KR20140053021A

KR20140053021A - 파장 변환 소자

Info

Publication number: KR20140053021A
Application number: KR1020137033177A
Authority: KR
Inventors: 미노리 다니; 게이이치로 아사이; 쇼이치로 야마구치
Original assignee: 엔지케이 인슐레이터 엘티디
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2014-05-07
Also published as: CN103874958A; JPWO2014030404A1; KR101407842B1; US20140177035A1; WO2014030404A1; JP5420810B1; CN103874958B; TWI533072B; EP2738600A4; EP2738600A1; EP2738600B1; TW201411265A; US8917443B2

Abstract

본 발명은, 기본파의 파장을 변환하여 고조파를 발생시키기 위한 주기 분극 반전 구조를 구비하는 파장 변환 소자를 제공한다. 이 파장 변환 소자는, 주기 분극 반전 구조가 형성된 강유전체 기판을 구비하고, 기본파의 전파 방향에 대하여 평행하면서 강유전체 기판의 상면의 법선에 대하여 평행한 단면으로부터 강유전체 기판을 봤을 때, 상면의 법선에 대하여 주기 분극 반전 구조의 세로 분극 반전 경계가 경사져 있다.

Description

파장 변환 소자{WAVELENGTH CONVERTING DEVICES}

본 발명은 파장 변환 소자에 관한 것이다.

청색 레이저는 GaN계의 반도체 재료에 의해 상품화되고, 디스플레이용 광원으로서 이미 실용화되어 있다. 현재는, GaN계 반도체 레이저에서 발진 파장의 장파장화가 진행되어, 녹색대 근처까지 레이저 발진이 확인되고 있다. 그러나, 상품화되어 있는 청색 레이저를 포함하여, GaN계 반도체 레이저는 소비 전력이 크다고 하는 과제를 갖는다.

한편, 파장 변환 소자를 이용한 레이저는, 조립의 부품수가 많아지지만, 소비 전력이 작고, 또한 도파로로부터 출력되는 빔 품질도 양호하므로, GaN계 반도체 레이저와 동일한 광출력이라 하더라도, 광의 이용 효율이 높다고 하는 이점을 갖는다. 또한, 파장이 안정되어 있기 때문에, 계측 용도에서는 저잡음의 측정을 할 수 있다고 하는 장점을 갖는다.

파장 변환 소자에 사용하는 비선형 효과를 갖는 결정으로는, 니오븀산리튬이나 탄탈산리튬 단결정이 있다. 이들 결정은 2차의 비선형 광학 상수가 높아, 이들 결정에 주기적인 분극 반전 구조를 형성함으로써, 유사 위상 정합(Quasi-Phase-Matched : QPM) 방식의 제2 고조파 발생(Second-Harmonic-Generation : SHG) 디바이스를 실현할 수 있다. 또한, 이 주기 분극 반전 구조 내에 도파로를 형성함으로써, 고효율의 SHG 디바이스를 실현할 수 있어, 디스플레이 용도뿐만 아니라 광통신용, 의학용, 광화학용, 각종 광계측용 등에 적합한 파장으로 비교적 자유롭게 설계할 수 있고, 폭넓은 응용이 가능하다.

그러나, 본 발명자가 제2 고조파를 얻기 위해, 기본광을 도파로형 파장 변환 소자에 광학 결합한 결과, 고조파의 발진 출력이 불안정해지는 경우가 있었다.

본 출원인은, 일본 특허 제4646333호에 있어서, 강유전체 기판에 주기 분극 반전 구조를 형성함에 있어서, 주기 분극 반전 구조의 분극 반전면을 기본파의 전파 방향에 대하여 수직으로 벗어나게 함으로써, 귀환광을 억제하는 것을 제안했다.

또한, 일본 특허 공개 제2012-118528호에서도, 마찬가지로 분극 반전 영역을 경사지게 함으로써, 전파광의 배면 반사를 저감하는 것이 제안되어 있다.

본 발명자는, 고체 레이저 발진체에 대하여 파이버 그레이팅을 광학적으로 결합하여 외부 공진기로 한 광원을 기본파의 광원으로서 이용하고, 고효율로 고조파를 발진시키는 것을 시도했다. 이 경우에는, 파이버 그레이팅을 이용함으로써, 기본파의 파장폭을 정밀하게 제어하여 기본파의 파장 어긋남을 극력 저감했다. 이와 함께, 주기 분극 반전 구조의 주기의 정밀도를 향상시킴으로써, 높은 파장 변환 효율을 달성하는 것을 시도했다. 기본파의 파장 어긋남이 억제되어 있는 것에 의해, 주기의 제조 정밀도를 향상시켜 위상 정합 파장폭을 작게 하더라도, 피크 아웃에 의한 파장 변환 효율의 저하나 불안정을 억제할 수 있을 것으로 기대했다.

그러나, 실제로 시험 제작해 보면, 역시 고조파의 발진 출력에 시간의 경과에 따라서 변동이 생기는 경우가 있었다. 본 발명자가 그 원인을 검토한 결과, 출력 변동의 원인은, 상기 위상 정합 파장의 미세한 어긋남이 아니라, 기본파 파장과 조금 떨어진 파장의 귀환광의 발진이었다.

본 발명자는, 일본 특허 제4646333호, 일본 특허 공개 제2012-118528호에 기재된 바와 같이, 기본파의 전파 방향에 수직인 방향에 대하여 분극 반전면을 경사지게 하는 것도 시도했다. 그러나, 귀환광에 의한 파장 변환 효율 저하의 억제는 가능했지만, 원래의 높은 발진 효율을 활용하는 것이 어려웠다.

본 발명의 과제는, 귀환광의 귀환에 기인하는 변환 효율의 저하를 억제하여, 고조파 출력을 한층 더 향상시키는 것이다.

본 발명은, 기본파의 파장을 변환하여 고조파를 발생시키기 위한 주기 분극 반전 구조를 구비하는 파장 변환 소자로서,

주기 분극 반전 구조가 형성된 강유전체 기판을 구비하고,

기본파의 전파 방향에 대하여 평행하면서 상면의 법선에 대하여 평행한 단면으로부터 강유전체 기판을 봤을 때, 상면의 법선에 대하여 주기 분극 반전 구조의 세로 분극 반전 경계가 경사져 있는 것을 특징으로 한다.

종래에는, 예컨대 도 3의 (a)의 평면도에 나타낸 바와 같이, 수평 분극 반전 경계(PH)와 광의 전파 방향(OE)의 각도 α를, 직각으로부터 조금 변화시킴으로써 귀환광을 억제했었다. 그러나, 이 구조에서는, 귀환광을 충분히 저감할 만큼 각도 α를 직각으로부터 크게 벗어나게 하면, 이번에는 분극 반전 그 자체의 효율이 저하되고, 이 때문에 전체적인 파장 변환 효율의 상승이 한정되고 있는 것으로 판명되었다.

그 원인은 명확하지 않지만, 이하의 2가지를 생각할 수 있다.

첫째, 주기 분극 반전 구조는, 통상, 전압 인가법에 의해 형성된다. 여기서, 상면에서 본 수평 분극 반전 경계(PH)가, 강유전체 기판(11)의 상면(11a)에 있어서 광의 전파 방향(OE)에 대하여 수직인 방향(E)에 대하여 경사져 있다. 이 때문에, 수평 분극 반전 경계(PH)와 방향 E의 편차가 커지면, 분극 반전이 효율적으로 행해지지 않아, 깊이 방향으로의 분극 반전이 발생하기 어려운 경향이 있는 것으로 고려된다.

둘째, 기본파가 되는 반도체 레이저와의 결합 효율을 높이기 위해, 파장 변환 소자의 분극 반전부의 폭은, 그 두께보다 커지는 경향이 있다. 도 3에 나타낸 바와 같은 종래 기술에서는, 이 긴 폭방향을 향해서 분극 반전 경계를 경사지게 했기 때문에, 광이 반전 부분을 통과할 때의 시간차가 큰 것으로 고려된다.

이에 비해, 본 발명에 의하면, 기본파의 전파 방향에 대하여 평행하면서 상면의 법선에 대하여 평행한 단면으로부터 강유전체 기판을 봤을 때, 상면의 법선에 대하여 주기 분극 반전 구조의 세로 분극 반전 경계가 경사져 있다. 이에 의해, 분극 반전부 내에서의 열화를 억제하면서, 귀환광의 귀환에 기인하는 변환 효율의 저하도 충분히 억제하는 것이 가능하여, 전체적인 고조파 출력을 한층 더 향상시킬 수 있다.

이것은, 상대적으로 짧은 강유전체 기판의 깊이 방향을 향해서 분극 반전 경계를 경사지게 했으므로, 광이 반전 부분을 통과할 때의 시간차가 작기 때문이라고도 고려된다.

도 1의 (a)는, 본 발명의 실시형태에 따른 벌크형의 파장 변환 소자(1)의 평면도이고, 도 1의 (b)는, 파장 변환 소자(1)를, 광의 전파 방향(OE)과 평행하면서 상면(2a)의 법선(O)과 평행한 단면을 따라서 절단하여 본 단면도이다.
도 2의 (a)는, 본 발명의 실시형태에 따른 채널 광도파로형의 파장 변환 소자(10)의 평면도이고, 도 2의 (b)는, 파장 변환 소자(10)를, 광의 전파 방향(OE)과 평행하면서 상면(11a)의 법선(O)과 평행한 단면으로 절단하여 본 단면도이다.
도 3의 (a)는, 비교예에 따른 채널 광도파로형의 파장 변환 소자의 평면도이고, 도 3의 (b)는, 파장 변환 소자의 단면도이다.
도 4의 (a)는, 본 발명의 실시형태에 따른 파장 변환 소자(10)의 모식적 단면도이고, 도 4의 (b)는, 파장 변환 소자(10)의 평면도이며, 도 4의 (c)는, 파장 변환 소자(10)를, 광의 전파 방향(OE)과 평행하면서 상면의 법선(O)과 평행한 단면으로 절단하여 본 모식적 단면도이고, 도 4의 (d)는, 도 4의 (c)의 확대도이다.
도 5의 (a)는, 일 실시형태에 따른 파장 변환 소자(10)의 평면도이고, 도 5의 (b)는, 도 5의 (a)의 파장 변환 소자(10)의 단면도이다.
도 6은, 도 5의 파장 변환 소자(10)를, 기본파의 전파 방향(OE)에 수직인 강유전체 기판의 폭방향으로 절단하여 본 단면도이다.
도 7은, 도 5, 도 6의 파장 변환 소자를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 8의 (a), (b), (c)는, 파장 변환 소자를 형성할 때의 분극 반전부의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 9의 (a), (b), (c)는, 다른 파장 변환 소자를 형성할 때의 분극 반전부의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은, 전압 인가법에 의해 주기 분극 반전 구조를 형성하기 위한 구성예를 모식적으로 나타내는 사시도이다.

이하, 적절하게 도면을 참조하면서, 본 발명을 설명한다.

종래에는, 예컨대 도 3의 (a), (b)에 나타낸 바와 같이, 강유전체 기판(11)의 상면측에 광도파로(12)가 형성되어 있고, 그 안에 주기 분극 반전 구조(19)가 형성되어 있다. 주기 분극 반전 구조(19)는, 교대로 형성된 분극 반전부(3A)와 비분극 반전부(4A)를 포함한다.

또한, 분극 반전부와 비분극 반전부의 경계가 분극 반전면이다. 분극 반전면을 기판 상면측에서 봤을 때의 경계선을 수평 분극 반전 경계(PH)라고 부른다. 또한, 분극 반전면을 후술하는 기판 횡단면을 따라서 절단했을 때 나타나는 경계선을 세로 분극 반전 경계(PV)라고 부른다.

여기서, 종래에는, 기판을 상면(11a)측에서 봤을 때, 수평 분극 반전 경계(PH)와 광의 전파 방향(OE)의 각도 α를, 직각으로부터 조금 변경하여 예각으로 함으로써 귀환광을 억제했다[도 3의 (a) 참조]. 이때, 광의 전파 방향(OE)에 대하여 평행하면서 상면(11a)의 법선(O)에 대하여 평행한 단면[도 3의 (b)의 단면]에서 봤을 때, 세로 분극 반전 경계(PV)는 법선(O)과 평행하다. 즉, 도 3의 (b)와 같은 기판 길이 방향 단면에서 보면, 주기 분극 반전 구조는 경사져 있지 않았다.

그러나, 전술한 바와 같이, 이러한 파장 변환 소자에서는 파장 변환 효율의 향상에 한계가 있는 경우가 있었다. 그 이유는 이하와 같이 고려되었다. 즉, 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이 수평 분극 반전 경계(PH)의 경사 각도 α를 직각보다 작게 할수록, 귀환광은 억제된다. 그러나, 경사 각도 α가 작아지면, 이번에는 각 분극 반전부(3A)의 깊이 방향으로의 분극 반전이 발생하기 어려워질 뿐만 아니라, 광이 각 분극 반전부(3A)를 통과할 때의 시간차가 커져, 파장 변환 효율이 저하된다. 이 트레이드오프에 의해, 파장 변환 효율의 향상에 한계가 있었던 것으로 생각된다.

도 1의 (a), (b)의 예에서는, 강유전체 기판(2)의 상면(2a)과 바닥면(2b) 사이에 주기 분극 반전 구조(9)가 형성되어 있고, 벌크형의 파장 변환 소자(1)를 형성하고 있다. 분극 반전부(3)와 비분극 반전부(4)는, 기본파의 전파 방향(OE)을 향하여 교대로 배열되어 있다. 2c는 입사면이고, 2d는 출사면이다.

여기서, 본 예에서는, 강유전체 기판(2)의 상면(2a)에서 봤을 때[도 1의 (a) 참조), 기본파의 전파 방향(OE)에 대하여 수평 분극 반전 경계(PH)가 대략 수직이다. 이에 비해, 기본파의 전파 방향(OE)에 대하여 평행하면서 상면(2a)의 법선(O)에 대하여 평행한 단면[도 1의 (b) 참조]으로 절단해 봤을 때에는, 기판 깊이 방향의 세로 분극 반전 경계(PV)가 법선(O)에 대하여 경사져 있다.

도 1의 (b)에 나타낸 바와 같이, 기판 깊이 방향에서 봤을 때의 세로 분극 반전 경계(PV)와 기판 상면의 법선(O)이 평행하지 않기 때문에, 귀환광을 억제할 수 있다. 이와 동시에, 도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이, 상면측에서 보면 수평 분극 반전 경계(PH)는 기본파의 전파 방향(OE)에 대하여 수직이다.

도 2의 (a), (b)의 파장 변환 소자(10)에서는, 강유전체 기판(11)에 채널형 광도파로(12)가 형성되어 있고, 또한 상면(11a)과 바닥면(11b)의 사이에 주기 분극 반전 구조(9)가 형성되어 있다. 광도파로(12) 내에서 전파되는 기본파는 주기 분극 반전 구조에 의해 파장 변환을 받는다. 분극 반전부(3)와 비분극 반전부(4)는, 기본파의 전파 방향(OE)을 향하여 교대로 배열되어 있다. 11c는 입사면이고, 11d는 출사면이다.

본 예에서는, 강유전체 기판(11)의 상면(11a)에서 봤을 때[도 2의 (a) 참조], 기본파의 전파 방향(OE)에 대하여 수평 분극 반전 경계(PH)가 대략 수직이다. 이에 비해, 기본파의 전파 방향(OE)에 대하여 평행하면서 상면(11a)의 법선(O)에 대하여 평행한 단면[도 2의 (b) 참조]으로 절단하여 봤을 때에는, 세로 분극 반전 경계(PV)가 법선(O)에 대하여 경사져 있다.

그리고, 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 세로 분극 반전 경계(PV)가 법선(O)에 대하여 경사져 있기 때문에, 귀환광을 억제할 수 있다. 이와 동시에, 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 상면측에서 보면 수평 분극 반전 경계(PH)는 기본파의 전파 방향(OE)에 대하여 수직이다.

또한, 도 2의 예에서는, 강유전체 기판(11)의 바닥면(11b)은, 별개의 지지 기판(13)에 접착되어 있고, 전체적으로 일체의 파장 변환 소자(10)를 형성하고 있다.

이하, 더욱 상세히 설명한다.

본 발명의 파장 변환 소자에서는, 기본파의 파장을 변환하여 고조파를 발진한다.

기본파가 되는 레이저광은 특별히 한정되지 않지만, 반도체 레이저, Nd 도핑 YAG 레이저, Nd 도핑 YVO₄ 레이저가 바람직하다.

또한, 기본파의 파장은 특별히 한정되지 않지만, 일반적으로 660 ㎚~2000 ㎚으로 할 수 있고, 710 ㎚~1600 ㎚이 특히 바람직하다.

고조파의 파장은, 목적에 따라서 선택하지만, 2차 고조파가 바람직하고, 3차 고조파, 4차 고조파이어도 좋다.

강유전체 기판은, 기본파의 입사면, 기본파 및 고조파의 출사면, 상면 및 바닥면을 갖고, 내부에 주기 분극 반전 구조가 형성되어 있다.

강유전체 기판의 재질은 강유전체 단결정이 바람직하다. 이것은, 광의 변조가 가능하다면 특별히 한정되지 않지만, 니오븀산리튬, 탄탈산리튬, 니오븀산리튬-탄탈산리튬 고용체, 니오븀산칼륨리튬, KTP, GaAs 및 수정 등을 예시할 수 있다.

강유전체 단결정 중에는, 광도파로의 내(耐)광손상성을 더욱 향상시키기 위해, 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 스칸듐(Sc) 및 인듐(In)으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 금속원소를 함유시킬 수 있고, 마그네슘이 특히 바람직하다. 강유전체 단결정 중에는, 도핑 성분으로서, 희토류 원소를 함유시킬 수 있다. 이 희토류 원소는, 레이저 발진용의 첨가 원소로서 작용한다. 이 희토류 원소로는, 특히 Nd, Er, Tm, Ho, Dy, Pr이 바람직하다.

주기 분극 반전 구조는, 채널형 광도파로 내에 형성되어 있어도 좋다. 이 경우에는, 채널형 광도파로는, 접합층 혹은 기판으로부터 돌출된 릿지형의 파장 변환 소자이어도 좋으며, 비선형 광학 결정을 가공, 예컨대 기계 가공이나 레이저 가공함으로써 물리적으로 가공하고, 성형함으로써 얻어진다. 그리고, 채널형 광도파로가, 비정질 재료로 이루어진 접착층을 통해 기판에 접합되어 있다. 혹은, 광도파로가, 티탄 확산 등의 금속 확산법이나 프로톤 교환법에 의해 형성되어 있어도 좋다.

또한, 채널형 광도파로는, 강유전체 단결정으로 이루어진 Y판 또는 오프컷 Y판(X판, 오프컷 X판)에 마련되어 있어도 좋다.

또한, 주기 분극 반전 구조가 강유전체 단결정의 벌크 기판 중에 마련되어 있어도 좋다. 또한, 벌크형의 강유전체 기판 내에서 기본파 및 고조파가 슬랩 모드로 전파된다.

바람직한 실시형태에서는, 예컨대 도 2에 나타낸 바와 같이, 강유전체 기판의 바닥면을 지지 기판에 접착할 수 있고, 이 경우는 접착층을 형성할 수 있다.

또한, 강유전체 기판에 대하여, 언더클래드, 오버클래드를 마련할 수도 있다. 언더클래드, 오버클래드의 재질은, 산화실리콘, 불화마그네슘, 질화규소 및 알루미나, 오산화탄탈을 예시할 수 있다.

접착층의 재질은, 무기 접착제이어도 좋고, 유기 접착제이어도 좋으며, 무기 접착제와 유기 접착제의 조합이어도 좋다.

지지 기판(13)의 구체적 재질은 특별히 한정되지 않고, 니오븀산리튬, 탄탈산리튬, 석영유리 등의 유리나 수정, Si 등을 예시할 수 있다. 이 경우, 열팽창차의 관점에서는, 강유전체 기판과 지지 기판을 동일한 재질로 하는 것이 바람직하고, 니오븀산리튬 단결정이 특히 바람직하다.

본 발명에서는, 기본파의 전파 방향(OE)에 대하여 평행하면서 강유전체 기판의 상면(2a, 11a)의 법선(O)에 대하여 평행한 단면으로 강유전체 기판(2, 11)을 절단해 봤을 때, 상면(2a, 11a)의 법선(O)에 대하여 주기 분극 반전 구조의 세로 분극 반전 경계(PV)가 경사져 있다.

이 상면(2a, 11a)의 법선(O)과 세로 분극 반전 경계(PV)가 만드는 경사 각도 β는, 귀환광의 억제에 의한 고조파 발생 효율의 개선이라는 관점에서는, 1°이상이 바람직하고, 3°이상이 더욱 바람직하다. 또한, 이 경사 각도 β가 커지면 파장 변환이 저감되기 때문에, 이 관점에서는, 25°이하가 바람직하고, 15°이하가 더욱 바람직하다.

바람직한 실시형태에서는, 강유전체 기판을 상면으로부터 평면적으로 봤을 때, 기본파의 전파 방향과 수평 분극 반전 경계(PH)가 대략 수직이다. 도 1, 도 2는 이 실시형태에 따른 것이며, 기본파의 전파 방향(OE)과 세로 분극 반전 경계(PV)가 이루는 각 α가 대략 직각이다. 여기서, α는 엄밀하게 90°일 필요는 없고, 제조상의 오차는 허용하는 것으로 한다.

다음으로, 도 4~도 8을 참조하면서, 본 발명의 강유전체 기판의 더욱 구체적인 예에 관해 설명한다.

본 실시형태에서는, 도 5~도 7에 나타낸 바와 같이, 강유전체 기판(11)의 바닥면(11b)이, 접착층(14)을 통해, 별개의 지지 기판(13)에 대하여 접착되어 있다.

여기서, 강유전체 기판(11)에는, 본 발명에 의한 주기 분극 반전 구조가 형성되어 있다. 이 형성 방법에 관해, 도 4, 도 8 및 도 10을 참조하면서 설명한다. 한편, 도 4에서는 각 축의 경사 각도가 작아서 이해하기 어렵기 때문에, 도 8에서는 각 경사 각도를 과장하여 도시함으로써 보기 쉽게 하였다.

여기서, 강유전체 기판(11)은, 오프컷 Y판을 이용하고 있고, 분극축(Z축)의 방향이, 강유전체 기판의 상면(11a)에 대하여 경사져 있다. 즉, 도 4의 (a), 도 8의 (a), 도 10에 나타낸 바와 같이, 상면(11a)에 대하여 분극축이 각도(OC)만큼 경사져 있다. 이 경사 각도(OC)가 오프컷 각이다.

강유전체 기판(11)의 상면(11a)에는 빗형 전극(22) 및 대향 전극(21)이 형성되어 있고, 빗형 전극(22)으로부터 대향 전극(21)을 향해서 다수의 가늘고 긴 전극편(23)이 형성되어 있다. 부호 V는, 전극편(23)의 길이 방향이다. 또한, 강유전체 기판(11)의 바닥면(11b) 상에는 균일 전극(20)이 형성되어 있다. 본 예에서는, 전극편(23)의 길이 방향(V)은, 광의 전파 방향(OE)에 대하여 수직이다.

빗형 전극(22)과 균일 전극(20)의 사이에 전압 V2를 인가하고, 주기 분극 반전 구조를 형성한다. 또한, 대향 전극(21)에 대해서는, 전압 V1을 인가하거나, 혹은 대향 전극(21)을 부유 전극으로 한다.

또한, 부호 E는, 강유전체 기판(11)의 상면(11a)에 있어서 광의 전파 방향(OE)에 대하여 수직인 방향을 가리킨다.

또한, 도 4의 (b), 도 8의 (b)의 평면도에 나타낸 바와 같이, Z축을 상면(11a)에 대하여 투영하면, 상면(11a)에 투영된 Z축은, 상면(11a)에 있어서 광의 전파 방향(OE)에 대하여 수직인 방향 E에 대하여 각도 ε로 경사져 있다. 또한, Z축을 상면(11a)에 대하여 투영한 방향은, 전극편(23)의 길이 방향(V)에 대하여 각도 ε로 경사져 있다.

한편, 도 8의 (a)에는, Z축 및 오프컷 각(OC)을 도시한다. 그러나, 정확하게는, 상면(11a)에 투영된 Z축은, 도 8의 (b)에 나타낸 바와 같이, 상면(11a)에 있어서 광의 전파 방향(OE)에 대하여 수직인 방향 E에 대하여 각도 ε로 경사져 있다. 따라서, 도 8의 (a)의 면에는, Z축을 그 면에 투영한 투영도가 나타내어지고, 또한 도 8의 (a)의 면에 투영되는 오프컷 각은, OC와 약간 상이하다. 그러나, 설명의 편의상, 도 8의 (a)에 Z축 및 오프컷 각(OC)을 그대로 도시한다.

본 예에서는, 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같이, +Z축이 상면(11a)측을 향해 있고, 분극 반전은, -Z축 방향을 향하여 진전된다. 한편, 도 4의 (b), 도 8의 (b)에 나타낸 바와 같이, 빗형 전극의 전극편의 길이 방향(V)은, 상면(11a)에 있어서 광의 전파 방향(OE)에 대하여 수직인 방향 E에 대하여 평행으로 한다.

분극 반전은, 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같이, 기판 내부를 향해서 오프컷 각(OC)만큼 경사진 방향(-Z축 방향)으로 진전된다.

그 결과, 예컨대 상면의 A점으로부터 시작된 분극 반전은, 기판의 바닥면측에서는 A'점을 향하고, 이 점을 통과한다. 즉, 분극 반전은, 입체적으로 보면 A점으로부터 A'점을 향하여 진전된다.

이 A점으로부터 A'점을 향하는 분극 반전 방향을 상면(11a)에 투영하면, 투영된 분극 반전 방향 e가 된다[도 4의 (b), 도 8의 (b) 참조]. 따라서, 분극 반전이 진전되는 방향을 상면(11a)에 투영한 방향 e는, 전극편의 길이 방향(V)에서 보면, 각도 ε만큼 경사지고, 또한 상면(11a)에 있어서 광전파 방향에 수직인 방향 E에 대하여 각도 ε로 경사진다.

그 결과, 점 A'를 상면(11a)에 투영한 점 A"[도 4의 (d), 도 8의 (c) 참조]와 전극까지의 사이에 위치 편차(t)가 생긴다. 이 위치 편차(t)는, 강유전체 기판을 횡단면으로 절단하여 봤을 때의 세로 분극 반전 경계(PV)의 경사 각도 β에 대응한다.

이 경사 각도 β는, 위치 편차(t)와 기판 두께에 의해 결정된다. 분극 반전부의 두께[법선(O) 방향의 길이]는 분극 반전부의 방향 E의 길이(L)에 비해 짧기 때문에, 위치 편차(t)가 작아도 각도 β를 크게 할 수 있다. 위치 편차(t)가 작기 때문에 광이 반전 부분을 통과할 때의 시간차를 작게 할 수 있다.

또한, 도 4의 (a), 도 8의 (a)에는 A점과 A'점이 도시되어 있지만, 실제로는 도 4의 (b), 도 8의 (b)에 나타낸 바와 같이, 분극 반전 방향을 상면(11a)에 투영한 방향 e는, 방향 E에 대하여 각도 ε로 경사져 있다. 이 때문에, 도 4의 (a), 도 8의 (a)의 면에 점 A가 나타나 있는 경우, 정확하게는 점 A'는, 도 4의 (a), 도 8의 (a)보다 위치 편차(t)만큼 어긋난 위치에 있고, 도 4의 (a), 도 8의 (a)의 면에는 나타나지 않는다. 그러나, 설명의 편의상, 도 4의 (a), 도 8의 (a)에 점 A와 점 A'를 도시한다.

한편, 예컨대 도 5, 도 6에 나타낸 바와 같이, 강유전체 기판(11)의 상면(11a) 상에 오버클래드(7)를 형성할 수 있고, 또한 강유전체 기판(11)의 바닥면(11b)에 언더클래드(8)를 형성할 수 있다.

또한, 채널형 광도파로를 형성하기 위해서는, 예컨대 도 6에 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 홈(16)을 형성함으로써, 이들 사이에 릿지형의 광도파로(12)를 형성할 수 있다. 광도파로(12) 내에는, 본 발명에 따라서 주기 분극 반전 구조를 형성한다. 또한, 광도파로(12) 내부에도 내확산법에 의해 확산부를 형성할 수 있다. 한편, 도 5의 (a), 도 4의 (c)에 있어서, F는 기본파이고, H는 고조파이다.

또한, 강유전체 기판을 상면에서 평면적으로 봤을 때, 기본파의 전파 방향과 수평 분극 반전 경계(PH)가 이루는 각을 예각으로 할 수도 있다. 즉, 도 1의 (a)에 나타내는 기본파의 전파 방향(OE)과 수평 분극 반전 경계(PH)가 이루는 각 α가 예각이다.

기본파의 전파 방향(OE)과 수평 분극 반전 경계(PH)가 이루는 각 α를 예각으로 함에 있어서, 동시에 상면의 법선(O)에 대하여 세로 분극 반전 경계(PV)를 각도 β로 경사지게 함으로써, 종래부터 직각에 가까운 각(α)으로 귀환광을 저감할 수 있다.

도 9는 이 실시형태에 따른다. 본 실시형태에서는, 강유전체 기판(11)에는, 본 발명에 의한 주기 분극 반전 구조가 형성되어 있다. 이 형성 방법에 관해서 설명한다. 또한, 도 9에서는 각 경사 각도를 과장하여 도시함으로써 보기 쉽게 하였다.

여기서, 강유전체 기판(11)은, 오프컷 Y판을 이용하고 있고, 도 9의 (a)에 나타낸 바와 같이, 기판 표면(11a)에 대하여 분극축(Z축)이 각도(OC)만큼 경사져 있다. 이 경사 각도(OC)가 오프컷 각이다.

여기서, 도 9의 (b)의 평면도에 나타낸 바와 같이, Z축을 기판 상면(11a)에 대하여 투영하면, 상면(11a)에 투영된 Z축은, 상면(11a)에 있어서 광의 전파 방향(OE)에 대하여 대략 수직인 방향 E에 대하여 각도 ε만큼 경사져 있다.

또한, 도 9의 (a)에는, 도 8의 (a)와 마찬가지로, 설명의 편의상, Z축 및 오프컷 각(OC)을 도시한다.

본 예에서는, 도 9의 (a)에 나타낸 바와 같이, +Z축이 상면(11a)측을 향해 있고, 분극 반전은, -Z축 방향을 향해 진전된다. 한편, 도 9의 (b)에 나타낸 바와 같이, 빗형 전극의 전극편의 길이 방향(V)은, 방향 E에 대하여 각도 γ만큼 경사지게 한다.

그리고, 기판 상면에 있어서, 빗형 전극으로부터 전압을 인가하여, 분극 반전을 진전시킨다.

그렇게 하면, 분극 반전은, 도 9의 (a)에 나타낸 바와 같이, 기판 내부를 향해 오프컷 각(OC)만큼 경사진 방향으로 진전된다.

예컨대 상면의 A점으로부터 시작된 분극 반전은, 기판의 바닥면측에서는 A'점을 향하고, 이 점에서 종료된다. 즉, 분극 반전은, 입체적으로 보면 A점으로부터 A'점을 향해 진전된다. 이에 따라, 기본파의 전파 방향(OE)과 수평 분극 반전 경계(PH)가 이루는 각 α를 예각으로 하면서, 동시에 상면의 법선(O)에 대하여 세로 분극 반전 경계(PV)를 각도 β만큼 경사지게 할 수 있다.

또한, 도 9의 (a)에는, A점과 A'점이 도시되어 있지만, 실제로는 도 9의 (b)에 나타낸 바와 같이, 분극 반전 방향을 상면(11a)에 투영한 방향 e는, 방향 E에 대하여 각도 ε로 경사져 있다. 그러나, 설명의 편의상, 도 9의 (a)에 점 A와 점 A'를 도시한다.

본 실시형태에서는, α은 90°미만이면 특별히 한정되지 않지만, 후술하는 바와 같은 단면 방향에서의 경사 각도 β와의 상승 작용이라는 관점에서는, 89.9°이하가 바람직하고, 89.7°이하가 더욱 바람직하다. 또한, α가 지나치게 작아지면, 분극 반전 효율의 저하로 인해 오히려 파장 변환 효율이 저하되는 경향이 있다. 이 관점에서는, α는, 88°이상이 바람직하고, 89°이상이 더욱 바람직하다.

실시예

(실시예 A1)

도 1~도 8에 나타낸 바와 같은 형태의 파장 변환 소자를 제작했다.

구체적으로는, 두께 0.5 ㎜의 MgO 5% 도핑 니오븀산리튬 오프컷 Y기판의 상면에, 빗형 전극 및 대향 전극을 형성하고, 바닥면에 균일 전극을 형성했다. 전압 인가법에 의해 주기 5.08 ㎛의 주기 분극 반전 구조를 형성했다.

한편, 두께 0.5 ㎜의 비도핑 니오븀산리튬 기판에 접착제를 도포했다. 이어서, 상기 MgO 도핑 니오븀산리튬 기판과 접합하고, MgO 도핑 니오븀산리튬 기판의 표면을, 두께 3.5 ㎛가 될 때까지 연삭, 연마하여, 박판을 제작했다.

이어서, 이 박판에, 레이저 어블레이션 가공법에 의해, 릿지형의 채널 광도파로를 형성했다. 광도파로의 형성후, 두께 0.5 ㎛의 SiO₂ 오버클래드를 스퍼터법에 의해 성막했다. 다이서로 길이 9 ㎜, 폭 1.0 ㎜로 파장 변환 소자를 절단한 후, 단부면을 연마하여 반사 방지막을 형성했다.

각 조건을 이하에 나타낸다.

OC : 5°

ε : 0.5°

L : 40 ㎛

t : 0.35 ㎛

β : 5.7°

얻어진 파장 변환 소자에 있어서, 반도체 레이저를 사용하여 광학 특성을 측정했다. 레이저 광원으로부터의 발진 출력을 350 ㎽로 조정하고, 그 기본광을 렌즈로 도파로 단부면에 입력하여, 82 ㎽의 SHG 출력이 얻어졌다. 이때의 기본광의 파장은 976.1 ㎚이었다. 측정은 실온(25℃)에서 행했다. 반도체 레이저광의 발진 상태는 안정되어 있고, 출력 변동은 관측되지 않았다.

(실시예 A2~A5)

실시예 A1과 동일한 순서로 파장 변환 소자를 제작했다. 단, 각 파라미터를 이하와 같이 변화시켰다.

ε : 0.1°(실시예 A2), 0.3°(실시예 A3)

1°(실시예 A4), 2°(실시예 A5)

t : 0.07 ㎛(실시예 A2), 0.21 ㎛(실시예 A3)

0.7 ㎛(실시예 A4), 1.4 ㎛(실시예 A5)

β : 1.1°(실시예 A2), 3.4°(실시예 A3)

11°(실시예 A4), 22°(실시예 A5)

실시예 A1과 동일하게 발진 출력을 측정한 결과, 이하의 SHG 출력이 얻어졌다. 이때의 기본광의 파장은 975.9 ㎚~976.4 ㎚이었다. 측정은 실온(25℃)에서 행했다. 이 기본광의 파장의 차는 각 실시예에 대하여, 시험 제작한 MgO 도핑 니오븀산리튬 기판의 두께 베리에이션에 기인하는 것이다. 각 실시예에 대하여 반도체 레이저광의 발진 상태는 안정되어 있고, 출력 변동은 관측되지 않았다.

실시예 A2 : 84 ㎽

실시예 A3 : 83.5 ㎽

실시예 A4 : 76 ㎽

실시예 A5 : 61 ㎽

(비교예 1)

실시예 A1과 동일한 순서로 파장 변환 소자를 제작했다.

단, 실시예 A1과는 달리, 도 3에 나타낸 바와 같이, 각도 α를 84.3°로 했다. 또한, 전압 인가 방향(V)과 광의 전파 방향(OE)은 수직이다.

실시예 A1과 동일하게 하여 SHG 발진 출력을 측정한 결과, SHG 출력은 49.7 ㎽이고, 이때의 기본광의 파장은 976.4 ㎚이었다. 측정은 실온(25℃)에서 행했다. 반도체 레이저광의 발진 상태는 안정되어 있고, 출력 변동은 관측되지 않았다.

(실시예 B1)

실시예 A1과 동일한 순서로 파장 변환 소자를 제작했다. 단, 도 9에 나타낸 바와 같은 형태로 했다. 각 파라미터를 이하와 같이 변화시켰다.

OC : 5°

ε : 0.2°

γ : 0.3°

L : 40 ㎛

β : 5.7°

실시예 A1과 동일하게 SHG 발진 출력을 측정한 결과, SHG 출력은 82.5 ㎽이고, 이때의 기본광의 파장은 976.2 ㎚이었다. 측정은 실온(25℃)에서 행했다. 반도체 레이저광의 발진 상태는 안정되어 있고, 출력 변동은 관측되지 않았다.

(실시예 B2~B5)

실시예 B1과 동일한 순서로 파장 변환 소자를 제작했다. 단, 각 파라미터를 이하와 같이 변화시켰다.

ε : 0.2°(실시예 B2), 0.2°(실시예 B3)

0.2°(실시예 B4), 0.2°(실시예 B5)

γ : 0.1°(실시예 B2), 0.5°(실시예 B3)

1°(실시예 B4), 2°(실시예 B5)

β : 3.4°(실시예 B2), 8°(실시예 B3)

13.5°(실시예 B4), 24°(실시예 B5)

실시예 A1과 동일하게 발진 출력을 측정한 결과, 이하의 SHG 출력이 얻어졌다. 이때의 기본광의 파장은 975.9 ㎚~976.5 ㎚이었다. 측정은 실온(25℃)에서 행했다. 이 기본광의 파장의 차는 각 실시예에 대하여, 시험 제작한 MgO 도핑 니오븀산리튬 기판의 두께 베리에이션에 기인하는 것이다. 각 실시예에 대하여 반도체 레이저광의 발진 상태는 안정되어 있고, 출력 변동은 관측되지 않았다.

실시예 B2 : 84 ㎽

실시예 B3 : 81.5 ㎽

실시예 B4 : 73 ㎽

실시예 B5 : 58 ㎽

Claims

기본파의 파장을 변환하여 고조파를 발생시키기 위한 주기 분극 반전 구조를 구비하는 파장 변환 소자로서,
상기 주기 분극 반전 구조가 형성된 강유전체 기판을 구비하고, 상기 기본파의 전파 방향에 대하여 평행하면서 상기 강유전체 기판의 상면의 법선에 대하여 평행한 단면으로부터 상기 강유전체 기판을 봤을 때, 상기 상면의 법선에 대하여 상기 주기 분극 반전 구조의 세로 분극 반전 경계가 경사져 있는 것을 특징으로 하는 파장 변환 소자.
제1항에 있어서, 상기 강유전체 기판의 상기 상면의 법선에 대한 상기 세로 분극 반전 경계의 경사 각도가 3°~25°인 것을 특징으로 하는 파장 변환 소자.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 강유전체 기판은 오프컷 Y판인 것을 특징으로 하는 파장 변환 소자.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강유전체 기판을 상기 상면으로부터 평면적으로 봤을 때, 상기 기본파의 전파 방향과 상기 주기 분극 반전 구조의 수평 분극 반전 경계가 대략 수직인 것을 특징으로 하는 파장 변환 소자.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강유전체 기판을 상기 상면으로부터 평면적으로 봤을 때, 상기 기본파의 전파 방향과 상기 주기 분극 반전 구조의 수평 분극 반전 경계가 이루는 각이 예각인 것을 특징으로 하는 파장 변환 소자.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 지지 기판 및 상기 강유전체 기판의 바닥면을 상기 지지 기판에 접착하는 접착층을 구비하는 것을 특징으로 하는 파장 변환 소자.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강유전체 기판이 채널형 광도파로를 구비하고, 이 채널형 광도파로 내에 상기 주기 분극 반전 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파장 변환 소자.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강유전체 기판이 슬랩 광도파로를 구비하고, 이 슬랩 광도파로 내에 상기 주기 분극 반전 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파장 변환 소자.