調波の波長が基本波レー
ザー光の1/2であることから、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であ
って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0.6〜1.3μmが有利
であり、なかでも、0.68〜0.94μmが実用上好
適である。The reason for this is that although it is advantageous for the fundamental wave laser beam (λ) to have a wavelength as short as possible, it is practically impossible to generate a laser beam with a wavelength shorter than 0.4 μm using a semiconductor laser. This is because it is difficult to
On the other hand, when a fundamental laser beam with a wavelength longer than 1.6 μm is used, the wavelength of the second harmonic obtained is 1/2 of the fundamental laser beam, so it can be generated relatively easily by directly using a semiconductor laser. This is because there is no advantage in using the SHG element in the wavelength range where it can be used. The wavelength (λ) of the fundamental wave laser light is advantageously 0.6 to 1.3 μm since semiconductor laser light sources are relatively easily available, and 0.68 to 0.94 μm is particularly preferred in practice.
本発明のSHG素子の薄膜導波層の膜厚は、0゜1〜2
0μmであることが好ましい。The thickness of the thin film waveguide layer of the SHG element of the present invention is 0°1 to 2
Preferably, it is 0 μm.
その理由は、前記薄膜導波層の膜厚が、0.1μmより
薄い場合、基本波レーザ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SHO変換効率が得
られ難いからであり、一方20μmより厚い場合、光パ
ワー宗度が低く、SHC変換効率が低くなってしまい、
いずれの場合もSHG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、なかても
0.5〜10μmが有利であり、特に、1〜8μmが実
用上好適である。The reason is that when the thickness of the thin film waveguide layer is thinner than 0.1 μm, it is difficult to make the fundamental laser beam enter.
This is because it is difficult to obtain a substantially high SHO conversion efficiency due to the low incident efficiency.On the other hand, if the thickness is more than 20 μm, the optical power density is low and the SHC conversion efficiency is low.
This is because in either case, it is difficult to use it as an SHG element. The thickness of the thin film waveguide layer is preferably 0.5 to 10 μm, and particularly preferably 1 to 8 μm for practical purposes.
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、導波光を閉し込めることができず、また3
0μmより厚い場合は、クラッド層の結晶性が低下して
、光学的特性が低下するからである。Further, the thickness of the cladding layer of the SHO element of the present invention is 0.
A thickness of 2 to 30 μm is desirable. The reason for this is that if the thickness is less than 0.2 μm, the guided light cannot be confined;
This is because if it is thicker than 0 μm, the crystallinity of the cladding layer decreases, resulting in a decrease in optical characteristics.
前記クラッド層は、0.5〜10μmが好ましく、1〜
8μmが好適である。The cladding layer preferably has a thickness of 0.5 to 10 μm, and has a thickness of 1 to 10 μm.
8 μm is suitable.
本発明における基板、薄膜導波層、クラッド層は各種光
学材料を使用することができ、薄膜導波層としては、例
えばLiNbO3、α−石英、KTiOPO,(KTP
)、β−BaBz O−(BBO)、KB、Os ・
4H,O(KBS )、KH、PO,(KDP) 、
KD2 PO,(KD” P ) 、NH,’
Hz POn (ADP)、C1H2ASO。Various optical materials can be used for the substrate, thin film waveguide layer, and cladding layer in the present invention, and examples of the thin film waveguide layer include LiNbO3, α-quartz, KTiOPO, (KTP
), β-BaBz O-(BBO), KB, Os ・
4H,O (KBS), KH,PO, (KDP),
KD2 PO, (KD''P), NH,'
Hz POn (ADP), C1H2ASO.
(CDA) 、C6D、Ash、(CD’″A)、Rb
H,PO,(RDP)、RbH2ASO,(RDA)
、B e S O−・4 Hz 03LiCI0゜3H
20、Li1O:+、α−LiCdB○3、LiB、0
5 (LBO) 、尿素、ポリパラニトロアニリン(p
−PNA) 、ポリジアセチレン(DCH) 、4−
(N、N−ジメチルアミノ)−3−アセトアミドニトロ
ベンゼン(DAN) 、4−ニトロベンズアルデヒド
ヒドラジン(NBAH)、3−メトキシ−4−二トロベ
ンズアルデヒド ヒドラジン、2−メチル−4−ニトロ
アニリン(MNA)などが、ま□た基板としては、例え
ばLiTaO3、SiO!、アルミナ、KTP、BBO
lLBOlKDP、および@像化合物、ソーダガラス、
パイレックスガラス、ポリメタクリル酸メチル(PMM
A)などを使用することができ、クラッド層としては、
ZnO2MgO,Alz Ox、PMMA、S i O
□、パイレックスガラス、ソーダガラスなどが使用でき
る。(CDA), C6D, Ash, (CD'''A), Rb
H, PO, (RDP), RbH2ASO, (RDA)
, B e SO-・4 Hz 03LiCI0゜3H
20, Li1O:+, α-LiCdB○3, LiB, 0
5 (LBO), urea, polyparanitroaniline (p
-PNA), polydiacetylene (DCH), 4-
(N,N-dimethylamino)-3-acetamidonitrobenzene (DAN), 4-nitrobenzaldehyde
Examples of substrates include hydrazine (NBAH), 3-methoxy-4-nitrobenzaldehyde hydrazine, and 2-methyl-4-nitroaniline (MNA); for example, LiTaO3, SiO! , alumina, KTP, BBO
lLBOlKDP, and @image compound, soda glass,
Pyrex glass, polymethyl methacrylate (PMM)
A) etc. can be used, and as the cladding layer,
ZnO2MgO, AlzOx, PMMA, SiO
□, Pyrex glass, soda glass, etc. can be used.
前記基板および薄膜導波層用の材料は、NaCr M
g、Nd、Ti、Vなどの異種元素を含有させることに
より、その屈折率を調整することができる。The material for the substrate and thin film waveguide layer is NaCrM
By containing different elements such as g, Nd, Ti, and V, the refractive index can be adjusted.
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、材料の原料と異種元
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基板上に″a膜湯導波層形成する方
法あるいは、前記基板あるいはTRW導波層に、Na、
Mg、Nd、Ti■などの異種元素を拡散させる拡散法
を用いることが望ましい。As a method for incorporating different elements such as Na, Cr, Mg, Nd, Ti, and V, the raw material and the different elements or different element compounds are mixed in advance, and the mixture is deposited on the substrate by liquid phase epitaxial growth. ``Method for forming a film waveguide layer, or the substrate or TRW waveguide layer may be coated with Na,
It is desirable to use a diffusion method for diffusing different elements such as Mg, Nd, and Ti.
前記SHG素子に適した組合せとしては、なかでも基板
としてLiTa0.単結晶、薄膜導波層としてLiNb
O5、クラッド層として、Zn○を用いる組み合わせが
好適である。Among the combinations suitable for the SHG element, LiTa0. LiNb as single crystal, thin film waveguide layer
A combination using O5 and Zn○ as the cladding layer is suitable.
その理由は、前記LiNb0.は非線型光学定数が大き
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、また、L i T aO3は、前記L
iNbos と結晶構造が類催しており、前記L i
N b Ozの薄膜を形成しやすく、また、高品質で安
価な結晶を入手し易く、またZn○は、スバ、り法など
により均質な蒲lI9を容易に形成できるからである。The reason is that the LiNb0. L i T aO3 has a large nonlinear optical constant, low optical loss, and can form a uniform film.
The crystal structure is similar to that of iNbos, and the above Li
This is because it is easy to form a thin film of NbOz, and it is easy to obtain high-quality and inexpensive crystals, and Zn○ can be easily formed into a homogeneous film by the sputtering method or the like.
また、本発明のSHO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。Furthermore, the SHO element of the present invention is advantageously of a channel type with a width of 1 to 10 μm.
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。The reason why a channel type SHG element is advantageous is that the optical power density can be higher than that of a slab type, and the reason why a width of 1 to 10 μm is advantageous is as follows.
This is because if the width is smaller than 1 μm, it is difficult to introduce the incident light into the waveguide, and the incidence efficiency is low, resulting in a low SHG conversion efficiency. This is because if it is large, the optical power density decreases, resulting in a decrease in SHG conversion efficiency.
本発明のSHG素子は、第2高調波光の透過率が100
%近くで、基本波レーザ光を透過させない波長選択性の
¥i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いるか、あるいは、第2高
調波光の透過率が100%あるいは100%近くの偏光
板または偏光膜の偏光面が基本波レーザ光の偏光面と9
0°異なるように出射端面の後方もしくは出射面に直接
形成されていることが望ましい。The SHG element of the present invention has a transmittance of 100 for second harmonic light.
%, a wavelength-selective film (filter) that does not transmit the fundamental laser beam is formed behind or directly on the light output end face, or the transmittance of the second harmonic light is low. The polarization plane of the polarizing plate or polarizing film that is 100% or nearly 100% is 9% the polarization plane of the fundamental laser beam.
It is preferable that they be formed directly behind the output end surface or directly on the output surface so as to differ by 0°.
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。The reason for this is that unnecessary fundamental laser light can be removed from the emitted light and only the necessary second harmonic light can be efficiently extracted.
なお前記フィルターおよび偏光板または偏光膜を同時に
形成してもよい。Note that the filter and the polarizing plate or polarizing film may be formed at the same time.
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などの薄
膜導波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。In addition, by forming the wavelength-selective thin film directly on the output end face and adjusting it to satisfy the anti-reflection condition for the second harmonic light, it is possible to reduce the refraction between the thin film waveguide layer such as a lithium niobate single crystal thin film and the air. Since there is a large difference in the ratio, it is possible to reduce the loss due to reflection that occurs at the output end face, and it is possible to improve the SHG output.
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。The wavelength-selective thin film may be formed at a position remote from the output end face behind the output end face, or may be fixed on the output end face using a suitable adhesive.
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↓二対する反射防
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。When fixing on the output end face using the adhesive, the SHG output can be improved by adjusting the refractive index and thickness of the adhesive layer to meet the anti-reflection conditions for the second harmonic light ↓2. desirable.
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ttSをコーティングし
たもの、等を使用できる。The wavelength selective thin film may include a colored glass filter,
A glass substrate coated with wavelength-selective ttS can be used.
前記波長選択性の薄膜の材料としては、5iOt、Mg
O、ZnO,Aj!、○3等の酸化物、LiNbos
、LiTaOx 、Y3 Gas○It−。Materials for the wavelength selective thin film include 5iOt, Mg
O, ZnO, Aj! , oxides such as ○3, LiNbos
, LiTaOx, Y3 Gas○It-.
Gd、Ga、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。Composite oxides such as Gd, Ga, O□, or PMMA,
Organic substances such as MNA can be used, and a multilayer thin film made by stacking these can also be used.
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 DeposiLi。Methods for producing the wavelength selective thin film include sputtering method, liquid phase epitaxial method, vapor deposition method, and MBE (Molecular Beam Epitaxial method).
M Epitaxial) method, MOCVD (Meta
l Organic Chemical Vap
or DeposiLi.
n)法、イオンブレーティング法、LB法、スピンコー
ド法、ディンプ法などを用いることができる。n) method, ion blating method, LB method, spin code method, dipping method, etc. can be used.
次に、本発明に係るSHe素子の製造方法としては、基
板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、薄膜導波層を形成することにより製造す
ることができ、さらに、前記薄膜導波層上にフォトリソ
グラフィーとRF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
ビムエ、チングすることにより、チャンネル型のSHe
素子を作成するなどの方法をとることができる。Next, as a manufacturing method of the SHe element according to the present invention, it can be manufactured by forming a thin film waveguide layer on a substrate by a method such as sputtering or liquid phase epitaxial growth method, and further, A Ti waveguide pattern is formed on the layer by photolithography and RF sputtering, and using this as an etching mask, ion beam etching is performed to form a channel-type SHe.
A method such as creating an element can be used.
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。Examples of the present invention will be described in detail below.
実施例1
(1)基本波レーザ光波長(入)を0.83μmとした
とき基本波レーザ光波長における常光屈折率(n、、)
が2.151、第2高調波における異常屈折率(n、、
)が2.261である厚さ0.5画の2力y トL i
T a○3単結晶基板の上に液相エピタキシャル成長
法により基本波レーザ光波長二こおける常光屈折率(n
、、)が2264、第2高調波における異常屈折率(n
e、)が2.263である。LiNb○3頂膜を成長さ
せた後、表面を鏡面研磨し、このLiNb○、薄膜を導
波層とするスラブ型導波路を作成した。Example 1 (1) Ordinary refractive index (n, ,) at the fundamental laser light wavelength when the fundamental laser light wavelength (input) is 0.83 μm
is 2.151, and the extraordinary refractive index (n, ,
) is 2.261 and the thickness is 0.5 strokes.
The ordinary refractive index (n
) is 2264, and the extraordinary refractive index at the second harmonic (n
e,) is 2.263. After growing the LiNb○3 top film, the surface was mirror-polished to create a slab-type waveguide using this LiNb○ thin film as a waveguide layer.
(2)前記スラブ型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2.50μm土0.05μm
に調整した。(2) The film thickness of the slab type waveguide was changed by ion beam etching to a phase matching film thickness of 2.50 μm and 0.05 μm.
Adjusted to.
(3)前記(1)及び(2)で得られたスラブ型導波路
をフォトリソグラフィーにより、幅10μm、膜厚2.
50μm±0.05μm、段差1μmのりノジ型のチャ
ンネル型導波路を作成した。(3) The slab waveguide obtained in (1) and (2) above was photolithographically processed to have a width of 10 μm and a film thickness of 2.0 μm.
A channel waveguide of 50 μm±0.05 μm with a step of 1 μm was created.
(4) (3)で得られたチャンネル型導波路の上に
RFスパッタ法により基本レーザ光波長における常光屈
折率(n、c)力月、900、第2高調波における異常
光屈折率(n、c)が1.900である。ZnO薄膜を
5μmの厚さに形成して、ZnO薄膜をクラ、ド層とす
る三層構造のチャンぶル型導波路とした。(4) On the channel type waveguide obtained in (3), the ordinary refractive index (n, c) at the fundamental laser wavelength, 900, and the extraordinary refractive index (n, , c) is 1.900. A ZnO thin film was formed to a thickness of 5 μm to obtain a chamber waveguide with a three-layer structure in which the ZnO thin film was used as a cladding layer and a cladding layer.
(5) (4)得られたチャンネル型導波路の両端面
をハフ研磨により鏡面研磨して端面からの光入出射を可
能とし第2高調波発生素子とした。(5) (4) Both end faces of the obtained channel-type waveguide were mirror-polished by Hough polishing to enable light to enter and exit from the end faces, thereby forming a second harmonic generation element.
このようにして得られた第2高調波発生素子(SHC,
素子)の出射端面に偏光面が基本波レーザ光の偏光面と
90°異なるように偏光板を直接形成した。このSHe
素子を用い、波長0.83μm、40mWの半導体レー
ザを光源としてSHG出力を測定しその結果を第1表に
示した。The second harmonic generating element (SHC,
A polarizing plate was directly formed on the output end face of the element) so that the plane of polarization differed by 90° from the plane of polarization of the fundamental laser beam. This SHe
Using the device, the SHG output was measured using a 40 mW semiconductor laser with a wavelength of 0.83 μm as a light source, and the results are shown in Table 1.
実施例2
(])実施例1の(1)〜(3)と同様の方法により幅
10am、膜厚2.70IIm±0.08μm、段差1
゜4μmのりッジ型のチャンネル型導波路を形成した。Example 2 (]) Width 10 am, film thickness 2.70 II m ± 0.08 μm, step 1 by the same method as in Example 1 (1) to (3)
A ridge-type channel waveguide with a diameter of 4 μm was formed.
(2) (1)で得られたチャンネル型導波路の上に
RFスパッタ法により基本波レーザ光波長における常光
屈折率(noc)が1.710、第2高調波における異
常光屈折率(no)が1.730であるMgO薄膜を8
μmの厚さに形成して、MgO!膜をクラッド層とする
三層構造のチャンネル型導波路とした。(2) The channel type waveguide obtained in (1) is coated with an RF sputtering method to give an ordinary refractive index (noc) of 1.710 at the fundamental laser beam wavelength and an extraordinary optical refractive index (noc) at the second harmonic. A thin MgO film with a value of 1.730 is
Formed to a thickness of μm, MgO! The channel-type waveguide has a three-layer structure with a film as the cladding layer.
(3) (2)で得られたチャンネル型導波路の両端
面を実施例1の(5)と同様の方法にて研磨し第2高調
波発生素子とした。(3) Both end faces of the channel waveguide obtained in (2) were polished in the same manner as in (5) of Example 1 to obtain a second harmonic generation element.
このようムこして得られた第2高調波発生素子(SHG
素子)の出射端面の後方に、基本波レーザ光を透過させ
ない波長選択性フィルターと偏光面が基本波レーザ光の
偏光面と90°異なるような偏光板を形成した。The second harmonic generation element (SHG) obtained in this way
A wavelength selective filter that does not transmit the fundamental laser beam and a polarizing plate whose polarization plane differs by 90° from the polarization plane of the fundamental laser beam were formed behind the output end face of the device.
このSHG素子を用い、波長0.83μm、40mWの
半導体レーザを光源としてSHC,出力を測定しその結
果を第1表に示した。Using this SHG element, SHC and output were measured using a 40 mW semiconductor laser with a wavelength of 0.83 μm as a light source, and the results are shown in Table 1.
実施例3
(1)実施例1の(1)〜(2)と同様の方法により膜
r¥2゜20μm±0.03μm、スラブ型のチャンネ
ル型導波路を作成した。Example 3 (1) A slab-type channel waveguide with a film r ¥2°20 μm±0.03 μm was prepared by the same method as in Example 1 (1) and (2).
(2) (1)で得られたスラブ型導波路の上にRF
スパンタ法により、基本波レーザ光波長における常光屈
折率(noc)が1.710、第2高調波における異常
光屈折率(n、c)力月、730である。(2) RF on top of the slab waveguide obtained in (1)
By the spanter method, the ordinary refractive index (noc) at the wavelength of the fundamental laser light is 1.710, and the extraordinary refractive index (n, c) at the second harmonic is 730.
A1□03薄膜を4μmの厚さに形成して、Al2O、
薄膜を上層部とする三層構造のスラブ型導波路とした。A1□03 thin film was formed to a thickness of 4 μm, and Al2O,
The slab waveguide has a three-layer structure with a thin film as the upper layer.
(3) (2)で得られたスラブ型導波路の両端面を
実施例1の(5)と同様の方法にて研磨し第2高調波発
生素子とした。(3) Both end faces of the slab waveguide obtained in (2) were polished in the same manner as in (5) of Example 1 to obtain a second harmonic generation element.
このようにして得られた第2高調波発生素子(SHO素
子)の出射端面の後方に偏光面が基本波レーザ光の偏光
面と90°異なるように偏光板を形成した。A polarizing plate was formed behind the output end face of the thus obtained second harmonic generation element (SHO element) so that the plane of polarization differed by 90 degrees from the plane of polarization of the fundamental laser beam.
このSHG素子を用い、波長0.83am、40mWの
半導体レーザを光源としてSHG出力で測定しその結果
を第1表に示した。Using this SHG element, the SHG output was measured using a 40 mW semiconductor laser with a wavelength of 0.83 am as a light source, and the results are shown in Table 1.
比較例1
実施例1の(1)〜(5)と同様の条件及び方法で幅1
0pm、lI!厚2.50μm+0.05μm、段差1
μmのりッジ型のチャンネル型導波路からなる第2高調
発生素子(SHG素子)を作成した。このようにして得
られたSHG素子を用いて実施例】と同様の条件でSH
G出力を測定しその結果を第1表に示した。Comparative Example 1 Width 1 under the same conditions and method as (1) to (5) of Example 1.
0pm, lI! Thickness 2.50μm + 0.05μm, step 1
A second harmonic generation element (SHG element) consisting of a μm ridge channel waveguide was fabricated. Using the SHG element obtained in this way, SH
The G output was measured and the results are shown in Table 1.
比較例2
比較例1と同様にして輻10μm、幕開2.′70gm
±0.08.cam、段差1.4μmのり、ジ型のチャ
ンネル型導波路からなるSHG素子を作成、5)(G出
力を測定し、その結果を第1表に示した8
比較例3
実施例1の(1)〜(2)と同様の方法により、膜厚2
.20μm±0.03am、スラブ型のチャンネル型導
波路からなるSHG素子を作成、SHG出力を測定し、
その結果を第1表に示した。Comparative Example 2 Same as Comparative Example 1, convergence 10 μm, opening 2. '70gm
±0.08. cam, a step of 1.4 μm, a SHG element consisting of a di-shaped channel waveguide, 5) (G output was measured, and the results are shown in Table 1.8 Comparative Example 3 ) to (2), the film thickness is 2.
.. We created an SHG element consisting of a slab-type channel waveguide with a thickness of 20μm±0.03am, and measured the SHG output.
The results are shown in Table 1.
実施例
SHC,出力(mW)
2.3
2.8
2、 1
上にクラッド層として設Vすだ本発明の第2高調波発生
素子は、同じ膜厚精度の導波路を用いても位相整合膜厚
に対する許容範囲が広くなった結果、クラッド層を設け
ていないものに比べ約8倍のSHG出力が得られた。Example SHC, output (mW) 2.3 2.8 2, 1 The second harmonic generation element of the present invention, which is provided as a cladding layer on top, can achieve phase matching even when using waveguides with the same film thickness accuracy. As a result of the wider tolerance range for film thickness, an SHG output approximately 8 times higher than that without a cladding layer was obtained.
以上述べたように、本発明によれば極めて高いSHG出
力を有する薄膜導波路構造の第2高調波発生素子を提供
することができる。As described above, according to the present invention, it is possible to provide a second harmonic generation element having a thin film waveguide structure and having extremely high SHG output.
比較例 5H(1,出力(m W )Comparative example 5H (1, output (mW))
Claims (1)
生素子であって、 前記薄膜導波層上には、クラッド層が形成されてなり、
前記クラッド層は、関係式1)および2)を満たすこと
を特徴とする第2高調波発生素子。 n_o_s−0.50≦n_o_c≦n_o_s−0.
05・・・式1)n_e_s−0.70≦n_e_c≦
n_e_s−0.15・・・式2)n_o_s:基本波
レーザ光波長(λμm)における基板の常光屈折率 n_o_c: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 n_e_s:第2高調波波長(λμm/2)における基
板の異常光屈折率 n_e_c: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 2、前記基板は、タンタル酸リチウム単結晶である請求
項1に記載の第2高調波発生素子。 3、前記薄膜導波層は、ニオブ酸リチウム単結晶である
請求項1に記載の第2高調波発生素子。[Claims] 1. A second harmonic generation element comprising a thin film waveguide layer formed on a substrate, a cladding layer being formed on the thin film waveguide layer,
A second harmonic generation element, wherein the cladding layer satisfies relational expressions 1) and 2). n_o_s-0.50≦n_o_c≦n_o_s-0.
05...Formula 1) n_e_s-0.70≦n_e_c≦
n_e_s-0.15...Formula 2) n_o_s: Ordinary refractive index of the substrate at the fundamental laser light wavelength (λμm) n_o_c: Ordinary refractive index of the cladding layer at the fundamental laser light wavelength (λμm) n_e_s: Second harmonic The extraordinary refractive index n_e_c of the substrate at the wavelength (λμm/2): the extraordinary refractive index of the cladding layer at the second harmonic wavelength (λμm/2) is 2, and the substrate is a lithium tantalate single crystal. The second harmonic generating element described above. 3. The second harmonic generation element according to claim 1, wherein the thin film waveguide layer is a lithium niobate single crystal.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21162090A JPH0496027A (en) | 1990-08-13 | 1990-08-13 | Second harmonic wave generating element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21162090A JPH0496027A (en) | 1990-08-13 | 1990-08-13 | Second harmonic wave generating element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0496027A true JPH0496027A (en) | 1992-03-27 |
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ID=16608784
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP21162090A Pending JPH0496027A (en) | 1990-08-13 | 1990-08-13 | Second harmonic wave generating element |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JPH0496027A (en) |
-
1990
- 1990-08-13 JP JP21162090A patent/JPH0496027A/en active Pending
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