JPH0534745A - 光波長変換素子及びその作製方法 - Google Patents
光波長変換素子及びその作製方法Info
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- JPH0534745A JPH0534745A JP3039465A JP3946591A JPH0534745A JP H0534745 A JPH0534745 A JP H0534745A JP 3039465 A JP3039465 A JP 3039465A JP 3946591 A JP3946591 A JP 3946591A JP H0534745 A JPH0534745 A JP H0534745A
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Abstract
(57)【要約】
〔目的〕本発明は、第２高調波発生効率の向上や基本波
と第２高調波との位相整合の向上が図れ、温度や波長変
動に対しても第２高調波発生効率の低下を生じにくい光
波長変換素子を提供することを目的とする。 〔構成〕本発明は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、ＬｉＴａxＮｄ1-xＯ
3 （０≦ｘ≦１）単結晶基板１上に２価金属イオンを含
有したＬｉＴａyＮｄ1-yＯ3 （０≦ｙ＜１）の薄膜２を
形成し、さらに別の金属イオン等をドーパントとして３
次元光導波路３を薄膜層中に光学軸に対しほぼ垂直に近
い角度で形成してなり、基本波の波長における常光の屈
折率をｎo(ω)とし、第２高調波の波長における異常光
の屈折率をｎe(２ω) とするとき、上記薄膜層２におい
てはｎe(２ω)＜ｎo(ω)であり、上記３次元光導波路層
３中においてはｎo(ω)≦ｎe(２ω)を満たすことを特徴
としている。
と第２高調波との位相整合の向上が図れ、温度や波長変
動に対しても第２高調波発生効率の低下を生じにくい光
波長変換素子を提供することを目的とする。 〔構成〕本発明は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、ＬｉＴａxＮｄ1-xＯ
3 （０≦ｘ≦１）単結晶基板１上に２価金属イオンを含
有したＬｉＴａyＮｄ1-yＯ3 （０≦ｙ＜１）の薄膜２を
形成し、さらに別の金属イオン等をドーパントとして３
次元光導波路３を薄膜層中に光学軸に対しほぼ垂直に近
い角度で形成してなり、基本波の波長における常光の屈
折率をｎo(ω)とし、第２高調波の波長における異常光
の屈折率をｎe(２ω) とするとき、上記薄膜層２におい
てはｎe(２ω)＜ｎo(ω)であり、上記３次元光導波路層
３中においてはｎo(ω)≦ｎe(２ω)を満たすことを特徴
としている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光情報記録再生装置や
光メモリの光源、レーザプリンタや光ディスプレー等の
光源、光通信、光化学、光演算等の光源として応用され
る、光波長変換素子及びその作製方法に関する。
光メモリの光源、レーザプリンタや光ディスプレー等の
光源、光通信、光化学、光演算等の光源として応用され
る、光波長変換素子及びその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】光応用技術の進歩発展に伴い、光情報記
録再生装置や光メモリの光源、レーザプリンタや光ディ
スプレー等の光源、光通信、光化学、光演算等の光源の
短波長化が要求されているが、近年、非線形光学効果を
応用した第２高調波発生（ＳＨＧ）技術によりレーザ光
の短波長化の研究が活発に行なわれており、これを利用
したＳＨＧ素子等の光波長変換素子が提案されている
（例えば、文献１：山田、宮崎；”ＬＤ光源を用いた導
波型ＳＨＧ素子の出力特性”，電子情報通信学会，マイ
クロ波研究会技術研究報告，ＭＷ89-144，PP.1−9(198
9)等参照）。
録再生装置や光メモリの光源、レーザプリンタや光ディ
スプレー等の光源、光通信、光化学、光演算等の光源の
短波長化が要求されているが、近年、非線形光学効果を
応用した第２高調波発生（ＳＨＧ）技術によりレーザ光
の短波長化の研究が活発に行なわれており、これを利用
したＳＨＧ素子等の光波長変換素子が提案されている
（例えば、文献１：山田、宮崎；”ＬＤ光源を用いた導
波型ＳＨＧ素子の出力特性”，電子情報通信学会，マイ
クロ波研究会技術研究報告，ＭＷ89-144，PP.1−9(198
9)等参照）。
【０００３】ここで、図４(ａ)，(ｂ)に従来の光波長変
換素子の作製例を示す。図４(ａ)，(ｂ)の，におい
て、ＬｉＴａＯ3 基板（ｘカット）11上にＭｇＯをドー
プしたＬｉＮｂＯ3 薄膜12をＬＰＥ（液相エピタキシャ
ル）成長法等により液晶成長させ、図４(ｂ)ののよう
に、そのＬｉＮｂＯ3 薄膜12の上にＴｉ薄膜13をストラ
イプ状に形成し、このＴｉ薄膜13をマスクとして、ＲＩ
Ｅ（反応性イオンエッチング）でエッチングすることに
より、図４(ｂ)のに示すようにマスク部分以外のＬｉ
ＮｂＯ3 薄膜12を除去し、次にマスクを除去することに
より、図４（ｂ）に示すようなストライプ状の導波層
14を備えたリッジ形の光導波路が形成される。次に、半
導体レーザ光を対物レンズにより集光させて、上記リッ
ジ形光導波路に導入させ、常光線の屈折率ｎo(ω) を感
じるＴＭ00モードを基本波として励起させる。これによ
り、光導波路中において異常光線の屈折率ｎe(２ω) を
感じるＴＥ00モードの第２高調波が発生し、光導波路端
より出射される。
換素子の作製例を示す。図４(ａ)，(ｂ)の，におい
て、ＬｉＴａＯ3 基板（ｘカット）11上にＭｇＯをドー
プしたＬｉＮｂＯ3 薄膜12をＬＰＥ（液相エピタキシャ
ル）成長法等により液晶成長させ、図４(ｂ)ののよう
に、そのＬｉＮｂＯ3 薄膜12の上にＴｉ薄膜13をストラ
イプ状に形成し、このＴｉ薄膜13をマスクとして、ＲＩ
Ｅ（反応性イオンエッチング）でエッチングすることに
より、図４(ｂ)のに示すようにマスク部分以外のＬｉ
ＮｂＯ3 薄膜12を除去し、次にマスクを除去することに
より、図４（ｂ）に示すようなストライプ状の導波層
14を備えたリッジ形の光導波路が形成される。次に、半
導体レーザ光を対物レンズにより集光させて、上記リッ
ジ形光導波路に導入させ、常光線の屈折率ｎo(ω) を感
じるＴＭ00モードを基本波として励起させる。これによ
り、光導波路中において異常光線の屈折率ｎe(２ω) を
感じるＴＥ00モードの第２高調波が発生し、光導波路端
より出射される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、導波層を構
成するＬｉＮｂＯ3においては、0.8μｍ の半導体レー
ザの波長付近において、基本波の波長における常光線の
屈折率ｎo(ω) と、第２高調波の異常光線の屈折率ｎ
e(２ω) について、通常はｎo(ω)＜ｎe(２ω)となり、
位相整合をとることができなかった。そこで従来技術に
おいては、ＬｉＴａＯ3 基板１上にＭｇＯ固溶ＬｉＮｂ
Ｏ3 薄膜を作製することによりｎo(ω)＜ｎe(２ω)を達
成し、位相整合を可能にしている（詳しくは、前述の文
献１の図２（モード分散曲線）参照）。
成するＬｉＮｂＯ3においては、0.8μｍ の半導体レー
ザの波長付近において、基本波の波長における常光線の
屈折率ｎo(ω) と、第２高調波の異常光線の屈折率ｎ
e(２ω) について、通常はｎo(ω)＜ｎe(２ω)となり、
位相整合をとることができなかった。そこで従来技術に
おいては、ＬｉＴａＯ3 基板１上にＭｇＯ固溶ＬｉＮｂ
Ｏ3 薄膜を作製することによりｎo(ω)＜ｎe(２ω)を達
成し、位相整合を可能にしている（詳しくは、前述の文
献１の図２（モード分散曲線）参照）。
【０００５】しかし、従来技術においては、ＲＩＥ等に
よりＭｇＯ固溶ＬｉＮｂＯ3 薄膜層をストライプ状のリ
ッジ形光導波路に加工する必要があり、このようなリッ
ジ形の光導波路では、導波層と空気層との界面での屈折
率差が大きく、導波路損失が大きくなる欠点があり、第
２高調波の発生効率が低くなるという欠点がある。さら
に、従来技術ではＬｉＴａＯ3 を基板として用いている
が、これは常光の屈折率ｎo(ω) のＬｉＮｂＯ3 との差
が 0.1以上もあり（文献２:「HandbookofOptics」McGRA
W-HILL Inc.,1978,17-10 TABLE 9、参照）、基板と導波
層における常光線の屈折率差が大きく、第２高調波発生
に必要な基本波と第２高調波との位相整合をとるため、
ＬｉＮｂＯ3 薄膜層の膜厚及び屈折率制御に高精度が必
要であり、温度や波長変動にも弱い欠点がある。
よりＭｇＯ固溶ＬｉＮｂＯ3 薄膜層をストライプ状のリ
ッジ形光導波路に加工する必要があり、このようなリッ
ジ形の光導波路では、導波層と空気層との界面での屈折
率差が大きく、導波路損失が大きくなる欠点があり、第
２高調波の発生効率が低くなるという欠点がある。さら
に、従来技術ではＬｉＴａＯ3 を基板として用いている
が、これは常光の屈折率ｎo(ω) のＬｉＮｂＯ3 との差
が 0.1以上もあり（文献２:「HandbookofOptics」McGRA
W-HILL Inc.,1978,17-10 TABLE 9、参照）、基板と導波
層における常光線の屈折率差が大きく、第２高調波発生
に必要な基本波と第２高調波との位相整合をとるため、
ＬｉＮｂＯ3 薄膜層の膜厚及び屈折率制御に高精度が必
要であり、温度や波長変動にも弱い欠点がある。
【０００６】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あって、三次元光導波路の導波路損失を低減することに
よる第２高調波発生効率の向上、及び、基本波と第２高
調波との位相整合をより容易にし、温度や波長変動に対
しても発生効率の低下をより生じにくい光波長変換素子
及びその作製方法を提供することを目的とする。
あって、三次元光導波路の導波路損失を低減することに
よる第２高調波発生効率の向上、及び、基本波と第２高
調波との位相整合をより容易にし、温度や波長変動に対
しても発生効率の低下をより生じにくい光波長変換素子
及びその作製方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、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、ＬｉＴａxＮ
ｄ1-xＯ3 （０≦ｘ≦１）単結晶基板上に２価金属イオ
ンを含有したＬｉＴａyＮｄ1-yＯ3 （０≦ｙ＜１）の薄
膜を形成し、さらに別の金属イオン等をドーパントとし
て３次元光導波路を薄膜層中に光学軸に対しほぼ垂直に
近い角度で形成してなることを特徴とし、且つ、基本波
の波長における常光の屈折率をｎo(ω)とし、第２高調
波の波長における異常光の屈折率をｎe(２ω) とすると
き、上記薄膜層においてはｎe(２ω)＜ｎo(ω)であり、
上記３次元光導波路層中においてはｎo(ω)≦ｎe(２ω)
を満たすことを特徴とする。また、請求項２記載の発明
は、上記光波長変換素子において、Ｍｇイオンがドーパ
ントとして基板上に形成した薄膜層に含まれ、３次元光
導波路はＴｉイオンを注入してなることを特徴とする。
め、請求項１記載の発明は、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、ＬｉＴａxＮ
ｄ1-xＯ3 （０≦ｘ≦１）単結晶基板上に２価金属イオ
ンを含有したＬｉＴａyＮｄ1-yＯ3 （０≦ｙ＜１）の薄
膜を形成し、さらに別の金属イオン等をドーパントとし
て３次元光導波路を薄膜層中に光学軸に対しほぼ垂直に
近い角度で形成してなることを特徴とし、且つ、基本波
の波長における常光の屈折率をｎo(ω)とし、第２高調
波の波長における異常光の屈折率をｎe(２ω) とすると
き、上記薄膜層においてはｎe(２ω)＜ｎo(ω)であり、
上記３次元光導波路層中においてはｎo(ω)≦ｎe(２ω)
を満たすことを特徴とする。また、請求項２記載の発明
は、上記光波長変換素子において、Ｍｇイオンがドーパ
ントとして基板上に形成した薄膜層に含まれ、３次元光
導波路はＴｉイオンを注入してなることを特徴とする。
【０００８】また、請求項３記載の発明は、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の作製方
法であって、ＬｉＴａxＮｄ1-xＯ3 （０≦ｘ≦１）単結
晶基板上に２価金属イオンを含有したＬｉＴａyＮｄ1-y
Ｏ3 （０≦ｙ＜１）の薄膜を形成し、さらに別の金属イ
オン等をドーパントとして３次元光導波路を薄膜層中に
光学軸に対しほぼ垂直に近い角度で形成し、且つ、Ｍｇ
イオンをドーパントとして基板上に形成した薄膜層に含
有し、３次元光導波路層にはＴｉイオンを注入したこと
を特徴とする。
効果を有する光導波路を用いた光波長変換素子の作製方
法であって、ＬｉＴａxＮｄ1-xＯ3 （０≦ｘ≦１）単結
晶基板上に２価金属イオンを含有したＬｉＴａyＮｄ1-y
Ｏ3 （０≦ｙ＜１）の薄膜を形成し、さらに別の金属イ
オン等をドーパントとして３次元光導波路を薄膜層中に
光学軸に対しほぼ垂直に近い角度で形成し、且つ、Ｍｇ
イオンをドーパントとして基板上に形成した薄膜層に含
有し、３次元光導波路層にはＴｉイオンを注入したこと
を特徴とする。
【０００９】
【作用】請求項１記載の光波長変換素子では、３次元光
導波路が薄膜層中に形成されているため、導波路の屈折
率差を小さくでき、導波路の境界における散乱による導
波路損失が低減でき、第２高調波の発生効率も向上でき
る。また、３次元光導波路と薄膜層との屈折率差を小さ
くできるため、位相整合をとるための薄膜層の膜厚や屈
折率の制御精度を従来例に比べて低くでき、温度や光源
の波長変動にも強くすることができる。
導波路が薄膜層中に形成されているため、導波路の屈折
率差を小さくでき、導波路の境界における散乱による導
波路損失が低減でき、第２高調波の発生効率も向上でき
る。また、３次元光導波路と薄膜層との屈折率差を小さ
くできるため、位相整合をとるための薄膜層の膜厚や屈
折率の制御精度を従来例に比べて低くでき、温度や光源
の波長変動にも強くすることができる。
【００１０】請求項２記載の光波長変換素子において
は、少なくとも光導波層中にＭｇＯをドープしてあるた
め、光のパワー密度が高くなった場合に生じる光損傷
（光による屈折率の変化）が少なく、安定して第２高調
波を発生させることができる。さらにＴｉイオンを用い
て光導波路を形成しているため、比較的屈折率差を他の
イオンに比べて大きくすることが可能で、光導波路の形
成が容易に行なえる。
は、少なくとも光導波層中にＭｇＯをドープしてあるた
め、光のパワー密度が高くなった場合に生じる光損傷
（光による屈折率の変化）が少なく、安定して第２高調
波を発生させることができる。さらにＴｉイオンを用い
て光導波路を形成しているため、比較的屈折率差を他の
イオンに比べて大きくすることが可能で、光導波路の形
成が容易に行なえる。
【００１１】
【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細
に説明する。図１は本発明の一実施例を示す光波長変換
素子の概略的斜視構成図である。図１において、ＬｉＴ
ａＯ3 基板（Ｙカット）１上にＬＰＥ（液相エピタキシ
ャル）成長法等によりＭｇＯを数％程度固溶させたＬｉ
ＮｂＯ3 薄膜２を形成する。
に説明する。図１は本発明の一実施例を示す光波長変換
素子の概略的斜視構成図である。図１において、ＬｉＴ
ａＯ3 基板（Ｙカット）１上にＬＰＥ（液相エピタキシ
ャル）成長法等によりＭｇＯを数％程度固溶させたＬｉ
ＮｂＯ3 薄膜２を形成する。
【００１２】ここで、ＬｉＮｂＯ3 のような負の一軸性
結晶では、一般にある波長の常光線の屈折率ｎo と異常
光線の屈折率ｎe の間には、 ｎo＞ｎe ・・・(１) の関係がある。また、通常の材料においては、角周波数
ωと２ωの光の波長に対する屈折率については、 ｎo(ω)＜ｎo(２ω) 且つ ｎe(ω)＜ｎe(２ω) ・・・(２) の関係がある。このため、負の一軸性結晶においては、 ｎe(ω)＜ｎe(２ω)＜ｎo(ω)＜ｎo(２ω) ・・・(３) あるいは、 ｎe(ω)＜ｎo(ω)＜ｎe(２ω)＜ｎo(２ω) ・・・(４) のどちらかが成り立つ。また、ＬｉＮｂＯ3 では、 ｎo(ω)＞ｎe(２ω) ・・・(５) の条件は、波長約１μｍ程度以上でなければ成り立た
ず、位相整合をとる、すなわち、ｎo(ω)＝ｎe(２ω)と
するためには、結晶温度を上げるか、基本波の光学軸方
向に対する入射角を調節する必要があった。
結晶では、一般にある波長の常光線の屈折率ｎo と異常
光線の屈折率ｎe の間には、 ｎo＞ｎe ・・・(１) の関係がある。また、通常の材料においては、角周波数
ωと２ωの光の波長に対する屈折率については、 ｎo(ω)＜ｎo(２ω) 且つ ｎe(ω)＜ｎe(２ω) ・・・(２) の関係がある。このため、負の一軸性結晶においては、 ｎe(ω)＜ｎe(２ω)＜ｎo(ω)＜ｎo(２ω) ・・・(３) あるいは、 ｎe(ω)＜ｎo(ω)＜ｎe(２ω)＜ｎo(２ω) ・・・(４) のどちらかが成り立つ。また、ＬｉＮｂＯ3 では、 ｎo(ω)＞ｎe(２ω) ・・・(５) の条件は、波長約１μｍ程度以上でなければ成り立た
ず、位相整合をとる、すなわち、ｎo(ω)＝ｎe(２ω)と
するためには、結晶温度を上げるか、基本波の光学軸方
向に対する入射角を調節する必要があった。
【００１３】一方、バルクのＬｉＮｂＯ3 においてはＭ
ｇＯを固溶した場合、異常光の屈折率ｎe が、ＭｇＯを
固溶していない場合に比べて低下することが知られてい
るが、常光の屈折率ｎo も少し低下するため、式(５)の
条件を満たせる波長はやはり１μｍ付近以上に限られて
いた。しかし、ＬｉＴａＯ3 基板上に液相成長させたＭ
ｇＯ固溶ＬｉＮｂＯ3 の場合、異常光の屈折率は低下す
るが、常光の屈折率はバルクよりむしろ大きくなり、波
長0.83μｍを基本波、第２高調波（ＳＨＧ光）を波長
0.415μｍとした場合、 ｎo(ω)＝2.266 ，ｎe(２ω)＝2.263 程度となり（文献１の図２より予想した値）、式(５)の
条件を満たすため、波長0.83μｍ程度の半導体レーザ光
を基本波に用いた場合でも、第２高調波との位相整合が
可能になることが示された。
ｇＯを固溶した場合、異常光の屈折率ｎe が、ＭｇＯを
固溶していない場合に比べて低下することが知られてい
るが、常光の屈折率ｎo も少し低下するため、式(５)の
条件を満たせる波長はやはり１μｍ付近以上に限られて
いた。しかし、ＬｉＴａＯ3 基板上に液相成長させたＭ
ｇＯ固溶ＬｉＮｂＯ3 の場合、異常光の屈折率は低下す
るが、常光の屈折率はバルクよりむしろ大きくなり、波
長0.83μｍを基本波、第２高調波（ＳＨＧ光）を波長
0.415μｍとした場合、 ｎo(ω)＝2.266 ，ｎe(２ω)＝2.263 程度となり（文献１の図２より予想した値）、式(５)の
条件を満たすため、波長0.83μｍ程度の半導体レーザ光
を基本波に用いた場合でも、第２高調波との位相整合が
可能になることが示された。
【００１４】本発明では、ＭｇＯ固溶ＬｉＮｂＯ3 層２
の上からさらに＋４価のＴｉイオンを熱拡散あるいはイ
オン注入等の方法で図１のＸ方向にストライプ状に注入
させ、常光の屈折率ｎo ，異常光の屈折率ｎeを増加さ
せて３次元光導波路３を成長層２中に形成する。このと
き、Ｔｉ拡散における各常光及び異常光の屈折率の増分
をΔｎo ，Δｎe とすると、通常、 Δｎo＜Δｎe ・・・(６) となるので（文献３:A.Sj▲o▼beag,G.Arvidsson,A.Lip
ovskii,"Characterization of waveguides fabricated
by titanium diffusion in magnesium-doped lit
hium niobate”,Vol.5，No.2，February 1988,J.Opt.So
c.Am.B 285,Fig.5,6、参照)、Ｔｉ拡散した３次元光導
波路内部においては、再び、 ｎo'(ω)＜ｎe'(２ω) ・・・(７) とすることが可能である（文献３のFig.6及びFig.5のｎ
e(ω)の波長分散カーブ、及び、文献４：S.Fouchet，et
aｌ，"Wavelength Dispersion of Ｔi InducedRefract
ive Index Change in ＬiＮbＯ3 as a Function
of Diffusion Parameters”IEEE，J.LW.Tech，VOL.
LT-5，No.5，MAY 1987，Fig.11、参照）。ここで、 ｎo'(ω)＝ｎo(ω)＋Δｎo ｎe'(２ω)＝ｎe(２ω)＋Δｎe(２ω) Δｎe(２ω)＞Δｎe(ω) である。
の上からさらに＋４価のＴｉイオンを熱拡散あるいはイ
オン注入等の方法で図１のＸ方向にストライプ状に注入
させ、常光の屈折率ｎo ，異常光の屈折率ｎeを増加さ
せて３次元光導波路３を成長層２中に形成する。このと
き、Ｔｉ拡散における各常光及び異常光の屈折率の増分
をΔｎo ，Δｎe とすると、通常、 Δｎo＜Δｎe ・・・(６) となるので（文献３:A.Sj▲o▼beag,G.Arvidsson,A.Lip
ovskii,"Characterization of waveguides fabricated
by titanium diffusion in magnesium-doped lit
hium niobate”,Vol.5，No.2，February 1988,J.Opt.So
c.Am.B 285,Fig.5,6、参照)、Ｔｉ拡散した３次元光導
波路内部においては、再び、 ｎo'(ω)＜ｎe'(２ω) ・・・(７) とすることが可能である（文献３のFig.6及びFig.5のｎ
e(ω)の波長分散カーブ、及び、文献４：S.Fouchet，et
aｌ，"Wavelength Dispersion of Ｔi InducedRefract
ive Index Change in ＬiＮbＯ3 as a Function
of Diffusion Parameters”IEEE，J.LW.Tech，VOL.
LT-5，No.5，MAY 1987，Fig.11、参照）。ここで、 ｎo'(ω)＝ｎo(ω)＋Δｎo ｎe'(２ω)＝ｎe(２ω)＋Δｎe(２ω) Δｎe(２ω)＞Δｎe(ω) である。
【００１５】このような構造において、最初に波長 0.8
μｍ程度の光を導波路に０次のＴＭlike モードとして
励起する。このモードは電界ベクトルがＹ方向にほぼ平
行なためバルク結晶における常光線を励起したことに相
当するため、材料の屈折率としてｎo(ω) を感じること
になる。これにより発生するＳＨＧ光としては、ＬｉＮ
ｂＯ3 の場合、Ｚ方向（光学軸方向）に大きな成分を持
つ。このためＺ方向に電界成分を持つ０次のＴＥ like
モードがＳＨＧ光として励起される。このＳＨＧ光は光
学軸方向に電界成分を持つため、バルク結晶における異
常光に相当し、材料の屈折率としてｎe(２ω) を感じ
る。このため、常光の屈折率ｎo(ω）の励起光（ＴＭ l
ike モード）により、異常光の屈折率ｎe(２ω）のＴＥ
like モードの第２高調波が発生することになる。
μｍ程度の光を導波路に０次のＴＭlike モードとして
励起する。このモードは電界ベクトルがＹ方向にほぼ平
行なためバルク結晶における常光線を励起したことに相
当するため、材料の屈折率としてｎo(ω) を感じること
になる。これにより発生するＳＨＧ光としては、ＬｉＮ
ｂＯ3 の場合、Ｚ方向（光学軸方向）に大きな成分を持
つ。このためＺ方向に電界成分を持つ０次のＴＥ like
モードがＳＨＧ光として励起される。このＳＨＧ光は光
学軸方向に電界成分を持つため、バルク結晶における異
常光に相当し、材料の屈折率としてｎe(２ω) を感じ
る。このため、常光の屈折率ｎo(ω）の励起光（ＴＭ l
ike モード）により、異常光の屈折率ｎe(２ω）のＴＥ
like モードの第２高調波が発生することになる。
【００１６】次に図１に示す本実施例の構成における光
導波層３のＴＥ like モードとＴＭlike モードの等価
屈折率ｎeff の光導波層３の深さ方向の厚さｄに対する
変化、いわゆるモード分散曲線を図２に示す。各モード
の等価屈折率は光導波層３の深さ方向の厚さｄにより変
化するが、厚い場合は光導波層３の屈折率に近くなる。
すなわちｎo'(ω)＜ｎe'(２ω)であり、薄い場合は成長
層２の屈折率に近づき、ここではｎo(ω)＞ｎe(２ω)と
なっている。すなわちｎo(ω）とｎe(２ω）の大小関係
が逆転しているため、ＴＥ(２ω)likeモード（ｎe(２
ω）を感じる）とＴＭ(ω)likeモード（ｎo(ω）を感じ
る）の分散曲線は途中で交わる部分が存在し、次式のよ
うな関係、すなわち、 ｎo(ω)eff≒ｎe(２ω)eff ・・・(８) が満足され、位相整合が可能であることがわかる。この
ため、式(８)を満足するように光導波層３の深さｄと幅
を調節できれば位相整合が可能となり、効率よくＳＨＧ
光を発生させることができる。
導波層３のＴＥ like モードとＴＭlike モードの等価
屈折率ｎeff の光導波層３の深さ方向の厚さｄに対する
変化、いわゆるモード分散曲線を図２に示す。各モード
の等価屈折率は光導波層３の深さ方向の厚さｄにより変
化するが、厚い場合は光導波層３の屈折率に近くなる。
すなわちｎo'(ω)＜ｎe'(２ω)であり、薄い場合は成長
層２の屈折率に近づき、ここではｎo(ω)＞ｎe(２ω)と
なっている。すなわちｎo(ω）とｎe(２ω）の大小関係
が逆転しているため、ＴＥ(２ω)likeモード（ｎe(２
ω）を感じる）とＴＭ(ω)likeモード（ｎo(ω）を感じ
る）の分散曲線は途中で交わる部分が存在し、次式のよ
うな関係、すなわち、 ｎo(ω)eff≒ｎe(２ω)eff ・・・(８) が満足され、位相整合が可能であることがわかる。この
ため、式(８)を満足するように光導波層３の深さｄと幅
を調節できれば位相整合が可能となり、効率よくＳＨＧ
光を発生させることができる。
【００１７】次に、図３は本発明の別の実施例を示す光
波長変換素子の概略的斜視構成図である。本実施例で
は、基板１にＺカットのＬｉＴａＯ3 を用いる所が図１
の実施例と異なるが、その他の構成は図１の実施例とほ
ぼ同様である。但し本実施例においては、光導波層３に
おいて常光はＺ方向（光学軸方向）に対して垂直な方向
（例えばＹ方向）に電界方向を持つＴＥ like モードと
なり、屈折率としてｎo'(ω)を感じる。また異常光とし
ては、Ｚ方向（光学軸方向）にほぼ平行な電界成分を持
つＴＭ like モードとなり、屈折率としてｎe'(２ω)を
感じることになる。すなわち本実施例においては、励起
光としてＴＥ like モードを励起し、第２高調波として
ＴＭ like モードを用いることになる。またモード分散
曲線は図２の場合とほぼ同様に、光導波層３中ではｎe'
(２ω)＞ｎo'(ω)であり、成長層２においてはｎo(ω)
＞ｎe(２ω)となるため位相整合が可能であるが、ＴＥ
(２ω)の代わりにＴＭ(２ω)として、ＴＭ(ω)の代わり
にＴＥ(ω)とすればよい。尚、この実施例の場合、Ｚカ
ット基板を用いた方がその上へ液晶成長したときの成長
層の結晶性が良いことが知られている。また、この場合
は光学軸が基板に対して垂直なため、光導波路３は基板
面内で任意の方向に形成することが可能である。
波長変換素子の概略的斜視構成図である。本実施例で
は、基板１にＺカットのＬｉＴａＯ3 を用いる所が図１
の実施例と異なるが、その他の構成は図１の実施例とほ
ぼ同様である。但し本実施例においては、光導波層３に
おいて常光はＺ方向（光学軸方向）に対して垂直な方向
（例えばＹ方向）に電界方向を持つＴＥ like モードと
なり、屈折率としてｎo'(ω)を感じる。また異常光とし
ては、Ｚ方向（光学軸方向）にほぼ平行な電界成分を持
つＴＭ like モードとなり、屈折率としてｎe'(２ω)を
感じることになる。すなわち本実施例においては、励起
光としてＴＥ like モードを励起し、第２高調波として
ＴＭ like モードを用いることになる。またモード分散
曲線は図２の場合とほぼ同様に、光導波層３中ではｎe'
(２ω)＞ｎo'(ω)であり、成長層２においてはｎo(ω)
＞ｎe(２ω)となるため位相整合が可能であるが、ＴＥ
(２ω)の代わりにＴＭ(２ω)として、ＴＭ(ω)の代わり
にＴＥ(ω)とすればよい。尚、この実施例の場合、Ｚカ
ット基板を用いた方がその上へ液晶成長したときの成長
層の結晶性が良いことが知られている。また、この場合
は光学軸が基板に対して垂直なため、光導波路３は基板
面内で任意の方向に形成することが可能である。
【００１８】ところで、図１、図３に示した実施例にお
いては、基板１としてＬｉＴａＯ3 を用いているが、こ
れに限らず、例えばＬｉＴａxＮｄ1-xＯ3 （０≦ｘ≦
１）で組成ｘを変化させた材料を使用することが可能で
ある。また成長層２としても、ＭｇＯを固溶したＬｉＴ
ａyＮｄ1-yＯ3 （０≦ｙ＜１）を使用することが可能で
ある（但しｙは０からあまり大きくはできない）。この
材料では、Ｔａの組成比ｙを増加させることにより、ｎ
o，ｎeがＴａの無い場合に比べて低下するため、より微
細な屈折率の制御が可能になる（文献５：岩崎裕 他
「オプトエレクトロニクス材料」電気通信学会編（198
3）Ｐ171〜177、参照）。また成長方法は、液相成長法
の他にスパッタリングによる方法も考えられる。また第
２層の作製法として、さらにＬｉ／Ｎｂの比を大きくし
たＭｇＯ固溶ＬｉＮｂＯ3 を液相成長することが考えら
れる。尚、バルクのＬｉＮｂＯ3 の場合、Ｌｉの割合を
増すと、ｎo に比べｎe を低下させることができるため
（文献６：J.G.Bergman,et al,"CURIE TEMPERATURE,BIR
EFRINGENCE，AND PHASE-MATCHINGTEMPERATURE VARIATIO
NS IN ＬiＮbＯ3 AS A FUNCTION OF MELT STOICHIOMETR
Y"，Appl.Phys.Lett.,Vol.12,No.3 P.92(1968),Fig.3、
参照）、第２の層を成長させた場合では、さらにｎ
o(ω)＞ｎe(２ω)とできる波長の範囲を少し広げること
ができる。また、ＭｇＯ固溶の他に、Ｎｉ，Ｚｎ等の２
価の金属イオンを第２層のＬｉＮｂＯ3 あるいはＬｉＴ
ａyＮｄ1-yＯ3 に含有させることもでき、この場合に
も、ｎo に比べｎe を低下させることが可能であり（文
献５のＰ.176参照）、Ｍｇイオンの場合と同様な効果が
期待できる。
いては、基板１としてＬｉＴａＯ3 を用いているが、こ
れに限らず、例えばＬｉＴａxＮｄ1-xＯ3 （０≦ｘ≦
１）で組成ｘを変化させた材料を使用することが可能で
ある。また成長層２としても、ＭｇＯを固溶したＬｉＴ
ａyＮｄ1-yＯ3 （０≦ｙ＜１）を使用することが可能で
ある（但しｙは０からあまり大きくはできない）。この
材料では、Ｔａの組成比ｙを増加させることにより、ｎ
o，ｎeがＴａの無い場合に比べて低下するため、より微
細な屈折率の制御が可能になる（文献５：岩崎裕 他
「オプトエレクトロニクス材料」電気通信学会編（198
3）Ｐ171〜177、参照）。また成長方法は、液相成長法
の他にスパッタリングによる方法も考えられる。また第
２層の作製法として、さらにＬｉ／Ｎｂの比を大きくし
たＭｇＯ固溶ＬｉＮｂＯ3 を液相成長することが考えら
れる。尚、バルクのＬｉＮｂＯ3 の場合、Ｌｉの割合を
増すと、ｎo に比べｎe を低下させることができるため
（文献６：J.G.Bergman,et al,"CURIE TEMPERATURE,BIR
EFRINGENCE，AND PHASE-MATCHINGTEMPERATURE VARIATIO
NS IN ＬiＮbＯ3 AS A FUNCTION OF MELT STOICHIOMETR
Y"，Appl.Phys.Lett.,Vol.12,No.3 P.92(1968),Fig.3、
参照）、第２の層を成長させた場合では、さらにｎ
o(ω)＞ｎe(２ω)とできる波長の範囲を少し広げること
ができる。また、ＭｇＯ固溶の他に、Ｎｉ，Ｚｎ等の２
価の金属イオンを第２層のＬｉＮｂＯ3 あるいはＬｉＴ
ａyＮｄ1-yＯ3 に含有させることもでき、この場合に
も、ｎo に比べｎe を低下させることが可能であり（文
献５のＰ.176参照）、Ｍｇイオンの場合と同様な効果が
期待できる。
【００１９】次に、光導波層３に注入するドーパントと
しては、Ｔｉの他にＶ，Ｎｉ，Ｃｒ等の価数の大きなイ
オンも適用可能である。また注入法としては、熱拡散、
イオン注入法等が考えられる。
しては、Ｔｉの他にＶ，Ｎｉ，Ｃｒ等の価数の大きなイ
オンも適用可能である。また注入法としては、熱拡散、
イオン注入法等が考えられる。
【００２０】
【発明の効果】以上、実施例に基づいて説明したよう
に、本願請求項１記載の光波長変換素子では、ＬｉＴａ
xＮｄ1-xＯ3 （０≦ｘ≦１）単結晶基板上に２価金属イ
オンを含有したＬｉＴａyＮｄ1-yＯ3 （０≦ｙ＜１）の
薄膜を形成し、さらに別の金属イオン等をドーパントと
して３次元光導波路を薄膜層中に光学軸に対しほぼ垂直
に近い角度で形成してなり、且つ基本波の波長における
常光の屈折率をｎo(ω) とし、第２高調波の波長におけ
る異常光の屈折率をｎe(２ω) とするとき、上記薄膜層
においてはｎe(２ω)＜ｎo(ω)であり、上記３次元光導
波路層中においてはｎo(ω)≦ｎe(２ω)を満たすことを
特徴としており、上記３次元光導波路が薄膜層中に形成
されているため、従来例と比べて導波路の屈折率差を小
さくでき、導波路の境界における散乱による導波路損失
が低減でき、第２高調波の発生効率も向上できる。ま
た、３次元光導波路と薄膜層との屈折率差を小さくでき
るため、位相整合をとるための薄膜層の膜厚や屈折率の
制御精度を従来例に比べて低くでき、温度や光源の波長
変動にも強くすることができる。また、請求項２記載の
光波長変換素子においては、上記作用効果に加え、少な
くとも光導波層中にＭｇＯをドープしてあるため、光の
パワー密度が高くなった場合に生じる光損傷（光による
屈折率の変化）が少なく、安定して第２高調波を発生さ
せることができる。さらにＴｉイオンを用いて光導波路
を形成しているため、比較的屈折率差を他のイオンに比
べて大きくすることが可能で、光導波路の形成が容易に
行なえる。また、請求項３記載の発明によれば、上述の
作用効果を奏する光波長変換素子の作製が可能となる。
したがって本発明によれば、三次元光導波路の導波路損
失を低減することによる第２高調波発生効率の向上、及
び基本波と第２高調波との位相整合をより容易にし、温
度や波長変動に対しても発生効率の低下をより生じにく
い光波長変換素子及びその作製方法を提供することがで
きる。
に、本願請求項１記載の光波長変換素子では、ＬｉＴａ
xＮｄ1-xＯ3 （０≦ｘ≦１）単結晶基板上に２価金属イ
オンを含有したＬｉＴａyＮｄ1-yＯ3 （０≦ｙ＜１）の
薄膜を形成し、さらに別の金属イオン等をドーパントと
して３次元光導波路を薄膜層中に光学軸に対しほぼ垂直
に近い角度で形成してなり、且つ基本波の波長における
常光の屈折率をｎo(ω) とし、第２高調波の波長におけ
る異常光の屈折率をｎe(２ω) とするとき、上記薄膜層
においてはｎe(２ω)＜ｎo(ω)であり、上記３次元光導
波路層中においてはｎo(ω)≦ｎe(２ω)を満たすことを
特徴としており、上記３次元光導波路が薄膜層中に形成
されているため、従来例と比べて導波路の屈折率差を小
さくでき、導波路の境界における散乱による導波路損失
が低減でき、第２高調波の発生効率も向上できる。ま
た、３次元光導波路と薄膜層との屈折率差を小さくでき
るため、位相整合をとるための薄膜層の膜厚や屈折率の
制御精度を従来例に比べて低くでき、温度や光源の波長
変動にも強くすることができる。また、請求項２記載の
光波長変換素子においては、上記作用効果に加え、少な
くとも光導波層中にＭｇＯをドープしてあるため、光の
パワー密度が高くなった場合に生じる光損傷（光による
屈折率の変化）が少なく、安定して第２高調波を発生さ
せることができる。さらにＴｉイオンを用いて光導波路
を形成しているため、比較的屈折率差を他のイオンに比
べて大きくすることが可能で、光導波路の形成が容易に
行なえる。また、請求項３記載の発明によれば、上述の
作用効果を奏する光波長変換素子の作製が可能となる。
したがって本発明によれば、三次元光導波路の導波路損
失を低減することによる第２高調波発生効率の向上、及
び基本波と第２高調波との位相整合をより容易にし、温
度や波長変動に対しても発生効率の低下をより生じにく
い光波長変換素子及びその作製方法を提供することがで
きる。
【図１】本発明の一実施例を示す光波長変換素子の概略
的斜視構成図である。
的斜視構成図である。
【図２】図１に示す光波長変換素子の光導波層３におけ
るモード分散曲線を示すグラフである。
るモード分散曲線を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施例を示す光波長変換素子の概略
的斜視構成図である。
的斜視構成図である。
【図４】従来技術による光波長変換素子の説明図であ
る。
る。
１ ＬｉＴａxＮｄ1-xＯ3 単結晶基板
２ ＭｇＯ含有ＬｉＴａyＮｄ1-yＯ3 薄膜
３ ３次元光導波路層
Claims (3)
- 【請求項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、 ＬｉＴａxＮｄ1-xＯ3 （０≦ｘ≦１）単結晶基板上に２
価金属イオンを含有したＬｉＴａyＮｄ1-yＯ3 （０≦ｙ
＜１）の薄膜を形成し、さらに別の金属イオン等をドー
パントとして３次元光導波路を薄膜層中に光学軸に対し
ほぼ垂直に近い角度で形成してなることを特徴とし、且
つ、基本波の波長における常光の屈折率をｎo(ω) と
し、第２高調波の波長における異常光の屈折率をｎe(２
ω) とするとき、上記薄膜層においてはｎe(２ω)＜ｎo
(ω)であり、上記３次元光導波路層中においてはｎ
o(ω)≦ｎe(２ω)を満たすことを特徴とする光波長変換
素子。 - 【請求項２】請求項１記載の光波長変換素子において、
Ｍｇイオンがドーパントとして基板上に形成した薄膜層
に含まれ、３次元光導波路はＴｉイオンを注入してなる
ことを特徴とする光波長変換素子。 - 【請求項３】非線形光学効果を有する光導波路を用いた
光波長変換素子の作製方法であって、ＬｉＴａxＮｄ1-x
Ｏ3 （０≦ｘ≦１）単結晶基板上に２価金属イオンを含
有したＬｉＴａyＮｄ1-yＯ3 （０≦ｙ＜１）の薄膜を形
成し、さらに別の金属イオン等をドーパントとして３次
元光導波路を薄膜層中に光学軸に対しほぼ垂直に近い角
度で形成し、且つ、Ｍｇイオンをドーパントとして基板
上に形成した薄膜層に含有し、３次元光導波路にはＴｉ
イオンを注入したことを特徴とする光波長変換素子の作
製方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3039465A JPH0534745A (ja) | 1991-02-08 | 1991-02-08 | 光波長変換素子及びその作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3039465A JPH0534745A (ja) | 1991-02-08 | 1991-02-08 | 光波長変換素子及びその作製方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0534745A true JPH0534745A (ja) | 1993-02-12 |
Family
ID=12553808
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3039465A Pending JPH0534745A (ja) | 1991-02-08 | 1991-02-08 | 光波長変換素子及びその作製方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0534745A (ja) |
-
1991
- 1991-02-08 JP JP3039465A patent/JPH0534745A/ja active Pending
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