JP2009198651A

JP2009198651A - Wavelength converting element, and method for manufacturing the same

Info

Publication number: JP2009198651A
Application number: JP2008038553A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yoshino; 隆史吉野
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2009-09-03

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To widen the wavelength permissible width of an element which generates higher harmonics by utilizing the cyclic polarization inversion structure in a ridge type optical waveguide. <P>SOLUTION: The wavelength conversion element 1 includes a substrate 2 for wavelength conversion which consists of a ferroelectric material, and has a wavelength conversion section P for converting a basic wave A to wavelength conversion light B, the ridge type optical waveguide 4 which is formed on the surface 2a side of the substrate 2, a pair of grooves 3A, 3B, and a cyclic polarization inversion structure 9 formed in the optical waveguide 4 over the entire length of the wavelength conversion part. The width W1 of the optical waveguide 4 at the incident side end 7 of the wavelength conversion section P is greater than the width W0 of the optical waveguide 4 at the exit side end 8 of the wavelength conversion section P. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、波長変換素子およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a wavelength conversion element and a method for manufacturing the same.

光情報処理技術全般において、高密度光記録を実現するために、波長４００−４３０ｎｍ程度の青色光を３０ｍＷ以上の出力で安定的に発振する青色光レーザが要望されており、開発競争が行われている。青色光光源としては、赤色光を基本波として発振するレーザと、擬似位相整合方式の第二高調波発生素子とを組み合わせた光導波路型の波長変換素子が期待されている。 In general optical information processing technology, in order to realize high-density optical recording, a blue light laser that stably oscillates blue light having a wavelength of about 400 to 430 nm with an output of 30 mW or more is desired, and development competition is performed. ing. As a blue light source, an optical waveguide type wavelength conversion element combining a laser that oscillates with red light as a fundamental wave and a second harmonic generation element of a quasi phase matching method is expected.

ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶のような非線形光学結晶は二次の非線形光学定数が高く、これら結晶に周期的な分極反転構造を形成することで、疑似位相整合（Quasi-Phase-Matched ：ＱＰＭ）方式の第二高調波発生（Second-Harmonic-Generation:SHG）デバイスを実現できる。また、この周期分極反転構造内に導波路を形成することで、高効率なSHGデバイスが実現でき、光通信用、医学用、光化学用、各種光計測用等の幅広い応用が可能である。 Nonlinear optical crystals such as lithium niobate and lithium tantalate single crystals have high second-order nonlinear optical constants. By forming a periodic domain-inverted structure in these crystals, quasi-phase-matched (Quasi-Phase-Matched: A second-harmonic generation (SHG) device of the QPM method can be realized. In addition, by forming a waveguide in this periodically poled structure, a highly efficient SHG device can be realized, and a wide range of applications such as optical communication, medical use, photochemistry use, and various optical measurement applications are possible.

本出願人は、酸化物単結晶からなる基材にレーザー光を照射することでリッジ型光導波路を形成する方法を開示した（特許文献１）。
特開２００２−３７２６４１ The present applicant has disclosed a method of forming a ridge-type optical waveguide by irradiating a base material made of an oxide single crystal with laser light (Patent Document 1).
JP-A-2002-372641

また、特許文献２によれば、周期分極反転構造を用いた擬似位相整合方式の波長変換素子において、光導波路中に周期分極反転構造を形成することによって波長変換部を形成して高調波を得ている。これと共に、光導波路の出射側には周期分極反転構造を設けず、光
光導波路の幅を出射側で変更している。これによって、光導波路の出射側において、高調波をシングルモード伝搬させている。
特開２００１−３１１９７４ According to Patent Document 2, in a quasi-phase matching type wavelength conversion element using a periodically poled structure, a harmonic is obtained by forming a wavelength converter by forming a periodically poled structure in an optical waveguide. ing. At the same time, the periodic polarization inversion structure is not provided on the output side of the optical waveguide, and the width of the optical optical waveguide is changed on the output side. As a result, harmonics are propagated in a single mode on the exit side of the optical waveguide.
JP 2001-31974 A

周期分極反転構造を利用した疑似位相整合方式においては、波長許容幅が狭いことが問題になっている。つまり、極めて狭い波長の基本波しか高調波に変換できないという問題である。波長許容幅は，例えば０．１ｎｍといった極めて狭い範囲になっている。このため、基本波を発振する固体レーザー光源の発振波長のバラツキに対応することが難しく、素子の波長許容幅を広くすることが必要である。 In the quasi-phase matching method using the periodically poled structure, the wavelength tolerance is narrow. That is, it is a problem that only a fundamental wave having an extremely narrow wavelength can be converted into a harmonic. The allowable wavelength width is in a very narrow range, for example, 0.1 nm. For this reason, it is difficult to cope with variations in the oscillation wavelength of the solid-state laser light source that oscillates the fundamental wave, and it is necessary to widen the allowable wavelength range of the element.

本発明の課題は、リッジ型光導波路中の周期分極反転構造を利用して高調波を発生させる素子において、素子の波長許容幅を広げることである。 An object of the present invention is to widen the allowable wavelength range of an element in which a harmonic is generated using a periodically poled structure in a ridge-type optical waveguide.

本発明は、
強誘電性材料からなる基板、
この基板の表面側に形成されているリッジ型光導波路、
このリッジ型光導波路の両側に形成されている一対の溝、および
リッジ型光導波路中に形成されている周期分極反転構造を備えており、この周期分極反転構造によってリッジ型光導波路中に波長変換部を構成している波長変換素子であって、
波長変換部の入射側端部におけるリッジ型光導波路の幅が、波長変換部の出射側端部におけるリッジ型光導波路の幅よりも大きいことを特徴とする。 The present invention
A substrate made of a ferroelectric material,
Ridge type optical waveguide formed on the surface side of this substrate,
It has a pair of grooves formed on both sides of this ridge-type optical waveguide and a periodic polarization inversion structure formed in the ridge-type optical waveguide, and wavelength conversion into the ridge-type optical waveguide by this periodic polarization inversion structure A wavelength conversion element constituting a portion,
The width of the ridge type optical waveguide at the incident side end of the wavelength conversion unit is larger than the width of the ridge type optical waveguide at the output side end of the wavelength conversion unit.

また、本発明は、
強誘電性材料からなる基板、
この基板の表面側に形成されているリッジ型光導波路、
このリッジ型光導波路の両側に形成されている一対の溝、および
リッジ型光導波路中に形成されている周期分極反転構造を備えており、この周期分極反転構造によってリッジ型光導波路中に波長変換部を構成している波長変換素子を製造する方法であって、
強誘電性材料からなる基体の表面にレーザー光を照射することによって溝およびリッジ型光導波路を形成するのに際して、波長変換部の入射側端部から波長変換部の出射側端部へと向かってレーザー光の走査速度を遅くすることを特徴とする。 The present invention also provides:
A substrate made of a ferroelectric material,
Ridge type optical waveguide formed on the surface side of this substrate,
It has a pair of grooves formed on both sides of this ridge-type optical waveguide and a periodic polarization inversion structure formed in the ridge-type optical waveguide, and wavelength conversion into the ridge-type optical waveguide by this periodic polarization inversion structure A method of manufacturing a wavelength conversion element constituting a portion,
When a groove and a ridge type optical waveguide are formed by irradiating the surface of a substrate made of a ferroelectric material with a laser beam, from the incident side end of the wavelength conversion unit toward the emission side end of the wavelength conversion unit It is characterized by slowing the scanning speed of the laser beam.

本発明の素子によれば、波長変換部の入射側端部におけるリッジ型光導波路の幅を、波長変換部の出射側端部におけるリッジ型光導波路の幅よりも大きくする。これによって、入射側端部においては、リッジ型光導波路の幅が相対的に大きいので、光の感ずる実効屈折率も高くなり、位相整合波長が短くなる。一方、出射側端部においては、リッジ型光導波路の幅が相対的に小さいので、光の感ずる実効屈折率も低くなり、位相整合波長が長くなる。従って、リッジ型光導波路の全体としては波長許容幅を広げることができる。 According to the element of the present invention, the width of the ridge type optical waveguide at the incident side end of the wavelength conversion unit is made larger than the width of the ridge type optical waveguide at the output side end of the wavelength conversion unit. As a result, since the width of the ridge-type optical waveguide is relatively large at the incident side end, the effective refractive index perceived by light is also increased, and the phase matching wavelength is shortened. On the other hand, since the width of the ridge-type optical waveguide is relatively small at the emission side end, the effective refractive index perceived by light is lowered and the phase matching wavelength is lengthened. Therefore, the allowable wavelength range of the ridge optical waveguide as a whole can be increased.

また、本発明の製法によれば、強誘電性材料からなる材料基板の表面にレーザー光を照射することによって溝およびリッジ型光導波路を形成するのに際して、波長変換部の入射側端部から出射側端部へと向かってレーザー光の走査速度を遅くする。これによって、入射側端部では、レーザー光の走査速度が相対的に速いことから、溝が相対的に浅くなり、溝幅が小さくなり、リッジ型光導波路の幅が相対的に大きくなる。一方、波長変換部の出射側端部においては、レーザー光の走査速度が相対的に遅いことから、溝が相対的に深くなり、溝幅が大きくなり、リッジ型光導波路の幅が相対的に小さくなる。 Further, according to the manufacturing method of the present invention, when the groove and the ridge type optical waveguide are formed by irradiating the surface of the material substrate made of the ferroelectric material with the laser beam, the light is emitted from the incident side end of the wavelength conversion unit. The scanning speed of the laser beam is decreased toward the side end. Accordingly, since the scanning speed of the laser light is relatively high at the incident side end, the groove becomes relatively shallow, the groove width becomes small, and the width of the ridge-type optical waveguide becomes relatively large. On the other hand, since the scanning speed of the laser beam is relatively slow at the output side end of the wavelength converter, the groove becomes relatively deep, the groove width becomes large, and the width of the ridge-type optical waveguide is relatively Get smaller.

図１は、本発明の実施形態に係る光変換素子１を概略的に示す断面図であり、図２は、素子１を概略的に示す上面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a light conversion element 1 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a top view schematically showing the element 1.

強誘電性材料からなる波長変換用基板２は、リッジ型光導波路４、光導波路４の両側に設けられている溝形成部２ａ、２ｂ、および各溝形成部の外側に設けられている延在部２ｃ、２ｄを備えている。リッジ型光導波路４の両側にはそれぞれ溝３Ａ、３Ｂが形成されている。リッジ型光導波路４は、リッジ型突起４ａと、その直下の平板部分４ｂとからなる。基板２の上面には表面側バッファ層２２が形成されており、背面側には背面側バッファ層５が形成されている。基板２は、バッファ層５、接着層６を介して支持基板２０に対して接合されている。 The wavelength conversion substrate 2 made of a ferroelectric material includes a ridge-type optical waveguide 4, groove forming portions 2 a and 2 b provided on both sides of the optical waveguide 4, and an extension provided outside each groove forming portion. Part 2c, 2d is provided. Grooves 3A and 3B are formed on both sides of the ridge type optical waveguide 4, respectively. The ridge-type optical waveguide 4 includes a ridge-type protrusion 4a and a flat plate portion 4b immediately below the ridge-type protrusion 4a. A front surface side buffer layer 22 is formed on the upper surface of the substrate 2, and a rear surface side buffer layer 5 is formed on the back surface side. The substrate 2 is bonded to the support substrate 20 via the buffer layer 5 and the adhesive layer 6.

図２の上面図に示すように、基板２には、多数の分極反転部９ａが形成されており、隣接する分極反転部の間に、非分極反転部９ｂが形成されている。これらの分極反転部および非分極反転部は一定周期で形成されており、周期分極反転構造９を構成する。 As shown in the top view of FIG. 2, the substrate 2 has a large number of domain-inverted parts 9a, and a non-polarized-inverted part 9b is formed between adjacent domain-inverted parts. These polarization inversion portions and non-polarization inversion portions are formed with a constant period, and constitute a periodic polarization inversion structure 9.

リッジ型光導波路４が、基板２の入射側端面１７および出射側端面１８に対して露出しており、周期分極反転構造９は、リッジ型光導波路４の全長にわたって形成されている。リッジ型光導波路のうち、周期分極反転構造９が形成されている領域が波長変換部Ｐである。矢印Ａのように基本波を入射させると，基本波は波長変換部Ｐで波長変換を受け、矢印Ｂのように出射する。 The ridge type optical waveguide 4 is exposed to the incident side end face 17 and the emission side end face 18 of the substrate 2, and the periodically poled structure 9 is formed over the entire length of the ridge type optical waveguide 4. In the ridge-type optical waveguide, the region where the periodically poled structure 9 is formed is the wavelength conversion part P. When the fundamental wave is incident as indicated by the arrow A, the fundamental wave undergoes wavelength conversion by the wavelength conversion unit P and is emitted as indicated by the arrow B.

本例では、リッジ型光導波路４のほぼ全長にわたって周期分極反転構造９を形成しているので、光導波路４が全長にわたって波長変換部Ｐを構成する。しかし、リッジ型光導波路４の一部だけに周期分極反転構造９を形成することもできる。この場合には、光導波路４のうち周期分極反転構造９を形成した領域のみが波長変換部となる。 In this example, since the periodically poled structure 9 is formed over almost the entire length of the ridge-type optical waveguide 4, the optical waveguide 4 constitutes the wavelength converting portion P over the entire length. However, the periodically poled structure 9 can be formed only in a part of the ridge type optical waveguide 4. In this case, only the region of the optical waveguide 4 where the periodically poled structure 9 is formed becomes the wavelength conversion unit.

図３（ａ）は、波長変換部Ｐの入射側端部７におけるリッジ型光導波路４の形態を示す図であり、図３（ｂ）は、波長変換部Ｐの出射端部８における光導波路４の形態を示す図である。 FIG. 3A is a diagram showing the form of the ridge-type optical waveguide 4 at the incident side end 7 of the wavelength conversion section P, and FIG. 3B is an optical waveguide at the output end 8 of the wavelength conversion section P. It is a figure which shows the form of 4.

本例では、図３（ａ）に示すように、波長変換部Ｐの入射側端部７における光導波路４の幅をＷＩとし、溝３Ａ、３Ｂの深さをＤＩとする。また、波長変換部Ｐの出射側端部８における光導波路４の幅をＷＯとし、溝３Ａ、３Ｂの深さをＤＯとする。また、図２に示す点線Ｓは一対の平行線であり、一対の点線Ｓの間隔は一定である。ＷＩはＳよりも大きく、ＷＯはＳよりも小さい。 In this example, as shown in FIG. 3A, the width of the optical waveguide 4 at the incident side end 7 of the wavelength conversion section P is WI, and the depth of the grooves 3A and 3B is DI. In addition, the width of the optical waveguide 4 at the emission side end 8 of the wavelength converting portion P is WO, and the depths of the grooves 3A and 3B are DO. Moreover, the dotted line S shown in FIG. 2 is a pair of parallel lines, and the distance between the pair of dotted lines S is constant. WI is larger than S and WO is smaller than S.

リッジ型光導波路の幅とは、リッジ型光導波路の表面の平坦な部分を、光の進行方向に見たときの幅である。溝の深さとは、リッジ型光導波路の表面の平坦な部分から溝の底面までの深さである。リッジ型光導波路の幅、溝の深さは、AFM（原子間力顕微鏡）によって測定する。 The width of the ridge type optical waveguide is a width when a flat portion of the surface of the ridge type optical waveguide is viewed in the light traveling direction. The depth of the groove is the depth from the flat portion of the surface of the ridge type optical waveguide to the bottom surface of the groove. The width of the ridge type optical waveguide and the depth of the groove are measured by an AFM (Atomic Force Microscope).

ここで、本発明に従い、波長変換部Ｐの入射側端部７における光導波路４の幅ＷＩが、波長変換部Ｐの出射側端部８における光導波路４の幅ＷＯよりも大きい。また、本例では、波長変換部Ｐの入射側端部７における溝３Ａ、３Ｂの深さＤＩが、波長変換部Ｐの出射側端面８における溝３Ａ、３Ｂの深さＤＯよりも小さい。 Here, according to the present invention, the width WI of the optical waveguide 4 at the incident-side end 7 of the wavelength converting portion P is larger than the width WO of the optical waveguide 4 at the emitting-side end 8 of the wavelength converting portion P. Further, in this example, the depth DI of the grooves 3A, 3B at the incident side end 7 of the wavelength conversion part P is smaller than the depth DO of the grooves 3A, 3B at the emission side end face 8 of the wavelength conversion part P.

これによって、入射側端部７においては、光導波路４の幅ＷＩが相対的に大きいので、光の感ずる実効屈折率も高くなり、位相整合波長が短くなる。一方、出射側端部８においては、光導波路４の幅ＷＯが相対的に小さいので、光の感ずる実効屈折率も低くなり、位相整合波長が長くなる。従って、光導波路４の全体としては波長許容幅を広げることができる。 As a result, since the width WI of the optical waveguide 4 is relatively large at the incident end 7, the effective refractive index perceived by light is increased and the phase matching wavelength is shortened. On the other hand, since the width WO of the optical waveguide 4 is relatively small at the emission side end portion 8, the effective refractive index perceived by light is also lowered, and the phase matching wavelength is lengthened. Accordingly, the allowable wavelength range of the entire optical waveguide 4 can be increased.

この観点からは、光導波路４の幅ＷＩのＷＯに対する比率（ＷＩ／ＷＯ）は、１．０５以上であることが好ましく、１．１以上であることが更に好ましい。ただし、光導波路４の幅ＷＩのＷＯに対する比率（ＷＩ／ＷＯ）が大きくなり過ぎると、全体の波長変換効率が低下する傾向がある。このため、波長変換効率を高く保持するという観点からは、光導波路４の幅ＷＩのＷＯに対する比率（ＷＩ／ＷＯ）は、２．０以下であることが好ましく、１．５以下であることが更に好ましい。 From this viewpoint, the ratio of the width WI of the optical waveguide 4 to the WO (WI / WO) is preferably 1.05 or more, and more preferably 1.1 or more. However, if the ratio (WI / WO) of the width WI of the optical waveguide 4 to the WO becomes too large, the overall wavelength conversion efficiency tends to decrease. For this reason, from the viewpoint of keeping the wavelength conversion efficiency high, the ratio of the width WI of the optical waveguide 4 to the WO (WI / WO) is preferably 2.0 or less, and preferably 1.5 or less. Further preferred.

また、本例では、波長変換部Ｐの入射側端部７における溝３Ａ、３Ｂの深さＤＩが、波長変換部Ｐの出射側端面８における溝３Ａ、３Ｂの深さＤＯよりも小さい。これも上記した原理によって波長許容幅の拡大に寄与する。この観点からは、ＤＩのＤＯに対する比率（ＤＩ／ＤＯ）は、０．９５以下であることが好ましく、０．８以下であることが更に好ましい。しかし、ＤＩのＤＯに対する比率（ＤＩ／ＤＯ）が小さくなりすぎると、全体の波長変換効率が低下する傾向がある。このため、波長変換効率を高く保持するという観点からは、ＤＩのＤＯに対する比率（ＤＩ／ＤＯ）は、０．３以上であることが好ましく、０．５以上であることが更に好ましい。 Further, in this example, the depth DI of the grooves 3A, 3B at the incident side end 7 of the wavelength conversion part P is smaller than the depth DO of the grooves 3A, 3B at the emission side end face 8 of the wavelength conversion part P. This also contributes to the expansion of the allowable wavelength range based on the principle described above. From this viewpoint, the ratio of DI to DO (DI / DO) is preferably 0.95 or less, and more preferably 0.8 or less. However, if the ratio of DI to DO (DI / DO) becomes too small, the overall wavelength conversion efficiency tends to decrease. For this reason, from the viewpoint of maintaining high wavelength conversion efficiency, the ratio of DI to DO (DI / DO) is preferably 0.3 or more, and more preferably 0.5 or more.

また、好適な実施形態においては、リッジ型光導波路の幅が、入射側端部から出射側端部へと向かって単調減少する。これによって、波長許容幅を特に大きく広げることができ、かつ波長変換効率の低下も抑制しやすい。この際、リッジ光導波路の幅は、波長変換部の全長にわたって１次関数的に単調減少することが好ましいが，これには限定されない。 In a preferred embodiment, the width of the ridge type optical waveguide monotonously decreases from the incident side end to the output side end. As a result, the allowable wavelength range can be greatly increased, and a decrease in wavelength conversion efficiency can be easily suppressed. At this time, the width of the ridge optical waveguide preferably decreases monotonically in a linear function over the entire length of the wavelength conversion unit, but is not limited thereto.

光導波路４の幅ＷＩ、ＷＯは、特に限定されないが、一般的には、３．０〜７．０μｍとすることができる。
溝の深さＤＩ、ＤＯは特に限定されないが、一般的には、０．５〜３．０μｍとすることができる。 The widths WI and WO of the optical waveguide 4 are not particularly limited, but can generally be 3.0 to 7.0 μm.
The depths DI and DO of the grooves are not particularly limited, but can generally be 0.5 to 3.0 μm.

光変換用基板を構成する材質は、光の変調が可能であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶などを例示することができる。 The material constituting the light conversion substrate is not particularly limited as long as light modulation is possible, but lithium niobate, lithium tantalate, lithium niobate-lithium tantalate solid solution, potassium lithium niobate, KTP, GaAs, and quartz Etc. can be illustrated.

強誘電体単結晶中には、光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。強誘電体単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。 In the ferroelectric single crystal, at least one selected from the group consisting of magnesium (Mg), zinc (Zn), scandium (Sc), and indium (In) is used in order to further improve the optical damage resistance of the optical waveguide. The metal element can be contained, and magnesium is particularly preferable. The ferroelectric single crystal can contain a rare earth element as a doping component. This rare earth element acts as an additive element for laser oscillation. As this rare earth element, Nd, Er, Tm, Ho, Dy, and Pr are particularly preferable.

表面側バッファ層、背面側バッファ層の材質は、酸化シリコン、弗化マグネシウム、窒化珪素、及びアルミナ、五酸化タンタルを例示できる。 Examples of the material of the front side buffer layer and the back side buffer layer include silicon oxide, magnesium fluoride, silicon nitride, alumina, and tantalum pentoxide.

接合層の材質は、無機接着剤であってよく、有機接着剤であってよく、無機接着剤と有機接着剤との組み合わせであってよい。 The material of the bonding layer may be an inorganic adhesive, an organic adhesive, or a combination of an inorganic adhesive and an organic adhesive.

支持基体２０の具体的材質は特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Siなどを例示することができる。この場合、熱膨張差の観点では、強誘電体層と支持基板とを同じ材質とすることが好ましく、ニオブ酸リチウム単結晶が特に好ましい。 The specific material of the support base 20 is not particularly limited, and examples thereof include glass such as lithium niobate, lithium tantalate, and quartz glass, quartz, and Si. In this case, from the viewpoint of thermal expansion difference, it is preferable that the ferroelectric layer and the support substrate are made of the same material, and lithium niobate single crystal is particularly preferable.

強誘電性材料にリッジ型の光導波路を形成するための加工方法は限定されないが、レーザー加工が好ましい。この場合には、強誘電性材料からなる材料基板の表面にレーザー光を照射することによって溝およびリッジ型光導波路を形成する。この際、波長変換部の入射側端部から波長変換部の出射側端面部へと向かってレーザー光の走査速度を遅くする。
走査速度が遅いと、溝が深くなり、リッジ型光導波路の幅が広くなる。走査速度が速いと、溝が浅くなり、リッジ型光導波路の幅が狭くなる。 The processing method for forming the ridge-type optical waveguide in the ferroelectric material is not limited, but laser processing is preferable. In this case, the groove and the ridge type optical waveguide are formed by irradiating the surface of the material substrate made of a ferroelectric material with laser light. At this time, the scanning speed of the laser light is decreased from the incident side end of the wavelength conversion unit toward the emission side end surface of the wavelength conversion unit.
When the scanning speed is slow, the groove becomes deeper and the width of the ridge-type optical waveguide becomes wider. When the scanning speed is high, the groove becomes shallow and the width of the ridge type optical waveguide becomes narrow.

加工用のレーザー光については特に限定されず、加工すべき材質に応じて選択する。好適な実施形態においては、レーザー光のパルスの半値幅が１０ｎｓｅｃ以下である。また、レーザー光のパルスの半値幅の下限は特にないが、生産性良く基材を加工するという観点からは、０．５ｎｓｅｃ以上が好ましい。 The laser beam for processing is not particularly limited, and is selected according to the material to be processed. In a preferred embodiment, the half width of the laser light pulse is 10 nsec or less. Further, there is no particular lower limit on the half width of the pulse of the laser beam, but 0.5 nsec or more is preferable from the viewpoint of processing the substrate with high productivity.

レーザー加工用の光の波長は、３５０ｎｍ以下とすることが好ましく、３００ｎｍ以下とすることが一層好ましい。ただし、実用的な観点からは、１５０ｎｍ以上とすることが好ましい。 The wavelength of the laser processing light is preferably 350 nm or less, and more preferably 300 nm or less. However, from a practical viewpoint, the thickness is preferably 150 nm or more.

エキシマレーザーは、紫外線のパルス繰り返し発振レーザーであり、ＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌ（波長３０８ｎｍ）などの気体状の化合物が発振する紫外光を、光共振機により方向性を揃えて取り出したものである。現実の光源としては、エキシマレーザー光源の他に、ＹＡＧの四次高調波（例えばＮｄ−ＹＡＧレーザーの第４次高調波）、エキシマランプが、現在のところ実用的である。 The excimer laser is an ultraviolet pulsed repetitive oscillation laser, and ultraviolet light emitted from a gaseous compound such as ArF (wavelength 193 nm), KrF (wavelength 248 nm), XeCl (wavelength 308 nm) is directed by an optical resonator. They are taken out together. As an actual light source, in addition to an excimer laser light source, a fourth harmonic of YAG (for example, a fourth harmonic of an Nd-YAG laser) and an excimer lamp are currently practical.

レーザー加工用の光照射素子としては、いわゆる一括露光方式の素子と多重反射方式の素子とが含まれる。また、レーザー光の照射によって溝を形成する方法としては、次の二つの態様を挙げることができる。
（１）スポットスキャン加工
（２）スリットスキャン加工 The light irradiation elements for laser processing include so-called batch exposure elements and multiple reflection elements. Moreover, as a method of forming a groove | channel by irradiation of a laser beam, the following two aspects can be mentioned.
(1) Spot scan processing (2) Slit scan processing

レーザー光の走査速度は、加工ステージの移動速度によって変更することができる。 The scanning speed of the laser beam can be changed depending on the moving speed of the processing stage.

レーザー光の走査速度は、加工すべき材質に合わせて選択するが、例えば０．００５ｍｍ／秒〜１．０ｍｍ／秒とすることができる。 The scanning speed of the laser beam is selected according to the material to be processed, and can be, for example, 0.005 mm / second to 1.0 mm / second.

（実施例１）
図１〜図３に示した波長変換素子１を作製した。具体的には、厚さ０．５ｍｍのＭｇＯ５％ドープニオブ酸リチウム５度オフカットＹ基板上に、周期５．０６μｍの櫛状周期電極をフォトリソグラフィ法によって形成した。この基板の裏面に全面に電極膜を形成した後、パルス電圧を印加し、周期分極反転構造９を形成した。次いで、厚さ０．４μｍのＳｉＯ_２アンダークラッド５をスパッタ法によって成膜した。 Example 1
The wavelength conversion element 1 shown in FIGS. 1 to 3 was produced. Specifically, a comb-like periodic electrode having a period of 5.06 μm was formed on a 0.5 mm-thick MgO 5% doped lithium niobate 5-degree offcut Y substrate by a photolithography method. After an electrode film was formed on the entire back surface of the substrate, a pulse voltage was applied to form a periodically poled structure 9. Next, a 0.4 μm thick SiO ₂ underclad 5 was formed by sputtering.

厚さ０．５ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板２０に接着剤を塗布した後、前記のＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板と貼り合せ、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板の表面を厚さ３．５μｍとなるまで研削し、研磨した。 After applying an adhesive to the non-doped lithium niobate substrate 20 having a thickness of 0.5 mm, it is bonded to the MgO-doped lithium niobate substrate, and the surface of the MgO-doped lithium niobate substrate is ground to a thickness of 3.5 μm. Polished.

次いで、レーザーアブレーション加工法により、基板２の表面側にリッジ型光導波路４を形成した。レーザー加工時の基板２表面でのビーム形状が、図４に示すような形状となるようにマスクを作製した。ビームの長さＥは１５０μｍであり、ビーム間隔Ｆは６μｍである。このビームパターンを基板２の表面で走査させ、素子長９ｍｍのリッジ型光導波路４を作製した。この際、走査速度を、入射側端部では０．２５ｍｍ／秒とし、連続的に低下させ、出射側端部では０．１５μｍ／とした。 Next, a ridge type optical waveguide 4 was formed on the surface side of the substrate 2 by laser ablation processing. A mask was produced so that the beam shape on the surface of the substrate 2 during laser processing was as shown in FIG. The length E of the beam is 150 μm, and the beam interval F is 6 μm. This beam pattern was scanned on the surface of the substrate 2 to produce a ridge type optical waveguide 4 having an element length of 9 mm. At this time, the scanning speed was 0.25 mm / sec at the incident end and continuously decreased, and 0.15 μm / at the emission end.

このようにリッジ型光導波路４および溝３Ａ、３Ｂを形成した後、厚さ０．５μｍのＳｉＯ_２オーバークラッド２２をスパッタ法によって成膜した。ダイサーで長さ（Ｌ）９ｍｍ、幅１．０ｍｍで素子を切断した後、端面を研磨した後、端面に反射防止膜を施した。 After forming the ridge type optical waveguide 4 and the grooves 3A and 3B in this manner, a SiO ₂ overclad 22 having a thickness of 0.5 μm was formed by sputtering. The device was cut with a dicer with a length (L) of 9 mm and a width of 1.0 mm, the end surface was polished, and an antireflection film was applied to the end surface.

なお、入射側端部７におけるリッジ型光導波路４の幅ＷＩは５μｍであり、溝３Ａ、３Ｂの深さＤＩは１．５μｍであった。 The width WI of the ridge-type optical waveguide 4 at the incident side end 7 is 5 μm, and the depth DI of the grooves 3A and 3B is 1.5 μm.

この光導波路においてチタンサファイアレーザーを使用して光学特性を測定した。レーザーからの発振出力を１００ｍWに調整し、その基本光をレンズで導波路端面に集光した結果、８０ｍＷを光導波路に結合できた。チタンサファイアレーザーの波長を可変させて位相整合する波長に調節した時に、最高７ｍWのSHG出力が得られた。その際の基本光の波長は９７６．２ｎｍであった。またその際の位相整合波長許容幅は半値全幅の値で０．２５ｎｍであった。 In this optical waveguide, the optical characteristics were measured using a titanium sapphire laser. As a result of adjusting the oscillation output from the laser to 100 mW and condensing the basic light on the end face of the waveguide with a lens, 80 mW could be coupled to the optical waveguide. When the wavelength of the titanium sapphire laser was varied and adjusted to a phase matching wavelength, a maximum SHG output of 7 mW was obtained. The wavelength of the fundamental light at that time was 976.2 nm. In addition, the phase matching wavelength allowable width at that time was 0.25 nm in terms of the full width at half maximum.

（比較例１）
実施例１と同様にして、図１、２、３に示す波長変換素子１を作製した。ただし、図４に示すビームパターンを、基板表面で０．２ｍｍ／秒で走査し、光導波路および溝を形成した。レーザービームの走査速度は変更しなかった。 (Comparative Example 1)
In the same manner as in Example 1, the wavelength conversion element 1 shown in FIGS. However, the beam pattern shown in FIG. 4 was scanned on the substrate surface at 0.2 mm / second to form optical waveguides and grooves. The scanning speed of the laser beam was not changed.

この光導波路においてチタンサファイアレーザーを使用して光学特性を測定した。レーザーからの発振出力を１００ｍWに調整し、その基本光をレンズで導波路端面に集光した結果、７０ｍＷが導波路に結合できた。チタンサファイアレーザーの波長を可変させて位相整合する波長に調節した時に、最高１４ｍＷのＳＨＧ出力が得られた。その際の基本光の波長は９７６．３ｎｍであった。またその際の位相整合波長許容幅は半値全幅の値で０．１２ｎｍであった。 In this optical waveguide, the optical characteristics were measured using a titanium sapphire laser. As a result of adjusting the oscillation output from the laser to 100 mW and condensing the basic light on the end face of the waveguide with a lens, 70 mW could be coupled to the waveguide. When the wavelength of the titanium sapphire laser was varied and adjusted to a phase matching wavelength, a maximum SHG output of 14 mW was obtained. At this time, the wavelength of the fundamental light was 976.3 nm. In addition, the phase matching wavelength allowable width at that time was 0.12 nm in terms of the full width at half maximum.

なお、出射側端部８におけるリッジ型光導波路４の幅ＷＯは４μｍであり、溝３Ａ、３Ｂの深さＤＯは２．０μｍであった。 Note that the width WO of the ridge-type optical waveguide 4 at the exit-side end 8 was 4 μm, and the depth DO of the grooves 3A and 3B was 2.0 μm.

本発明の一実施形態に係る波長変換素子１を概略的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a wavelength conversion element 1 according to an embodiment of the present invention. 素子１を概略的に示す上面図である。3 is a top view schematically showing an element 1. FIG. （ａ）は、波長変換部Ｐの入射側端部７における光導波路４および溝３Ａ、３Ｂの形態を示す図であり、（ｂ）は、波長変換部Ｐの出射側端部８における光導波路４および溝３Ａ、３Ｂの形態を示す図である。(A) is a figure which shows the form of the optical waveguide 4 and groove | channel 3A, 3B in the incident side edge part 7 of the wavelength conversion part P, (b) is an optical waveguide in the output side edge part 8 of the wavelength conversion part P 4 is a diagram showing the form of 4 and grooves 3A, 3B. 実施例におけるビームパターンを示す平面図である。It is a top view which shows the beam pattern in an Example.

Explanation of symbols

１波長変換素子２波長変換用基板２ａ、２ｂ溝形成部２ｃ、２ｄ延在部３Ａ、３Ｂ溝４リッジ型光導波路４ａリッジ部５，２２バッファ層６接合層７波長変換部Ｐの入射側端部８波長変換部Ｐの出射側端部９周期分極反転構造９ａ分極反転部９ｂ非分極反転部Ａ基本波Ｂ波長変換光Ｐ波長変換部ＷＩ波長変換部の入射側端部におけるリッジ型光導波路の幅ＷＯ波長変換部の出射側端部におけるリッジ型光導波路の幅ＤＩ波長変換部の入射側端部における溝の深さＤＯ波長変換部の出射側端部における溝の深さ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Wavelength conversion element 2 Wavelength conversion board | substrate 2a, 2b Groove formation part 2c, 2d Extension part 3A, 3B Groove 4 Ridge type | mold optical waveguide 4a Ridge part 5,22 Buffer layer 6 Bonding layer 7 Incident side edge of wavelength conversion part P Portion 8 Emission side end of wavelength conversion unit 9 Periodic polarization inversion structure 9a Polarization inversion unit 9b Non-polarization inversion unit A Fundamental wave B Wavelength converted light P Wavelength conversion unit WI Ridge type optical waveguide at the end of incident side of wavelength conversion unit Width WO width of the ridge-type optical waveguide at the output side end of the wavelength conversion unit DI depth of the groove at the input side end of the wavelength conversion unit DO depth of the groove at the output side end of the wavelength conversion unit

Claims

A substrate made of a ferroelectric material,
Ridge type optical waveguide formed on this substrate,
A pair of grooves formed on both sides of the ridge-type optical waveguide and a periodic polarization inversion structure formed in the ridge-type optical waveguide are provided. A wavelength conversion element constituting a wavelength conversion unit,
The wavelength conversion element, wherein a width of the ridge-type optical waveguide at an incident side end of the wavelength conversion unit is larger than a width of the ridge-type optical waveguide at an output side end of the wavelength conversion unit.

The wavelength conversion element according to claim 1, wherein a depth of the groove at an incident side end of the wavelength conversion unit is smaller than a depth of the groove at an output side end of the wavelength conversion unit.

3. The wavelength conversion element according to claim 1, wherein the width of the ridge-type optical waveguide monotonously decreases from the incident side end portion toward the emission side end portion.

A substrate made of a ferroelectric material,
Ridge type optical waveguide formed on the surface side of this substrate,
A pair of grooves formed on both sides of the ridge-type optical waveguide and a periodic polarization inversion structure formed in the ridge-type optical waveguide are provided. A method of manufacturing a wavelength conversion element constituting a wavelength conversion unit,
When forming the groove and the ridge-type optical waveguide by irradiating the surface of the substrate made of the ferroelectric material with a laser beam, from the incident side end of the wavelength conversion unit to the emission side end of the wavelength conversion unit A method of manufacturing a wavelength conversion element, wherein the scanning speed of the laser beam is decreased toward the portion.