JPH0820655B2 - Optical wavelength conversion element - Google Patents

Optical wavelength conversion element

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JPH0820655B2
JPH0820655B2 JP63066595A JP6659588A JPH0820655B2 JP H0820655 B2 JPH0820655 B2 JP H0820655B2 JP 63066595 A JP63066595 A JP 63066595A JP 6659588 A JP6659588 A JP 6659588A JP H0820655 B2 JPH0820655 B2 JP H0820655B2
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wavelength conversion
conversion element
optical
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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
素子に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical wavelength conversion element used in the field of optical information processing using coherent light or the field of optical measurement and control.

従来の技術 第11図に従来の光波長変換素子の構成図を示す。以下
0.84μmの波長の基本波に対する高調波発生(波長0.42
μm)について図を用いて詳しく述べる。[T.Taniuchi
and K.Yamamoto,"Second harmonic generation by Che
renkov radiation in proton-exchanged LiNbO3 optica
l waveguide",シーエルイー(CLEO)'86,WR3,1986年、
参照]。埋め込み型光導波路2の入射面に基本波P1を入
射すると、基本波の導波モードの実効屈折率N1と高調波
の実効屈折率N2が等しくなるような条件が満足されると
き、光導波路2からLiNbO3基板1内に高調波P2が効率良
く放射され、光波長変換素子として動作する。
Prior Art FIG. 11 shows a configuration diagram of a conventional optical wavelength conversion element. Less than
Harmonic generation for a fundamental wave with a wavelength of 0.84 μm (wavelength 0.42
μm) will be described in detail with reference to the drawings. [T. Taniuchi
and K. Yamamoto, "Second harmonic generation by Che
renkov radiation in proton-exchanged LiNbO 3 optica
l waveguide ", CLEO '86, WR3, 1986,
reference]. When the fundamental wave P1 is incident on the incident surface of the embedded optical waveguide 2 when the condition that the effective refractive index N1 of the guided mode of the fundamental wave becomes equal to the effective refractive index N2 of the harmonic wave is satisfied, the optical waveguide 2 harmonics P2 in LiNbO 3 substrate 1 is efficiently radiated, operates as an optical wavelength conversion element from.

このような従来の光波長変換素子は埋め込み型の光導
波路を基本構成要素としていた。この埋め込み型光導波
路の製造方法について説明する。強誘電体基板であるLi
NbO3基板にCrまたはAl等を蒸着し、フォトプロセスおよ
びエッチングにより幅数μmのスリットを開けたものを
安息香酸中で熱処理を行い高屈折率層(基板との屈折率
差ΔNe=0.13程度)を形成していた。[J.L.Jackel,C.
E.Rice,and J.J.Veselka,“Proton exchange for high-
index waveguides in LiNbO3 アプライド フィジック
ス レター”(Appl.Phys.Lett.),Vol41,No.7,pp607-6
08(1982)]参照 第12図に従来の溶液中でのプロトン交換方法を用いた
埋め込み型光導波路の製造方法の斜視図を示す。保護マ
スク4およびスリット5が形成されたLiNbO3基板1を安
息香酸6中で熱処理を行うことでスリット5直下で安息
香酸6中のH+(プロトン)とLiNbO3基板1中のLi+の交
換が生じHxLi1-xNbO3(0≦X≦1)から成る高屈折率
層2が形成される。このストライプ状の高屈折率層2が
埋め込み型光導波路となる。
Such a conventional optical wavelength conversion element has an embedded optical waveguide as a basic constituent element. A method of manufacturing this embedded optical waveguide will be described. Li which is a ferroelectric substrate
High-refractive index layer (refractive index difference ΔNe = 0.13) with NbO 3 substrate vapor-deposited with Cr or Al and having slits with a width of several μm opened by photo process and etching and heat-treated in benzoic acid. Had formed. [JL Jackel, C.
E.Rice, and JJ Veselka, “Proton exchange for high-
index waveguides in LiNbO 3 Applied Physics Letter ”(Appl.Phys.Lett.), Vol41, No.7, pp607-6
08 (1982)] See FIG. 12 shows a perspective view of a conventional method for manufacturing an embedded optical waveguide using a proton exchange method in a solution. The LiNbO 3 substrate 1 on which the protective mask 4 and the slit 5 are formed is heat-treated in benzoic acid 6 to exchange H + (proton) in the benzoic acid 6 with Li + in the LiNbO 3 substrate 1 immediately below the slit 5. Occurs, and the high refractive index layer 2 made of H x Li 1-x NbO 3 (0 ≦ X ≦ 1) is formed. The stripe-shaped high refractive index layer 2 serves as a buried optical waveguide.

次に光波長変換素子の製造工程を第13図を用いて詳し
く説明する。第13図(a)でLiNbO3基板1上に通常のフ
ォトプロセスを用いて保護マスク4を形成する。この保
護マスク4の材料はAlである。次に同図(b)で安息香
酸(230℃)中で12分熱処理を行い厚み0.5μmの埋め込
み型光導波路を形成する。さらに、同図(c)で保護マ
スク4を除去した後、上記埋め込み型光導波路2に垂直
な面を光学研磨し基本波を入射させることで高調波を取
り出していた。
Next, the manufacturing process of the light wavelength conversion element will be described in detail with reference to FIG. In FIG. 13A, a protective mask 4 is formed on the LiNbO 3 substrate 1 by using a normal photo process. The material of this protective mask 4 is Al. Next, as shown in FIG. 3B, heat treatment is performed in benzoic acid (230 ° C.) for 12 minutes to form a buried optical waveguide having a thickness of 0.5 μm. Further, after removing the protective mask 4 in the same figure (c), the surface perpendicular to the embedded optical waveguide 2 is optically polished and the fundamental wave is made incident to extract the harmonic.

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0.84μmの基本波P1に対して導波路の厚み0.5μm
で最大変換効率を示し、導波路の長さを6mm、P1=40mW
にしたときP2=0.4mWの高調波が得られていた。この場
合の変換効率P1/P2は1%である。
The optical wavelength conversion element manufactured by the above benzoic acid treatment has a waveguide thickness of 0.5 μm for the fundamental wave P1 having a wavelength of 0.84 μm.
Shows the maximum conversion efficiency, the length of the waveguide is 6mm, P1 = 40mW
When, the harmonic of P2 = 0.4mW was obtained. The conversion efficiency P1 / P2 in this case is 1%.

発明が解決しようとする課題 上記のような埋め込み型光導波路を基本とした光波長
変換素子では横方向に対する屈折率差は小さく、横方向
に対する光の閉じ込めが弱いことおよびマスク幅に対し
て実際に作製される光導波路の幅は横方向に広がりさら
に、閉じ込めが悪くなるといった問題点があった。その
ため光波長変換素子の実用レベルである1mW以上の高調
波を得ることが困難であった。
DISCLOSURE OF THE INVENTION Problems to be Solved by the Invention In the optical wavelength conversion element based on the embedded optical waveguide as described above, the refractive index difference in the lateral direction is small, and the light confinement in the lateral direction is weak and the mask width is actually small. There is a problem that the width of the produced optical waveguide expands in the lateral direction and the confinement becomes worse. Therefore, it has been difficult to obtain harmonics of 1 mW or more, which is the practical level of the optical wavelength conversion element.

課題を解決するための手段 本発明は、光導波路を基本とした光波長変換素子の構
造に新たな工夫を加えることにより大幅な変換効率の向
上を可能とするものである。つまり、本発明は基本波に
対してシングルモードのみ伝搬可能となるような上に凸
なプロトン交換光導波路を用い光の閉じ込めを強める構
造を採用し高効率な光波長変換素子を得ることを目的と
する。
Means for Solving the Problems The present invention makes it possible to greatly improve the conversion efficiency by adding a new device to the structure of the optical wavelength conversion element based on the optical waveguide. That is, an object of the present invention is to obtain a highly efficient optical wavelength conversion element by adopting a structure that enhances light confinement by using an upwardly convex proton exchange optical waveguide that can propagate only a single mode with respect to a fundamental wave. And

作用 上記目的を達成するため、本発明の光波長変換素子は
LiNbxTa1-xO3(0≦X≦1)基板上に上に凸でなおかつ
基本波に対してシングルモード伝搬が可能な構造を有す
るプロトン交換光導波路と基本波の入射部と高調波の出
射部とを備える構成を用いるものである。
To achieve the above object, the optical wavelength conversion element of the present invention is
LiNb x Ta 1-x O 3 (0 ≦ X ≦ 1) Proton exchange optical waveguide having a structure that is convex upward on the substrate and is capable of single mode propagation with respect to the fundamental wave And an emission part of the.

実施例 実施例の一つとしてC3F8ガスを用いたECR(Electron
Cyclotron Resonance)エッチングによる光波長変換素
子の製造方法を図を用いて説明する。
ECR (Electron using C 3 F 8 gas as an embodiment example
Cyclotron Resonance) A method of manufacturing an optical wavelength conversion element by etching will be described with reference to the drawings.

本発明の光波長変換素子の第1の実施例の構造図を第
1図に示す。この実施例では光波長変換素子としてLiNb
O3基板1上に作製した上に凸な構造を有するリッジ型光
導波路を用いたもので、第1図(a)は光波長変換素子
の斜視図、(b)は光導波路に垂直な面で切った断面
図、(c)は光導波路に平行な面で切った断面図であ
る。第1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は燐酸中でのプロトン交換
処理により形成された高屈折率層、10は基本波P1の入射
部、12は高調波の出射部である。また高屈折率層2にお
ける2aは光が伝搬する光導波路となるコア部,2bはクラ
ッド部である。高調波の出射部12にはグレーティングが
形成されている。
A structural diagram of the first embodiment of the optical wavelength conversion device of the present invention is shown in FIG. In this embodiment, LiNb is used as an optical wavelength conversion element.
A ridge type optical waveguide having a convex structure formed on an O 3 substrate 1 is used. FIG. 1 (a) is a perspective view of an optical wavelength conversion element, and (b) is a surface perpendicular to the optical waveguide. A cross-sectional view taken along line (c) is a cross-sectional view taken along a plane parallel to the optical waveguide. In FIG. 1, 1 is a LiNbO 3 substrate of a + Z plate (+ side of the substrate cut out perpendicular to the Z axis), 2 is a high refractive index layer formed by a proton exchange treatment in phosphoric acid, and 10 is a fundamental wave P 1 , And 12 is a higher harmonic wave emitting portion. Further, 2a in the high refractive index layer 2 is a core portion that serves as an optical waveguide through which light propagates, and 2b is a cladding portion. A grating is formed in the harmonic wave emission section 12.

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2図に本発明の光波長変換素子の製造工
程図を示す。同図(a)でLiNbO3基板1に燐酸の一種で
あるピロ燐酸中で230℃、5分間熱処理(プロトン交換
処理)を行い厚み0.37μmの高屈折率層2を形成する。
次に同図(b)で高屈折率層2上に通常のフォトプロセ
スにより厚み1.2μmのフォトレジスト7をパターン化
する。次に同図(c)においてTiによる保護マスク4aを
電子ビーム蒸着により0.3μm蒸着を行った。TiはC3F8
ガスを用いたECRエッチングによりエッチングされにく
いことおよびリフトオフにより簡単にパターンが形成で
きるという特長を有している。次に同図(d)において
アセトン中でフォトレジスト7を溶解しリフトオフを行
いTiのパターン化を行った。これによりTiからなる幅1.
5μm、長さ8mmのTiよりなる保護マスク4aが高屈折率層
2上に形成された。このように、Tiのパターン化にはリ
フトオフ法を用いるとTi保護マスクパターンの側面が滑
らかになりエッチング後に形成される導波路の側面も滑
らかとなる。その結果、伝搬損失が低減できる。最後に
マスク4aを形成した状態でECRイオン源を用いた反応性
イオンビームエッチング装置によりエッチングを行いマ
スク4a以外の部分をエッチングする。具体的には、C3F8
ガスによるECRエッチングにより400Vの加速電圧,1×10
-4Torrの真空度で,5分間エッチングを行った。高屈折率
層2のエッチング量は2000Aである。その後、Tiマスク4
aを水酸化ナトリウムと過酸化水素の混合液(10:1)で7
0℃、1分で除去して(e)に示す形状のリッジ型光導
波路を形成した。保護マスク4a直下がリッジ型光導波路
のコア部2aとなり、またエッチングされた部分がクラッ
ド部2bとなる。
Next, a method of manufacturing this light wavelength conversion element will be described with reference to the drawings. FIG. 2 shows a manufacturing process drawing of the optical wavelength conversion element of the present invention. In FIG. 3A, the LiNbO 3 substrate 1 is heat-treated (proton exchange treatment) at 230 ° C. for 5 minutes in pyrophosphoric acid, which is a kind of phosphoric acid, to form a high refractive index layer 2 having a thickness of 0.37 μm.
Next, in FIG. 2B, a photoresist 7 having a thickness of 1.2 μm is patterned on the high refractive index layer 2 by a normal photo process. Next, in FIG. 3C, the protective mask 4a made of Ti was vapor-deposited by 0.3 μm by electron beam vapor deposition. Ti is C 3 F 8
It has the features that it is difficult to etch by ECR etching using gas and that patterns can be easily formed by lift-off. Next, in FIG. 3D, the photoresist 7 was dissolved in acetone and lifted off to pattern Ti. This results in a width of Ti 1.
A protective mask 4a made of Ti and having a length of 5 μm and a length of 8 mm was formed on the high refractive index layer 2. As described above, when the lift-off method is used for patterning Ti, the side surface of the Ti protection mask pattern becomes smooth and the side surface of the waveguide formed after etching becomes smooth. As a result, the propagation loss can be reduced. Finally, with the mask 4a formed, etching is performed by a reactive ion beam etching apparatus using an ECR ion source to etch the portion other than the mask 4a. Specifically, C 3 F 8
Acceleration voltage of 400V, 1 × 10 by ECR etching with gas
Etching was performed at a vacuum degree of -4 Torr for 5 minutes. The etching amount of the high refractive index layer 2 is 2000A. Then Ti mask 4
7 a with a mixture of sodium hydroxide and hydrogen peroxide (10: 1)
It was removed at 0 ° C. for 1 minute to form a ridge type optical waveguide having the shape shown in (e). Immediately below the protective mask 4a becomes the core portion 2a of the ridge type optical waveguide, and the etched portion becomes the cladding portion 2b.

第3図に上記条件での未処理のLiNbO3とプロトン交換
処理したLiNbO3(H+−LiNbO3)つまり高屈折率層とのエ
ッチング特性(エッチング時間に対するエッチング量の
関係)を示す。未処理のLiNbO3に比べプロトン交換処理
を行ったLiNbO3は3倍のエッチレートが得られることを
示している。これよりLiNbO3を直接エッチングする方法
に比べてプロトン交換処理を施すことでエッチレートの
大幅改善が見られ微細加工が容易になる。
FIG. 3 shows the etching characteristics (relationship of etching amount to etching time) between untreated LiNbO 3 and proton-exchanged LiNbO 3 (H + —LiNbO 3 ) under the above conditions, that is, the high refractive index layer. This shows that the proton-exchanged LiNbO 3 has a triple etching rate compared to untreated LiNbO 3 . Therefore, compared with the method of directly etching LiNbO 3 , the proton exchange treatment significantly improves the etching rate and facilitates fine processing.

上記のような工程によりリッジ型光導波路が製造され
た。この光導波路はクラッド部2bの厚みhは0.17μm、
コア部2aの厚みdは0.37μmでありリッジ比h/dは0.46
となっている。またエッチングにより形成された光導波
路の側面2cは±200A以下と非常に滑らかとなっている。
この高屈折率層2のコア部2aが光導波路となる。この光
導波路2の一部を部分加熱しコア部2aに比べて厚み大と
なる入射部10を形成する。入射部10(第1図に示す)の
厚みを大きくすることで基本波との結合効率が増大す
る。光導波路2に垂直な面を光学研磨し入射部10に入射
面11が作製される。最後に出射部12にフォトプロセスと
ECRエッチングを用いてグレーティングを形成すること
により第1図(a)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6mmである。(第1図
(c)で基本波P1として半導体レーザ光(波長0.84μ
m)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0.42μmの高調波P2が出射部12より基板外部
に取り出された。この高調波P2の出射方向は光導波路2
が形成されている面30に対して垂直となっておりこれは
基板に16度の角度で出た高調波が出射部12に形成された
グレーティングにより方向が変換されたものである。こ
のグレーティングの周期は0.2μmである。これにより
高調波の各部分の光路長が等しくなり、集光したときの
非点収差がなくなる。
A ridge-type optical waveguide was manufactured by the above-mentioned process. In this optical waveguide, the thickness h of the clad portion 2b is 0.17 μm,
The core portion 2a has a thickness d of 0.37 μm and a ridge ratio h / d of 0.46.
Has become. In addition, the side surface 2c of the optical waveguide formed by etching is extremely smooth with ± 200 A or less.
The core portion 2a of the high refractive index layer 2 serves as an optical waveguide. Part of this optical waveguide 2 is partially heated to form an incident portion 10 having a larger thickness than the core portion 2a. Increasing the thickness of the incident part 10 (shown in FIG. 1) increases the coupling efficiency with the fundamental wave. A surface perpendicular to the optical waveguide 2 is optically polished to form an incident surface 11 on the incident portion 10. Finally, a photo process is applied to the emitting section 12.
The optical wavelength conversion device shown in FIG. 1 (a) can be manufactured by forming a grating using ECR etching. The length of this element is 6 mm. (In Fig. 1 (c), a semiconductor laser beam (wavelength 0.84
m) was guided from the incident part 10 and propagated in a single mode, and a harmonic wave P2 having a wavelength of 0.42 μm was extracted from the emitting part 12 to the outside of the substrate. This harmonic P2 is emitted in the optical waveguide 2
It is perpendicular to the surface 30 on which is formed. This is because the harmonics emitted from the substrate at an angle of 16 degrees have their directions changed by the grating formed on the emitting portion 12. The period of this grating is 0.2 μm. As a result, the optical path length of each part of the harmonic becomes equal, and astigmatism at the time of focusing is eliminated.

基本波40mWの入力で1mWの高調波(波長0.42μm)を
得た。この場合の変換効率は2.5%である。変換効率は
従来の埋め込み型光導波路を用いた光波長変換素子に比
べて大幅に向上した。また、伝搬損失は埋め込み型光導
波路とほぼ同程度のものが得られた。これはプロトン交
換処理を行いLiNbO3の微細加工を容易にしたため側面の
凹凸が少なくなったためと考えられる。光導波路厚みd
に対する変換効率を第4図に示す。高調波は0.3〜0.42
μmの間で大きな値を得ており、これは光導波路のカッ
トオフ厚みdcutの1.05〜1.5倍にあたる。このカットオ
フ厚みdcutは以下に示される式で求められる。
A harmonic of 1 mW (wavelength 0.42 μm) was obtained with an input of 40 mW of fundamental wave. The conversion efficiency in this case is 2.5%. The conversion efficiency is greatly improved compared to the conventional optical wavelength conversion device using the embedded optical waveguide. The propagation loss was almost the same as that of the embedded optical waveguide. It is thought that this is because the proton exchange treatment facilitated the fine processing of LiNbO 3 to reduce the unevenness on the side surface. Optical waveguide thickness d
FIG. 4 shows the conversion efficiency with respect to. Harmonics are 0.3 to 0.42
A large value is obtained in the range of μm, which is 1.05 to 1.5 times the cutoff thickness d cut of the optical waveguide. This cut-off thickness d cut is obtained by the formula shown below.

ここで、nsはLiNbO3基板1の屈折率、nfは高屈折率層
2の屈折率である。また、k0は波数であり基本波の波長
をλとするとk0=2π/λである。上記式に、この実施
例で用いた値を代入する。基本波の波長λは0.84μm、
その波長でのLiNbO3基板1の屈折率は2.17、そして高屈
折率層の屈折率は2.28である。これよりdcutは0.285μ
mとなりピークはこの値の1.05〜1.5倍の間に存在する
こととなる。この実施例で用いたピロ燐酸処理により形
成した高屈折率層2のLiNbO3基板1との最大屈折率差は
安息香酸の溶液処理の値に比べ10%以上高くなってい
る。そのため、光の閉じ込めも大きく変換効率向上の一
要素となっている。また、リッジ比h/dと変換効率の関
係を第5図に示す。h/dが0に近付くほど光の閉じ込め
が良くなるが、同時に伝搬損失が増加するため変換効率
は見かけ上大きくならずh/dが0.4付近でピークを示す。
Here, n s is the refractive index of the LiNbO 3 substrate 1, and n f is the refractive index of the high refractive index layer 2. Further, k 0 is a wave number, and when the wavelength of the fundamental wave is λ, k 0 = 2π / λ. The values used in this embodiment are substituted into the above equation. The wavelength λ of the fundamental wave is 0.84 μm,
The refractive index of the LiNbO 3 substrate 1 at that wavelength is 2.17, and the refractive index of the high refractive index layer is 2.28. From this, d cut is 0.285μ
m, the peak is present between 1.05 and 1.5 times this value. The maximum refractive index difference between the high refractive index layer 2 formed by the pyrophosphoric acid treatment used in this example and the LiNbO 3 substrate 1 is 10% or more higher than the value obtained by the solution treatment of benzoic acid. Therefore, confinement of light is also a factor in improving conversion efficiency. The relationship between the ridge ratio h / d and the conversion efficiency is shown in FIG. The closer h / d is to 0, the better the confinement of light, but at the same time, the propagation loss increases, so the conversion efficiency does not seem to be large, and a peak appears when h / d is around 0.4.

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。
Note that the output of the harmonics is unstable in multimode propagation with respect to the fundamental wave, which is not practical.

次に本発明の光波長変換素子の第2の実施例について
図を用いて説明する。第6図に光波長変換素子の構成図
を示す。第7図にアニール工程および保護膜形成工程を
含む光波長変換素子の製造工程図を示す。第7図(a)
においてLiNbO3基板1にプロトン交換後アニール工程を
行った。具体的にはピロ燐酸中で230℃、4分間のプロ
トン交換を行い厚み0.3μmの高屈折率層2を形成し、
次に空気中190℃、20分アニール処理を行った。アニー
ル処理により高屈折率層2の厚みは0.35μmまで広がっ
た。このアニール工程によりさらに光導波路が均一化し
伝搬損失が低減された。その後、Tiによる保護マスク4a
をパターニングした。次に同図(b)でECRエッチング
を行った。条件はC3F8ガスにより400Vの加速電圧、1×
10-4Torrの真空度で10分間エッチングした。エッチング
量はほぼ4000A(0.4μm)である。最後に同図(c)で
保護膜8としてSiO2をスパッタ蒸着により光導波路上に
形成した。SiO28の厚みは4000Aである。保護膜としてS
iO2を用いるのが保護膜での散乱および吸収を生じない
のでよい。この保護膜により表面の汚れによる光波長変
換素子の特性劣化が防止できる。第8図にSiO2付きでな
おかつアニールがある場合とSiO2がなく、なおかつアニ
ールもない場合の光導波路幅と伝搬損失の関係を示す。
大幅な伝搬損失の低減が見られる。上記工程により作製
された光波長変換素子のリッジ比h/dは0である。この
光波長変換素子では波長0.78μmの基本波P1が100mW入
力で10mWの高調波が得られ変換効率は10%であった。な
お第6図(b)において入射部10より入射した基本波は
光導波路2aで高調波P2へと変換されLiNbO3基板1内へ放
射される。この高調波P2は出射部12に形成されているAl
膜13がコーティングされたグレーティングより方向が変
換され光導波路2と垂直方向へ出射される。
Next, a second embodiment of the optical wavelength conversion device of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 6 shows a configuration diagram of the light wavelength conversion element. FIG. 7 shows a manufacturing process diagram of the optical wavelength conversion element including the annealing process and the protective film forming process. Figure 7 (a)
In, the LiNbO 3 substrate 1 was annealed after the proton exchange. Specifically, proton exchange is performed in pyrophosphoric acid at 230 ° C. for 4 minutes to form a high refractive index layer 2 having a thickness of 0.3 μm,
Next, an annealing treatment was performed in air at 190 ° C. for 20 minutes. The thickness of the high refractive index layer 2 was expanded to 0.35 μm by the annealing treatment. This annealing process further homogenized the optical waveguide and reduced the propagation loss. After that, Ti protective mask 4a
Was patterned. Next, ECR etching was performed as shown in FIG. The condition is an acceleration voltage of 400 V with C 3 F 8 gas, 1 ×
Etching was performed for 10 minutes at a vacuum degree of 10 −4 Torr. The etching amount is about 4000 A (0.4 μm). Finally, as shown in FIG. 3C, SiO 2 was formed as the protective film 8 on the optical waveguide by sputter deposition. The thickness of SiO 2 8 is 4000A. S as a protective film
It is preferable to use iO 2 because it does not cause scattering and absorption in the protective film. This protective film can prevent deterioration of the characteristics of the light wavelength conversion element due to dirt on the surface. No and SiO 2 if yet there is annealed with a SiO 2 in FIG. 8, yet shows a relationship between the optical waveguide width and the propagation loss when no annealing.
A significant reduction in propagation loss is seen. The ridge ratio h / d of the optical wavelength conversion element manufactured by the above process is 0. With this optical wavelength conversion element, a fundamental wave P1 with a wavelength of 0.78 μm was obtained as a harmonic wave of 10 mW with 100 mW input, and the conversion efficiency was 10%. Note the fundamental wave incident from the incident part 10 is emitted to be converted into higher harmonic waves P2 in the optical waveguide 2a LiNbO 3 substrate 1 in FIG. 6 (b). This harmonic P2 is generated by the Al
The direction is changed by the grating coated with the film 13 and the light is emitted in the direction perpendicular to the optical waveguide 2.

またMgOがドーピングされている基板を用いると短波
長の光に対しても光損傷が防止でき高調波の出力変動が
ない。なおプロトン交換光導波路を上に三角形状にする
ことにより基本波の伝搬モードの形状が変化しにくくな
りさらに光損傷に強い構造となる。
Moreover, if a substrate doped with MgO is used, optical damage can be prevented even for light of a short wavelength, and there is no fluctuation in the output of harmonics. By forming the proton exchange optical waveguide in the shape of a triangle, the shape of the propagation mode of the fundamental wave is less likely to change, and the structure is resistant to optical damage.

次に第3の実施例として本発明の光波長変換素子を基
本波の波長1.06μmであるYAGレーザの光波長変換に適
用した例について説明する。基本構造は第1図(a)に
示されるものを基本とし、また製造方法は第1の実施例
を基本とする。ただし本実施例ではTiによる保護マスク
形成後、さらに保護マスク側面を滑らかにするためにウ
エットエッチングを行った。具体的には、3500AのTiに
よる保護マスク形成後、HF,HNO3およびH2Oからなる混合
液(混合比1:1:800)中で25℃、1分間ウエットエッチ
ングを行い、Tiを500Aエッチングした。これにより側面
の凹凸は±100A以下まで低減された。
Next, an example in which the optical wavelength conversion element of the present invention is applied to the optical wavelength conversion of a YAG laser having a fundamental wave wavelength of 1.06 μm will be described as a third embodiment. The basic structure is based on that shown in FIG. 1 (a), and the manufacturing method is based on the first embodiment. However, in this example, after forming the protective mask of Ti, wet etching was performed to further smooth the side surface of the protective mask. Specifically, after forming a protective mask of Ti of 3500A, wet etching is performed at 25 ° C for 1 minute in a mixed solution of HF, HNO 3 and H 2 O (mixing ratio 1: 1: 800) to obtain Ti of 500A. Etched. As a result, the unevenness on the side surface was reduced to ± 100 A or less.

作製された光波長変換素子のコア部2aの厚みは0.55μ
m、クラッド部2bの厚みは0.22μmでありリッジ比は0.
4である。コア部の厚みdはカットオフ厚みdcutの1.3倍
である。また、発生した波長0.53μmの高調波への変換
効率は100mW入力で8.5%であった。このように基本波の
波長が変われば前述した式に従って厚みを設計すれば高
効率に高調波への変換が行える。
The thickness of the core 2a of the manufactured optical wavelength conversion element is 0.55μ.
m, the thickness of the cladding portion 2b is 0.22 μm, and the ridge ratio is 0.
4 The core thickness d is 1.3 times the cutoff thickness d cut . The conversion efficiency of the generated 0.53 μm wavelength harmonic was 8.5% at 100 mW input. In this way, if the wavelength of the fundamental wave changes, the thickness can be designed according to the above-mentioned formula to convert the harmonics into higher harmonics with high efficiency.

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。
The generation of harmonics by the optical wavelength conversion element was confirmed using a fundamental wave having a wavelength of 0.65 to 1.6 μm.

次に本発明の光波長変換素子の第4の実施例としてリ
ッジ型光導波路を内部に埋め込んだ例を説明する。第9
図(a)に断面図を(b)に側断面図を示す。製造方法
としては作製されたリッジ型光導波路をステアリン酸リ
チウムを含んだステアリン酸中で熱処理することにより
低屈折率層9を形成した。低屈折率層9の屈折率はLiNb
O3基板1の屈折率より0.01高い。低屈折率層9の厚みは
0.1μm、高屈折率層2の厚みは0.4μmであり幅は2μ
mである。波長0.8μmに対する伝搬損失は3dB/cmであ
った。このように光導波路を内部に埋め込むことにより
プロトン交換光導波路での散乱による伝搬損失が大幅に
低減された。
Next, an example in which a ridge type optical waveguide is embedded inside will be described as a fourth embodiment of the optical wavelength conversion device of the present invention. Ninth
A sectional view is shown in FIG. As a manufacturing method, the low refractive index layer 9 was formed by heat-treating the manufactured ridge type optical waveguide in stearic acid containing lithium stearate. The refractive index of the low refractive index layer 9 is LiNb
It is 0.01 higher than the refractive index of the O 3 substrate 1. The thickness of the low refractive index layer 9 is
0.1 μm, the thickness of the high refractive index layer 2 is 0.4 μm, and the width is 2 μm
m. The propagation loss for a wavelength of 0.8 μm was 3 dB / cm. By thus embedding the optical waveguide inside, the propagation loss due to scattering in the proton exchange optical waveguide was significantly reduced.

第9図(b)において11は基本波の入射部10に形成さ
れた入射面でありSiO2が反射防止膜30として入射面11上
に形成されている。これにより基本波P1の光導波路2へ
の結合効率は15%上昇する。また、出射面12は放射され
る高調波P2に対して垂直に研磨されており高調波P2はそ
のまま垂直にLiNbO3基板1外に抜ける。この構成によれ
ば温度変化による高調波の出射角度変化の影響を受けに
くい。
In FIG. 9B, reference numeral 11 denotes an incident surface formed on the incident portion 10 of the fundamental wave, and SiO 2 is formed on the incident surface 11 as the antireflection film 30. This increases the coupling efficiency of the fundamental wave P1 to the optical waveguide 2 by 15%. Further, the emission surface 12 is polished perpendicularly to the radiated harmonic P2, and the harmonic P2 goes out of the LiNbO 3 substrate 1 vertically as it is. According to this configuration, it is unlikely to be affected by the change in the emission angle of the harmonic due to the change in temperature.

次に第5の実施例として本発明の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
10図にその構成を示す。半導体レーザー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LiNbO3基板1の入射部10に結
合される。この基本波P2は光導波路2で高調波P2に変換
されLiNbO3基板1内に放射され出射部12に形成されたAl
反射膜を有するグレーティングにより方向が変換されLi
NbO3基板1の上部より光導波路2の進行方向に対しては
平行光、幅方向に対しては発散光で出射される。この高
調波P2をシリンドリカルレンズ19により発散光側を平行
光になるようにビーム成形を行い、両側ともに平行光と
する。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60mWの半導体レーザ16を用
い基本波P1として50mWを光導波路2内へ結合させた。こ
れにより1.4mWの高調波P2が放射された。このうち光導
波路2が形成された面と垂直方向に1mWの高調波が出射
され、これが光ディスクの読み取りに使用された。
Next, as a fifth embodiment, an example in which the optical wavelength conversion element of the present invention is applied to reading an optical disk will be described. First
Figure 10 shows the configuration. The fundamental wave P1 emitted from the semiconductor laser 16 is collimated by the collimator lens 17 and then coupled to the incident portion 10 of the LiNbO 3 substrate 1 using the focusing lens 18. This fundamental wave P2 is converted into a higher harmonic wave P2 by the optical waveguide 2, is radiated into the LiNbO 3 substrate 1, and is formed on the emission part 12
The direction is changed by the grating that has a reflective film.
The light is emitted from above the NbO 3 substrate 1 as parallel light in the traveling direction of the optical waveguide 2 and as divergent light in the width direction. The harmonic P2 is beam-shaped by the cylindrical lens 19 so that the diverging light side becomes parallel light, and both sides are made parallel light. After passing through the polarization beam splitter 20, the harmonic P2 made into the parallel light is condensed by the focusing lens 21 and forms a spot of 0.6 μm on the optical disc 22. This reflected signal passes through the polarization beam splitter 20 again and then enters the light receiver 23. A semiconductor laser 16 having a wavelength of 0.84 μm and an output of 60 mW was used to couple 50 mW as the fundamental wave P1 into the optical waveguide 2. This radiated 1.4 mW of harmonic P2. Of these, a harmonic wave of 1 mW was emitted in the direction perpendicular to the surface on which the optical waveguide 2 was formed, and this was used for reading the optical disc.

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。また高調波を光導波路が形成されている面に垂直
に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。
As described above, by using the optical wavelength conversion element of the present invention, the spot can be narrowed down to a half of the reading system of the optical disc using the 0.8 μm band semiconductor laser which has been conventionally used, and the recording density of the optical disc can be quadrupled. Can be improved. Also, by emitting the harmonics perpendicularly to the surface on which the optical waveguide is formed, a spot without astigmatism can be easily obtained.

なお上述のグレーティングを用いて光導波路が形成さ
れている面に対して高調波を垂直に出射させるという構
成はリッジ型光導波路に限らず埋め込み型、装荷型など
の各種光導波路構造に適用可能である。
Note that the above-mentioned configuration in which harmonics are emitted perpendicularly to the surface on which the optical waveguide is formed using the grating is applicable not only to the ridge type optical waveguide but also to various optical waveguide structures such as embedded type and loaded type. is there.

発明の効果 以上説明したように本発明の光波長変換素子によれ
ば、LiNbxTa1-xO3基板上に上に凸でなおかつ基本波に対
してシングルモード伝搬が可能な構造となるプロトン交
換光導波路を用いることにより光の閉じ込めを大きく
し、光波長変換素子の変換効率が大幅に向上する。
EFFECTS OF THE INVENTION As described above, according to the optical wavelength conversion element of the present invention, the protons that are convex on the LiNb x Ta 1-x O 3 substrate and have a structure capable of single-mode propagation with respect to the fundamental wave By using the exchange optical waveguide, the light confinement is increased, and the conversion efficiency of the optical wavelength conversion element is significantly improved.

また、高調波を光導波路が形成されている面に対して
垂直に取り出す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、その実用的効果は極めて大きい。
Further, a spot without astigmatism can be easily obtained by taking out the higher harmonic wave in a direction perpendicular to the surface on which the optical waveguide is formed, and its practical effect is extremely large.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図(a)は本発明の一実施例の光波長変換素子の構
成斜視図、同(b)(c)は同(a)の素子の光導波路
に垂直、平行な面で切った断面図、第2図(a)〜
(e)は本発明の光波長変換素子の製造方法の一例の工
程断面図,第3図はエッチング時間とエッチング量の関
係を示す図、第4図はプロトン交換導波路厚みに対する
変換効率依存性のグラフ,第5図はリッジ比h/dと変換
効率の関係を示す図、第6図(a),(b)は本発明の
光波長変換素子の他の実施例の光導波路に垂直、平行な
図、第7図(a)〜(c)は本発明の第3の実施例の工
程断面図、第8図は光導波路幅と伝搬損失の関係を示す
グラフ、第9図(a),(b)は本発明の他の実施例の
光導波路に垂直、平行な断面図、第10図は本発明の光波
長変換素子の応用例を示す構成図、第11図は従来の光波
長変換素子の斜視図、断面図、第12図は従来の光波長変
換素子の製造方法を示す図、第13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……高屈折率層、2a……Jp部、10
……入射部、12……出射部。
FIG. 1 (a) is a perspective view showing the structure of an optical wavelength conversion element according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 1 (b) and (c) are cross sections taken along a plane perpendicular to and parallel to the optical waveguide of the element of FIG. 1 (a). Fig. 2 (a)-
(E) is a process cross-sectional view of an example of a method for manufacturing an optical wavelength conversion device of the present invention, FIG. 3 is a diagram showing a relationship between etching time and etching amount, and FIG. 4 is conversion efficiency dependence on proton exchange waveguide thickness. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the ridge ratio h / d and the conversion efficiency, and FIGS. 6 (a) and 6 (b) are perpendicular to the optical waveguide of another embodiment of the optical wavelength conversion device of the present invention. Parallel views, FIGS. 7 (a) to 7 (c) are process cross-sectional views of the third embodiment of the present invention, FIG. 8 is a graph showing the relationship between optical waveguide width and propagation loss, and FIG. 9 (a). , (B) are sectional views perpendicular to and parallel to the optical waveguide of another embodiment of the present invention, FIG. 10 is a configuration diagram showing an application example of the optical wavelength conversion element of the present invention, and FIG. 11 is a conventional optical wavelength. FIG. 12 is a perspective view of a conversion element, a cross-sectional view, FIG. 12 is a diagram showing a method of manufacturing a conventional optical wavelength conversion element, and FIGS. A granulation step sectional views. 1 …… LiNbO 3 substrate, 2 …… High refractive index layer, 2a …… Jp part, 10
…… Injection section, 12 …… Exit section.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】LiNbxTa1-xO3(0≦x≦1)基板上に、上
に凸な形状を有し、なおかつ基本波に対してシングルモ
ード伝搬が可能な構造を有するプロトン交換光導波路が
形成され、前記光導波路への前記基本波の入射部と高調
波の出射部とを備え、前記基本波は前記光導波路で高調
波に変換されることを特徴とする光波長変換素子。
1. A proton exchange having a convex upward shape on a LiNb x Ta 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1) substrate and having a structure capable of single-mode propagation with respect to a fundamental wave. An optical wavelength conversion element characterized in that an optical waveguide is formed, the optical waveguide is provided with an incident portion of the fundamental wave and an emission portion of a harmonic, and the fundamental wave is converted into a harmonic by the optical waveguide. .
【請求項2】プロトン交換光導波路のコア部の厚みdク
ラッド部の厚みhとの比(h/d)が0≦h/d≦0.7の範囲
にあることを特徴とする請求項1に記載の光波長変換素
子。
2. The ratio (h / d) of the thickness d of the core portion of the proton exchange optical waveguide to the thickness h of the cladding portion is in the range of 0 ≦ h / d ≦ 0.7. Optical wavelength conversion element.
【請求項3】プロトン交換光導波路のコア部の厚みd
が、カットオフ厚みの1.05〜1.5倍であることを特徴と
する請求項1に記載の光波長変換素子。
3. The thickness d of the core portion of the proton exchange optical waveguide.
Is 1.05 to 1.5 times the cut-off thickness, The optical wavelength conversion element according to claim 1, wherein
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