JPH06281832A - 光導波路結晶及びその製造法 - Google Patents
光導波路結晶及びその製造法Info
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- JPH06281832A JPH06281832A JP9232993A JP9232993A JPH06281832A JP H06281832 A JPH06281832 A JP H06281832A JP 9232993 A JP9232993 A JP 9232993A JP 9232993 A JP9232993 A JP 9232993A JP H06281832 A JPH06281832 A JP H06281832A
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- ions
- optical waveguide
- dimensional
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Abstract
(57)【要約】
【構成】 イオン注入により損傷層を形成し２次元また
は３次元光導波路を形成したチタンサファイア光導波路
結晶。 【効果】 この光導波路結晶は、レーザー発振効率の高
い、小型の波長可変レーザー及び光増幅素子として利用
可能である。
は３次元光導波路を形成したチタンサファイア光導波路
結晶。 【効果】 この光導波路結晶は、レーザー発振効率の高
い、小型の波長可変レーザー及び光増幅素子として利用
可能である。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、発光材料として有用で
あり、また、光計測、光情報処理、光医療、光プロセッ
シング等のコヒーレント光を利用する分野において、各
種光デバイス、例えばレーザー素子、光増幅素子の小型
化、高効率化に有効な、さらにファイバーとのカップリ
ングに有効なチタンサファイア光導波路結晶及びその製
造方法に関する。
あり、また、光計測、光情報処理、光医療、光プロセッ
シング等のコヒーレント光を利用する分野において、各
種光デバイス、例えばレーザー素子、光増幅素子の小型
化、高効率化に有効な、さらにファイバーとのカップリ
ングに有効なチタンサファイア光導波路結晶及びその製
造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、光導波路結晶としてはレーザー用
半導体が知られている。また、非半導体では、イオン交
換法を利用した光導波路を形成したものではネオジウム
（Ｎｄ）を添加したＬｉＮｄＯ3 導波路結晶、ＫＴｉＯ
ＰＯ4 結晶などが知られている。スパッタ法により薄膜
光導波路を形成したものは、Ｎｄあるいはクロム（Ｃ
ｒ）を添加したＹ3 Ｇａ5 Ｏ12(M.YAMAGA et al.、Japa
nese Journal of AppliedPhysics 23,312(1984)、Journ
al of Luminesence 39,335(1988))が知られている。ま
たイオン注入により光導波路を作成したものはＨｅ+ イ
オン注入によるＮｄ：Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12（S.J.Field et a
l.,IEEE Journal of QUANTUM Electoronics27,423(199
1) 、P.J.Chandler et al., Nuclear Instruments and
Methods inPhysics Research B59/60,1223(1991)）、同
じくＫＮｂＯ3 (D.Flick et al.,Applied Physics Lett
er 59,3213(1991)）、Ｃ+ イオン注入によるサファイア
（P.D.Townsend et al.,Electronics Letter 26,1193(1
990)）等が知られている。
半導体が知られている。また、非半導体では、イオン交
換法を利用した光導波路を形成したものではネオジウム
（Ｎｄ）を添加したＬｉＮｄＯ3 導波路結晶、ＫＴｉＯ
ＰＯ4 結晶などが知られている。スパッタ法により薄膜
光導波路を形成したものは、Ｎｄあるいはクロム（Ｃ
ｒ）を添加したＹ3 Ｇａ5 Ｏ12(M.YAMAGA et al.、Japa
nese Journal of AppliedPhysics 23,312(1984)、Journ
al of Luminesence 39,335(1988))が知られている。ま
たイオン注入により光導波路を作成したものはＨｅ+ イ
オン注入によるＮｄ：Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12（S.J.Field et a
l.,IEEE Journal of QUANTUM Electoronics27,423(199
1) 、P.J.Chandler et al., Nuclear Instruments and
Methods inPhysics Research B59/60,1223(1991)）、同
じくＫＮｂＯ3 (D.Flick et al.,Applied Physics Lett
er 59,3213(1991)）、Ｃ+ イオン注入によるサファイア
（P.D.Townsend et al.,Electronics Letter 26,1193(1
990)）等が知られている。
【０００３】しかしながら、波長可変レーザー結晶であ
るチタン（Ｔｉ）ドープサファイア結晶にＨｅ+ または
Ｂ+ イオンを注入することによって２次元あるいは３次
元光導波路を形成したいわゆるチタンサファイア光導波
路結晶及びそれを用いたレーザーは知られていない。
るチタン（Ｔｉ）ドープサファイア結晶にＨｅ+ または
Ｂ+ イオンを注入することによって２次元あるいは３次
元光導波路を形成したいわゆるチタンサファイア光導波
路結晶及びそれを用いたレーザーは知られていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、近赤外域
（７００〜１０００ｎｍ）で波長可変レーザー発振材料
として有用なチタンサファイア単結晶において、素子の
小型化、レーザー発振効率の高効率化が可能な光導波路
を有する結晶及びその製造法を提供することを目的とす
るものある。
（７００〜１０００ｎｍ）で波長可変レーザー発振材料
として有用なチタンサファイア単結晶において、素子の
小型化、レーザー発振効率の高効率化が可能な光導波路
を有する結晶及びその製造法を提供することを目的とす
るものある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題
の解決のため種々の検討の結果、イオン注入により光導
波路を形成したＴｉドープサファイア単結晶は新規であ
り、レーザー素子としてまたは光増幅素子として有用で
あることを見出した。即ち、Ｔｉドープサファイア単結
晶を基板として用い、このＴｉドープサファイア単結晶
にイオン注入、即ち単結晶の表面に入射エネルギーを１
ＭｅＶ以上で変化させてＨｅ+ イオンあるいはＢ+ イオ
ンを注入することにより、結晶表面からある程度の深さ
部分で厚さ０．２〜１μｍの屈折率の小さい損傷層が形
成され、損傷層と最表層との間に挟まれた層部分に光が
閉じ込められること、または、結晶表面にフォトレジス
トでマスクパターンを形成し、さらにイオン注入マスク
として白金、及び白金粘着を防ぐための下地層としてア
ルミニウム膜をつけ、上記イオンを注入することによ
り、表面からの深さの異なる屈折率の小さい損傷層が形
成され、深さと幅を持つチャンネル型の３次層内に光が
閉じ込められることを見出だし、上記したチタンサファ
イア光導波路結晶を得るとの知見を得、本発明を完成し
た。
の解決のため種々の検討の結果、イオン注入により光導
波路を形成したＴｉドープサファイア単結晶は新規であ
り、レーザー素子としてまたは光増幅素子として有用で
あることを見出した。即ち、Ｔｉドープサファイア単結
晶を基板として用い、このＴｉドープサファイア単結晶
にイオン注入、即ち単結晶の表面に入射エネルギーを１
ＭｅＶ以上で変化させてＨｅ+ イオンあるいはＢ+ イオ
ンを注入することにより、結晶表面からある程度の深さ
部分で厚さ０．２〜１μｍの屈折率の小さい損傷層が形
成され、損傷層と最表層との間に挟まれた層部分に光が
閉じ込められること、または、結晶表面にフォトレジス
トでマスクパターンを形成し、さらにイオン注入マスク
として白金、及び白金粘着を防ぐための下地層としてア
ルミニウム膜をつけ、上記イオンを注入することによ
り、表面からの深さの異なる屈折率の小さい損傷層が形
成され、深さと幅を持つチャンネル型の３次層内に光が
閉じ込められることを見出だし、上記したチタンサファ
イア光導波路結晶を得るとの知見を得、本発明を完成し
た。
【０００６】次に本発明をさらに詳細に説明する。本発
明の基板となるＴｉドープサファイア単結晶、即ちチタ
ンサファイア単結晶は、Ｔｉを０．０１〜０．２ａｔｍ
％ドープしたサファイア単結晶で、光学性能指数（α
490 ／α780 、ここでα490 ：４９０ｎｍの吸収係数、
α780 ：７８０ｎｍの吸収係数）が１５０以上の板状結
晶である。
明の基板となるＴｉドープサファイア単結晶、即ちチタ
ンサファイア単結晶は、Ｔｉを０．０１〜０．２ａｔｍ
％ドープしたサファイア単結晶で、光学性能指数（α
490 ／α780 、ここでα490 ：４９０ｎｍの吸収係数、
α780 ：７８０ｎｍの吸収係数）が１５０以上の板状結
晶である。
【０００７】本発明はイオン注入により２次元的または
３次元的な光導波路を形成した結晶であるが、チタンサ
ファイア単結晶を用いてこのような光導波路を形成する
方法はつぎの通りである。イオン注入は通常のイオンビ
ーム加速器などで行う。
３次元的な光導波路を形成した結晶であるが、チタンサ
ファイア単結晶を用いてこのような光導波路を形成する
方法はつぎの通りである。イオン注入は通常のイオンビ
ーム加速器などで行う。
【０００８】注入イオン種としてはＨｅ+ イオンあるい
はＢ+ イオンが用いられる。Ｈｅ+イオンの場合は、注
入量は１０16〜１０18イオン／ｃｍ2 である。この量が
１０16イオン／ｃｍ2 より少ないと屈折率の変化が小さ
く光導波路が形成されにくく、また、１０18イオン／ｃ
ｍ2 より大きいと光導波路は形成されるが、結晶に多量
に欠陥が発生し、光学的品質を低下させるので好ましく
ない。Ｂ+ イオンの場合、注入量は１０15〜１０17イオ
ン／ｃｍ2 である。この範囲の量より少ないと光導波路
を形成するのに十分な屈折率変化が得られず、注入量が
この範囲より多いと結晶内に欠陥が増え、導波路の光学
的品質が低下する。Ｂ+ イオンは注入量がＨｅ+ イオン
より少なくてすみ、結晶内に発生する歪みが小さくなる
こと、あるいはＴｉクラスタ−を減少させる効果があ
る。
はＢ+ イオンが用いられる。Ｈｅ+イオンの場合は、注
入量は１０16〜１０18イオン／ｃｍ2 である。この量が
１０16イオン／ｃｍ2 より少ないと屈折率の変化が小さ
く光導波路が形成されにくく、また、１０18イオン／ｃ
ｍ2 より大きいと光導波路は形成されるが、結晶に多量
に欠陥が発生し、光学的品質を低下させるので好ましく
ない。Ｂ+ イオンの場合、注入量は１０15〜１０17イオ
ン／ｃｍ2 である。この範囲の量より少ないと光導波路
を形成するのに十分な屈折率変化が得られず、注入量が
この範囲より多いと結晶内に欠陥が増え、導波路の光学
的品質が低下する。Ｂ+ イオンは注入量がＨｅ+ イオン
より少なくてすみ、結晶内に発生する歪みが小さくなる
こと、あるいはＴｉクラスタ−を減少させる効果があ
る。
【０００９】また注入方位はａ軸、ｃ軸いずれの方向で
も良い。イオン注入時の結晶温度は液体窒素温度７７Ｋ
から３５０Ｋの範囲に保持しイオンを注入する。このよ
うな方法で結晶面からある深さ部分に屈折率変化をつ
け、表面から約２０μｍまでの部分に２次元（平面型）
光導波路が形成される。
も良い。イオン注入時の結晶温度は液体窒素温度７７Ｋ
から３５０Ｋの範囲に保持しイオンを注入する。このよ
うな方法で結晶面からある深さ部分に屈折率変化をつ
け、表面から約２０μｍまでの部分に２次元（平面型）
光導波路が形成される。
【００１０】３次元チャンネル型の光導波路は、例えば
ポジ型フォトレジスト（例えばＡＺ−１３５０）を用
い、ＵＶ光で露光、マスクパターンを形成した後、アル
ミニウム膜（厚さ１００ｎｍ程度）を蒸着またはスパッ
タ法で付け、その上にイオンマスクとして白金膜を蒸着
あるいはスパッタ法で付けた後、レジストを剥離する。
この試料にイオンを注入した後、白金、アルミニウム膜
を剥離することにより得られる。このような方法で上記
したと同じく結晶面からある深さ部分に屈折率変化をつ
け、表面から約２０μｍまでの部分で、幅約５０μｍ以
内のチャンネル型３次元光導波路が形成される。
ポジ型フォトレジスト（例えばＡＺ−１３５０）を用
い、ＵＶ光で露光、マスクパターンを形成した後、アル
ミニウム膜（厚さ１００ｎｍ程度）を蒸着またはスパッ
タ法で付け、その上にイオンマスクとして白金膜を蒸着
あるいはスパッタ法で付けた後、レジストを剥離する。
この試料にイオンを注入した後、白金、アルミニウム膜
を剥離することにより得られる。このような方法で上記
したと同じく結晶面からある深さ部分に屈折率変化をつ
け、表面から約２０μｍまでの部分で、幅約５０μｍ以
内のチャンネル型３次元光導波路が形成される。
【００１１】
【実施例】次に本発明を実施例により更に詳細に説明す
る。
る。
【００１２】（実施例１）Ｔｉドープ量０．１５ａｔｍ
％のチタンサファイアの板状単結晶（５ｍｍ×１０ｍｍ
×２ｍｍ）を試料として、これにバンデグラフ型イオン
ビーム加速器を用いＨｅ+ イオンを注入し２次元光導波
路結晶を作成した。注入の条件は、注入エネルギー：
１．８ＭｅＶ、注入量：３×１０17イオン／ｃｍ2 でｃ
面から結晶全面に注入し注入時の結晶は結晶ホルダーが
３００Ｋになるように冷却した。
％のチタンサファイアの板状単結晶（５ｍｍ×１０ｍｍ
×２ｍｍ）を試料として、これにバンデグラフ型イオン
ビーム加速器を用いＨｅ+ イオンを注入し２次元光導波
路結晶を作成した。注入の条件は、注入エネルギー：
１．８ＭｅＶ、注入量：３×１０17イオン／ｃｍ2 でｃ
面から結晶全面に注入し注入時の結晶は結晶ホルダーが
３００Ｋになるように冷却した。
【００１３】得られた結晶は、プリズムカプラ、Ｈｅ−
Ｎｅレーザーを用いた屈折率及びモード測定の結果、光
導波路層厚３．２５μｍの２次元光導波路が形成されて
いることが確認された。図１に光導波路厚、ＴＥモード
屈折率を測定するためにプリズムカプラを用いて測定し
た透過強度のレーザー入射角度依存性を示す。光導波路
層の屈折率は１．７６７で注入前の結晶の屈折率より高
くなっていることが確認された。結晶内の光導波路層及
び損傷層は光学顕微鏡で観察した。図２に光学顕微鏡に
よる結晶断面写真（１５００倍）を示す。なお、観察に
あたり、二枚の結晶を損傷層向合わせて同士相対して接
着しその断面を観察した。図中の中央の変色部分が損傷
層であり、その中央の黒色部分及び黒色の滲み部分は接
着剤である。
Ｎｅレーザーを用いた屈折率及びモード測定の結果、光
導波路層厚３．２５μｍの２次元光導波路が形成されて
いることが確認された。図１に光導波路厚、ＴＥモード
屈折率を測定するためにプリズムカプラを用いて測定し
た透過強度のレーザー入射角度依存性を示す。光導波路
層の屈折率は１．７６７で注入前の結晶の屈折率より高
くなっていることが確認された。結晶内の光導波路層及
び損傷層は光学顕微鏡で観察した。図２に光学顕微鏡に
よる結晶断面写真（１５００倍）を示す。なお、観察に
あたり、二枚の結晶を損傷層向合わせて同士相対して接
着しその断面を観察した。図中の中央の変色部分が損傷
層であり、その中央の黒色部分及び黒色の滲み部分は接
着剤である。
【００１４】（実施例２）Ｔｉドープ量０．１５ａｔｍ
％チタンサファイアの板状単結晶のｃ面に、タンデム型
イオンビーム加速器を用いて、入射エネルギー２．０Ｍ
ｅＶでＢ+ イオンを注入量１０16イオン／ｃｍ2 注入し
２次元光導波路結晶を作成した。
％チタンサファイアの板状単結晶のｃ面に、タンデム型
イオンビーム加速器を用いて、入射エネルギー２．０Ｍ
ｅＶでＢ+ イオンを注入量１０16イオン／ｃｍ2 注入し
２次元光導波路結晶を作成した。
【００１５】得られた結晶はプリズムカプラ法による屈
折率及びＴＥモード測定の結果導波路厚２．５μｍの２
次元光導波路が形成されていることが確認された。図３
にプリズムカプラ法による透過強度のレーザー入射角度
依存性を示す。結晶組織は実施例１と同様に光学顕微鏡
及び透過電子顕微鏡で観察した結果、光導波路層と損傷
層が形成されていることが見られた。図４に得られたモ
ードの屈折率を示す。
折率及びＴＥモード測定の結果導波路厚２．５μｍの２
次元光導波路が形成されていることが確認された。図３
にプリズムカプラ法による透過強度のレーザー入射角度
依存性を示す。結晶組織は実施例１と同様に光学顕微鏡
及び透過電子顕微鏡で観察した結果、光導波路層と損傷
層が形成されていることが見られた。図４に得られたモ
ードの屈折率を示す。
【００１６】（実施例３）Ｔｉドープ量０．１５ａｔｍ
％チタンサファイア単結晶にポジ型フォトレジスト（Ａ
Ｚ−１３５０）を膜厚２μｍ塗布、７０℃、２０ｍｉｎ
ベーキングした後、ＵＶ光で露光マスクパターンを形成
した。この結晶に膜厚１００ｎｍのアルミニウム膜をス
パッタ法で形成し、イオンマスクとなる白金膜をスパッ
タ法で形成した後、アセトンでレジストを剥離した。こ
の試料にタンデム型イオンビーム加速器を用いて、入射
エネルギー２．０ＭｅＶで注入量１０16イオン／ｃｍ2
のＢ+ イオンを注入した後、白金、アルミニウム膜を酸
を用いて剥離し、チャンネル型の３次元光導波路を作成
した。図５にこれらの形成段階（図５において〜の
順序）のステップを示す。
％チタンサファイア単結晶にポジ型フォトレジスト（Ａ
Ｚ−１３５０）を膜厚２μｍ塗布、７０℃、２０ｍｉｎ
ベーキングした後、ＵＶ光で露光マスクパターンを形成
した。この結晶に膜厚１００ｎｍのアルミニウム膜をス
パッタ法で形成し、イオンマスクとなる白金膜をスパッ
タ法で形成した後、アセトンでレジストを剥離した。こ
の試料にタンデム型イオンビーム加速器を用いて、入射
エネルギー２．０ＭｅＶで注入量１０16イオン／ｃｍ2
のＢ+ イオンを注入した後、白金、アルミニウム膜を酸
を用いて剥離し、チャンネル型の３次元光導波路を作成
した。図５にこれらの形成段階（図５において〜の
順序）のステップを示す。
【００１７】得られた結晶は光学顕微鏡、透過電子顕微
鏡及びプリズムカップラ法で深さ１．８μｍ、幅１．５
μｍの３次元光導波路が形成されていることが確認され
た。
鏡及びプリズムカップラ法で深さ１．８μｍ、幅１．５
μｍの３次元光導波路が形成されていることが確認され
た。
【００１８】
【発明の効果】本発明のチタンサファイア光導波路結晶
は、レーザー発振効率の高い、小型の波長可変レーザー
及び光増幅素子として利用可能である。
は、レーザー発振効率の高い、小型の波長可変レーザー
及び光増幅素子として利用可能である。
【図１】実施例１で得た結晶のプリズムカプラを用いて
測定した透過強度のレーザー入射角度依存性を示す説明
図である。
測定した透過強度のレーザー入射角度依存性を示す説明
図である。
【図２】実施例１で得た結晶の光学顕微鏡による結晶断
面の構造を示す結晶構造写真である。
面の構造を示す結晶構造写真である。
【図３】実施例２で得た結晶のプリズムカプラ法による
透過強度のレーザー入射角度依存性を示す説明図であ
る。
透過強度のレーザー入射角度依存性を示す説明図であ
る。
【図４】実施例２で得られたモードの屈折率を測定した
結果を示す実測図である。
結果を示す実測図である。
【図５】〜はいずれも実施例３の光導波路の形成段
階を示す説明図である。
階を示す説明図である。
１ レジスト ２ Ｔｉサファイア単結晶 ３ マスク ４：白金 ５：アルミニウム ６：損傷層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤井 兼栄 兵庫県川辺郡猪名川町松尾台２−１−６ Ｋ−401 (72)発明者 小玉 展宏 神奈川県横浜市緑区たちばな台２−７−３ (72)発明者 原 慎一 神奈川県中郡大磯町国府新宿411−10
Claims (3)
- 【請求項１】 イオン注入により損傷層を形成し２次元
または３次元光導波路を形成したチタンサファイア光導
波路結晶。 - 【請求項２】 チタンドープサファイア単結晶に、イオ
ン注入種として１０16〜１０18イオン／ｃｍ2 量のＨｅ
+ を、または１０15〜１０17イオン／ｃｍ2 のＢ+ を注
入し結晶に損傷層を形成することを特徴とするチタンサ
ファイアの２次元または３次元光導波路結晶の製造法。 - 【請求項３】 チタンドープサファイア単結晶面に、フ
ォトレジストを用いてマスクパターンを形成し、注入イ
オンのマスクとして白金、および白金マスクの下地層と
してアルミニウムを用いてイオン注入する請求項２記載
のチタンサファイア３次元光導波路の製造法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9232993A JPH06281832A (ja) | 1993-03-26 | 1993-03-26 | 光導波路結晶及びその製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9232993A JPH06281832A (ja) | 1993-03-26 | 1993-03-26 | 光導波路結晶及びその製造法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06281832A true JPH06281832A (ja) | 1994-10-07 |
Family
ID=14051359
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9232993A Pending JPH06281832A (ja) | 1993-03-26 | 1993-03-26 | 光導波路結晶及びその製造法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06281832A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011126731A (ja) * | 2009-12-16 | 2011-06-30 | Hitachi Chem Co Ltd | サファイア単結晶及びその製造方法 |
-
1993
- 1993-03-26 JP JP9232993A patent/JPH06281832A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011126731A (ja) * | 2009-12-16 | 2011-06-30 | Hitachi Chem Co Ltd | サファイア単結晶及びその製造方法 |
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