JPH0719004B2 - 光波長変換素子およびその製造方法 - Google Patents
光波長変換素子およびその製造方法Info
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- JPH0719004B2 JPH0719004B2 JP1330507A JP33050789A JPH0719004B2 JP H0719004 B2 JPH0719004 B2 JP H0719004B2 JP 1330507 A JP1330507 A JP 1330507A JP 33050789 A JP33050789 A JP 33050789A JP H0719004 B2 JPH0719004 B2 JP H0719004B2
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、コヒーレント光を利用する光情報処理分野、
あるいは光応用計測制御分野に使用する光波長変換素子
およびその製造方法ならびに分極反転層の形成方法に関
するものである。
あるいは光応用計測制御分野に使用する光波長変換素子
およびその製造方法ならびに分極反転層の形成方法に関
するものである。
従来の技術 第７図に従来の光波長変換素子の構成図を示す。以下1.
06μｍの波長の基本波に対する高調波発生（波長0.53μ
ｍ）について図を用いて詳しく述べる。［E.J.Lim,N.M.
Fejer,R.L.Byer,“Second harmonic generation of blu
e and green light in periodically-poled planar lit
hium niobate vaveguides",アィジーダブリュー−オー
（IGWO）,1988年、参照］。
06μｍの波長の基本波に対する高調波発生（波長0.53μ
ｍ）について図を用いて詳しく述べる。［E.J.Lim,N.M.
Fejer,R.L.Byer,“Second harmonic generation of blu
e and green light in periodically-poled planar lit
hium niobate vaveguides",アィジーダブリュー−オー
（IGWO）,1988年、参照］。
第７図に示されるようにLiNbO3基板１に光導波路２が形
成され、さらに光導波路２には周期的に分極の反転した
層３（分極反転層）が形成されている。基本波と発生す
る高調波の伝搬定数の不整合を分極反転層３の周期構造
で補償することにより高効率に高調波を出すことができ
る。光導波路２の入射面10に基本波P1を入射すると、光
導波路２から高調波P2が効率良く発生され、光波長変換
素子として動作する。
成され、さらに光導波路２には周期的に分極の反転した
層３（分極反転層）が形成されている。基本波と発生す
る高調波の伝搬定数の不整合を分極反転層３の周期構造
で補償することにより高効率に高調波を出すことができ
る。光導波路２の入射面10に基本波P1を入射すると、光
導波路２から高調波P2が効率良く発生され、光波長変換
素子として動作する。
このような従来の光波長変換素子は分極反転層３を形成
した構造を基本構成要素としていた。この素子の製造方
法について第８図を用いて説明する。同図（ａ）で非線
形光学結晶であるLiNbO3基板１にTi31パターンをリフト
オフと蒸着により幅数μｍの周期で形成していた。次に
同図（ｂ）で1100℃程度の温度で熱処理を行いLiNbO3基
板１と分極が反対向きに反転した分極反転層３を形成し
た。次に同図（ｃ）のように安息香酸（200℃）中で30
分熱処理を行った後350℃でアニールを行い光導波路２
を形成する。
した構造を基本構成要素としていた。この素子の製造方
法について第８図を用いて説明する。同図（ａ）で非線
形光学結晶であるLiNbO3基板１にTi31パターンをリフト
オフと蒸着により幅数μｍの周期で形成していた。次に
同図（ｂ）で1100℃程度の温度で熱処理を行いLiNbO3基
板１と分極が反対向きに反転した分極反転層３を形成し
た。次に同図（ｃ）のように安息香酸（200℃）中で30
分熱処理を行った後350℃でアニールを行い光導波路２
を形成する。
上記安息香酸処理により作製される光波長変換素子は波
長1.06μｍの基本波P1に対して、光導波路の長さを1m
m、基本波P1のパワーを1mWにしたとき高調波P2のパワー
0.5nWが得られていた。基本波が40mW入射したとすると8
00nWの高調波出力が可能である。この場合1cmの素子で
の1W当りの変換効率は５％/W・cmである。
長1.06μｍの基本波P1に対して、光導波路の長さを1m
m、基本波P1のパワーを1mWにしたとき高調波P2のパワー
0.5nWが得られていた。基本波が40mW入射したとすると8
00nWの高調波出力が可能である。この場合1cmの素子で
の1W当りの変換効率は５％/W・cmである。
発明が解決しようとする課題 上記のような分極反転層を基本とした光波長変換素子で
は理論値に比べて出力が10〜100分の１しか得られてい
ない。これは分極反転層作製の時に横方向拡散が生じる
ため、分極反転層３の形状が制御できず、理想である幅
が細く、深さが深いものが形成できないこと、および処
理温度が1100℃とLiNbO3のキュリー温度1130℃の近傍で
あり分極が不均一に反転することが影響している。その
ため光波長変換素子の変換効率は理論に比べて極端に低
かった。また、さらに分極反転層と分極反転されない層
で屈折率変化を生じており、これが伝搬損失になりさら
に高調波出力を低下させることが判明した。
は理論値に比べて出力が10〜100分の１しか得られてい
ない。これは分極反転層作製の時に横方向拡散が生じる
ため、分極反転層３の形状が制御できず、理想である幅
が細く、深さが深いものが形成できないこと、および処
理温度が1100℃とLiNbO3のキュリー温度1130℃の近傍で
あり分極が不均一に反転することが影響している。その
ため光波長変換素子の変換効率は理論に比べて極端に低
かった。また、さらに分極反転層と分極反転されない層
で屈折率変化を生じており、これが伝搬損失になりさら
に高調波出力を低下させることが判明した。
そこで本発明は、上記問題点を解決するため、分極反転
構造を基本とした光波長変換素子およびその製造方法な
らびに分極反転層の製造方法に新たな工夫を加えること
により高効率な光波長変換素子およびその製造方法、な
らびに比較的低温で処理でき、深さの深い深い分極反転
層をもつ分極反転層の形成方法を可能とするものであ
る。
構造を基本とした光波長変換素子およびその製造方法な
らびに分極反転層の製造方法に新たな工夫を加えること
により高効率な光波長変換素子およびその製造方法、な
らびに比較的低温で処理でき、深さの深い深い分極反転
層をもつ分極反転層の形成方法を可能とするものであ
る。
課題を解決するための手段 本発明は前記目的を達成するために、 非線形光学結晶中にプロトン交換を行う工程と、前記結
晶上に誘電体膜をパターン化する工程と、熱処理により
前記誘電体膜直下の分極を反転させる工程とを有する分
極反転層の形成方法とする。
晶上に誘電体膜をパターン化する工程と、熱処理により
前記誘電体膜直下の分極を反転させる工程とを有する分
極反転層の形成方法とする。
また、非線形光学結晶中にプロトン交換を行う工程と、
前記結晶上に誘電体膜をパターン化する工程と、熱処理
により前記誘電体膜直下の分極を反転させる工程と、前
記結晶に光導波路を形成する工程と、前記結晶に基本波
の入射部と高調波の出射部を形成する工程とを有する光
波長変換素子の製造方法とする。
前記結晶上に誘電体膜をパターン化する工程と、熱処理
により前記誘電体膜直下の分極を反転させる工程と、前
記結晶に光導波路を形成する工程と、前記結晶に基本波
の入射部と高調波の出射部を形成する工程とを有する光
波長変換素子の製造方法とする。
また、非線形光学結晶の一主面にTaマスクをパターン化
する工程と、前記マスクのスリット直下の前記結晶に、
プロトン交換を行う工程と、前記プロトン交換した前記
結晶の分極を反転させるために熱処理し、基本波に対す
る位相整合長に相当する長さを持つ分極反転層と、位相
整合長に相当する長さを持つ非分極反転層との周期構造
を形成する工程と、前記結晶表面に光導波路を形成する
工程とを有する光波長変換素子の製造方法とする。
する工程と、前記マスクのスリット直下の前記結晶に、
プロトン交換を行う工程と、前記プロトン交換した前記
結晶の分極を反転させるために熱処理し、基本波に対す
る位相整合長に相当する長さを持つ分極反転層と、位相
整合長に相当する長さを持つ非分極反転層との周期構造
を形成する工程と、前記結晶表面に光導波路を形成する
工程とを有する光波長変換素子の製造方法とする。
また、非線形光学結晶と、前記結晶の一主面に形成した
プロトン交換層と、前記プロトン交換層に形成した基本
波に対する位相整合長に相当する長さを持つ分極反転層
と、位相整合長に相当する長さを持つ非分極反転層とが
周期的に形成された周期構造と、前記プロトン交換層に
形成した光導波路とを備え、光導波路に入射した基本波
は、光導波路中で高調波へと変換される光波長変換素子
とする。
プロトン交換層と、前記プロトン交換層に形成した基本
波に対する位相整合長に相当する長さを持つ分極反転層
と、位相整合長に相当する長さを持つ非分極反転層とが
周期的に形成された周期構造と、前記プロトン交換層に
形成した光導波路とを備え、光導波路に入射した基本波
は、光導波路中で高調波へと変換される光波長変換素子
とする。
また、非線形光学結晶にTaマスクをパターン化する工程
と、前記マスクのスリット直下の前記結晶に、プロトン
交換を行う工程と、前記プロトン交換した前記結晶の分
極を反転させるために熱処理し、基本波に対する位相整
合長に相当する長さを持つ分極反転層と、位相整合長に
相当する長さを持つ非分極反転層とを周期的に形成する
工程とを有する分極反転層の形成方法とする。
と、前記マスクのスリット直下の前記結晶に、プロトン
交換を行う工程と、前記プロトン交換した前記結晶の分
極を反転させるために熱処理し、基本波に対する位相整
合長に相当する長さを持つ分極反転層と、位相整合長に
相当する長さを持つ非分極反転層とを周期的に形成する
工程とを有する分極反転層の形成方法とする。
作用 本発明の分極反転層の形成方法および光波長変換素子の
製造方法により、非線形光学結晶中に形成される分極反
転層は、深くしかも均一でありまた、処理温度を従来の
方法に比べ大幅に低減できる。分極反転用マスクの除去
も容易になり、光導波路の伝搬損失が大幅に低減でき
る。
製造方法により、非線形光学結晶中に形成される分極反
転層は、深くしかも均一でありまた、処理温度を従来の
方法に比べ大幅に低減できる。分極反転用マスクの除去
も容易になり、光導波路の伝搬損失が大幅に低減でき
る。
また分極反転層と非分極反転層はともに位相整合長にで
き、それらの層の周期構造の周期も短くできる。この結
果、高効率変換が可能な光波長変換素子を製造すること
ができる。
き、それらの層の周期構造の周期も短くできる。この結
果、高効率変換が可能な光波長変換素子を製造すること
ができる。
また本発明の光波長変換素子は、短周期の周期構造のた
め、高効率の波長変換が実現でき、高出力化した高調波
を光導波路から取り出すことができ、光ディスクに応用
しても簡単に非点収差のないスポットを得ることができ
る。
め、高効率の波長変換が実現でき、高出力化した高調波
を光導波路から取り出すことができ、光ディスクに応用
しても簡単に非点収差のないスポットを得ることができ
る。
実施例 実施例の一つとして本発明の光波長変換素子の製造方法
を第１図を用いて説明し、この方法により作製した光波
長変換素子の構造図を第２図に示す。
を第１図を用いて説明し、この方法により作製した光波
長変換素子の構造図を第２図に示す。
この実施例では分極反転型の光波長変換素子としてLiNb
O3基板１中にプロトン交換を用いて作製した光導波路を
用いたもので、第２図（ａ）は光波長変換素子の斜視
図、（ｂ）は光導波路に平行な面で切った断面図であ
る。第２図で１は＋Ｚ板（Ｚ軸と垂直に切り出された基
板の＋側）のLiNbO3基板、２は形成された光導波路、10
は基本波P1の入射部、12は高調波P2の出射部である。こ
の光導波路２には分極反転層３および分極反転されてい
ない非分極反転層４による周期構造が形成されている。
燐酸中でのプロトン交換処理により基板表面のLi濃度を
低減しておき分極反転が低温でおこるように前処理しプ
ロトン交換層５が形成されている。同図（ｂ）で光導波
路２に入った基本波P1は位相整合長Ｌの長さを持った分
極反転層３で高調波P2に変換され、次の同じくＬの長さ
を持った非分極反転層４で高調波パワーは増す事にな
る。このようにして光導波路２内でパワーを増した高調
波P2は出射部12より放射される。
O3基板１中にプロトン交換を用いて作製した光導波路を
用いたもので、第２図（ａ）は光波長変換素子の斜視
図、（ｂ）は光導波路に平行な面で切った断面図であ
る。第２図で１は＋Ｚ板（Ｚ軸と垂直に切り出された基
板の＋側）のLiNbO3基板、２は形成された光導波路、10
は基本波P1の入射部、12は高調波P2の出射部である。こ
の光導波路２には分極反転層３および分極反転されてい
ない非分極反転層４による周期構造が形成されている。
燐酸中でのプロトン交換処理により基板表面のLi濃度を
低減しておき分極反転が低温でおこるように前処理しプ
ロトン交換層５が形成されている。同図（ｂ）で光導波
路２に入った基本波P1は位相整合長Ｌの長さを持った分
極反転層３で高調波P2に変換され、次の同じくＬの長さ
を持った非分極反転層４で高調波パワーは増す事にな
る。このようにして光導波路２内でパワーを増した高調
波P2は出射部12より放射される。
次にこの光波長変換素子の製造方法について図を使って
説明する。第１図（ａ）でまずLiNbO3基板１を燐酸中で
熱処理しプロトン交換層５を形成する。プロトン交換層
の厚みは0.2μｍである。次に同図（ｂ）でプロトン交
換されたLiNbO3基板１上に誘電体膜として厚み0.2μｍ
のSiO2６をスパッタにより蒸着した後、フォトエッチン
グによりLiO2マスク６の周期パターンを形成する。次に
同図（ｃ）で1025℃、10秒間熱処理を行いSiO2６直下に
厚み1.4μｍの分極反転層３を形成する。熱処理の上昇
レートは10℃／分、冷却レートは50℃／分である。冷却
レートが遅いと不均一反転が生じるので30℃／分以上が
望ましい。この際プロトン交換層５は厚みが熱処理に寄
り1.4μｍまで広がる。また、Liが減少しておりプロト
ン交換処理していないものに比べ100℃程度キュリー温
度が低下するため低温で分極反転ができる。SiO2６直下
のみが分極反転するのはLiNbO3基板１中のLiがSiO2に拡
散し非分極反転層４に比べさらにLiが少なく反転しやす
くなっているためと考えられる。分極反転層３の長さＬ
は1.5μｍである。次に同図（ｄ）でHF:HNF3の1:1混合
液にて20分間エッチングしSiO2６を除去する。次に上記
分極反転層３中にプロトン交換を用いて光導波路を形成
する。光導波路用マスクとしてTa2O5をストライプ状に
パターニングを行った後、同図（ｅ）においてTa2O5マ
スクに幅６μｍ、長さ10mmのスリットが形成されたもの
に230℃、２分間プロトン交換を行った。最後にマスク
を除去した後350℃で１時間アニールを行った。アニー
ル処理により均一化されロスが減少した上にプロトン交
換層に非線形性が戻る。プロトン交換された保護マスク
のスリット直下の領域は屈折率が0.03程度上昇した高屈
折率層２となる。光は高屈折率層２を伝搬し、これが光
導波路となる。
説明する。第１図（ａ）でまずLiNbO3基板１を燐酸中で
熱処理しプロトン交換層５を形成する。プロトン交換層
の厚みは0.2μｍである。次に同図（ｂ）でプロトン交
換されたLiNbO3基板１上に誘電体膜として厚み0.2μｍ
のSiO2６をスパッタにより蒸着した後、フォトエッチン
グによりLiO2マスク６の周期パターンを形成する。次に
同図（ｃ）で1025℃、10秒間熱処理を行いSiO2６直下に
厚み1.4μｍの分極反転層３を形成する。熱処理の上昇
レートは10℃／分、冷却レートは50℃／分である。冷却
レートが遅いと不均一反転が生じるので30℃／分以上が
望ましい。この際プロトン交換層５は厚みが熱処理に寄
り1.4μｍまで広がる。また、Liが減少しておりプロト
ン交換処理していないものに比べ100℃程度キュリー温
度が低下するため低温で分極反転ができる。SiO2６直下
のみが分極反転するのはLiNbO3基板１中のLiがSiO2に拡
散し非分極反転層４に比べさらにLiが少なく反転しやす
くなっているためと考えられる。分極反転層３の長さＬ
は1.5μｍである。次に同図（ｄ）でHF:HNF3の1:1混合
液にて20分間エッチングしSiO2６を除去する。次に上記
分極反転層３中にプロトン交換を用いて光導波路を形成
する。光導波路用マスクとしてTa2O5をストライプ状に
パターニングを行った後、同図（ｅ）においてTa2O5マ
スクに幅６μｍ、長さ10mmのスリットが形成されたもの
に230℃、２分間プロトン交換を行った。最後にマスク
を除去した後350℃で１時間アニールを行った。アニー
ル処理により均一化されロスが減少した上にプロトン交
換層に非線形性が戻る。プロトン交換された保護マスク
のスリット直下の領域は屈折率が0.03程度上昇した高屈
折率層２となる。光は高屈折率層２を伝搬し、これが光
導波路となる。
上記のような工程により光導波路を有する光波長変換素
子が製造された。この光導波路２の厚みｄは1.2μｍで
あり分極反転層３の厚み1.4μｍに比べ小さく有効に波
長変換される。
子が製造された。この光導波路２の厚みｄは1.2μｍで
あり分極反転層３の厚み1.4μｍに比べ小さく有効に波
長変換される。
処理温度と分極反転層の厚みの関係を示すグラフを第３
図に示す。本発明の方法によれば、従来のプロトン効果
処理なしに比べ80℃低温で分極反転が生じなおかつ、従
来の倍程度の分極反転層の深さが得られることがわか
る。処理温度が1000℃以上、1040℃以下で深い分極反転
層が形成できる。また、この光導波路２の非分極反転層
４と分極反転層３の屈折率変化はなく、光が導波する場
合の伝搬損失は小さい。光導波路２に垂直な面を光学研
磨し入射部10および出射部12を形成した。このようにし
て第２図に示される光波長変換素子が製造できる。ま
た、この素子の長さは8mmである。第２図（ｂ）で基本
波P1として半導体レーザ光（波長0.84μｍ）を入射部10
より導波させたところシングルモード伝搬し、波長0.42
μｍの高調波P2が出射部12より基板外部に取り出され
た。光導波路２の伝搬損失は1dB/cmと小さく高調波P2が
有効に取り出された。低損失化の原因の１つとして燐酸
により均一な光導波路が形成されたことがある。基本波
40mWの入力で2mWの高調波（波長0.42μｍ）を得た。こ
の場合の変換効率は５％である。変換効率は従来の分極
反転型の光波長変換素子の2000倍、同じ長さにして比較
した場合でも20倍程度向上した。なお基本波に対してマ
ルチモード伝搬では高調波の出力が不安定で実用的では
ない。
図に示す。本発明の方法によれば、従来のプロトン効果
処理なしに比べ80℃低温で分極反転が生じなおかつ、従
来の倍程度の分極反転層の深さが得られることがわか
る。処理温度が1000℃以上、1040℃以下で深い分極反転
層が形成できる。また、この光導波路２の非分極反転層
４と分極反転層３の屈折率変化はなく、光が導波する場
合の伝搬損失は小さい。光導波路２に垂直な面を光学研
磨し入射部10および出射部12を形成した。このようにし
て第２図に示される光波長変換素子が製造できる。ま
た、この素子の長さは8mmである。第２図（ｂ）で基本
波P1として半導体レーザ光（波長0.84μｍ）を入射部10
より導波させたところシングルモード伝搬し、波長0.42
μｍの高調波P2が出射部12より基板外部に取り出され
た。光導波路２の伝搬損失は1dB/cmと小さく高調波P2が
有効に取り出された。低損失化の原因の１つとして燐酸
により均一な光導波路が形成されたことがある。基本波
40mWの入力で2mWの高調波（波長0.42μｍ）を得た。こ
の場合の変換効率は５％である。変換効率は従来の分極
反転型の光波長変換素子の2000倍、同じ長さにして比較
した場合でも20倍程度向上した。なお基本波に対してマ
ルチモード伝搬では高調波の出力が不安定で実用的では
ない。
なお、0.65〜1.6μｍの波長の基本波を用いて本光波長
変換素子による高調波発生を確認した。
変換素子による高調波発生を確認した。
なお光導波路形成マスクにTa2O5を用いたがTa、Ｗ等で
もプロトン交換処理でき有効である。
もプロトン交換処理でき有効である。
なお、本発明の光導波路の製造方法は第1,2図の光波長
変換素子だけではなく方向性結合器等の光スイッチある
いは光導波路を用いる他の装置にも応用可能である。
変換素子だけではなく方向性結合器等の光スイッチある
いは光導波路を用いる他の装置にも応用可能である。
次に本発明の光波長変換素子の製造方法の第２の実施例
を説明する。光波長変換素子の構成は実施例１と同様で
ある。本実施例ではLiNbO3基板に比べて光損傷に強いMg
OドープのLiNbO3を用い1100℃で熱処理し分極反転層を
形成した。LiNbO3に比べて処理温度が高いのはキュリー
温度がMgOドープすることにより80℃程度高いためであ
る。又、光導波路には分極反転層の形成時の熱処理温度
に比べて低温処理が可能であるプロトン交換光導波路を
用いた。この実施例での変換効率は40mW入力で40％であ
り、出力も非常に安定していた。
を説明する。光波長変換素子の構成は実施例１と同様で
ある。本実施例ではLiNbO3基板に比べて光損傷に強いMg
OドープのLiNbO3を用い1100℃で熱処理し分極反転層を
形成した。LiNbO3に比べて処理温度が高いのはキュリー
温度がMgOドープすることにより80℃程度高いためであ
る。又、光導波路には分極反転層の形成時の熱処理温度
に比べて低温処理が可能であるプロトン交換光導波路を
用いた。この実施例での変換効率は40mW入力で40％であ
り、出力も非常に安定していた。
次に本発明の光波長変換素子の製造方法の第３の実施例
を説明する。光波長変換素子の構成は実施例１と同様で
ある。本実施例ではLiNbO3基板の代わりにLiTaO3を基板
として用いた。LiTaO3はキュリー温度が630℃と低い低
温で分極反転処理が可能である。製造方法を第４図に示
す。同図（ａ）でLiTaO3基板1aに燐酸中で熱処理しプロ
トン交換層５を形成したものにSiO2６のパターンを形成
した。次に同図（ｂ）で570℃の温度で熱処理し厚み1.8
μｍの分極反転層３を形成した。その後、光導波路を燐
酸を用いたプロトン交換により形成した。光導波路の厚
みは1.5μｍである。LiTaO3基板1aにプロトン交換によ
り作製される光導波路は非線形性が大きいためアニール
処理を行う必要がない。この実施例での交換効率は40mW
入力で１％であり、LiTaO3を用いているため光損傷はな
く高調波出力は非常に安定していた。
を説明する。光波長変換素子の構成は実施例１と同様で
ある。本実施例ではLiNbO3基板の代わりにLiTaO3を基板
として用いた。LiTaO3はキュリー温度が630℃と低い低
温で分極反転処理が可能である。製造方法を第４図に示
す。同図（ａ）でLiTaO3基板1aに燐酸中で熱処理しプロ
トン交換層５を形成したものにSiO2６のパターンを形成
した。次に同図（ｂ）で570℃の温度で熱処理し厚み1.8
μｍの分極反転層３を形成した。その後、光導波路を燐
酸を用いたプロトン交換により形成した。光導波路の厚
みは1.5μｍである。LiTaO3基板1aにプロトン交換によ
り作製される光導波路は非線形性が大きいためアニール
処理を行う必要がない。この実施例での交換効率は40mW
入力で１％であり、LiTaO3を用いているため光損傷はな
く高調波出力は非常に安定していた。
次に本発明の光波長変換素子の製造方法の第４の実施例
として図を用いて説明を行う。この実施例ではパターン
を形成した後プロトン交換を行う。第５図に本実施例の
光波長変換素子の製造工程図を示す。同図（ａ）でLiNb
O3基板１上に厚み200ÅのTaを蒸着後、通常のフォトエ
ッチングによりTa6aのスリット７のパターンを形成す
る。次に同図（ｂ）において燐酸中でプロトン交換処理
し厚み0.1μｍのプロトン交換層５をTaのスリット７の
直下に形成する。次に同図（ｃ）において空気中1130℃
で熱処理し分極反転層３を形成する。熱処理中にTa6aは
酸化されTa2O56aに変化する。また、プロトン交換層５
は厚み1.3μｍに広がる。スリット７直下のLiは空気中
に外拡散されその部分のLiは低減する。また、SiO2と異
なりTa2O5にはLiは拡散しにくい。そのためLiが低減し
たスリット７直下の分極が反転する。この厚みは1.3μ
ｍであった。その後Ta2O5を除去した後、プロトン変換
により光導波路を形成した。
として図を用いて説明を行う。この実施例ではパターン
を形成した後プロトン交換を行う。第５図に本実施例の
光波長変換素子の製造工程図を示す。同図（ａ）でLiNb
O3基板１上に厚み200ÅのTaを蒸着後、通常のフォトエ
ッチングによりTa6aのスリット７のパターンを形成す
る。次に同図（ｂ）において燐酸中でプロトン交換処理
し厚み0.1μｍのプロトン交換層５をTaのスリット７の
直下に形成する。次に同図（ｃ）において空気中1130℃
で熱処理し分極反転層３を形成する。熱処理中にTa6aは
酸化されTa2O56aに変化する。また、プロトン交換層５
は厚み1.3μｍに広がる。スリット７直下のLiは空気中
に外拡散されその部分のLiは低減する。また、SiO2と異
なりTa2O5にはLiは拡散しにくい。そのためLiが低減し
たスリット７直下の分極が反転する。この厚みは1.3μ
ｍであった。その後Ta2O5を除去した後、プロトン変換
により光導波路を形成した。
次に第５の実施例として本発明により製造された光波長
変換素子を光ディスクの読み取りに応用した例について
説明する。第６図にその構成を示す。半導体レーザ16か
ら出た基本波P1はコリメータレンズ17で平行光にされた
後、フォーカシングレンズ18を用いて光波長変換素子15
に結合される。この基本波P1は光波長変換素子15で高調
波P2で変換された基板外に放射される。この高調波P2を
コリメータレンズ19により平行光になるようにビーム整
形を行う。この平行光にされた高調波P2は偏光ビームス
プリッタ20を通過後、フォーカシングレンズ21で集光さ
れ光ディスク22上に0.6μｍのスポットを結ぶ。この反
射信号は再び偏光ビームスプリッタ20を通過後、受光器
23に入射する。波長0.84μm,出力80mWの半導体レーザ16
を用いて基本波P1として40mWを光波長変換素子15へ結合
させた。これにより2mWの高調波P2が放射された。
変換素子を光ディスクの読み取りに応用した例について
説明する。第６図にその構成を示す。半導体レーザ16か
ら出た基本波P1はコリメータレンズ17で平行光にされた
後、フォーカシングレンズ18を用いて光波長変換素子15
に結合される。この基本波P1は光波長変換素子15で高調
波P2で変換された基板外に放射される。この高調波P2を
コリメータレンズ19により平行光になるようにビーム整
形を行う。この平行光にされた高調波P2は偏光ビームス
プリッタ20を通過後、フォーカシングレンズ21で集光さ
れ光ディスク22上に0.6μｍのスポットを結ぶ。この反
射信号は再び偏光ビームスプリッタ20を通過後、受光器
23に入射する。波長0.84μm,出力80mWの半導体レーザ16
を用いて基本波P1として40mWを光波長変換素子15へ結合
させた。これにより2mWの高調波P2が放射された。
このように本発明の光波長変換素子を用いることで従来
使用していた0.8μｍ帯の半導体レーザを用いた光ディ
スクの読み取り系に比べて半分のスポットに絞ることが
でき光ディスクの記録密度を４倍に向上することができ
る。また本発明では高調波を光導波路から出射すること
により簡単に非点収差のないスポットを得ることができ
る。なお実施例では非線形光学結晶としてLiNbO3、LiTa
O3を用いたがKNbO3等の通誘導体、MNA等の有機材料にも
適用可能である。
使用していた0.8μｍ帯の半導体レーザを用いた光ディ
スクの読み取り系に比べて半分のスポットに絞ることが
でき光ディスクの記録密度を４倍に向上することができ
る。また本発明では高調波を光導波路から出射すること
により簡単に非点収差のないスポットを得ることができ
る。なお実施例では非線形光学結晶としてLiNbO3、LiTa
O3を用いたがKNbO3等の通誘導体、MNA等の有機材料にも
適用可能である。
発明の効果 以上説明したように本発明の分極反転層の形成方法およ
び光波長変換素子の製造方法によれば、プロトン交換を
前処理して行い基板中のLiを減少させることによりその
部分のキュリー点を低下させ、（１）従来より低温処理
で分極反転層が形成できる。（２）分極反転層を基板方
向に深く形成できる。（３）分極反転層は分極方向が揃
った均一な層にできる。
び光波長変換素子の製造方法によれば、プロトン交換を
前処理して行い基板中のLiを減少させることによりその
部分のキュリー点を低下させ、（１）従来より低温処理
で分極反転層が形成できる。（２）分極反転層を基板方
向に深く形成できる。（３）分極反転層は分極方向が揃
った均一な層にできる。
さらに分極反転層と非分極反転層との周期構造は、
（４）分極反転層を横広がりがなく、基板方向に深く形
成できるので、従来できなかった短い周期の構造（分極
反転層と非分極反転層の周期構造）を形成できる。つま
り、分極反転層の長さ（幅）は位相整合長にできる。
（５）はこのような短周期構造により、基本波から高調
波への変換効率が向上し、高調波の高出力化が実現でき
る。このように、分極反転層を周期的に配置し位相の不
整合を補償することで高効率な光波長変換素子を作製す
ることができる。
（４）分極反転層を横広がりがなく、基板方向に深く形
成できるので、従来できなかった短い周期の構造（分極
反転層と非分極反転層の周期構造）を形成できる。つま
り、分極反転層の長さ（幅）は位相整合長にできる。
（５）はこのような短周期構造により、基本波から高調
波への変換効率が向上し、高調波の高出力化が実現でき
る。このように、分極反転層を周期的に配置し位相の不
整合を補償することで高効率な光波長変換素子を作製す
ることができる。
また、この製造方法により作製した光波長変換素子を用
いた光ディスク装置は、短波長化した高出力の高調波を
光導波路から取り出すことができ、簡単に非点収差のな
いスポットを得ることができ、その実用的効果は極めて
大きい。
いた光ディスク装置は、短波長化した高出力の高調波を
光導波路から取り出すことができ、簡単に非点収差のな
いスポットを得ることができ、その実用的効果は極めて
大きい。
第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明の第１の実施例の工程断
面図、第２図（ａ），（ｂ）は本発明の光波長変換素子
の構成斜視図、断面図、第３図は処理温度に対する分極
反転層の深さ依存性を示す図、第４図（ａ），（ｂ）は
本発明の第３の実施例の製造工程断面図、第５図（ａ）
〜（ｃ）は本発明の第４の実施例の製造工程断面図、第
６図は本発明により製造した光波長変換素子を応用した
光ディスク系の概略図、第７図（ａ），（ｂ）は従来の
光波長変換素子の構成斜視図、断面図、第８図（ａ）〜
（ｃ）は従来の光波長変換素子の製造工程断面図であ
る。 １…LiNbO3基板、２…光導波路、３…分極反転層、４…
非分極反転層、５…プロトン交換層、P1…基本波、P2…
高調波
面図、第２図（ａ），（ｂ）は本発明の光波長変換素子
の構成斜視図、断面図、第３図は処理温度に対する分極
反転層の深さ依存性を示す図、第４図（ａ），（ｂ）は
本発明の第３の実施例の製造工程断面図、第５図（ａ）
〜（ｃ）は本発明の第４の実施例の製造工程断面図、第
６図は本発明により製造した光波長変換素子を応用した
光ディスク系の概略図、第７図（ａ），（ｂ）は従来の
光波長変換素子の構成斜視図、断面図、第８図（ａ）〜
（ｃ）は従来の光波長変換素子の製造工程断面図であ
る。 １…LiNbO3基板、２…光導波路、３…分極反転層、４…
非分極反転層、５…プロトン交換層、P1…基本波、P2…
高調波
Claims (14)
- 【請求項１】非線形光学結晶中にプロトン交換を行う工
程と、 前記結晶上に誘電体膜をパターン化する工程と、 熱処理により前記誘電体膜直下の分極を反転させる工程
と を有することを特徴とする分極反転層の形成方法。 - 【請求項２】非線形光学結晶中にプロトン交換を行う工
程と、 前記結晶上に誘電体膜をパターン化する工程と、 熱処理により前記誘電体膜直下の分極を反転させる工程
と、 前記結晶に光導波路を形成する工程と、 前記結晶に基本波の入射部と高調波の出射部を形成する
工程と を有することを特徴とする光波長変換素子の製造方法。 - 【請求項３】非線形光学結晶がLiNbXTa1-XO3（０≦Ｘ≦
１）基板である ことを特徴とする請求項１記載の分極反転層の形成方
法。 - 【請求項４】非線形光学結晶がLiNbXTa1-XO3（０≦Ｘ≦
１）基板である ことを特徴とする請求項２記載の光波長変換素子の製造
方法。 - 【請求項５】誘電体膜がSiO2である ことを特徴とする請求項１記載の分極反転層の形成方
法。 - 【請求項６】誘電体膜がSiO2である ことを特徴とする請求項２記載の光波長変換素子の製造
方法。 - 【請求項７】非線形光学結晶の一主面にTaマスクをパタ
ーン化する工程と、 前記マスクのスリット直下の前記結晶に、プロトン交換
を行う工程と、 前記プロトン交換した前記結晶の分極を反転させるため
に熱処理し、基本波に対する位相整合長に相当する長さ
を持つ分極反転層と、位相整合長に相当する長さを持つ
非分極反転層との周期構造を形成する工程と、 前記結晶表面に光導波路を形成する工程と を有することを特徴とする光波長変換素子の製造方法。 - 【請求項８】非線形光学結晶と、 前記結晶の一主面に形成したプロトン交換層と、 前記プロトン交換層に形成した基本波に対する位相整合
長に相当する長さを持つ分極反転層と、位相整合長に相
当する長さを持つ非分極反転層とが周期的に形成された
周期構造と、 前記プロトン交換層に形成した光導波路と、 を備え、 光導波路に入射した基本波は、光導波路中で高調波へと
変換される ことを特徴とする光波長変換素子。 - 【請求項９】半導体レーザから出射する基本波を光導波
路に入射させる ことを特徴とする請求項７記載の光波長変換素子の製造
方法。 - 【請求項１０】半導体レーザから出射する基本波を光導
波路に入射させる ことを特徴とする請求項８記載の光波長変換素子。 - 【請求項１１】周期が３μｍ台である ことを特徴とする請求項７記載の光波長変換素子の製造
方法。 - 【請求項１２】周期が３μｍ台である ことを特徴とする請求項８記載の光波長変換素子。
- 【請求項１３】非線形光学結晶にTaマスクをパターン化
する工程と、 前記マスクのスリット直下の前記結晶に、プロトン交換
を行う工程と、 前記プロトン交換した前記結晶の分極を反転させるため
の熱処理し、基本波に対する位相整合長に相当する長さ
を持つ分極反転層と、位相整合長に相当する長さを持つ
非分極反転層とを周期的に形成する工程と を有することを特徴とする分極反転層の形成方法。 - 【請求項１４】半導体レーザと、 前記半導体レーザからの出射光をディスクに集光する集
光光学系と、 前記ディスクで反射した反射光を受光する受光装置とを
備えた光ディスク装置において、 前記半導体レーザと前記集光光学系との間に、前記半導
体レーザからの出射光を高調波に変換する請求項８に記
載の光波長変換素子を有し、 前記半導体レーザからの出射した出射光を前記光波長変
換素子の光導波路の一端に入射させ、前記光波長変換素
子の光導波路の他端から出射する前記高調波を前記ディ
スクに集光する ことを特徴とする光ディスク装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1330507A JPH0719004B2 (ja) | 1989-12-20 | 1989-12-20 | 光波長変換素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1330507A JPH0719004B2 (ja) | 1989-12-20 | 1989-12-20 | 光波長変換素子およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03191332A JPH03191332A (ja) | 1991-08-21 |
| JPH0719004B2 true JPH0719004B2 (ja) | 1995-03-06 |
Family
ID=18233403
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1330507A Expired - Lifetime JPH0719004B2 (ja) | 1989-12-20 | 1989-12-20 | 光波長変換素子およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0719004B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2750231B2 (ja) * | 1990-11-05 | 1998-05-13 | 富士通株式会社 | 導波路型第２高調波発生素子の製造方法 |
| JPH0667237A (ja) * | 1992-02-06 | 1994-03-11 | Hikari Keisoku Gijutsu Kaihatsu Kk | 二次高調波発生素子およびその製造方法 |
| JP2660217B2 (ja) * | 1992-03-17 | 1997-10-08 | 光計測技術開発株式会社 | 波長変換素子の製造方法 |
| CN1305184C (zh) * | 1995-06-02 | 2007-03-14 | 松下电器产业株式会社 | 激光装置 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61189524A (ja) * | 1985-02-19 | 1986-08-23 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 光波長変換装置 |
| JPH01172933A (ja) * | 1987-12-28 | 1989-07-07 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 光波長変換素子の製造方法 |
| JPH0820655B2 (ja) * | 1988-03-18 | 1996-03-04 | 松下電器産業株式会社 | 光波長変換素子 |
-
1989
- 1989-12-20 JP JP1330507A patent/JPH0719004B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 電気情報通信学会超音波技術研究報告ＵＳ８７−３７（１９８７）ＰＰ．１７−２２ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03191332A (ja) | 1991-08-21 |
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