WO2004027512A1

WO2004027512A1 - 波長変換素子

Info

Publication number: WO2004027512A1
Application number: PCT/JP2003/011881
Authority: WO
Inventors: Sunao Kurimura; Masaki Harada
Original assignee: National Institute For Materials Science
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2004-04-01
Also published as: JP2004109915A; US20050174629A1; US7177070B2; EP1542070A4; EP1542070A1

Abstract

　水晶の擬似位相整合素子１の、光の通過方向に沿って、２本の溝１０を平行にダイシング加工する。すると、（ｂ）、（ｃ）に示すように、図における上面側に２本の溝１０で挟まれた凸部１１が形成され、その中にリッジ型導波路９が形成される。よって、このリッジ型導波路９に光を通すことにより、光はリッジ型導波路９に閉じ込められた状態で、結晶軸反転部分（分極反転領域）４を通過し、波長変換が行われる。よって、波長変換素子内での光のエネルギーが高い状態とすることができ、高い波長変換効率を得ることができる。

Description

明細波長変換素子技術分野

本発明は、擬似位相整合技術を使用して、入射光と異なる波長を出力するために用いられる波長変換素子に関するものである。背景技術

特に光通信の分野においては、物質と光の高次の相互作用により、入射光とは異なった波長の光を得る波長変換技術が注目されている。このような波長変換技術において、変換後の光を材料内部から外部に効率よく取り出す方法として、

①結晶材料の複屈折を利用し、特定の角度に光を伝播させることによつて変換前後の波長の位相整合をとる方法

と、

②周期分極反転領域を光の伝播経路上に形成して、変換前後の波長の位相の差を擬似的に無くす擬似位相整合と呼ばれる方法

がある。

このうち、後者の擬似位相整合は、動作波長や入射角度の許容幅が広く、また波長変換前後の光が異なる方向に出射されるウォークオフと呼ばれる現象が生じないなど、実用化に際して多くの利点を持つと考えられ、期待が集まっている。

擬似位相整合技術を利用した波長変換素子における分極反転領域の形成は、例えば、基板材料としてニオブ酸リチウム等の強誘電材料を用い、光リソグラフィ一技術を用いて分極反転を行いたい領域に電極をパターニングし、当該電極に高い直流電圧を印加して、部分的に電界による結晶軸の反転を行うことによって実現されている。

このような、強誘電体材料に電圧を印加して分極反転領域を形成する方法とは別に、強誘電体材料ではない水晶を基板に使用し、応力印加によって分極反転領域を形成する波長変換素子が近年提案された ( S.Kurimura, R.Batchko, d.Mansell, R. Route, M.Fejer, and R.Byer： 1998年春応用物理学会予稿 28a-SG_18)。

水晶を基板材料として用いるこの波長変換素子は、強誘電体を基板とするものに比べて 100倍以上の光耐性を示す。また、透明である下限の波長もニオブ酸リチウムが 400nmであるのに比べ、 150nm付近であるため、従来使用ができなかった波長の光、特に ArFエキシマレ一ザと同等の波長約 193nmの光でも使用することができるという利点がある。

ところで波長変換技術は、高次の光と物質の相互作用に基づいており、高い変換効率を得るためには、波長変換素子内での光のエネルギー密度が高いことが望ましい。強誘電体であるニオブ酸リチウムを波長変換材料として用いる場合、高いエネルギー密度の光を使用する方法として広く行なわれている方法は、基板中の一部のリチウムを、高温の溶融安息香酸中で以下のようにプロトンに置換して屈折率を高める、プロトン交換法と呼ばれる方法である。これは、プロトン交換法によって基板中に屈折率の高い部分を設け、その部分に導波路を形成してそこに光を閉じ込める方法である。

LiNbO a + (C ₆ H ₅ C 00 H)_x

L — _x H_x Nb0₃ +(C ₆ H ₅ C〇〇Li)_x

具体的には、電界印加によって分極反転領域を形成したあと、光導波路を形成したい領域を残して、基板表面にアルミニゥム薄膜を形成する。アルミニウム薄膜の形成は、一般的なリフトオフプロセスを用いて行う。アルミニウムにてマスクしたあと、 350°Cから 400°Cに加熱した安息香酸中に基板を浸潰して所定の時間放置し、プロトン交換プロセスを進める。プロトン交換後、アルミニウムをエッチングにて除去する。プロトン交換された領域は周囲より屈折率が高くなり、光が閉じ込められて伝播する光導波路となる。このようにして周期的分極反転領域内に光を閉じ込めて伝播することができ、高い変換効率を得ることができる。

しかしながら、水晶を用いた擬似位相整合素子では、上記のようなプ口トン交換プロセスを使用して導波路を形成することができず、光の閉じ込めが十分でないため高い変換効率が得られないという問題があった < 本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、水晶を用いた擬似位相整合素子においても、光が閉じこめられる導波路が形成され、高い波長変換効率を得ることができる波長変換素子を提供することを目的とする。 . 発明の開示

前記目的を達成するための第 1の発明は、水晶基板中に複数の分極反転領域が周期的に形成され、前記水晶基板の一端から入射した光を、前記複数の分極反転領域中を通過させることによって波長変換を行う波長変換素子であって、光の通過方向に、前記複数の分極反転領域を貫くように高屈折領域が形成されていることを特徴とする波長変換素子である _c 本発明においては、光の通過方向に、複数の分極反転領域を貫くように高屈折領域が形成されているので、この高屈折領域に光を導入することにより、高屈折領域に光を閉じこめた状態で、分極反転領域を伝搬させることが可能になる。よって、高い光変換効率の波長変換素子とすることができる。

前記目的を達成するための第 2の発明は、前記第 1の発明であって、前記高屈折領域が、その周囲をイオンィンプランテーションにより低屈折領域にすることにより形成されたものであることを特徴とするものである。

高屈折領域としたい領域の周囲を、イオンインプランテーションを行うことで低屈折率とすることにより、その部分の屈折率を相対的に高めることができる。本発明とリソグラフィ技術を組み合わせることにより、微細な高屈折領域を形成し、その中に光を閉じ込めながら伝搬させることができる。

前記目的を達成するための第 3の発明は、前記第 1の発明であって、前記高屈折領域が、リッジ型導波路によって形成されたものであることを特徴とするものである。

リッジ型導波路とは、低屈折率部に突出した高屈折部を設けることにより、突出した高屈折部を光の導波路として使用するものである。本発明においても、突出した高屈折部に光を閉じ込めた状態で光を伝搬させることができる。また、前記第 2の発明と異なり、分極反転領域にィォンの打ち込みが行われないようにすることが可能であるので、このような場合には、分極反転領域の特性を変化させる恐れがない。

前記目的を達成するための第 4の発明は、前記第 3の発明であって、前記リッジ型導波路が、選択的反応性ィオンエツチングで形成されたものであることを特徴とするものである。

選択反応性イオンエッチングにより水晶基板をエッチングすることにより、リッジ型導波路を形成することができる。本発明をリソグラフィプロセスと組み合わせて使用すれば、微細なリッジ型導波路を形成することができる。

前記目的を達成するための第 5の発明は、前記第 3の発明であって、前記リッジ型導波路が、機械加工により形成されたものであることを特徴とするものである。

ダイシング加工等の機械加工によっても、氷晶基板にリッジ型導波路を形成することができる。本発明においては、比較的簡単なプロセスによってリツジ型導波路を形成することが可能となる。図面の簡単な説明 '

図 1は、本発明の実施の形態の例である波長変換素子の素材となる、水晶を用いた擬似位相整合素子の概略構成を示す図である。

図 2は、図 1に示した水晶の擬似位相整合素子を基として、イオンィンプランテーションにより、本発明の実施の形態の 1例である波長変換素子を製造するプロセスを示す図である。左側の図は、図 1における A 一 A断面、右側の図は、図 1における B— B断面を示す。

図 3は、図 1に示した水晶の擬似位相整合素子を基として、選択的反応性イオンエッチングによりリッジ型導波路を構成し、本発明の実施の形態の 1例である波長変換素子を製造するプロセスを示す図である。左側の図は、図 1における A— A断面、右側の図は、図 1における B— B 断面を示す。

図 4は、図 1に示した水晶の擬似位相整合素子を基として、ダイシング加工によりリッジ型導波路を構成した、本発明の実施の形態の 1例である波長変換素子を示す図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図 1は、本発明の実施の形態の例である波長変換素子の素材となる、水晶を用いた擬似位相整合素子の概略構成を示す図であり、（ a ) は平面図、（b ) は ( a ) における A— A断面図、（ c ) は（ a ) における B— B断面図である o

擬似位相整合素子 1には、その片側表面に周期的に凸部 2が設けられている。水晶を用いた擬似位相整合素子 1は、ホットプレス法により形成される。すなわち、図 1に示すような、片面に周期的な凸部 2を有するその水晶基板を上下方向からヒーターブロックで挟み込み、水晶基板の温度を昇温して所望の温度に到達した時点で、圧力を印加する。このとき、凸部 2にあたる部分にのみ応力が作用するので、この部分でのみ結晶軸成分が反転する。この結晶軸反転部分が結晶内部まで成長して結晶内部まで伝播し、基板本体部 3の深さ方向に大きく入り込む。結晶軸反転部分（分極反転領域）を図では符号 4で示している。このようにして、基板本体部 3内に周期的な双晶の格子を作製することができる。以下、このような水晶の擬似位相整合素子 1を基として、イオンインプランテーションにより、本発明の実施の形態の 1例である波長変換素子を製造するプロセスについて図 2を用いて説明する。図 2は、図 1 ( a ) における A— A断面図と B— B断面図を示す。なお、以下の図面においては、前出の図面に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付して、その説明を省略することがある。

図 2において、（ a ) は、水晶の擬似位相整合素子 1を示す図である。この擬似位相整合素子 1の表面に、凸部 2が覆われるような厚さのポジ型のレジスト層 5を形成する（ b )。そして、リソグラフィにより、擬似位相整合素子 1の B— B断面の中心部を残して、レジストを露光し、レジストを現像することにより、中央部にレジスト 5が残った部分を形成する（ c )。

次に、レジスト 5をマスクとして、擬似位相整合素子 1表面に He ィオンを打ち込む。それにより、レジスト 5の無い部分に低屈折率領域 6 aが形成される（d )。その後、レジスト層 5を除去し、（ d )の工程とは異なるエネルギーを有する He イオンを打ち込む。すなわち、このとき打ち込む He イオンのエネルギーを高くし、基板の表面に近い部分では留まらず、ある程度の深さにおいて留まるようにする。すると、所定の深さのところに新たに低屈折率領域 6 bが形成される。（ e )。

この状態で、（ d )においてレジスト 5の直下にあった深さの浅い部分には、低屈折領域が形成されないので、この部分が周囲より相対的に屈折率が高い高屈折領域 7 となる。これにより、本発明の実施の形態の 1 例である波長変換素子が完成する。

この波長変換素子においては、複数の結晶軸反転部分（分極反転領域） 4を貫くように高屈折領域 7が形成されている。よって、この高屈折率領域 7に光を通すことにより、光は高屈折領域 7に閉じ込められた状態で、結晶軸反転部分（分極反転領域） 4を通過し、波長変換が行われる。よって、波長変換素子内での光のエネルギーが高い状態とすることができ、高い波長変換効率を得ることができる。

以下、図 1に示すような水晶の擬似位相整合素子 1を基として、選択的反応性イオンエッチングによりリッジ型導波路を構成し、本発明の実施の形態の 1例である波長変換素子を製造するプロセスについて図 3を用いて説明する。図 3は、図 1 ( a ) における A— A断面図と B— B断面図を示す。

図 3において、（ a ) は、水晶の擬似位相整合素子 1を示す図である。この擬似位相整合素子 1の表面に、凸部 2が覆われるような厚さのネガ型のレジスト層 5を形成する（ b )。そして、リソグラフィにより、擬似位相整合素子 1の B— B断面の中心部を、図 1の左右方向に亘つて所定幅で露光し、レジストを現像することにより、露光部分を残してレジストを除去する（ c )。次に、レジストをマスクとして、擬似位相整合素子 1表面に C F 4 + H 2系のガスを打ち込む。それにより、基板の表面をエッチングすると、レジストに覆われている部分が残って凸部 8が形成される（d )。その後、レジスト層 5を除去することにより、本発明の実施の形態の 1例である波長変換素子が完成する（ e )。

凸部 8は、複数の結晶軸反転部分（分極反転領域） 4を貫くように形成され、その下の部分にリッジ型導波路 9が形成される。よって、このリッジ型導波路 9に光を通すことにより、光はリッジ型導波路 9に閉じ込められた状態で、結晶軸反転部分（分極反転領域） 4を通過し、波長変換が行われる。よって、波長変換素子内での光のエネルギーが高い状態とすることができ、高い波長変換効率を得ることができる。

以下、図 1に示すような水晶の擬似位相整合素子 1を基として、ダイシング加工によりリッジ型導波路を構成した、本発明の実施の形態の 1 例である波長変換素子について、図 4を用いて説明する。図 4において、 ( a ) は平面図、（b ) は（ a ) における A— A断面図、（ c ) は（ a ) における B— B断面図である。

図 1に示すような水晶の擬似位相整合素子 1に、ダイシング加工により溝を加工し、図 4に示すような波長変換素子を形成する。すなわち、光の通過方向に沿って、 2本の溝 1 0を平行にダイシング加工する。すると、図 4の（b )、 ( c ) に示すように、図における上面側に 2本の溝 1 0で挟まれた凸部 1 1が形成され、その中にリッジ型導波路 9が形成される。よって、このリッジ型導波路 9に光を通すことにより、光はリッジ型導波路 9に閉じ込められた状態で、結晶軸反転部分（分極反転領域） 4を通過し、波長変換が行われる。よって、波長変換素子内での光の強度が高い状態とすることができ、高い波長変換効率を得ることがでぎる。この方法は、機械加工によりリッジ型導波路 9を形成するものであるので、工程が簡単であると共に、イオン打ち込み等を行わないので、結晶軸反転部分（分極反転領域） 4の性質を変えることが無いという特徴を有する。

なお、図 3、図 4においては、リッジ型導波路 9を構成するための低屈折率物質は空気となっているが、例えば、図 3、図 4に示されるような波長変換素子の上面を、水晶より低屈折率の物質で覆うようにしてもよい。

Claims

請求の範囲

1 - 水晶基板中に複数の分極反転領域が周期的に形成され、前記水晶基板の一端から入射した光を、前記複数の分極反転領域中を通過させることによって波長変換を行う波長変換素子であって、光の通過方向に、前記複数の分極反転領域を貫くように高屈折領域が形成されていることを特徴とする波長変換素子。

2 . 前記高屈折領域が、その周囲をイオンインプランテーションにより低屈折領域にすることにより形成されたものであることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の波長変換素子。

3 . 前記高屈折領域が、リッジ型導波路によって形成されたものであることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の波長変換素子。

4 . 前記リッジ型導波路が、選択的反応性イオンエッチングで形成されたものであることを特徴とする請求の範囲第 3項に記載の波長変換素子。

5 . 前記リッジ型導波路が、機械加工により形成されたものであることを特徴とする請求の範囲第 3項に記載の波長変換素子。