WO2010016408A1 - 波長変換素子および波長変換素子の製造方法 - Google Patents

波長変換素子および波長変換素子の製造方法 Download PDF

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WO2010016408A1
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crystal
crystals
optical waveguide
wavelength conversion
conversion element
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一成 佐藤
宮永　倫正
喜之 山本
英章 中幡
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住友電気工業株式会社
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    • G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
    • G02F1/377—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure
    • G02F1/3775—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure with a periodic structure, e.g. domain inversion, for quasi-phase-matching [QPM]
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    • Y10T156/1075—Prior to assembly of plural laminae from single stock and assembling to each other or to additional lamina

Definitions

  • the present invention relates to a wavelength conversion element and a method for manufacturing the wavelength conversion element.
  • Semiconductor lasers and solid-state lasers have emission wavelengths that are unique to their materials, and the expansion of the wavelength region directly leads to the expansion of application fields. Infrared light sources are used in environmental measurements, medical care, and biotechnology. For automotive exhaust gas detection, laser ionization mass spectrometry, fruit sugar analysis, dental treatment, non-invasive blood tests, brain blood tests, etc. The application of is being considered.
  • a light source such as a ruby laser, a YAG (yttrium, aluminum, garnet) laser, or a carbon dioxide gas laser can emit only light of a specific wavelength.
  • a light source such as a titanium / sapphire laser has a variable wavelength, but can emit only light having a wavelength in the vicinity of 650 nm to 1100 nm. Thus, laser light cannot be obtained in all wavelength regions. Therefore, a wavelength conversion element that can convert light of a specific wavelength emitted from a laser light source into light of a different wavelength is desired.
  • wavelength conversion elements using boric acid crystals such as BBO (barium borate) and LBO (lithium borate) are well known.
  • BBO barium borate
  • LBO lithium borate
  • wavelength conversion is performed by phase matching using the birefringence of the crystal.
  • the wavelength conversion element using the birefringence since the birefringence of the crystal is a property inherent to the crystal and cannot be adjusted, the wavelength conversion element using the birefringence has a low degree of freedom such as wavelength selectivity.
  • wavelength conversion elements using oxide ferroelectric crystals such as LiNbO 3 (lithium niobate) and LiTaO 3 (lithium tantalate) are well known.
  • oxide ferroelectric crystals have a bias (polarization) in a specific direction of atomic arrangement, and show positive and negative polarizations at both ends of the specific direction due to the bias.
  • the polarization can be partially reversed.
  • the interaction length can be made longer than when birefringence matching of boric acid crystals is used, so that highly efficient wavelength conversion is achieved. It becomes possible.
  • Patent Document 1 discloses a wavelength conversion element using a compound semiconductor crystal containing at least one of Ga (gallium), Al (aluminum), and In (indium) and N (nitrogen) and having spontaneous polarization.
  • Patent Document 1 a polarization structure in which spontaneous polarization is periodically reversed in a two-dimensional lattice shape is formed in a compound semiconductor crystal, and the polarization structure is two-dimensional with respect to incident light having a first wavelength. Satisfies the quasi phase matching (QPM) condition. For this reason, since the interaction length can be made longer than in the case where the birefringence matching of the boric acid crystal is used, highly efficient wavelength conversion becomes possible.
  • QPM quasi phase matching
  • Patent Document 1 discloses a method of manufacturing a wavelength conversion element by forming a two-dimensional domain-inverted structure using a compound semiconductor crystal. Specifically, a mask pattern corresponding to a two-dimensional domain-inverted structure pattern is formed on a GaN (gallium nitride) substrate having a + c plane. Thereafter, a GaN layer is formed in the + c-axis direction on the + c surface of the GaN substrate and the mask pattern. In this case, the + c region is epitaxially grown on the + c surface of the GaN substrate so that the thickness of the GaN layer increases in the + c axis direction, and the thickness of the GaN layer increases on the mask layer in the ⁇ c axis direction. The -c region is epitaxially grown. Thereby, a two-dimensional domain-inverted structure is formed.
  • GaN gallium nitride
  • oxide ferroelectric crystals such as LiNbO 3 and LiTaO 3 have a perovskite crystal structure having central ions such as Nb (niobium) and Ta (tantalum).
  • the central ion can be moved according to the polarization by applying a voltage.
  • the present inventors have a problem that the characteristics of the wavelength conversion element using the oxide ferroelectric crystal cannot be maintained for a long time due to the weakening of the crystal by applying a voltage. First revealed.
  • Al x Ga (1-x) N 0.5, such as AlN (aluminum nitride) crystal having an energy band gap of 6.2 eV, a thermal conductivity of about 3.3 WK ⁇ 1 cm ⁇ 1 and a high electrical resistance.
  • ⁇ x ⁇ 1 (hereinafter also referred to as AlGaN) crystal is used as a material for an optical device having a short wavelength. For this reason, it is expected to use an AlGaN crystal as a wavelength conversion element.
  • the GaN substrate and AlGaN have different compositions, so that the formed AlGaN layer has poor crystallinity.
  • This invention is made
  • the objective is to provide the manufacturing method of the wavelength conversion element which improves the lifetime which can maintain a characteristic, and a wavelength conversion element.
  • the present inventor has found that the fact that the characteristics of the wavelength conversion element cannot be maintained over a long period of time is due to the high dislocation density. That is, the present inventor has found that the heat due to the energy of the incident light is absorbed by the dislocation, and the lifetime in which the characteristics of the wavelength conversion element can be maintained is shortened by this heat.
  • the present inventor has earnestly studied how much it is effective to reduce the dislocation density in order to improve the lifetime in which the characteristics of the wavelength conversion element can be maintained. As a result, it has been found that the dislocation density of at least one crystal constituting the domain-inverted structure is less than 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 .
  • the wavelength conversion element of the present invention is a wavelength conversion element that has an optical waveguide, converts the wavelength of incident light incident from one end side of the optical waveguide, and emits outgoing light from the other end side of the optical waveguide.
  • the first crystal made of Al x Ga (1-x) N (0.5 ⁇ x ⁇ 1) and the second crystal having the same composition as the first crystal are provided.
  • the first and second crystals form a domain-inverted structure in which the polarization direction is periodically inverted along the optical waveguide, and the domain-inverted structure satisfies a quasi-phase matching condition with respect to incident light.
  • At least one of the first and second crystals has a dislocation density of 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and less than 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 .
  • At least one of the first and second crystals has a dislocation density of 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and less than 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 . Since the dislocation density is less than 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2, it is possible to suppress the energy of incident light from being absorbed by the dislocation. For this reason, it can suppress that the temperature of the crystal which comprises an optical waveguide rises. Thereby, the fall of the intensity
  • At least one of the first and second crystals has a dislocation density of 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and less than 1 ⁇ 10 5 cm ⁇ 2 .
  • the manufacturing method of the wavelength conversion element in one situation of the present invention has an optical waveguide, changes the wavelength of incident light which entered from one end side of the optical waveguide, and emits outgoing light from the other end side of the optical waveguide
  • a method for manufacturing a wavelength conversion element comprising the following steps.
  • a base substrate made of Al x Ga (1-x) N (0.5 ⁇ x ⁇ 1) is prepared.
  • a crystal having the same composition as that of the base substrate is grown on the base substrate.
  • the first and second crystals are formed by dividing the crystal into two or more so that the polarizations are inverted from each other.
  • a polarization inversion structure in which the polarization directions of the first and second crystals are periodically inverted is formed along the optical waveguide, and the polarization inversion structure satisfies the quasi phase matching condition with respect to incident light. 2 crystals are pasted together.
  • a method for manufacturing a wavelength conversion element includes an optical waveguide, converts the wavelength of incident light incident from one end side of the optical waveguide, and emits outgoing light from the other end side of the optical waveguide.
  • a method for manufacturing a wavelength conversion element comprising the following steps.
  • a base substrate made of Al x Ga (1-x) N (0.5 ⁇ x ⁇ 1) is prepared.
  • a first crystal having the same composition as the base substrate is grown on the base substrate.
  • a second crystal having the same composition as the first crystal is prepared.
  • a polarization inversion structure in which the polarization directions of the first and second crystals are periodically inverted is formed along the optical waveguide, and the polarization inversion structure satisfies the quasi phase matching condition with respect to incident light. 2 crystals are pasted together.
  • a method for manufacturing a wavelength conversion element in still another aspect of the present invention includes an optical waveguide, converts the wavelength of incident light incident from one end side of the optical waveguide, and emits outgoing light from the other end side of the optical waveguide.
  • a method of manufacturing a wavelength conversion element to be performed comprising the following steps.
  • a base substrate made of Al x Ga (1-x) N (0.5 ⁇ x ⁇ 1) is prepared.
  • a first crystal having the same composition as the base substrate is grown on the base substrate. Two or more convex portions regularly arranged on the surface of the first crystal are formed.
  • a second crystal which is an amorphous crystal having the same composition as the first crystal, is grown on the surface of the first crystal.
  • a domain-inverted structure in which the polarization directions of the first and second crystals are periodically inverted is formed along the optical waveguide, and the domain-inverted structure is quasi-phase matched to the incident light.
  • First and second crystals are formed so as to satisfy the condition.
  • a method for manufacturing a wavelength conversion element in still another aspect of the present invention includes an optical waveguide, converts the wavelength of incident light incident from one end side of the optical waveguide, and emits outgoing light from the other end side of the optical waveguide.
  • a method of manufacturing a wavelength conversion element to be performed comprising the following steps.
  • a base substrate made of Al x Ga (1-x) N (0.5 ⁇ x ⁇ 1) is prepared.
  • a mask layer having an opening is formed on the base substrate.
  • a first crystal grown in contact with the base substrate and a second crystal grown in contact with the mask layer are formed by growing a crystal having the same composition as the base substrate on the base substrate or the mask layer. To do.
  • a polarization inversion structure in which the polarization directions of the first and second crystals are periodically inverted along the optical waveguide is formed, and the polarization inversion structure satisfies the quasi phase matching condition with respect to incident light.
  • the first and second crystals having the same composition as the base substrate are grown on the base substrate.
  • a crystal having a low dislocation density of 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and less than 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 can be grown. Since the first crystal or the first and second crystals are formed using this crystal, the dislocation density of the first crystal or the first and second crystals constituting the optical waveguide is 1 ⁇ 10 7 cm -2 For this reason, as described above, it is possible to manufacture a wavelength conversion element that improves the lifetime in which the characteristics can be maintained.
  • the wavelength conversion element and the method for manufacturing the wavelength conversion element of the present invention since the dislocation density of at least one of the first and second crystals is low, the influence of heat can be suppressed. Therefore, it is possible to realize a wavelength conversion element that improves the lifetime in which the characteristics can be maintained.
  • Embodiment 1 of this invention It is a perspective view which shows schematically the wavelength conversion element in Embodiment 1 of this invention. It is a perspective view which shows roughly the wavelength conversion element in the modification of Embodiment 1 of this invention. It is a perspective view which shows roughly the base substrate in Embodiment 1 of this invention. It is a perspective view which shows roughly the state which the crystal
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a wavelength conversion element in the present embodiment.
  • the wavelength conversion element 10a in the present embodiment will be described with reference to FIG.
  • the wavelength conversion element 10 a in the present embodiment has an optical waveguide 13.
  • the optical waveguide 13 converts the wavelength of the incident light 101 incident from the one end 13 a side of the optical waveguide 13 and emits the outgoing light 102 from the other end 13 b side of the optical waveguide 13.
  • the wavelength conversion element 10 a includes a first crystal 11 made of Al x Ga (1-x) N (0.5 ⁇ x ⁇ 1), and a second crystal 12 having the same composition as the first crystal 11. ing.
  • the composition ratio x of Al x Ga (1-x) N is the molar ratio of Al.
  • the first and second crystals 11 and 12 are preferably single crystals.
  • the first and second crystals 11 and 12 are comb-shaped having convex portions regularly arranged on the surface, and are fitted to each other. That is, the first and second crystals 11 and 12 have a convex portion and a concave portion, the convex portion of the first crystal 11 is fitted with the concave portion of the second crystal 11, and the first The concave portion of the crystal 11 is fitted with the convex portion of the second crystal 11.
  • the first and second crystals 11 and 12 form a domain-inverted structure in which the polarization direction is periodically inverted along the optical waveguide 13. That is, the optical waveguide 13 for confining light waves is formed in the first and second crystals 11 and 12 having the domain-inverted structure.
  • the domain-inverted structure satisfies the quasi phase matching condition with respect to the incident light 101.
  • the quasi-phase matching condition is the difference between the wave vector of the nonlinear polarization and the wave vector of the light wave to be generated by providing a structure in which the sign of the nonlinear optical coefficient is inverted periodically along the propagation axis of the nonlinear optical crystal. Is a condition for achieving phase matching by compensating with a wave vector of a periodic structure.
  • first and second crystals 11 and 12 for example, the first and second crystals 11 and 12 in FIG. That is, in the present embodiment, the directions of the positive electrodes of the first and second crystals 11 and 12 are opposite.
  • the first surface 11a that is the positive electrode of the first crystal 11 is an Al polar surface, and is the surface opposite to the positive electrode of the second crystal 12.
  • a certain second surface 12b is an N-polar surface.
  • the first and second crystals 11 and 12 have their polarization directions periodically reversed along the optical waveguide 13. Assuming that the first and second crystals 11 and 12 adjacent in the optical waveguide 13 are one cycle, the wavelength conversion element 10a has one cycle or more, preferably five cycles or more.
  • the interface 14 of the first and second crystals 11 and 12 that constitutes the optical waveguide 13 and intersects the extending direction of the optical waveguide 13.
  • the interface 14 has the polarization direction reversed.
  • At least one of the first and second crystals 11 and 12 is 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and less than 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 , preferably 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and less than 1 ⁇ 10 5 cm ⁇ 2.
  • the dislocation density is as follows. In the present embodiment, the dislocation density of the first and second crystals 11 and 12 is within the above range. If it is less than 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 , absorption due to energy dislocation of the incident light 101 can be suppressed, so that a decrease in the intensity of the emitted light 102 due to use can be suppressed, and a lifetime in which characteristics can be maintained. Can be improved.
  • the dislocation density is a value (etch pit density: EPD) measured by an alkali etching method in which, for example, the number of pits formed by etching in molten KOH (potassium hydroxide) is counted and divided by a unit area. .
  • EPD etch pit density
  • the first and second crystals 11 and 12 are made of Al x Ga (1-x) N (0.5 ⁇ x ⁇ 1). From the thermal conductivity at which the Al composition ratio x is 0.5 or more and 1 or less, an effect that the life can be improved by using the above dislocation density can be exhibited.
  • the difference in the refractive index between the first and second crystals is 0.01 or less, and the first and second crystals 11 and 12 have 10 periods, the difference in the refractive index is 0.001 or less.
  • the wavelength conversion element 10a has a transmittance of 90% or more, for example.
  • the refractive index is a value measured using spectroscopic ellipsometry (polarimetric analysis) at a wavelength of 400 to 800 nm using, for example, a spectroscopic ellipsometer.
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing a wavelength conversion element 10b in a modification of the present embodiment.
  • the one side of the first and second crystals 11 and 12 may be a saw blade type.
  • the first and second crystals 11 and 12 are not particularly limited to a shape such as a comb shape or a saw blade shape, and may be other shapes such as a wave shape.
  • FIG. 3 is a perspective view schematically showing the base substrate 21 in the present embodiment.
  • a base substrate 21 made of Al x Ga (1-x) N (0.5 ⁇ x ⁇ 1) is prepared.
  • the base substrate 21 has the same composition as the crystal 22 to be grown.
  • the base substrate 21 has a main surface 21a.
  • Main surface 21a is, for example, a (001) plane (c plane).
  • FIG. 4 is a perspective view schematically showing a state in which the crystal 22 in the present embodiment is grown.
  • a crystal 22 having the same composition as that of the base substrate 21 is grown on the main surface 21 a of the base substrate 21. Since the lattice mismatch between the base substrate 21 and the crystal 22 is relaxed, the crystal 22 having a low dislocation density can be grown.
  • the dislocation density of the crystal 22 to be grown is 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and less than 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 , preferably 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and 1 ⁇ 10 5 cm ⁇ . Is less than 2 .
  • the crystal 22 is grown so as to be in contact with the main surface 21 a of the base substrate 21. That is, no mask layer or the like is interposed between the base substrate 21 and the crystal 22. As a result, a crystal 22 is obtained that is polarized such that the direction of the arrow (growth surface) is the positive electrode.
  • the growth method is not particularly limited, and a sublimation method, HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method, MBE (Molecular BeamtaxEpitaxy) method, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition: Metalorganic chemical vapor phase It is possible to employ a vapor phase growth method such as a deposition method, a liquid phase method such as a flux method, a high nitrogen pressure solution method, or the like.
  • FIG. 5 is a perspective view schematically showing a state of dividing the crystal 22 in the present embodiment.
  • FIG. 6 is a perspective view schematically showing the first crystal 11 formed by dividing the crystal 22 in the present embodiment.
  • the crystal 22 is divided into two or more so that the polarizations are inverted from each other, thereby forming the first crystal 11 and the second crystal 12. Therefore, the dislocation density of the first and second crystals 11 and 12 is 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and less than 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 , preferably 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and 1 ⁇ 10 6. Less than 5 cm -2 .
  • the composition and refractive index of the first and second crystals 11 and 12 are the same.
  • the growth surface is divided along the growth direction so as to have a comb shape. That is, the first and second crystals 11 and 12 are divided so as to have a comb shape when viewed from the main surface 22 a of the crystal 22.
  • a method for dividing is not particularly limited, and a laser, a wire saw, or the like can be used.
  • a laser When dividing by a laser, it is advantageous in that the processing accuracy can be improved.
  • Use of a wire saw is advantageous in that the cost can be reduced.
  • the first crystal 11 in which the direction from the second surface 11b to the first surface 11a is the positive electrode.
  • the second crystal 12 whose positive direction is the direction from the second surface 12b to the first surface 12a can be formed.
  • FIG. 7 is a perspective view schematically showing another state of dividing the crystal 22 in the present embodiment.
  • the first and second crystals 11, 12 are divided by dividing the crystal 22 along the growth direction so that the plane intersecting the growth surface (plane in the growth direction) is a comb shape. It may be formed.
  • the shape for dividing the crystal 22 is not limited to the comb shape shown in FIGS. As shown in FIG. 2, the crystal 22 may be divided so that one surface has a saw blade shape. In this case, it is advantageous in that processing is very easy.
  • At least one surface of the first and second crystals 11 and 12 is etched. Thereby, the polarization of at least one surface of the first and second crystals 11 and 12 can be more reliably formed.
  • Etching may be either wet etching or dry etching.
  • the etching rate of N element is faster than the etching rate of Al element.
  • the surface can be easily formed.
  • RIE Reactive Ion Etching
  • a surface terminated with an Al element can be easily formed on the other surface using one surface as a mask. Note that this etching step may be omitted.
  • the polished surface can more reliably form polarization.
  • the polishing method is not particularly limited, and for example, CMP (Chemical-Mechanical-Planarization) can be employed. Note that this polishing step may be omitted.
  • a polarization inversion structure in which the polarization directions of the first and second crystals 11 and 12 are periodically inverted is formed along the optical waveguide 13.
  • the polarization inversion structure has a quasi phase matching condition with respect to the incident light 101.
  • the first and second crystals 11 and 12 are bonded together so as to satisfy.
  • first and second crystals 11 and 12 are bonded together.
  • the first and second crystals 11 and 12 are comb-shaped or saw blade-shaped, and are therefore fitted into each other. Thereafter, annealing or the like may be performed so that the gap between the interfaces 14 of the first and second crystals 11 and 12 is eliminated.
  • a polarization inversion structure in which the polarization direction is periodically inverted is formed along the optical waveguide 13.
  • the wavelength conversion elements 10a and 10b satisfying the above can be manufactured.
  • incident light 101 is incident from one end 13a of the optical waveguide 13 of the wavelength conversion elements 10a and 10b.
  • the incident light 101 is preferably incident perpendicularly to the polarization interface 14 of the first and second crystals 11 and 12.
  • the incident light 101 passes through the optical waveguide 13 toward the other end 13 b of the optical waveguide 13.
  • the phase of the incident light 101 is converted by the first and second crystals 11 and 12 having the polarization inversion structure that satisfies the quasi phase matching condition in the optical waveguide 13.
  • the emitted light 102 whose wavelength is converted is emitted from the other end 13 b of the optical waveguide 13.
  • the incident light 101 having a specific wavelength can be converted into the outgoing light 102 having a different wavelength.
  • the wavelength conversion elements 10 a and 10 b in the present embodiment have the optical waveguide 13, convert the wavelength of the incident light 101 incident from the one end 13 a side of the optical waveguide 13, and This is a wavelength conversion element that emits outgoing light 102 from the other end 13b side.
  • a first crystal 11 made of Al x Ga (1-x) N (0.5 ⁇ x ⁇ 1) and a second crystal 12 having the same composition as the first crystal 11 are provided.
  • the first and second crystals 11 and 12 form a domain-inverted structure in which the polarization direction is periodically inverted along the optical waveguide 13, and the domain-inverted structure satisfies the quasi phase matching condition with respect to the incident light 101. Yes.
  • At least one of the first and second crystals 11 and 12 has a dislocation density of 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and less than 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 .
  • the manufacturing method of the wavelength conversion elements 10a and 10b in the present embodiment includes a step of preparing a base substrate 21 made of Al x Ga (1-x) N (0.5 ⁇ x ⁇ 1), A step of growing a crystal 22 having the same composition as that of the base substrate 21, a step of dividing the crystal 22 into two or more so that the polarizations are inverted from each other, and forming the first crystal 11 and the second crystal 12; A polarization reversal structure in which the polarization directions of the first and second crystals 11 and 12 are periodically reversed is formed along the optical waveguide 13 so that the polarization reversal structure satisfies the quasi phase matching condition with respect to the incident light 101. And bonding the first and second crystals 11 and 12 together.
  • the crystal 22 having the same composition as the base substrate 21 is grown on the base substrate 21. For this reason, it is possible to suppress the occurrence of dislocations in the crystal 22 due to lattice mismatch with the base substrate 21.
  • the first and second crystals 11 and 12 having a dislocation density of 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and less than 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 can be formed. Since the optical waveguide 13 is formed by bonding the first and second crystals 11 and 12 having a low dislocation density, the energy of the incident light 101 is absorbed by the dislocations in the first and second crystals 11 and 12. Can be suppressed.
  • the wavelength conversion element in the present embodiment is substantially the same as the wavelength conversion elements 10a and 10b in the first embodiment shown in FIG. 1 or FIG. Further, only the first crystal 11 has polarity, and the second crystal 12 may not have polarity.
  • the manufacturing method of the wavelength conversion elements 10a and 10b of the present embodiment basically has the same configuration as that of the first embodiment, but the second method formed from the crystal 22 in which the first crystal 11 is formed. The difference is that the crystal 12 is not used.
  • a base substrate 21 made of Al x Ga (1-x) N (0.5 ⁇ x ⁇ 1) is prepared.
  • a first crystal 12 (crystal 22) having the same composition as the base substrate 21 is grown on the base substrate 21.
  • a second crystal 12 having the same composition as the first crystal 11 is prepared.
  • a first crystal 11 shown in FIG. 6 is formed, and a second crystal 12 that can form a domain-inverted structure with the first crystal 11 is prepared.
  • the second crystal 12 As a method for preparing the second crystal 12, for example, a plurality of first and second crystals 11, 12 are formed as shown in FIG. 5 or FIG. A second crystal 12 formed from another crystal 22 is prepared. Alternatively, the second crystal 12 may be prepared by growing the crystal 22 so as not to have polarity and processing the crystal 22 into a shape that fits the first crystal 11.
  • the first and second crystals 11 can be formed even if the first and second crystals 11 and 12 are not formed from the same crystal 22. , 12 can be reduced to 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and less than 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 . Further, since the first and second crystals 11 and 12 have substantially the same composition, there is substantially no difference in refractive index.
  • a domain-inverted structure in which the polarization directions of the first and second crystals 11 and 12 are periodically inverted is formed along the optical waveguide 13.
  • the first and second crystals 11 and 12 are bonded so as to satisfy the quasi phase matching condition.
  • the first crystal 11 having the same composition as the base substrate 21 is grown on the base substrate 21.
  • the first crystal 11 having a dislocation density of 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and less than 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 can be formed. Since the first crystal 11 having a low dislocation density constitutes the optical waveguide 13, it is possible to suppress the energy of the incident light 101 from being absorbed by the dislocation. For this reason, it can suppress that the temperature of the 1st crystal
  • the second crystal 12 is prepared with another material, and the first crystal 11 and the second crystal 12 are embedded, the wavelength conversion elements 10a and 10b can be easily obtained. Is advantageous.
  • FIG. 8 is a perspective view schematically showing the wavelength conversion element in the present embodiment.
  • the wavelength conversion element 10c in this Embodiment is demonstrated.
  • the wavelength conversion element 10c in the present embodiment basically has the same configuration as the wavelength conversion elements 10a and 10b in the first embodiment, but the shapes of the first and second crystals 11 and 12 are different. ing.
  • the plurality of first and second crystals 11 and 12 are alternately arranged adjacent to each other in the direction intersecting with the extending direction of the optical waveguide 13.
  • the positive electrode of the first crystal 11 is in the direction of the arrow (upward)
  • the positive electrode of the second crystal 12 is in the direction of the arrow (downward). That is, the first and second crystals 11 and 12 are formed so that the polarities of the first and second crystals 11 and 12 are reversed in the direction intersecting with the extending direction of the optical waveguide 13. Note that only one of the first and second crystals 11 and 12 may not have polarity.
  • first and second crystals 11 and 12 are not fitted to each other, and are bonded or integrated.
  • the manufacturing method of the wavelength conversion element in the present embodiment is basically the same as in the first embodiment, but the shapes of the first and second crystals 11 and 12 divided from the crystal 22 are different.
  • first and second crystals 11 and 12 are formed by dividing into two or more parallel to the growth direction of the crystal 22, a plurality of rectangular parallelepiped first and second crystals 11 and 12 are formed. In this case, the first and second crystals 11 and 12 are bonded together without fitting.
  • the dislocation density of the first and second crystals 11 and 12 is 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and less than 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2. Can be reduced. Further, since the first and second crystals 11 and 12 have the same composition, there is substantially no difference in refractive index.
  • the wavelength conversion element 10c in the present embodiment may be manufactured as follows without bonding the first and second crystals 11 and 12.
  • a base substrate 21 made of Al x Ga (1-x) N (0.5 ⁇ x ⁇ 1) is prepared.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a state in which the mask layer 23 in the present embodiment is formed. Next, as shown in FIG. 9, a mask layer 23 having an opening is formed on the base substrate 21.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a state in which the first and second crystals are grown in the present embodiment.
  • a crystal having the same composition as the base substrate 21 on the base substrate 21 or the mask layer 23 the first crystal 11 grown in contact with the base substrate 21, A second crystal 12 grown in contact with the mask layer 23 is formed.
  • a domain-inverted structure in which the polarization directions of the first and second crystals 11 and 12 are periodically inverted is formed along the optical waveguide 13, and the domain-inverted structure has a pseudo phase with respect to the incident light 101.
  • the first and second crystals 11 and 12 are formed so as to satisfy the matching condition.
  • the first crystal 11 in contact with the main surface 21a of the base substrate 21 (exposed from the opening of the mask layer 23) has a large thickness in the + c-axis direction. Grow to become. Further, the second crystal 12 in contact with the mask layer 23 is grown so as to increase in thickness in the ⁇ c axis direction.
  • the dislocation density of the first and second crystals 11 and 12 is 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and 1 ⁇ 10 It can be reduced to less than 7 cm ⁇ 2 . Further, since the first and second crystals 11 and 12 have the same composition, there is substantially no difference in refractive index.
  • the wavelength conversion element 10c in this Embodiment shown in FIG. 8 can be manufactured with the method mentioned above.
  • the first and second crystals 11 and 12 having the same composition as the base substrate 21 are grown on the base substrate 21. .
  • the first and second crystals 11 and 12 having a dislocation density of 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and less than 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 can be formed.
  • the first and second crystals 11 and 12 having a low dislocation density constitute the optical waveguide 13
  • absorption of energy of the incident light 101 due to dislocations can be suppressed.
  • it can suppress that the temperature of the 1st and 2nd crystal
  • strength of the emitted light 102 can be suppressed by use of the wavelength conversion element 10c. Therefore, it is possible to manufacture the wavelength conversion element 10c that improves the lifetime in which the characteristics can be maintained.
  • FIG. 11 is a perspective view schematically showing the wavelength conversion element in the present embodiment.
  • the wavelength conversion element 10d in the present embodiment basically has the same configuration as the wavelength conversion element 10a in the first embodiment shown in FIG. It differs in that it is an amorphous crystal 16.
  • the first crystal 11 is a single crystal and has a dislocation density of 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and less than 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 .
  • two or more convex portions 11 c and concave portions regularly arranged are formed on the surface of the first crystal 11.
  • the two or more protrusions 11c protrude in the same shape toward the direction intersecting with the direction in which the optical waveguide 13 extends (the direction in which the incident light 101 passes through the optical waveguide 13).
  • the width W11 of the part which comprises the wall surface of the optical waveguide 13 in the convex part 11c is more than predetermined
  • the predetermined size is, for example, 26 ⁇ m or more.
  • angle (theta) 11 which protrudes in a convex part is 90 degree vicinity.
  • the amorphous crystal 16 has the same convexity and concave part as the first crystal 11.
  • the concave portion of the amorphous crystal 16 is joined to the convex portion 11 c of the first crystal 11, and the convex portion of the amorphous crystal 16 is joined to the concave portion of the first crystal 11.
  • the difference between the refractive index of the first crystal 11 and the amorphous crystal 16 at a wavelength of 400 to 800 nm is preferably 0.001 or more and 0.1 or less.
  • a base substrate 21 made of Al x Ga (1-x) N (0.5 ⁇ x ⁇ 1) is prepared.
  • the first crystal 11 having the same composition as the base substrate 21 is grown on the base substrate 21.
  • two or more convex portions regularly arranged on the surface of the first crystal 11 are formed.
  • the crystal 22 is grown on the base substrate 21 and the first crystal 11 is divided so as to have two or more convex portions regularly arranged from the crystal 22. . Since the crystal 22 is formed on the base substrate 21 having the same composition, the dislocation density of the first crystal 11 formed from the crystal 22 is 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and less than 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 . can do. Thereby, the first crystal 11 as shown in FIG. 6 can be formed.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing a state where the amorphous crystal 16 is grown in the present embodiment.
  • a second crystal which is an amorphous crystal 16 having the same composition as the first crystal 11, is grown on the surface of the first crystal 11.
  • a domain-inverted structure in which the polarization directions of the first and second crystals 11 and 12 are periodically inverted is formed along the optical waveguide 13, and the domain-inverted structure is a quasi-phase matching condition with respect to the incident light 101.
  • the first and second crystals 11 and 12 are formed so as to satisfy the above.
  • the method for growing the amorphous crystal 16 is not particularly limited.
  • the polarities of the first crystal 11 and the amorphous crystal 16 are opposite to each other. For this reason, a polarization inversion structure can be formed easily.
  • the amorphous crystal 16 is formed on the first crystal 11.
  • the amorphous crystal 16 and the first crystal 11 have the same composition.
  • the refractive index of the amorphous crystal 16 and the refractive index of the first crystal 11 can be made substantially the same.
  • the first crystal 11 having the same composition as the base substrate 21 is grown on the base substrate 21.
  • the first crystal 11 having a dislocation density of 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and less than 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 can be formed. Since the first crystal 11 having a low dislocation density forms the optical waveguide 13, it is possible to suppress the energy of the incident light 101 from being absorbed by the dislocation. For this reason, it can suppress that the temperature in the 1st crystal
  • Invention Examples 1 and 2 The wavelength conversion elements of Invention Examples 1 and 2 were basically manufactured according to Embodiment 1. Specifically, first, an AlN single crystal substrate and an Al 0.5 Ga 0.5 N single crystal substrate having a main surface 22a of the (001) plane were prepared as the base substrates 21 of Invention Examples 1 and 2, respectively.
  • a crystal 22 having the same composition as the base substrate 21 was grown on the base substrate 21 by a sublimation method. Thereafter, the surface of the crystal 22 was subjected to CMP polishing.
  • the crystal 22 was divided into two or more so that the polarizations were reversed, and a comb-shaped first crystal 11 and a second crystal 12 were formed as shown in FIG. 38 first and second crystals 11 and 12 were formed.
  • crystallization 11) of the part which comprises the wall surface of the optical waveguide 13 in the convex part of the 1st and 2nd crystals 11 and 12 was 26.6 micrometers.
  • dislocation densities of the obtained first and second crystals 11 and 12 were measured by a molten alkali etching method using KOH—NaOH (sodium hydroxide), respectively. The results are shown in Table 1 below.
  • Comparative Examples 1 and 2 The wavelength conversion elements of Comparative Examples 1 and 2 were basically manufactured in the same manner as Examples 1 and 2 of the present invention, but a SiC (silicon carbide) substrate having a main surface of (001) was used as the base substrate 21. It was only different in respect.
  • SiC silicon carbide
  • Comparative Examples 3 and 4 The wavelength conversion elements of Comparative Examples 3 and 4 were basically manufactured in the same manner as in Inventive Examples 1 and 2, but an Al 2 O 3 (sapphire) substrate having a (001) plane as the base substrate 21 was used. It differs only in the points used.
  • an Nd-YAG laser (neodymium / yag laser) having a wavelength of 1064 nm is used as incident light, and the polarization interfaces of the first and second crystals 11 and 12 of Invention Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 are used.
  • the intensity of the light incident on the optical waveguide 13 so as to be perpendicular to 14 and emitted from the optical waveguide 13 was measured as the initial intensity. After continuing irradiation for 10,000 hours, the intensity of the outgoing light 102 emitted from the optical waveguide 13 was measured. And the ratio in which the intensity
  • Incident light having a wavelength of 1064 nm was incident on the wavelength conversion elements of Invention Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4, and as a result, emitted light 102 having a wavelength of 532 nm was emitted.
  • the dislocation density of the first and second crystals of Invention Examples 1 to 4 was lower than the dislocation density of Comparative Examples 1 to 4. For this reason, since the temperature increase of the wavelength conversion elements of Examples 1 to 4 of the present invention was small, the attenuation factor of the transmitted light could be reduced. Therefore, Examples 1 to 4 of the present invention can improve the lifetime in which the initial characteristics can be maintained at 99.9% or more as compared with Comparative Examples 1 to 4. In particular, since the temperature rise of the wavelength conversion elements of Invention Examples 1 and 2 of less than 1 ⁇ 10 5 cm ⁇ 2 was very small, the attenuation factor of the transmitted light could be made very small.
  • the first and second crystals having a dislocation density of 1 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or more and less than 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 , preferably less than 1 ⁇ 10 5 cm ⁇ 2 are obtained. It was confirmed that the lifespan in which the characteristics can be maintained can be improved by providing.
  • 10a, 10b, 10c, 10d wavelength conversion element 11 first crystal, 11a, 12a first surface, 11b, 12b second surface, 11c convex, 12 second crystal, 13 optical waveguide, 13a one end , 13 b other end, 14, 15 interface, 16 amorphous crystal, 21 base substrate, 21 a, 22 a main surface, 22 crystal, 23 mask layer, 101 incident light, 102 outgoing light, W11 width, ⁇ 11 angle.

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Abstract

特性を維持できる寿命を向上する波長変換素子および波長変換素子の製造方法を提供する。 波長変換素子１０ａは、光導波路１３を有し、光導波路１３の一方端１３ａ側から入射した入射光１０１の波長を変換して光導波路１３の他方端１３ｂ側から出射光１０２を出射させる。ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる第１の結晶１１と、第１の結晶１１と同じ組成の第２の結晶１２とを備えている。第１および第２の結晶１１、１２は、光導波路１３に沿って分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たしている。第１および第２の結晶１１、１２の少なくとも一方は、１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満の転位密度を有している。

Description

波長変換素子および波長変換素子の製造方法
  本発明は、波長変換素子および波長変換素子の製造方法に関するものである。
  半導体レーザや固体レーザは材料に固有な出射波長をもっており、その波長領域の拡大は応用分野の拡大に直結する。赤外光源は環境計測や医療・バイオで利用されており、自動車の排気ガス検知、レーザイオン化質量分析、果実の糖度分析、歯科治療、非襲侵の血液検査、脳内の血流検査などへの適用が検討されている。
  しかし、たとえばルビーレーザ、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ、炭酸ガスレーザなどの光源は特定の波長の光のみを射出可能である。またチタン・サファイアレーザなどの光源は可変波長であるが６５０ｎｍ～１１００ｎｍ付近の波長の光のみを射出可能である。このように、すべての波長域においてレーザ光を得ることはできない。したがって、レーザ光源から射出された特定波長の光を異なる波長の光に変換し得る波長変換素子が望まれる。
  従来では、ＢＢＯ（ホウ酸バリウム）、ＬＢＯ（ホウ酸リチウム）などのホウ酸系結晶を用いた波長変換素子が周知である。このような波長変換素子においては、結晶の複屈折性を利用した位相整合によって波長変換が行われる。しかし、結晶の複屈折性を利用した波長変換素子では、十分な波長変換効率を得ることが困難である。また、結晶の複屈折性はその結晶に固有の性質であって調整することができないので、複屈折性を利用した波長変換素子は波長選択性などの自由度が低い。
  また、ＬｉＮｂＯ3（ニオブ酸リチウム）、ＬｉＴａＯ3（タンタル酸リチウム）などの酸化物強誘電体結晶を用いた波長変換素子が周知である。これらの酸化物強誘電体結晶は、原子配列のある特定の方向に偏り（分極）を有しており、その偏りによって、その特定方向の両端にプラスおよびマイナスの分極を示す。この分極に電界を印加すると、部分的に分極を反転することができる。このため、この酸化物強誘電体結晶に周期的な分極反転構造を形成すると、ホウ酸系結晶の複屈折整合を利用する場合に比べて相互作用長が長く取れるので、高効率な波長変換が可能となる。
  また、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）およびＩｎ（インジウム）の少なくともいずれかとＮ（窒素）とを含み、かつ自発分極を有する化合物半導体結晶を用いた波長変換素子が特開２００８－１７０７１０号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１では、化合物半導体結晶には自発分極が２次元格子状に周期的に反転させられた分極構造が形成されていて、その分極構造は第１の波長の入射光に対して２次元的に擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi Phase Matching）条件を満たしている。このため、ホウ酸系結晶の複屈折整合を利用する場合に比べて相互作用長が長く取れるので、高効率な波長変換が可能となる。
  化合物半導体結晶を用いて２次元分極反転構造を形成して、波長変換素子を製造する方法が特許文献１に開示されている。具体的には、＋ｃ面を有するＧａＮ（窒化ガリウム）基板上に、２次元分極反転構造パターンに対応したマスクパターンを形成する。その後、ＧａＮ基板の＋ｃ面およびマスクパターン上に、＋ｃ軸方向にＧａＮ層を形成する。この場合、ＧａＮ基板の＋ｃ面上には＋ｃ軸方向へＧａＮ層の厚さが増大するように＋ｃ領域をエピタキシャル成長させ、マスク層上には－ｃ軸方向へＧａＮ層の厚さが増大するように－ｃ領域をエピタキシャル成長させる。これにより、２次元分極反転構造を形成している。
特開２００８－１７０７１０号公報
  しかしながら、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3などの酸化物強誘電体結晶は、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）などの中心イオンを有するペロブスカイト型結晶構造である。酸化物強誘電体結晶に分極構造を形成するためには、電圧を印加することにより、中心イオンを分極に応じて動かせる。このため、電圧を印加することにより結晶が弱くなることに起因して、酸化物強誘電体結晶を用いた波長変換素子の特性を長期に渡って維持できないという問題があることを本発明者は初めて明らかにした。
  また、６．２ｅＶのエネルギーバンドギャップ、約３．３ＷＫ-1ｃｍ-1の熱伝導率および高い電気抵抗を有するＡｌＮ（窒化アルミニウム）結晶などのＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）（以下、ＡｌＧａＮとも言う）結晶は、短波長の光デバイスの材料として用いられている。このため、ＡｌＧａＮ結晶を波長変換素子として用いることが期待されている。しかし、上記特許文献１の波長変換装置の製造方法にしたがって、ＧａＮ基板上にＡｌＧａＮ層を形成すると、ＧａＮ基板とＡｌＧａＮとは組成が異なるので、形成したＡｌＧａＮ層の結晶性が悪くなる。ＡｌＧａＮ層の結晶性が悪いと、結晶性が悪いことに起因して波長変換素子の特性を長期に渡って維持できないという問題があることを本発明者は初めて明らかにした。
  本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、特性を維持できる寿命を向上する波長変換素子および波長変換素子の製造方法を提供することである。
  本発明者は、波長変換素子の特性を長期に渡って維持できないのは、転位密度が高いことに起因することを見い出した。すなわち、入射された光のエネルギーによる熱が転位により吸収され、この熱により波長変換素子の特性を維持できる寿命が短くなることを本発明者は見い出した。
  また、本発明者は、波長変換素子の特性を維持できる寿命を向上するために、転位密度をどの程度低減することが効果的であるかを鋭意研究した。その結果、分極反転構造を構成する少なくとも１つの結晶の転位密度が１×１０7ｃｍ-2未満であることを見い出した。
  そこで、本発明の波長変換素子は、光導波路を有し、光導波路の一方端側から入射した入射光の波長を変換して光導波路の他方端側から出射光を出射させる波長変換素子であって、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる第１の結晶と、第１の結晶と同じ組成の第２の結晶とを備えている。第１および第２の結晶は、光導波路に沿って分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光に対して擬似位相整合条件を満たしている。第１および第２の結晶の少なくとも一方は、１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満の転位密度を有している。
  本発明の波長変換素子によれば、第１および第２の結晶の少なくとも一方は、１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満の転位密度を有している。転位密度が１×１０7ｃｍ-2未満であるので、入射光のエネルギーを転位で吸収してしまうことを抑制できる。このため、光導波路を構成する結晶の温度が上昇することを抑制できる。これにより、波長変換素子の使用によって熱の影響で出射光の強度の低下（減衰率）を抑制することができる。
したがって、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）を用いた波長変換素子の特性を維持できる寿命を向上することができる。
  上記波長変換素子において好ましくは、上記第１および第２の結晶の少なくとも一方は、１×１０3ｃｍ-2以上１×１０5ｃｍ-2未満の転位密度を有している。
  これにより、転位による入射光のエネルギーの吸収をより抑制することができる。したがって、特性を維持できる寿命をより向上する波長変換素子を実現することができる。
  本発明の一の局面における波長変換素子の製造方法は、光導波路を有し、光導波路の一方端側から入射した入射光の波長を変換して光導波路の他方端側から出射光を出射させる波長変換素子の製造方法であって、以下の工程を備えている。ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる下地基板を準備する。下地基板上に、下地基板と同じ組成の結晶を成長させる。結晶を分極が互いに反転するように２以上に分割して第１の結晶と第２の結晶とを形成する。光導波路に沿って第１および第２の結晶の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光に対して擬似位相整合条件を満たすように、第１および第２の結晶を貼り合わせる。
  本発明の他の局面における波長変換素子の製造方法は、光導波路を有し、光導波路の一方端側から入射した入射光の波長を変換して光導波路の他方端側から出射光を出射させる波長変換素子の製造方法であって、以下の工程を備えている。ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる下地基板を準備する。下地基板上に、下地基板と同じ組成の第１の結晶を成長させる。第１の結晶と同じ組成の第２の結晶を準備する。光導波路に沿って第１および第２の結晶の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光に対して擬似位相整合条件を満たすように、第１および第２の結晶を貼り合わせる。
  本発明のさらに他の局面における波長変換素子の製造方法は、光導波路を有し、光導波路の一方端側から入射した入射光の波長を変換して光導波路の他方端側から出射光を出射させる波長変換素子の製造方法であって、以下の工程を備えている。ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる下地基板を準備する。下地基板上に、下地基板と同じ組成の第１の結晶を成長させる。第１の結晶の表面に規則的に配列した２以上の凸部を形成する。
第１の結晶の表面上に、第１の結晶と同じ組成のアモルファス結晶である第２の結晶を成長させる。第２の結晶を成長させる工程では、光導波路に沿って第１および第２の結晶の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光に対して擬似位相整合条件を満たすように、第１および第２の結晶を形成する。
  本発明のさらに他の局面における波長変換素子の製造方法は、光導波路を有し、光導波路の一方端側から入射した入射光の波長を変換して光導波路の他方端側から出射光を出射させる波長変換素子の製造方法であって、以下の工程を備えている。ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる下地基板を準備する。下地基板上に、開口部を有するマスク層を形成する。下地基板またはマスク層上に、下地基板と同じ組成の結晶を成長させることにより、下地基板上に接して成長した第１の結晶と、マスク層上に接して成長した第２の結晶とを形成する。形成する工程では、光導波路に沿って第１および第２の結晶の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光に対して擬似位相整合条件を満たすように、第１および第２の結晶を形成する。
  本発明の波長変換素子の製造方法によれば、下地基板上に、下地基板と同じ組成の第１および第２の結晶を成長させている。これにより、下地基板と結晶との格子不整合などを緩和できるので、１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満の低い転位密度を有する結晶を成長させることができる。この結晶を用いて第１の結晶、または、第１および第２の結晶を形成しているので、光導波路を構成する第１の結晶、または、第１および第２の結晶の転位密度は１×１０7ｃｍ-2未満である。このため、上述したように、特性を維持できる寿命を向上する波長変換素子を製造することができる。
  本発明の波長変換素子および波長変換素子の製造方法によれば、第１および第２の結晶の少なくとも一方の転位密度は低いので、熱の影響を抑制することができる。したがって、特性を維持できる寿命を向上する波長変換素子を実現することができる。
本発明の実施の形態１における波長変換素子を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態１の変形例における波長変換素子を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態１における下地基板を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態１における結晶を成長させた状態を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態１における結晶を分割する状態を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態１における結晶を分割して形成した第１の結晶を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態１における結晶を分割する別の状態を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態３における波長変換素子を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態３におけるマスク層を形成した状態を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態３における第１および第２の結晶を成長させた状態を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態４における波長変換素子を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態４におけるアモルファス結晶を成長させた状態を概略的に示す断面図である。
  以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。
  （実施の形態１）
  図１は、本実施の形態における波長変換素子を概略的に示す斜視図である。始めに、図１を参照して、本実施の形態における波長変換素子１０ａを説明する。
  図１に示すように、本実施の形態における波長変換素子１０ａは、光導波路１３を有している。光導波路１３は、光導波路１３の一方端１３ａ側から入射した入射光１０１の波長を変換して光導波路１３の他方端１３ｂ側から出射光１０２を出射させる。
  波長変換素子１０ａは、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる第１の結晶１１と、第１の結晶１１と同じ組成の第２の結晶１２とを備えている。なお、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎの組成比ｘは、Ａｌのモル比である。第１および第２の結晶１１、１２は、単結晶であることが好ましい。
  第１および第２の結晶１１、１２は表面に規則的に配列した凸部を有する櫛型であり、互いに嵌合されている。つまり、第１および第２の結晶１１、１２は凸部と凹部とを有しており、第１の結晶１１の凸部は第２の結晶１１の凹部と嵌合されており、かつ第１の結晶１１の凹部は第２の結晶１１の凸部と嵌合されている。
  第１および第２の結晶１１、１２は、光導波路１３に沿って分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成している。つまり、分極反転構造を形成した第１および第２の結晶１１、１２に、光波閉じ込めのための光導波路１３を形成している。分極反転構造は、入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たしている。ここで、擬似位相整合条件とは、非線形光学結晶の伝搬軸に沿って非線形光学係数の符号を周期で反転した構造を設け、非線形分極の波動ベクトルと発生しようとする光波の波動ベクトルとの差を周期構造の波数ベクトルで補償することで位相整合をとる条件である。
  このような第１および第２の結晶１１、１２として、たとえば図１における第１および第２の結晶１１、１２の矢印の方向が正極になるようにそれぞれ分極している。つまり、本実施の形態では、第１および第２の結晶１１、１２の正極の方向が反対である。第１および第２の結晶１１、１２がＡｌＮの場合には、第１の結晶１１の正極である第１の面１１ａはＡｌ極性面であり、第２の結晶１２の正極と反対の面である第２の面１２ｂはＮ極性面である。
  第１および第２の結晶１１、１２は、光導波路１３に沿って分極方向が周期的に反転している。光導波路１３において隣接する第１および第２の結晶１１、１２を１周期とすると、波長変換素子１０ａは１周期以上有しており、好ましくは５周期以上有している。
  光導波路１３を構成し、かつ光導波路１３の延びる方向と交差する第１および第２の結晶１１、１２の界面１４には、隙間がないことが好ましい。この界面１４は、分極の向きが反転している。一方、光導波路１３の延びる方向に沿った第１および第２の結晶１１、１２の界面１５には、隙間があってもよい。
  第１および第２の結晶１１、１２の少なくとも一方は、１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満、好ましくは１×１０3ｃｍ-2以上１×１０5ｃｍ-2未満の転位密度を有している。本実施の形態では、第１および第２の結晶１１、１２の転位密度は、上記範囲内である。１×１０7ｃｍ-2未満の場合、入射光１０１のエネルギーの転位での吸収を抑制することができるので、使用による出射光１０２の強度の低下を抑制することができ、特性を維持できる寿命を向上できる。１×１０5ｃｍ-2未満の場合、入射光１０１のエネルギーの転位での吸収を効果的に抑制することができる。転位密度は低い方が好ましいが、容易に製造できる観点から、下限値は、１×１０3ｃｍ-2である。
  ここで、転位密度は、たとえば溶融ＫＯＨ（水酸化カリウム）中のエッチングによりできるピットの個数を数えて、単位面積で割るというアルカリ・エッチング法によって測定される値（エッチピット密度：ＥＰＤ）である。
  第１および第２の結晶１１、１２は、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる。
Ａｌの組成比ｘが０．５以上１以下の熱伝導率から、上記転位密度とすることにより寿命を向上できるという効果を発現できる。
  第１および第２の結晶１１、１２の屈折率の差は実質的にないことが好ましい。屈折率の差が実質的にない場合、光導波路１３の延びる方向（入射光１０１の進む方向）と交差する第１および第２の結晶１１、１２の界面１４での光の反射を抑制することができる。
このため、光導波路１３を透過する入射光１０１の透過率のロスを低減することができる。屈折率の差が実質的にないとは、たとえば第１および第２の結晶１１、１２が５周期（つまり、第１および第２の結晶１１、１２の界面１４が９つ）の場合には第１および第２の結晶の屈折率の差が０．０１以下、第１および第２の結晶１１、１２が１０周期の場合には同屈折率の差が０．００１以下である。これらの場合には、波長変換素子１０ａは、たとえば９０％以上の透過率を有する。
  ここで、屈折率は、たとえば分光エリプソメータにより４００～８００ｎｍの波長での分光エリプソメトリー（偏光解析法）を用いて測定される値である。
  図２は、本実施の形態の変形例における波長変換素子１０ｂを概略的に示す斜視図である。図２に示すように、第１および第２の結晶１１、１２の一方側は、のこぎり刃型であってもよい。また、第１および第２の結晶１１、１２は、櫛型、のこぎり刃型などの形状に特に限定されず、波型などの他の形状であってもよい。
  続いて、本実施の形態における波長変換素子の製造方法について説明する。図３は、本実施の形態における下地基板２１を概略的に示す斜視図である。図３に示すように、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる下地基板２１を準備する。下地基板２１は、成長させる結晶２２と同じ組成である。下地基板２１は、主表面２１ａを有している。主表面２１ａは、たとえば（００１）面（ｃ面）である。
  図４は、本実施の形態における結晶２２を成長させた状態を概略的に示す斜視図である。次に、図４に示すように、下地基板２１の主表面２１ａ上に、下地基板２１と同じ組成の結晶２２を成長させる。下地基板２１と結晶２２とは格子不整合などが緩和されているので、転位密度の低い結晶２２を成長させることができる。本実施の形態では、成長させる結晶２２の転位密度は、１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満であり、好ましくは１×１０3ｃｍ-2以上１×１０5ｃｍ-2未満である。
  本実施の形態では、下地基板２１の主表面２１ａに接するように結晶２２を成長させている。つまり、下地基板２１と結晶２２との間にマスク層などが介在していない。これにより、矢印の方向（成長表面）が正極になるように分極している結晶２２が得られる。
  成長方法は特に限定されず、昇華法、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ハイドライド気相成長）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシ）法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相堆積）法などの気相成長法、フラックス法、高窒素圧溶液法などの液相法などを採用することができる。
  図５は、本実施の形態における結晶２２を分割する状態を概略的に示す斜視図である。
図６は、本実施の形態における結晶２２を分割して形成した第１の結晶１１を概略的に示す斜視図である。次に、図５および図６に示すように、結晶２２を分極が互いに反転するように２以上に分割して、第１の結晶１１と第２の結晶１２とを形成する。このため、第１および第２の結晶１１、１２の転位密度は、１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満であり、好ましくは１×１０3ｃｍ-2以上１×１０5ｃｍ-2未満である。また、第１および第２の結晶１１、１２の組成および屈折率は同じである。
  本実施の形態では、図５に示すように、成長表面が櫛型になるように、成長方向に沿って分割する。つまり、結晶２２の主表面２２ａから見て櫛型になるように第１および第２の結晶１１、１２に分割する。
  分割する方法は特に限定されないが、レーザ、ワイヤソーなどを用いることができる。
レーザにより分割する場合には、加工精度を向上できる点で有利である。ワイヤソーを用いる場合には、コストを低減できる点で有利である。
  これにより、図６に示すように、第２の面１１ｂから第１の面１１ａに向けた方向が正極である第１の結晶１１を形成できる。また図５に示すように、第２の面１２ｂから第１の面１２ａに向けた方向が正極である第２の結晶１２を形成できる。
  図７は、本実施の形態における結晶２２を分割する別の状態を概略的に示す斜視図である。図７に示すように、成長表面と交差する面（成長方向の面）が櫛型になるように、成長方向に沿って結晶２２を分割して、第１および第２の結晶１１、１２を形成してもよい。
  また、結晶２２を分割する形状は図５および図７に示す櫛形に限定されない。図２に示すように、一方の面がのこぎり刃形状になるように結晶２２を分割してもよい。この場合は、加工が非常に容易である点で有利である。
  次に、第１および第２の結晶１１、１２の少なくとも一方の表面をエッチングする。これにより、第１および第２の結晶１１、１２の少なくとも一方の表面の分極をより確実に形成することができる。エッチングは、ウエットエッチング、ドライエッチングのいずれであってもよい。
  たとえば第１および第２の結晶１１、１２がＡｌＮの場合、ウエットエッチングとしてＫＯＨ（水酸化カリウム）でエッチングすると、Ｎ元素のエッチングレートはＡｌ元素のエッチングレートよりも速いので、Ａｌ元素が終端の面を容易に形成することができる。
またドライエッチングとしてＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）をすると、一方面をマスクとして、他方面にＡｌ元素が終端の面を容易に形成することができる。なお、このエッチングをする工程は省略されてもよい。
  次に、第１および第２の結晶１１、１２の少なくとも一方の表面を研磨する。研磨をした表面は、分極をより確実に形成することができる。研磨する方法は特に限定されないが、たとえばＣＭＰ研磨（Chemical Mechanical Planarization：化学機械研磨）などを採用できる。なお、この研磨する工程は省略されてもよい。
  次に、光導波路１３に沿って第１および第２の結晶１１、１２の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たすように、第１および第２の結晶１１、１２を貼り合わせる。
  具体的には、図５または図７のように分割した第１および第２の結晶１１、１２の一方のみを１８０°反転させ、櫛型の面を互いに対向させる。この状態で、第１および第２の結晶１１、１２を貼り合わせる。本実施の形態では、第１および第２の結晶１１、１２が櫛型またはのこぎり刃型であるので、互いに嵌め込む。その後、第１および第２の結晶１１、１２の界面１４の隙間がなくなるように、アニールなどを行ってもよい。
  上述した方法により、図１または図２に示すように、光導波路１３に沿って分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たした波長変換素子１０ａ、１０ｂを製造することができる。
  続いて、波長変換素子１０ａ、１０ｂの動作について説明する。まず、波長変換素子１０ａ、１０ｂの光導波路１３の一方端１３ａから入射光１０１を入射させる。この入射光１０１は、第１および第２の結晶１１、１２の分極界面１４に垂直に入射させることが好ましい。この入射光１０１は、光導波路１３の他方端１３ｂに向けて光導波路１３を透過する。このとき、光導波路１３において擬似位相整合条件を満たした分極反転構造を有する第１および第２の結晶１１、１２で、入射光１０１の位相が変換される。そして、光導波路１３の他方端１３ｂから波長が変換された出射光１０２が出射される。これにより、特定波長の入射光１０１を、異なる波長の出射光１０２に変換することができる。
  以上説明したように、本実施の形態における波長変換素子１０ａ、１０ｂは、光導波路１３を有し、光導波路１３の一方端１３ａ側から入射した入射光１０１の波長を変換して光導波路１３の他方端１３ｂ側から出射光１０２を出射させる波長変換素子である。ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる第１の結晶１１と、第１の結晶１１と同じ組成の第２の結晶１２とを備えている。第１および第２の結晶１１、１２は、光導波路１３に沿って分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たしている。第１および第２の結晶１１、１２の少なくとも一方は、１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満の転位密度を有している。
  本実施の形態における波長変換素子１０ａ、１０ｂの製造方法は、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる下地基板２１を準備する工程と、下地基板２１上に、下地基板２１と同じ組成の結晶２２を成長させる工程と、結晶２２を分極が互いに反転するように２以上に分割して第１の結晶１１と第２の結晶１２とを形成する工程と、光導波路１３に沿って第１および第２の結晶１１、１２の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たすように、第１および第２の結晶１１、１２を貼り合わせる工程とを備えている。
  本実施の形態における波長変換素子１０ａ、１０ｂおよびその製造方法によれば、下地基板２１上に、下地基板２１と同じ組成の結晶２２を成長させている。このため、下地基板２１との格子不整合により結晶２２に転位が発生することを抑制できる。これにより、１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満の転位密度を有する第１および第２の結晶１１、１２を形成することができる。転位密度が低い第１および第２の結晶１１、１２を貼り合せて光導波路１３を形成するので、入射光１０１のエネルギーを第１および第２の結晶１１、１２中の転位で吸収することを抑制できる。このため、第１および第２の結晶１１、１２の温度が上昇することを抑制できる。これにより、波長変換素子１０ａの使用によって出射光１０２の強度が低下してしまうことを抑制できる。したがって、特性を維持できる寿命を向上する波長変換素子１０ａを実現することができる。
  （実施の形態２）
  本実施の形態における波長変換素子は、図１または図２に示す実施の形態１の波長変換素子１０ａ、１０ｂとほぼ同様である。また、第１の結晶１１のみ極性を有しており、第２の結晶１２は極性を有していなくてもよい。
  続いて、本実施の形態における波長変換素子１０ａ、１０ｂの製造方法について説明する。本実施の形態の波長変換素子１０ａ、１０ｂの製造方法は、基本的には実施の形態１と同様の構成を備えているが、第１の結晶１１を形成した結晶２２から形成した第２の結晶１２を用いていない点において異なる。
  具体的には、実施の形態１と同様に、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる下地基板２１を準備する。次に、実施の形態１と同様に、下地基板２１上に、下地基板２１と同じ組成の第１の結晶１２（結晶２２）を成長させる。
  次に、第１の結晶１１と同じ組成の第２の結晶１２を準備する。本実施の形態では、図６に示す第１の結晶１１を形成し、第１の結晶１１と分極反転構造を形成できる第２の結晶１２を準備する。
  第２の結晶１２を準備する方法として、たとえば、図５または図７に示すように第１および第２の結晶１１、１２を複数形成することにより、第１の結晶１１を形成した結晶２２と別の結晶２２から形成された第２の結晶１２を準備する。あるいは、極性を有さないように結晶２２を成長させ、第１の結晶１１と嵌合するような形状に加工して、第２の結晶１２を準備してもよい。
  この場合、結晶２２は同じ組成の下地基板２１上に形成されているので、同じ結晶２２から第１および第２の結晶１１、１２を形成していなくても、第１および第２の結晶１１、１２の転位密度を１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満に低減することができる。
また、第１および第２の結晶１１、１２は実質的に同じ組成であるので、屈折率の差は実質的にない。
  次に、実施の形態１と同様に、光導波路１３に沿って第１および第２の結晶１１、１２の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たすように、第１および第２の結晶１１、１２を貼り合わせる。
  以上説明したように、本実施の形態における波長変換素子１０ａ、１０ｂの製造方法によれば、下地基板２１上に、下地基板２１と同じ組成の第１の結晶１１を成長させている。これにより、１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満の転位密度を有する第１の結晶１１を形成することができる。転位密度が低い第１の結晶１１は光導波路１３を構成するので、入射光１０１のエネルギーを転位で吸収することを抑制できる。このため、第１の結晶１１の温度が上昇することを抑制することができる。これにより、波長変換素子１０ａ、１０ｂの使用によって出射光１０２の強度が低下することを抑制できる。したがって、特性を維持できる寿命を向上する波長変換素子１０ａ、１０ｂを製造することができる。
  特に、第１の結晶１１のみ分極させて、第２の結晶１２を他の材料で準備して、第１の結晶１１と第２の結晶１２とを埋め込むと、容易に波長変換素子１０ａ、１０ｂを製造できるので、有利である。
  （実施の形態３）
  図８は、本実施の形態における波長変換素子を概略的に示す斜視図である。図８を参照して、本実施の形態における波長変換素子１０ｃを説明する。本実施の形態における波長変換素子１０ｃは、基本的には実施の形態１の波長変換素子１０ａ、１０ｂと同様の構成を備えているが、第１および第２の結晶１１、１２の形状が異なっている。
  具体的には、光導波路１３の延びる方向と交差する方向に、複数の第１および第２の結晶１１、１２が交互に隣接するように配置されている。第１の結晶１１の正極は矢印の向き（上向き）であり、第２の結晶１２の正極は矢印の向き（下向き）である。つまり、光導波路１３の延びる方向と交差する方向に、第１および第２の結晶１１、１２の極性が反転するように第１および第２の結晶１１、１２が形成されている。なお、第１および第２の結晶１１、１２の一方のみ極性を有していなくてもよい。
  また、本実施の形態では、第１および第２の結晶１１、１２は互いに嵌合されておらず、貼り合わされている、または、一体化している。
  続いて、本実施の形態における波長変換素子１０ｃの製造方法について説明する。本実施の形態における波長変換素子の製造方法は、基本的には実施の形態１と同様であるが、結晶２２から分割する第１および第２の結晶１１、１２の形状が異なる。
  具体的には、たとえば結晶２２の成長方向に平行に２以上に分割することにより、複数の直方体の第１および第２の結晶１１、１２を形成する。この場合、第１および第２の結晶１１、１２を嵌合せずに、貼り合わせる。
  この場合、結晶２２は同じ組成の下地基板２１上に形成されているので、第１および第２の結晶１１、１２の転位密度を１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満に低減することができる。また、第１および第２の結晶１１、１２は同じ組成であるので、屈折率の差は実質的にない。
  また、本実施の形態における波長変換素子１０ｃは、第１および第２の結晶１１、１２を貼り合わせずに、以下のように製造してもよい。
  具体的には、まず、実施の形態１と同様に、図３に示すように、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる下地基板２１を準備する。
  図９は、本実施の形態におけるマスク層２３を形成した状態を概略的に示す断面図である。次に、図９に示すように、下地基板２１上に、開口部を有するマスク層２３を形成する。
  図１０は、本実施の形態における第１および第２の結晶を成長させた状態を概略的に示す断面図である。次に、図１０に示すように、下地基板２１またはマスク層２３上に、下地基板２１と同じ組成の結晶を成長させることにより、下地基板２１上に接して成長した第１の結晶１１と、マスク層２３上に接して成長した第２の結晶１２とを形成する。この形成する工程では、光導波路１３に沿って第１および第２の結晶１１、１２の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たすように、第１および第２の結晶１１、１２を形成する。
  下地基板２１の主表面２１ａがｃ面の場合、下地基板２１の主表面２１ａと接している（マスク層２３の開口部から露出している）第１の結晶１１は＋ｃ軸方向へ厚みが大きくなるように成長させる。また、マスク層２３と接している第２の結晶１２は－ｃ軸方向へ厚みが大きくなるように成長させる。
  第１および第２の結晶１１、１２は同じ組成の下地基板２１上に形成されているので、第１および第２の結晶１１、１２の転位密度を１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満に低減することができる。また、第１および第２の結晶１１、１２は同じ組成であるので、屈折率の差は実質的にない。
  上述した方法により、図８に示す本実施の形態における波長変換素子１０ｃを製造することができる。
  以上説明したように、本実施の形態の波長変換素子１０ｃの製造方法によれば、下地基板２１上に、下地基板２１と同じ組成の第１および第２の結晶１１、１２を成長させている。これにより、１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満の転位密度を有する第１および第２の結晶１１、１２を形成することができる。転位密度が低い第１および第２の結晶１１、１２は光導波路１３を構成するので、入射光１０１のエネルギーの転位での吸収を抑制することができる。このため、第１および第２の結晶１１、１２の温度が上昇することを抑制することができる。これにより、波長変換素子１０ｃの使用によって出射光１０２の強度の低下を抑制することができる。したがって、特性を維持できる寿命を向上する波長変換素子１０ｃを製造することができる。
  （実施の形態４）
  図１１は、本実施の形態における波長変換素子を概略的に示す斜視図である。図１１に示すように、本実施の形態における波長変換素子１０ｄは、基本的には図１に示す実施の形態１の波長変換素子１０ａと同様の構成を備えているが、第２の結晶がアモルファス結晶１６である点において異なる。
  本実施の形態では、第１の結晶１１は単結晶であり、１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満の転位密度を有している。
  この第１の結晶１１の表面には、図６に示すように、規則的に配列した２以上の凸部１１ｃと凹部とが形成されている。この２以上の凸部１１ｃは、光導波路１３の延びる方向（入射光１０１が光導波路１３を透過する方向）と交差する方向に向けて同様の形状で突出している。図１１に示すように、凸部１１ｃにおいて光導波路１３の壁面を構成する部分の幅Ｗ１１は、所定の大きさ以上であることが好ましい。所定の大きさとは、たとえば２６μｍ以上である。また、凸部において突出している角度θ１１は、９０°近傍であることが好ましい。
  アモルファス結晶１６は、第１の結晶１１と同様の凸部と凹部とを有している。アモルファス結晶１６の凹部は第１の結晶１１の凸部１１ｃと接合されており、かつアモルファス結晶１６の凸部は第１の結晶１１の凹部と接合されている。
  アモルファス結晶１６は、４００～８００ｎｍの波長での第１の結晶１１の屈折率との差が０．００１以上０．１以下であることが好ましい。
  続いて、本実施の形態における波長変換素子の製造方法について説明する。まず、実施の形態１と同様に、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる下地基板２１を準備する。
  次に、下地基板２１上に、下地基板２１と同じ組成の第１の結晶１１を成長させる。次に、第１の結晶１１の表面に規則的に配列した２以上の凸部を形成する。これらの工程では、たとえば実施の形態１と同様に、下地基板２１上に結晶２２を成長し、結晶２２から規則的に配列した２以上の凸部を有するように第１の結晶１１を分割する。結晶２２は同じ組成の下地基板２１上に形成されているので、この結晶２２から形成される第１の結晶１１の転位密度を１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満にすることができる。これにより、図６に示すような第１の結晶１１を形成することができる。
  図１２は、本実施の形態におけるアモルファス結晶１６を成長させた状態を概略的に示す断面図である。次に、図１２に示すように、第１の結晶１１の表面上に、第１の結晶１１と同じ組成のアモルファス結晶１６である第２の結晶を成長させる。この工程では、光導波路１３に沿って第１および第２の結晶１１、１２の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たすように、第１および第２の結晶１１、１２を形成する。なお、アモルファス結晶１６を成長させる方法は特に限定されない。
  アモルファス結晶１６を成長させると、第１の結晶１１とアモルファス結晶１６との極性が反対方向になる。このため、分極反転構造を容易に形成することができる。
  アモルファス結晶１６は、第１の結晶１１上に形成されている。アモルファス結晶１６と第１の結晶１１とは同じ組成である。このため、アモルファス結晶１６の屈折率と第１の結晶１１の屈折率とは、実質的に同じにできる。特に、４００～８００ｎｍの波長での第１の結晶の屈折率との差が０．００１以上０．１以下であるようにアモルファス結晶１６を成長させることが好ましい。これにより、図１１に示す波長変換素子１０ｄを製造することができる。
  以上説明したように、本実施の形態における波長変換素子１０ｄの製造方法によれば、下地基板２１上に、下地基板２１と同じ組成の第１の結晶１１を成長させている。これにより、１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満の転位密度を有する第１の結晶１１を形成することができる。転位密度が低い第１の結晶１１は光導波路１３を構成するので、入射光１０１のエネルギーを転位で吸収することを抑制することができる。このため、第１の結晶１１中の温度が上昇することを抑制することができる。これにより、波長変換素子１０ｄの使用によって出射光１０２の強度の低下を抑制することができる。したがって、特性を維持できる寿命を向上する波長変換素子１０ｄを製造することができる。
  本実施例では、１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満の転位密度を有する第１および第２の結晶を備えることの効果について調べた。
  （本発明例１および２）
  本発明例１および２の波長変換素子は、基本的には実施の形態１にしたがって製造した。具体的には、まず、本発明例１および２の下地基板２１として、主表面２２ａが（００１）面であるＡｌＮ単結晶基板およびＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ単結晶基板をそれぞれ準備した。
  次に、下地基板２１上に、下地基板２１と同じ組成の結晶２２を昇華法により成長させた。その後、結晶２２の表面にＣＭＰ研磨を施した。
  次に、結晶２２を分極が互いに反転するように２以上に分割して、図７に示すように、櫛型の第１の結晶１１と第２の結晶１２とを形成した。第１および第２の結晶１１、１２は、それぞれ３８個形成した。なお、第１および第２の結晶１１、１２の凸部において光導波路１３の壁面を構成する部分の幅（第１の結晶１１の場合、図１１における幅Ｗ１１）は、２６．６μｍとした。
  また得られた第１および第２の結晶１１、１２の転位密度を、ＫＯＨ－ＮａＯＨ（水酸化ナトリウム）を用いた溶融アルカリ・エッチング法によりそれぞれ測定した。その結果を下記の表１に示す。
  次に、第１および第２の結晶１１、１２を交互に３８周期貼り合わせた。これにより、図１に示すように、光導波路１３に沿って第１および第２の結晶１１、１２の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、分極反転構造は入射光１０１に対して擬似位相整合条件を満たしていた。これにより、本発明例１および２の波長変換素子１０ａを製造した。
  （本発明例３および４）
  本発明例３および４の波長変換素子は、基本的には本発明例１および２と同様に製造したが、成長時における下地基板２１の主表面２１ａの温度が、本発明例１および２においては２２００℃であったのに対し、本発明例３および４においては２０００℃と低い点においてのみ異なっていた。
  （比較例１および２）
  比較例１および２の波長変換素子は、基本的には本発明例１および２と同様に製造したが、下地基板２１として、主表面が（００１）面のＳｉＣ（炭化珪素）基板を用いた点においてのみ異なっていた。
  （比較例３および４）
  比較例３および４の波長変換素子は、基本的には本発明例１および２と同様に製造したが、下地基板２１として、主表面が（００１）面のＡｌ2Ｏ3（サファイア）基板を用いた点においてのみ異なっていた。
  （評価方法）
  本発明例１～４および比較例１～４の波長変換素子について、透過光の減衰率と、温度上昇とを測定した。
  具体的には、入射光として波長が１０６４ｎｍのＮｄ－ＹＡＧレーザー（ネオジウム・ヤグレーザー）を、本発明例１～４および比較例１～４の第１および第２の結晶１１、１２の分極界面１４に垂直になるように光導波路１３に入射し、光導波路１３から出射される光の強度を初期の強度としてそれぞれ測定した。１万時間照射を続けた後に、光導波路１３から出射される出射光１０２の強度をそれぞれ測定した。そして、初期の強度に対して１万時間経過後の強度が低下した割合を求めた。これを透過光の減衰率として、下記の表１に記載する。
  また、本発明例１～４および比較例１～４の波長変換素子に入射光１０１を入射させる前の初期の温度と、１万時間照射後の温度とをそれぞれ測定した。そして、比較例３の初期の温度に対して、１万時間経過後の温度上昇を１としたときに本発明例１～４および比較例１、２、４の温度上昇の割合をそれぞれ求めた。この結果を下記の表１に記載する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  （測定結果）
  本発明例１～４および比較例１～４の波長変換素子に１０６４ｎｍの波長の入射光を入射させた結果、５３２ｎｍの波長の出射光１０２が出射された。
  しかし、表１に示すように、比較例１～４の波長変換素子では、１万時間照射すると、温度上昇が大きく、減衰率が大きかった。
  一方、本発明例１～４の第１および第２の結晶の転位密度は、比較例１～４の転位密度よりも低かった。このため、本発明例１～４の波長変換素子の温度上昇が小さかったので、透過光の減衰率を小さくすることができた。したがって、本発明例１～４は、比較例１～４と比べて初期の特性を９９．９％以上維持できる寿命を向上できた。特に、１×１０5ｃｍ-2未満の本発明例１および２の波長変換素子の温度上昇が非常に小さかったので、透過光の減衰率を非常に小さくすることができた。
  このことから、第１および第２の結晶１１、１２の転位密度は低い程、透過光の減衰率を小さくすることができ、かつ転位密度が１×１０7ｃｍ-2未満の場合、好ましくは１×１０5ｃｍ-2未満の場合に長時間に渡って使用を続けても初期の特性を維持できることがわかった。
  以上より、本実施例によれば、１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満、好ましくは１×１０5ｃｍ-2未満の転位密度を有する第１および第２の結晶を備えることにより、特性を維持できる寿命を向上できることが確認できた。
  以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、各実施の形態および実施例の特徴を適宜組み合わせることも当初から予定している。また、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
  １０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ  波長変換素子、１１  第１の結晶、１１ａ，１２ａ  第１の面、１１ｂ，１２ｂ  第２の面、１１ｃ  凸部、１２  第２の結晶、１３  光導波路、１３ａ  一方端、１３ｂ  他方端、１４，１５  界面、１６  アモルファス結晶、２１  下地基板、２１ａ，２２ａ  主表面、２２  結晶、２３  マスク層、１０１  入射光、１０２  出射光、Ｗ１１  幅、θ１１  角度。

Claims (6)

  1.   光導波路を有し、前記光導波路の一方端側から入射した入射光の波長を変換して前記光導波路の他方端側から出射光を出射させる波長変換素子であって、
      ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる第１の結晶と、
      前記第１の結晶と同じ組成の第２の結晶とを備え、
      前記第１および第２の結晶は、前記光導波路に沿って分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、前記分極反転構造は前記入射光に対して擬似位相整合条件を満たし、  前記第１および第２の結晶の少なくとも一方は、１×１０3ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2未満の転位密度を有する、波長変換素子。
  2.   前記第１および第２の結晶の少なくとも一方は、１×１０3ｃｍ-2以上１×１０5ｃｍ-2未満の転位密度を有する、請求項１に記載の波長変換素子。
  3.   光導波路を有し、前記光導波路の一方端側から入射した入射光の波長を変換して前記光導波路の他方端側から出射光を出射させる波長変換素子の製造方法であって、
      ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる下地基板を準備する工程と、
      前記下地基板上に、前記下地基板と同じ組成の結晶を成長させる工程と、
      前記結晶を分極が互いに反転するように２以上に分割して第１の結晶と第２の結晶とを形成する工程と、
      前記光導波路に沿って前記第１および第２の結晶の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、前記分極反転構造は前記入射光に対して擬似位相整合条件を満たすように、前記第１および第２の結晶を貼り合わせる工程とを備えた、波長変換素子の製造方法。
  4.   光導波路を有し、前記光導波路の一方端側から入射した入射光の波長を変換して前記光導波路の他方端側から出射光を出射させる波長変換素子の製造方法であって、
      ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる下地基板を準備する工程と、
      前記下地基板上に、前記下地基板と同じ組成の第１の結晶を成長させる工程と、
      前記第１の結晶と同じ組成の第２の結晶を準備する工程と、
      前記光導波路に沿って前記第１および第２の結晶の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、前記分極反転構造は前記入射光に対して擬似位相整合条件を満たすように、前記第１および第２の結晶を貼り合わせる工程とを備えた、波長変換素子の製造方法。
  5.   光導波路を有し、前記光導波路の一方端側から入射した入射光の波長を変換して前記光導波路の他方端側から出射光を出射させる波長変換素子の製造方法であって、
      ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる下地基板を準備する工程と、
      前記下地基板上に、前記下地基板と同じ組成の第１の結晶を成長させる工程と、
      前記第１の結晶の表面に規則的に配列した２以上の凸部を形成する工程と、
      前記第１の結晶の前記表面上に、前記第１の結晶と同じ組成のアモルファス結晶である第２の結晶を成長させる工程とを備え、
      前記第２の結晶を成長させる工程では、前記光導波路に沿って前記第１および第２の結晶の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、前記分極反転構造は前記入射光に対して擬似位相整合条件を満たすように、前記第１および第２の結晶を形成する、波長変換素子の製造方法。
  6.   光導波路を有し、前記光導波路の一方端側から入射した入射光の波長を変換して前記光導波路の他方端側から出射光を出射させる波長変換素子の製造方法であって、
      ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０．５≦ｘ≦１）よりなる下地基板を準備する工程と、
      前記下地基板上に、開口部を有するマスク層を形成する工程と、
      前記下地基板または前記マスク層上に、前記下地基板と同じ組成の結晶を成長させることにより、前記下地基板上に接して成長した第１の結晶と、前記マスク層上に接して成長した第２の結晶とを形成する工程とを備え、
      前記形成する工程では、前記光導波路に沿って前記第１および第２の結晶の分極方向が周期的に反転する分極反転構造を形成し、前記分極反転構造は前記入射光に対して擬似位相整合条件を満たすように、前記第１および第２の結晶を形成する、波長変換素子の製造方法。
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