JPH0497139A - 光波長変換素子 - 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、光デイスクメモリ等に第２高調波発生素子と
して用いられる光波長変換素子に関する。

従来の技術 第２高調波発生（ＳＨＧ＝セカンド・ハーモニック・ジ
ェネレーション）素子とは、非線形光学効果を有する光
学結晶材料の非線形光学効果を利用して、波長＾のレー
ザ光をλ／２の波長光に変換する素子である。よって、
出射光の波長が入射光の１／２となり、記録密度を４倍
にできるため、光ディスクを始めとして、ＣＤプレーヤ
、レーザプリンタ、フォトリソグラフィ等に応用されつ
つある。

ユニＫ、このようなＳ　ＨＧ素子として小型、直接変調
等の要求に応えるため、半導体レーザが主流となりつつ
ある。このような半導体レーザを光源とする場合、高い
変換効率を得る必要上、薄膜導波路構造のＳＨＧ素子が
用いられる。良質な先導波路を形成できる非線形光学効
果を持つ光学結晶材料としては、一般にＬｉＮｂＯ３が
最も適していると考えられている。しかし、ＬｉＮｂ０
゜単結晶では、０．８２〜０．８４μｍなる半導体レー
ザの光源波長では位相整合（位相整合とは、入射レーザ
光の光導波路中での屈折率＝実効屈折率と、第２高調波
光の実効屈折率とが一致することをいう）が不可能なこ
とが報告されている。これは、ＬｉＮｂ０．の場合、入
射光の周波数ωでの常光屈折率ｎｏω＝２．２５３、出
射光の周波数２ωでの異常光屈折率ｎ　　　＝２．２８
２となり、位相整合のための必要条件（ｎ　　＝ｎ　　
）を満たさないためである。

このようなことから、例えば特開平２−１２１：３　Ｆ
１号公報によれば、波長０．８２〜０．８４μｍのレー
ザ光を基本光とし、ＬｉＴａ○３単結晶基板上に３．７
〜９．ＯｐｍのＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３導波層を形成した
２層構造とし、結晶軸に対しＯ〜３５゜の角度で入射さ
せることによりＳ　ＨＧの位相整合をとるようにしたも
のがある。

また、電子情報通信学会　技術研究報告、ＭＷ８９−４
４のｒＬＤ光源を用いた導波型Ｓ　ＨＧ素子の出力特性
」によれば、ＬｉＴａ０．単結晶基板上にＬｉＮｂ０．
薄膜を形成し、さらＫ、その上にＭｇＯドープのＬｉＮ
ｂ０．層を形成した３層構造とし、基本波長０．８３μ
ｍの半導体レーザ光をＳＨＧ変換するようにしたものが
示されている。

発明が解決しようとする課題 前者の公報方式によれば、ＬｉＮｂ０．導波層の膜厚を
変えることにより導波路の実効的屈折率を変えることが
できる。光の導波に際しては、Ｚ軸（光学軸）に対して
位相整合の可能な角度で光を入射させることにより、位
相整合条件を満足する状態が存在し、ＳＨＧが実現され
る。ところが、厳しい角度整合精度が要求されるもので
あり、温度、波長等の変動に対して弱いという欠点があ
る。

一方、後者の文献方式の場合、ＭｇＯドープのＬｉＮｂ
０．層は元々位相整合条件を満たすように作製した導波
路であり、ＳＨＧ特性を有している。ところが、位相整
合条件を満足するための膜厚制御とその精度が非常に難
しい。よって、前者の場合と同様Ｋ、温度、波長等の変
動に対して弱いという欠点を持つ。

よって、これらの従来方式による場合、ＳＨＧ変換効率
が各種変動の影響を大きく受けるため、現実には数％程
度の変換効率しか持たない不十分なものである。

課題を解決するための手段 非線形光学効果を有する先導波路を用いた光波長変換素
子において、Ｌ　ｉ　Ｔ　ａｘＮ　ｂ　ｔ−ｘｏ、単結
晶基板（但し、０≦Ｘ≦１）」二に薄膜状導波層を積層
形成した２層構造とし、各々の入射光の周波数ωでの常
光屈折率をｎ。″（基板）、ｎｏ’（導波路）とし、出
射光の周波数２ωでの異常光屈折率を０２０（基板）、
０２″（導波層）としたとき、ｎｏ“（基板）、ｎ２“
（基板Ｋｎｅ”（導波層）≦ｎ０“（導波層）なる条件
を満たすように形成した。

さらには、薄膜状導波層を、ＬｉＴａＸＮｔ）０３単結
晶を母材としてＢｅ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｎｉ。

Ｔｉ、Ｖ、Ｎｄ、Ｃｒ、Ｋ、Ｃａ、Ｒｂ、Ｓｒ。

Ｃｅ、Ｂａの元素の内の少なくとも一つの元素をドープ
して形成した。

作用 Ｌ　ｉ　Ｔ　ａｘＮ　ｂ　＋−ｘ○、単結晶基板と薄膜
状導波層との２層構造において、各々の層の入射光の周
波数ωでの常光屈折率と出射光の周波数２ωでの異常光
屈折率とが所定の関係式を満足すると、第２高調波発生
のための位相整合条件を満たす。このような条件を満た
すように薄膜状導波層の屈折率を制御することはイオン
注入法等により容易である。よって、作製容易にして高
変換効率を持つ温度等の変動に強い高信頼性の第２高調
波発生素子が実現でき、波長０．８μｍ程度なる半導体
レーザでの角度整合等の不要な直接的な第２高調波発生
が可能ともなる。

特Ｋ、請求項２記載の任意の元素をドープして薄膜状導
波層を形成することにより、薄膜状導波層の膜厚方向の
屈折率分布が第２高調波発生のための位相整合条件を満
たすことが容易に実現できる。

実施例 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

本実施例の光波長変換素子１は、基本的には、第１図（
ａ）に示すようにＬ　ＩＴ　ａ　ＸＮ　ｂ　１−ＸＯ，
単結晶基板（但し、０≦Ｘ≦１）２上Ｋ、同じ＜ＬｉＴ
　ａ　ｘＮ　ｂ　、−ｘＯ，単結晶を母材として所定の
元素をドープした薄膜状導波層３を積層形成した２層構
造からなる。このような薄膜状導波層３に周波数ωの基
本波を入射させたときの常光の屈折率ｎ０とＳＨＧによ
って出てくる周波数２ωの異常光の屈折率ｎ２“　とか
、導波層３において２ω ｎ　　≦　ｎｏω　　　・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・（１）なる関係を有することが、この導
波層３に求められる位相整合条件である。

ここＫ、入射光がＴＭモード、出射光（ＳＨＧ光）がＴ
Ｅモードの時、Ｌ　ｉ　Ｔ　ａＸＮ　ｂ、−ｘ○３単結
晶基板２上に薄膜状導波層３を設けた場合、モト分散曲
線は第２図に示すような特性を持つ。

Ｓ　Ｉ（Ｇが効率よく行われ、かつ、その温度特性、入
射光の波長変動に対してＳＨＧ出力が安定であるために
は、第２図に示す特性において、屈折率ｎ　とｎ　　と
か導波層３の厚さ全体に渡って近接しており（重なり部
分Ａ）、がっ、導波層３の厚さしか厚くなるにしたがっ
て上記（１）式の条件を満たさなければならない。いま
、厚さｔ＝０１１ｍのとき（即ち、導波層３が存在せず
、基板１だけのとき）、このＬ　］　Ｔ　ａ　ｘＮ　ｂ
　ｌ−ｘ○３単結晶基板２そのものの屈折率においては
、ｎ２“　〉ｎ“が一般に成立しているので、（１）式
の条件が満たされることがｎ２ω　＝　ｎ　ｏ’なるＳ
　ＨＧのための位相整合条件のための条件となる。

このような条件を満たすようＫ、単結晶基板２に対して
薄膜状導波層３の屈折率を制御することは容易であり、
例えば第１図（ｂ）に示すような屈折率分布、又は、同
図（ｃ）に示すような屈折率分布を持たせることにより
実現できる。即ち、このような膜厚方向に屈折率分布を
持たせる方法としては、スパッタリング法、ＬＰＥ法、
イオン注入法等が知られており、屈折率変化△ｎでｏ、
ｏ○１のオーダで制御可能である。特Ｋ、イオン注入法
によれば、種々の屈折率分布を所定の深さに制御性よく
形成できる点で有望といえる。何れにしても、このよう
な方法により導波層３の膜厚方向の屈折率分布をコント
ロールすることにより、第２図の特性中に示す両者の重
なりＡ部分を広くとることが可能となる。

ところで、このような基本構成に基づく実際的なＳＨＧ
素子１は例えば第３図に示すように構成すればよい。こ
れは、光の利用効率を向上させるためにリッジ型導波路
構造としたものである。

また、導波層３における不純物となるドープ元素として
は、Ｍｇ、Ｋ、Ｎａ或いはＢｅ、Ｇｅ。

■、さらには、Ｎｊ、Ｔｉ、Ｎｄ、Ｃｒ、Ｃａ。

Ｒｂ、Ｓｒ、Ｃｅ、ＢａなとのようＫ、下地となる単結
晶基板２に対して第２図に示したような分布特性を持ち
得るものであれば何んでもよい。

次Ｋ、第３図に示すようなＳＨＧ素子１の具体的な作製
方法を第４図を参照して説明する。

具体例１ まず、第４図（ａ）に示すようＫ、Ｘカットで厚さが０
．５ｍｍのＬ　ＩＴ　ａ　ｘＮ　ｂ　＋−ｘ○３単結晶
基板２上にイオン注入でＭｇ＋をドーズ１ｌＸ１０″“
ｃｍ−３０ＫｅＶのエネルギーで表面から０．　５μｍ
に平均飛程をもつように打ち込み、薄膜状導波層３を形
成する。ついで、表面損傷に対してアニール（５００℃
、３０分、Ａｒ中）を施し、導波層損失を低減させる。

そして、同図（ｂ）に示すようＫ、０ＦＰＲ８００なる
レジスト４でリッジ部３ａをカバーし、Ａｒイオンによ
るイオンビームエラチャで表面を２μｍエツチングする
。最後Ｋ、同図（Ｃ）に示すようにレジスト４を除去し
、必要に応じて５００〜１０００℃でアニールを施す。

具体例２ Ｌ　ｉ　Ｔ　ａ　ｘＮ　ｂ　、−ｘ○、単結晶基板２上
にＭｇ等の金属を膜厚約１０００人に蒸着する。次Ｋ、
リッジ構造とするために幅１１００１ＩだけＭｇ等の金
属膜をエツチングによりストライプ状に残す。具体的に
は、ＲＴＩＥでＳ　１Ｃ１，，１０ＳＣＣＭで所定形状
に金属膜をエツチングした。その後、１０００°Ｃ１３
０分、Ｎ２中でアニールすることで、金属膜をＬ　ＩＴ
　ａ　ｘＮ　ｂ　１−ＸＯ３単結晶基板２中に拡散させ
た。

何れの具体例も、導波層３の実効屈折率がＳ　ＨＧ条件
を満たし、Ｇ　ａ　Ａ　Ｉ　Ａ　ｓ系の半導体レーザの
波長であるλ−０．７〜０．９μｍに対してＳＨＧが可
能となり、従来にない１０〜数十％の高効率の青色発光
素子が実現できたものである。

発明の効果 本発明は、」二連したようＫ、ＬｉＴａＸＮｂＯ３単結
晶基板と薄膜状導波層との２層構造において、各々の層
、特に薄膜状導波層の入射光の周波数ωでの常光屈折率
と出射光の周波数２ωでの異常光屈折率とがイオン注入
法等の屈折率制御により所定の関係式を満足し、第２高
調波発生のための位相制御条件を満たすように形成した
ので、作製容易な２層構造にして高変換効率を持つ信頼
性の高い第２高調波発生素子が実現でき、波長０８μｍ
程度なる半導体レーザでの直接的な第２高調波発生も可
能となり、特Ｋ、請求項２記載の任意の元素をドープし
て薄膜状導波層を形成するようにしたので、薄膜状導波
層の膜厚方向の屈折率分布が第２高調波発生のための位
相整合条件を満たすように形成することを容易に実現で
きるものである。

２−１．、ｉ　Ｔ　ａｘＮ　ｂ 膜状導波層 出　　願　　人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、非線形光学効果を有する光導波路を用いた光波長変
   換素子において、ＬｉＴａ＿ＸＮｂ＿１＿−＿ＸＯ＿３
   単結晶基板（但し、０≦Ｘ≦１）上に薄膜状導波層を積
   層形成した２層構造とし、各々の入射光の周波数ωでの
   常光屈折率をｎ＿ｏ＾ω（基板）、ｎ＿ｏ＾ω（導波層
   ）とし、出射光の周波数２ωでの異常光屈折率をｎ＿ｅ
   ＾２＾ω（基板）、ｎ＿ｅ＾２＾ω（導波層）としたと
   き、 ｎ＿ｏ＾ω（基板）、ｎ＿ｅ＾２＾ω（基板）＜ｎ＿ｅ
   ＾２＾ω（導波層）≦ｎ＿ｏ＾ω（導波層）なる条件を
   満たすように形成したことを特徴とする光波長変換素子
   。 ２、薄膜状導波層を、ＬｉＴａ＿ＸＮｂ＿１＿−＿ＸＯ
   ＿３単結晶を母材としてＢｅ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｔｉ
   、Ｖ、Ｎｄ、Ｃｒ、Ｋ、Ｃａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｂａ
   の元素の内の少なくとも一つの元素をドープして形成し
   たことを特徴とする請求項１記載の光波長変換素子。