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JP3999736B2 - Wavelength conversion element and manufacturing method thereof - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

本発明は、波長変換素子およびその製造方法に関し、より詳細には、非線形光学媒質中で生じる第二高調波発生、差周波発生または和周波発生効果を用いて信号光の波長を異なる波長に変換する波長変換素子およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a wavelength conversion element and a method for manufacturing the same, and more specifically, converts the wavelength of signal light to a different wavelength using a second harmonic generation, difference frequency generation, or sum frequency generation effect generated in a nonlinear optical medium. The present invention relates to a wavelength conversion element and a manufacturing method thereof.

従来、レーザ光源は、波長分割多重方式または時分割多重方式を利用した光通信システム、光磁気ディスクなどの高密度記録媒体、医療、計測分野における測定器などに用いられている。これらレーザ光源に必要とされる波長は、赤外から可視光領域まで広範囲にわたっている。そこで、半導体レーザ、固体レーザ、ガスレーザでは得られない波長のレーザ光源を実現するために、結晶の非線形光学効果を利用した波長変換素子が開発されてきた(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, laser light sources are used in optical communication systems using wavelength division multiplexing or time division multiplexing, high-density recording media such as magneto-optical disks, and measuring instruments in the medical and measurement fields. The wavelengths required for these laser light sources are in a wide range from infrared to visible light. Therefore, in order to realize a laser light source having a wavelength that cannot be obtained by a semiconductor laser, a solid-state laser, or a gas laser, a wavelength conversion element using a nonlinear optical effect of a crystal has been developed (for example, see Patent Document 1).

波長変換素子においては、効率良く波長変換を行うために、信号光と制御光との位相整合が重要である。そこで、設計の自由度があり、かつ、高い変換効率を期待できる周期的な分極反転構造を用いた擬似位相整合技術が広く利用されている。一方、この波長変換素子の構造として、バルク型と導波路型とが知られている。導波路型は、小型化が容易であり、光の効率的な閉じ込めによる効率改善が進められたことにより、広く用いられている。導波路型の代表的な構造として、リッジ型導波路構造が用いられている。   In a wavelength conversion element, phase matching between signal light and control light is important for efficient wavelength conversion. Therefore, a quasi-phase matching technique using a periodic domain-inverted structure that has a degree of design freedom and can be expected to have high conversion efficiency is widely used. On the other hand, a bulk type and a waveguide type are known as the structure of the wavelength conversion element. The waveguide type is easy to miniaturize and is widely used due to the progress of efficiency improvement by efficient confinement of light. A ridge-type waveguide structure is used as a typical waveguide-type structure.

リッジ型導波路は、図1に示したように、基板11上に導波路パターンに応じて形成されたコア12を有しており、ステップ型の屈折率分布を有する。コア12は、基板11に接していない3つの側面が空気層に接している。例えば、基板11としてLiNbO(以後、LNと略す)またはLiTaO(以後、LTと略す)を用いて、以下のように作製されている。 As shown in FIG. 1, the ridge-type waveguide has a core 12 formed on the substrate 11 in accordance with the waveguide pattern, and has a step-type refractive index distribution. The core 12 has three side surfaces not in contact with the substrate 11 in contact with the air layer. For example, the substrate 11 is manufactured as follows using LiNbO 3 (hereinafter abbreviated as LN) or LiTaO 3 (hereinafter abbreviated as LT).

最初に、次の4通りのいずれかの方法により、コア層を形成する。(1)LN、LT単結晶基板上に液相エピタキシャル(LPE)法によりコア層を成膜する。(2)LN、LT単結晶基板へのTi拡散技術により、基板よりも屈折率の高いコア層を形成する。(3)LN、LT単結晶基板にプロトン交換を行うことにより、基板よりも屈折率の高いコア層を形成する。(4)異種材料基板(LN、LTよりも屈折率が小さい材料)に薄いLN、LT結晶基板を張り合わせて接合し、コア層にする。次に、コア層にフォトリソグラフィーにより導波路パターンを形成し、ドライエッチング法によりコア層側面を加工して、リッジ型導波路を作製する。   First, the core layer is formed by any of the following four methods. (1) A core layer is formed on a LN or LT single crystal substrate by a liquid phase epitaxial (LPE) method. (2) A core layer having a refractive index higher than that of the substrate is formed by a Ti diffusion technique to the LN and LT single crystal substrates. (3) A core layer having a higher refractive index than that of the substrate is formed by performing proton exchange on the LN and LT single crystal substrates. (4) A thin LN / LT crystal substrate is bonded to and bonded to a dissimilar material substrate (material having a refractive index smaller than that of LN / LT) to form a core layer. Next, a waveguide pattern is formed on the core layer by photolithography, and the side surface of the core layer is processed by a dry etching method to produce a ridge-type waveguide.

しかしながら、(1)のLPE法では、コア層の液相結晶成長に用いるフラックス中に含まれるV族元素が、光損傷を起こして素子特性を劣化させるという問題があった。(2)のTi拡散法においても、Ti元素が光損傷を起こして素子特性を劣化させる。そこで、LN、LT結晶を用いた波長変換素子用のリッジ型導波路作製には、(3)のプロトン交換法および(4)の基板接合技術が用いられてきた。   However, the LPE method (1) has a problem that the group V element contained in the flux used for the liquid phase crystal growth of the core layer causes optical damage and deteriorates device characteristics. Also in the Ti diffusion method (2), the Ti element causes optical damage and deteriorates the device characteristics. Accordingly, the proton exchange method (3) and the substrate bonding technique (4) have been used to fabricate a ridge-type waveguide for wavelength conversion elements using LN and LT crystals.

特開2002−328405号公報JP 2002-328405 A

リッジ型光導波路は、上述したように、アンダークラッド層が単結晶基板(屈折率が約2)であり、オーバークラッド層が空気(屈折率が1)である。したがって、深さ方向(図1の上下方向)の屈折率が非対称となり、信号光と制御光の光電界分布も非対称となる。そのために、信号光と制御光との光電界の重なり積分に比例する波長変換効率は、両者の光電界の重なりが悪いため、大きくならないという問題があった。   In the ridge-type optical waveguide, as described above, the under cladding layer is a single crystal substrate (refractive index is about 2), and the over cladding layer is air (refractive index is 1). Therefore, the refractive index in the depth direction (vertical direction in FIG. 1) is asymmetric, and the optical electric field distributions of the signal light and the control light are also asymmetric. For this reason, there is a problem that the wavelength conversion efficiency proportional to the overlap integral of the optical electric fields of the signal light and the control light does not increase because the overlap of the optical electric fields of the two is poor.

波長変換素子の変換効率を上げるためには、コア層上部にアンダークラッド層の屈折率に近いオーバークラッド層を形成し、導波する光の光電界分布形状を真円に保ち、重なり積分を大きくすることが必要である。オーバークラッド層の材料としては、例えば、LN、LT結晶を基板(アンダークラッド層)に用いた場合には、同一組成から成るLiNb(x)Ta(1−x)(0<x<1)が最適材料であり、LPE法によりエピタキシャル成長させることが望ましい。 In order to increase the conversion efficiency of the wavelength conversion element, an over clad layer close to the refractive index of the under clad layer is formed on the core layer, the optical electric field distribution shape of the guided light is kept in a perfect circle, and the overlap integral is increased. It is necessary to. As a material of the over clad layer, for example, when LN or LT crystal is used for a substrate (under clad layer), LiNb (x) Ta (1-x) O 3 (0 <x <1 ) having the same composition. ) Is an optimal material, and it is desirable to perform epitaxial growth by the LPE method.

しかしながら、1,000℃以上の高温成長が必要であり技術的難度が高いこと、および、LPE法はフラックス成分の混入による光損傷の問題を有することから、上述した方法により、オーバークラッド層を形成する方法は実用化されていない。また、他の方法によりLiNb(x)Ta(1−x)を形成する場合、この材料は蒸発し易いLi元素を含むこと、酸素元素以外に3元素を含むことにより組成制御が困難であること、および、1μm以上のクラッド厚みを得るための実用的な成膜速度が得られないことにより、実用化に至っていない。LN,LT以外の材料についても、LPE法を適用しない場合においては、同じ問題点を有している。 However, high temperature growth of 1,000 ° C. or higher is necessary, and technical difficulty is high. Since the LPE method has a problem of optical damage due to mixing of flux components, the over clad layer is formed by the method described above. This method has not been put to practical use. In the case of forming a LiNb (x) Ta (1- x) O 3 in other ways, this material include easily evaporated Li element, is difficult composition control by including three elements other than an oxygen element It has not been put into practical use due to the fact that it cannot be obtained and a practical film forming speed for obtaining a cladding thickness of 1 μm or more. The materials other than LN and LT have the same problems when the LPE method is not applied.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、深さ方向の屈折率が対称であり、不純物混入による光損傷が起きない光導波路を含む波長変換素子およびその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a wavelength conversion element including an optical waveguide in which the refractive index in the depth direction is symmetric and optical damage due to impurity contamination does not occur. It is in providing the manufacturing method.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、非線形光学効果を有する材料からなり周期的な分極反転構造を有するコアが、基板上に形成されたリッジ型の光導波路を含む波長変換素子において、前記コアの前記基板に接していない面に、Ta(x)Nb(2−x)0<x<2)からなる組成のアモルファス構造であって、厚さが1μm以上20μm以下であるオーバークラッド層を有することを特徴とする。 In order to achieve such an object, the present invention provides a ridge type in which a core made of a material having a nonlinear optical effect and having a periodically poled structure is formed on a substrate. In the wavelength conversion element including the optical waveguide, an amorphous structure having a composition made of Ta (x) Nb (2-x) O 5 ( 0 <x <2 ) is provided on a surface of the core that is not in contact with the substrate. And an over clad layer having a thickness of 1 μm or more and 20 μm or less .

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の前記非線形光学効果を有する材料は、LiNbO、KNbO、LiTaO、KTaO、LiNb(x)Ta(1−x)(0<x<1)、KNb(x)Ta(1−x)(0<x<1)、BaNaNb15、BaTiOのいずれかであり、またはこれらにMg、Zn、Scからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, the material having the nonlinear optical effect according to the first aspect is LiNbO 3 , KNbO 3 , LiTaO 3 , KTaO 3 , LiNb (x) Ta (1-x) O 3 (0 <X <1), KNb (x) Ta (1-x) O 3 (0 <x <1), Ba 2 NaNb 5 O 15 , BaTiO 3 , or Mg, Zn, Sc It is characterized by containing at least one selected from the group as an additive.

請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の前記オーバークラッド層の組成(x)は、前記オーバークラッド層の屈折率が前記コアの屈折率よりも小さくなるように、一定の値に制御されていることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, the composition (x) of the over clad layer according to the first or second aspect is constant so that a refractive index of the over clad layer is smaller than a refractive index of the core. It is controlled by a value.

請求項4に記載の発明は、請求項1または2に記載の前記オーバークラッド層の組成(x)は、前記オーバークラッド層の屈折率が前記コアの屈折率よりも小さく、および前記コアから外周部に向けてなだらかに小さくなるように制御されていることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the composition (x) of the overcladding layer according to the first or second aspect, the refractive index of the overcladding layer is smaller than the refractive index of the core, and the outer periphery from the core It is characterized by being controlled to become gradually smaller toward the part.

請求項に記載の発明は、非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有するコアが形成されたリッジ型の光導波路を含む波長変換素子の製造方法において、前記非線形光学効果を有する材料からなり、前記周期的な分極反転構造を有する第1の基板と第2の基板とを、熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第1の工程と、前記第1の基板を、前記コアを形成するための所定の厚さに研磨する第2の工程と、前記第1の基板を切削して前記コアを形成し、リッジ型の光導波路を作製する第3の工程と、前記コアの前記第1の基板に接していない面に、Ta(x)Nb(2−x)0<x<2)からなる組成のアモルファス構造であって、厚さが1μm以上20μm以下であるオーバークラッド層を形成する第4の工程とを備えたことを特徴とする。 The invention according to claim 5 is a method of manufacturing a wavelength conversion element including a ridge-type optical waveguide made of a material having a nonlinear optical effect and having a core having a periodic domain-inverted structure. A first step of bonding the first substrate having the periodic domain-inverted structure and the second substrate by diffusion bonding by heat treatment; and A second step of polishing to a predetermined thickness for forming; a third step of cutting the first substrate to form the core to produce a ridge-type optical waveguide; An amorphous structure having a composition made of Ta (x) Nb (2-x) O 5 ( 0 <x <2 ) on the surface not in contact with the first substrate, and having a thickness of 1 μm or more and 20 μm or less Form a cladding layer Characterized by comprising a fourth step.

請求項に記載の発明は、請求項に記載の前記第4の工程は、スパッタリング法、イオンプレーティング法の物理的蒸着法、熱分解CVD法、ゾル・ゲル法の化学的蒸着法のいずれかにより、前記オーバークラッド層を形成することを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, the fourth step according to the fifth aspect includes a sputtering method, a physical vapor deposition method of an ion plating method, a thermal decomposition CVD method, and a chemical vapor deposition method of a sol-gel method. The over clad layer is formed by any of the above.

請求項に記載の発明は、請求項またはに記載の前記第4の工程は、前記リッジ型の光導波路を600℃以上900℃以下に加熱し、前記オーバークラッド層を結晶化させ、内部応力を低減することを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the fourth step of the fifth or sixth aspect , the ridge-type optical waveguide is heated to 600 ° C. or higher and 900 ° C. or lower to crystallize the over clad layer, It is characterized by reducing internal stress.

請求項に記載の発明は、請求項5、6または7に記載の前記第4の工程は、前記オーバークラッド層の屈折率が前記コアの屈折率よりも小さくなるように、前記オーバークラッド層の組成(x)を一定の値に制御することを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the fourth step according to the fifth, sixth or seventh aspect , the over clad layer is configured such that the refractive index of the over clad layer is smaller than the refractive index of the core. The composition (x) is controlled to a constant value.

請求項に記載の発明は、請求項5、6または7に記載の前記第4の工程は、前記オーバークラッド層の屈折率が前記コアの屈折率よりも小さく、および前記コアから外周部に向けてなだらかに小さくなるように、前記オーバークラッド層の組成(x)を制御することを特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, in the fourth step according to the fifth, sixth or seventh aspect , the refractive index of the over clad layer is smaller than the refractive index of the core, and from the core to the outer peripheral portion. The composition (x) of the over-cladding layer is controlled so as to become gradually smaller.

以上説明したように、本発明によれば、Ta(x)Nb(2−x)(0≦x≦2)からなる組成のオーバークラッド層を有するので、深さ方向の屈折率が対称であり、不純物混入による光損傷が起きない、安定なオーバークラッド層を形成することが可能となる。 As described above, according to the present invention, since the over clad layer having the composition of Ta (x) Nb (2-x) O 5 (0 ≦ x ≦ 2) is included, the refractive index in the depth direction is symmetric. Thus, it is possible to form a stable overcladding layer in which optical damage due to impurities is not caused.

また、本発明によれば、屈折率の制御が容易であるので、小型で高効率の波長変換素子およびシングルモード伝播の波長変換素子を作製することが可能となる。   In addition, according to the present invention, since the refractive index can be easily controlled, it is possible to manufacture a small-sized and highly efficient wavelength conversion element and a single-mode propagation wavelength conversion element.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明では、波長変換素子に用いるリッジ型光導波路のコア周辺部に、Ta(x)Nb(2−x)(0≦x≦2)からなる組成のオーバークラッド層を形成する。このような組成のオーバークラッド層は、屈折率2.1〜2.4を有している。また、安定な酸化物TaとNbとから成るため、成膜時の蒸発などが無く、組成制御が容易である。さらに、コア層材料と化学反応および相互拡散を起こさないので、コアの光学特性を劣化させない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the present invention, an over cladding layer having a composition made of Ta (x) Nb (2-x) O 5 (0 ≦ x ≦ 2) is formed around the core of the ridge-type optical waveguide used for the wavelength conversion element. The over clad layer having such a composition has a refractive index of 2.1 to 2.4. In addition, since it is composed of stable oxides Ta 2 O 5 and Nb 2 O 5 , there is no evaporation during film formation, and composition control is easy. Further, since no chemical reaction and interdiffusion occur with the core layer material, the optical properties of the core are not deteriorated.

オーバークラッド層の厚さは、1μm以上20μm以下であることが望ましい。1μm以上であれば、導波光の光電界分布のはみ出しが無視できるからであり、20μm以下であれば、ダイシングソーによるリッジ型光導波路の加工が可能となるからである。   The thickness of the over clad layer is desirably 1 μm or more and 20 μm or less. This is because the protrusion of the optical electric field distribution of the guided light can be ignored if it is 1 μm or more, and the ridge type optical waveguide can be processed by a dicing saw if it is 20 μm or less.

非線形光学効果を有する材料は、LiNbO、KNbO、LiTaO、KTaO、LiNb(x)Ta(1−x)(0<x<1)、KNb(x)Ta(1−x)(0<x<1)、BaNaNb15、BaTiOのいずれかであり、またはこれらにMg、Zn、Scからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有している。このような非線形光学結晶を用いたコアは、屈折率2.0〜2.5である。したがって、このコアに対して、安定なオーバークラッド層を形成することができる。 Materials having nonlinear optical effects are LiNbO 3 , KNbO 3 , LiTaO 3 , KTaO 3 , LiNb (x) Ta (1-x) O 3 (0 <x <1), KNb (x) Ta (1-x) O 3 (0 <x <1), Ba 2 NaNb 5 O 15 , or BaTiO 3 , or contains at least one selected from the group consisting of Mg, Zn, and Sc as an additive . The core using such a nonlinear optical crystal has a refractive index of 2.0 to 2.5. Therefore, a stable over clad layer can be formed on this core.

Ta(x)Nb(2−x)(0≦x≦2)からなるクラッド層は、200〜600℃の比較的低温ではアモルファス構造であり、高速に成膜することができる。クラッド層の構造がアモルファスであることにより、屈折率の異方性を無くすることができる。また、このクラッド層を高温で後処理して結晶化させることにより、または600℃以上かつ結晶化の上限である900℃以下の高温で成膜して単結晶化することにより、クラッド層の内部応力を低減して、機械的強度を改善することができる。 The clad layer made of Ta (x) Nb (2-x) O 5 (0 ≦ x ≦ 2) has an amorphous structure at a relatively low temperature of 200 to 600 ° C., and can be formed at high speed. Since the structure of the cladding layer is amorphous, the anisotropy of the refractive index can be eliminated. Further, the inside of the cladding layer can be crystallized by post-processing this cladding layer at a high temperature, or by forming a single crystal by forming a film at a temperature of 600 ° C. Stress can be reduced to improve mechanical strength.

図2に、本発明の一実施形態にかかるリッジ型導波路の製造方法を示す。厚さ500μmのLT単結晶板21に、厚さ300μm、Z軸方位のLN単結晶板22を重ね、真空中400℃において1時間熱処理し、拡散接合によって貼り合わせる(図2(a))。LN単結晶板22はコア層、LT単結晶板21アンダークラッド層として機能する。なお、LN結晶板22には、波長1.5μmの通信波長帯において波長変換が可能となるように、周期的な分極反転構造が形成されている。次に、LN結晶板22を厚さ10μm以下まで研磨する(図2(b))。さらに、ドライエッチングプロセスにより、導波路パターンを形成し、導波路幅が10μm以下のリッジ型導波路に加工する(図2(c))。   FIG. 2 shows a method for manufacturing a ridge-type waveguide according to an embodiment of the present invention. The LT single crystal plate 21 having a thickness of 500 μm is overlaid with the LN single crystal plate 22 having a thickness of 300 μm and having a Z-axis orientation, heat-treated in a vacuum at 400 ° C. for 1 hour, and bonded by diffusion bonding (FIG. 2A). The LN single crystal plate 22 functions as a core layer and the LT single crystal plate 21 undercladding layer. Note that the LN crystal plate 22 is formed with a periodic domain-inverted structure so that wavelength conversion is possible in a communication wavelength band having a wavelength of 1.5 μm. Next, the LN crystal plate 22 is polished to a thickness of 10 μm or less (FIG. 2B). Further, a waveguide pattern is formed by a dry etching process and processed into a ridge waveguide having a waveguide width of 10 μm or less (FIG. 2C).

このリッジ型導波路の上面および側面にオーバークラッド層として、Ta膜(x=1とする)をマグネトロンスパッタ法により成膜する。図3に、実施例1にかかるスパッタ装置の構成を示す。加熱ヒータ付の基板ホルダー31にリッジ型導波路が形成された基板32を載置する。スパッタターゲット33には、直径120mm、厚さ5mmの高純度Ta金属円板を用い、リッジ導波路基板32に対向するように配置する。 A Ta 2 O 5 film (x = 1) is formed as an overcladding layer on the upper and side surfaces of this ridge-type waveguide by magnetron sputtering. FIG. 3 shows the configuration of the sputtering apparatus according to the first example. A substrate 32 on which a ridge-type waveguide is formed is placed on a substrate holder 31 with a heater. The sputter target 33 is a high-purity Ta metal disk having a diameter of 120 mm and a thickness of 5 mm, and is disposed so as to face the ridge waveguide substrate 32.

なお、スパッタターゲット33の裏側にはマグネット34a,34bを固定して、スパッタターゲット33を貫通する磁界により、電子のサイクロイド運動を生じさせる。スパッタターゲット33前面のプラズマ密度を高めることにより、高速のスパッタ成膜を行う。リッジ導波路基板32は、300℃に加熱し、アルゴンスパッタガスに酸素ガスを加えることにより、ターゲットが酸化するスパッタモードにおいて、0.1μm/分の速度でTa膜を成膜する。このようにして、透明で屈折率が2.10(波長1.5μm)、厚さ10μm以上のアモルファスTa膜を形成する。 Magnets 34 a and 34 b are fixed on the back side of the sputter target 33, and a cycloid motion of electrons is generated by a magnetic field penetrating the sputter target 33. By increasing the plasma density on the front surface of the sputtering target 33, high-speed sputtering film formation is performed. The ridge waveguide substrate 32 is heated to 300 ° C. and oxygen gas is added to the argon sputtering gas to form a Ta 2 O 5 film at a rate of 0.1 μm / min in a sputtering mode in which the target is oxidized. In this manner, an amorphous Ta 2 O 5 film that is transparent, has a refractive index of 2.10 (wavelength of 1.5 μm), and a thickness of 10 μm or more is formed.

図4に、本発明の一実施形態にかかる波長変換素子を示す。オーバークラッド層となるTa膜23の屈折率は、アンダークラッド層のLT単結晶板21の屈折率に近い値である。また、アモルファス構造であるため、屈折率の異方性の無い良好なクラッド膜を形成することができる。さらに、対向するスパッタターゲット33の直径を、導波路断面幅(10μm以下)より十分大きくすることにより、リッジ導波路の側面にも厚いTa膜23が付着し、導波路を包み込むカバーリッジも良好となる。 FIG. 4 shows a wavelength conversion element according to an embodiment of the present invention. The refractive index of the Ta 2 O 5 film 23 serving as the over cladding layer is close to the refractive index of the LT single crystal plate 21 of the under cladding layer. Moreover, since it has an amorphous structure, it is possible to form a good cladding film having no refractive index anisotropy. Furthermore, by making the diameter of the opposing sputter target 33 sufficiently larger than the waveguide cross-sectional width (10 μm or less), a thick Ta 2 O 5 film 23 adheres to the side surface of the ridge waveguide, and the cover ridge wraps around the waveguide. Will also be good.

実施例1によれば、波長1.5μmでの屈折率は、Ta膜23(オーバークラッド層)=2.10、LN結晶板22からなるコア=2.2、LT単結晶板21(アンダークラッド層)=2.14となり、良好な埋め込み型光導波路を作製することができる。 According to Example 1, the refractive index at a wavelength of 1.5 μm is as follows: Ta 2 O 5 film 23 (over clad layer) = 2.10, core made of LN crystal plate 22 = 2.2, LT single crystal plate 21 (Under clad layer) = 2.14, so that a satisfactory buried optical waveguide can be manufactured.

実施例2では、不純物ドープにより屈折率の異なる単結晶板を張り合わせて光導波路を作成する。厚さ500μmのMgドープLT単結晶板21に、厚さ300μm、Z軸方位のZnドープLN単結晶板22を真空中で直接接合させる(図2(a))。ZnドープLN結晶板22には、波長1.5μmの通信波長帯において波長変換が可能となるように、周期的な分極反転構造が形成されている。次に、LN結晶板22を厚さ10μm以下まで研磨する(図2(b))。さらに、ドライエッチングプロセスにより、導波路パターンを形成し、導波路幅が10μm以下のリッジ型導波路に加工する(図2(c))。   In Example 2, an optical waveguide is formed by bonding single crystal plates having different refractive indexes by impurity doping. A Zn-doped LN single crystal plate 22 having a thickness of 300 μm and having a Z-axis orientation is directly bonded to the Mg-doped LT single crystal plate 21 having a thickness of 500 μm in a vacuum (FIG. 2A). The Zn-doped LN crystal plate 22 is formed with a periodic domain-inverted structure so that wavelength conversion is possible in a communication wavelength band having a wavelength of 1.5 μm. Next, the LN crystal plate 22 is polished to a thickness of 10 μm or less (FIG. 2B). Further, a waveguide pattern is formed by a dry etching process and processed into a ridge waveguide having a waveguide width of 10 μm or less (FIG. 2C).

このリッジ型導波路の上面および側面にオーバークラッド層として、Ta膜(x=1とする)をマグネトロンスパッタ法により成膜する。スパッタ装置の構成は、実施例1に示した図3に同じである。リッジ導波路基板32は、500℃に加熱して成膜する。このようにして、透明で屈折率が2.10(波長1.5μm)、厚さ10μm以上のアモルファスTa膜を形成する。 A Ta 2 O 5 film (x = 1) is formed as an overcladding layer on the upper and side surfaces of this ridge-type waveguide by magnetron sputtering. The configuration of the sputtering apparatus is the same as that shown in FIG. The ridge waveguide substrate 32 is formed by heating to 500 ° C. In this manner, an amorphous Ta 2 O 5 film that is transparent, has a refractive index of 2.10 (wavelength of 1.5 μm), and a thickness of 10 μm or more is formed.

実施例2によれば、熱膨張係数が同じ同種の基板を張り合わせたので、オーバークラッド層の成膜時の温度(500℃)が、基板を直接接合する温度(400℃)よりも高いにもかかわらず、基板の接合部に破損等を生じないで作製することができる。   According to Example 2, since the same type of substrates having the same thermal expansion coefficient were bonded together, the temperature at the time of forming the over clad layer (500 ° C.) was higher than the temperature at which the substrates were directly bonded (400 ° C.). Regardless, it can be manufactured without causing damage or the like in the joint portion of the substrate.

実施例3では、厚さ500μmのLT単結晶板21に、厚さ300μm、Z軸方位のLN単結晶板22を真空中で直接接合させる(図2(a))。LN結晶板22には、波長1.5μmの通信波長帯において波長変換が可能となるように、周期的な分極反転構造が形成されている。次に、LN結晶板22を厚さ10μm以下まで研磨する(図2(b))。さらに、ドライエッチングプロセスにより、導波路パターンを形成し、導波路幅が10μm以下のリッジ型導波路に加工する(図2(c))。   In Example 3, an LN single crystal plate 22 having a thickness of 300 μm and a Z-axis orientation is directly bonded to an LT single crystal plate 21 having a thickness of 500 μm in a vacuum (FIG. 2A). The LN crystal plate 22 is formed with a periodic domain-inverted structure so that wavelength conversion is possible in a communication wavelength band having a wavelength of 1.5 μm. Next, the LN crystal plate 22 is polished to a thickness of 10 μm or less (FIG. 2B). Further, a waveguide pattern is formed by a dry etching process and processed into a ridge waveguide having a waveguide width of 10 μm or less (FIG. 2C).

このリッジ型導波路の上面および側面にオーバークラッド層として、Ta膜を熱分解CVD法により形成する。リッジ導波路基板は、反応容器内にカーボン製の保持具により固定する。出発原料として、Ta(OC(COH含む)と酸素ガスとを用い、反応容器外部の蒸発器およびボンベから供給する。リッジ導波路基板を350℃に加熱し、下記の熱分解反応に基づいて成膜した。
2Ta(OC→Ta+5COH+5C
成膜速度は、Ta(OCの蒸発温度と、COHの添加量と、酸素ガス流量とにより制御し、0.01μm/分以上の速度で成膜する。
A Ta 2 O 5 film is formed as an overcladding layer on the upper and side surfaces of the ridge-type waveguide by a thermal decomposition CVD method. The ridge waveguide substrate is fixed in the reaction container by a carbon holder. As starting materials, Ta (OC 2 H 5 ) 5 (including C 2 H 5 OH) and oxygen gas are used and supplied from an evaporator and a cylinder outside the reaction vessel. The ridge waveguide substrate was heated to 350 ° C. to form a film based on the following thermal decomposition reaction.
2Ta (OC 2 H 5 ) 5 → Ta 2 O 5 + 5C 2 H 5 OH + 5C 2 H 4
The film formation rate is controlled by the evaporation temperature of Ta (OC 2 H 5 ) 5 , the amount of C 2 H 5 OH added, and the oxygen gas flow rate, and is formed at a rate of 0.01 μm / min or more.

このようにして、透明で屈折率が2.10(波長1.5μm)、厚さ10μm以上のアモルファスTa膜23を形成する(図4)。リッジ導波路の側面にも厚いTa膜23が付着し、導波路を包み込むカバーリッジも良好となる。実施例3によれば、波長1.5μmでの屈折率は、Ta膜23(オーバークラッド層)=2.10、LN結晶板22からなるコア=2.2、LT単結晶板21(アンダークラッド層)=2.1となり、良好な埋め込み型光導波路を作製することができる。 In this manner, an amorphous Ta 2 O 5 film 23 that is transparent, has a refractive index of 2.10 (wavelength of 1.5 μm), and a thickness of 10 μm or more is formed (FIG. 4). A thick Ta 2 O 5 film 23 is also attached to the side surface of the ridge waveguide, and the cover ridge surrounding the waveguide is also good. According to Example 3, the refractive index at a wavelength of 1.5 μm is as follows: Ta 2 O 5 film 23 (over clad layer) = 2.10, core made of LN crystal plate 22 = 2.2, LT single crystal plate 21 (Under clad layer) = 2.1, and a satisfactory buried optical waveguide can be manufactured.

実施例4では、Z軸方位のLN単結晶板に、波長1.5μmの通信波長帯において波長変換が可能となるように、周期的な分極反転構造を形成した後、プロトン交換法によって拡散導波路を形成した結晶基板を用いる。なお、導波路の側壁をドライエッチングプロセスにより露出させてリッジ型導波路とした。このリッジ型導波路の上面および側面にオーバークラッド層として、Ta膜をマグネトロンスパッタ法により成膜する。スパッタターゲットには、直径120mm、厚さ5mmのTa金属円板を用い、リッジ型導波路に対向するように配置する。 In Example 4, a periodic domain-inverted structure is formed on a ZN-oriented LN single crystal plate so that wavelength conversion is possible in a communication wavelength band of 1.5 μm, and then diffusion-conducted by a proton exchange method. A crystal substrate on which a waveguide is formed is used. The side wall of the waveguide was exposed by a dry etching process to form a ridge waveguide. A Ta 2 O 5 film is formed as an overcladding layer on the upper and side surfaces of the ridge-type waveguide by magnetron sputtering. As the sputtering target, a Ta metal disk having a diameter of 120 mm and a thickness of 5 mm is used and disposed so as to face the ridge-type waveguide.

リッジ導波路基板を300℃に加熱し、アルゴンスパッタガスに酸素ガスを加えることにより、ターゲットが酸化するスパッタモードにおいて、0.1μm/分の速度でTa膜を成膜する。このようにして、透明で屈折率が2.10(波長1.5μm)、厚さ10μm以上のアモルファスTa膜23を形成する(図4)。対向するスパッタターゲットの直径を、導波路断面幅(10μm以下)より十分大きくすることにより、リッジ導波路の側面にも厚いTa膜23が付着し、導波路を包み込むカバーリッジも良好となる。 By heating the ridge waveguide substrate to 300 ° C. and adding oxygen gas to the argon sputtering gas, a Ta 2 O 5 film is formed at a rate of 0.1 μm / min in a sputtering mode in which the target is oxidized. In this manner, an amorphous Ta 2 O 5 film 23 that is transparent, has a refractive index of 2.10 (wavelength of 1.5 μm), and a thickness of 10 μm or more is formed (FIG. 4). By making the diameter of the opposing sputter target sufficiently larger than the waveguide cross-sectional width (10 μm or less), a thick Ta 2 O 5 film 23 is attached to the side surface of the ridge waveguide, and the cover ridge surrounding the waveguide is also good. Become.

実施例4によれば、波長1.5μmでの屈折率は、Ta膜23(オーバークラッド層)=2.10、LN結晶板22からなるコア=2.2、LT単結晶板21(アンダークラッド層)=2.14となり、良好な埋め込み型光導波路を作製することができる。 According to Example 4, the refractive index at a wavelength of 1.5 μm is as follows: Ta 2 O 5 film 23 (over clad layer) = 2.10, core made of LN crystal plate 22 = 2.2, LT single crystal plate 21 (Under clad layer) = 2.14, so that a satisfactory buried optical waveguide can be manufactured.

実施例5では、Z軸方位のLN単結晶板に、波長1.5μmの通信波長帯において波長変換が可能となるように、周期的な分極反転構造を形成した後、プロトン交換法によって拡散導波路を形成した結晶基板を用いる。なお、導波路の側壁をドライエッチングプロセスにより露出させてリッジ型導波路とした。このリッジ型導波路の上面および側面にオーバークラッド層として、Nb(x)Ta(2−x)(0≦x≦2)膜をマグネトロンスパッタ法により成膜する。 In Example 5, a periodic domain-inverted structure is formed on a ZN-oriented LN single crystal plate so that wavelength conversion is possible in the communication wavelength band of 1.5 μm, and then diffusion-conducted by a proton exchange method. A crystal substrate on which a waveguide is formed is used. The side wall of the waveguide was exposed by a dry etching process to form a ridge waveguide. An Nb (x) Ta (2-x) O 5 (0 ≦ x ≦ 2) film is formed as an overcladding layer on the upper and side surfaces of the ridge-type waveguide by a magnetron sputtering method.

実施例5では、膜の屈折率が2.15になるような組成を選択する。Taの屈折率=2.1、Nbの屈折率=2.3を考慮して、x=0.25、すなわちNb0.25Ta1.75の組成を選択する。スパッタターゲットには組成調整したTa/Nb合金板を用い、リッジ型導波路に対向するように配置する。 In Example 5, the composition is selected so that the refractive index of the film is 2.15. Considering the refractive index of Ta 2 O 5 = 2.1 and the refractive index of Nb 2 O 5 = 2.3, the composition of x = 0.25, that is, Nb 0.25 Ta 1.75 O 5 is selected. . A Ta / Nb alloy plate whose composition is adjusted is used as the sputtering target, and is arranged so as to face the ridge-type waveguide.

リッジ導波路基板を300℃に加熱し、アルゴンスパッタガスと酸素ガスの雰囲気中において、0.1μm/分の速度で成膜する。このようにして、透明で厚さ10μm以上のアモルファスNb0.25Ta1.75膜を形成する。対向するスパッタターゲットの直径を、導波路断面幅(10μm以下)より十分大きくすることにより、リッジ導波路の側面にも厚い膜が付着し、導波路を包み込むカバーリッジも良好でとなる。 The ridge waveguide substrate is heated to 300 ° C. to form a film at a rate of 0.1 μm / min in an atmosphere of argon sputtering gas and oxygen gas. In this way, an amorphous Nb 0.25 Ta 1.75 O 5 film having a thickness of 10 μm or more is formed. By making the diameter of the facing sputtering target sufficiently larger than the waveguide cross-sectional width (10 μm or less), a thick film adheres also to the side surface of the ridge waveguide, and the cover ridge that wraps the waveguide becomes good.

実施例5によれば、波長1.5μmでの屈折率は、Nb0.25Ta1.75膜(オーバークラッド層)=2.15、LN結晶板からなるコア=2.2、LT単結晶板(アンダークラッド層)=2.14となり、良好な埋め込み型光導波路を作製することができる。実施例5によれば、オーバークラッド層の屈折率をLT単結晶板の屈折率に近い値に調整することにより、シングルモードによる光伝播を実現することができる。 According to Example 5, the refractive index at a wavelength of 1.5 μm is as follows: Nb 0.25 Ta 1.75 O 5 film (over clad layer) = 2.15, core made of LN crystal plate = 2.2, LT Single crystal plate (under clad layer) = 2.14, and a satisfactory buried optical waveguide can be manufactured. According to Example 5, single mode light propagation can be realized by adjusting the refractive index of the over cladding layer to a value close to the refractive index of the LT single crystal plate.

実施例6では、Z軸方位のLN単結晶板に、所望の波長変換が可能となるように、周期的な分極反転構造を形成した後、プロトン交換法によって拡散導波路を形成した結晶基板を用いる。なお、導波路の側壁をドライエッチングプロセスにより露出させてリッジ型導波路とした。このリッジ型導波路の上面および側面にオーバークラッド層として、Nb(x)Ta(2−x)(0≦x≦2)膜をマグネトロンスパッタ法により成膜する。 In Example 6, after forming a periodic domain-inverted structure on a ZN-oriented LN single crystal plate so that desired wavelength conversion is possible, a crystal substrate on which a diffusion waveguide is formed by a proton exchange method is used. Use. The side wall of the waveguide was exposed by a dry etching process to form a ridge waveguide. An Nb (x) Ta (2-x) O 5 (0 ≦ x ≦ 2) film is formed as an overcladding layer on the upper and side surfaces of the ridge-type waveguide by a magnetron sputtering method.

実施例6では、成膜初期のx=0.25をx=0まで連続変化させる。すなわち、オーバークラッドの組成は、Nb0.25Ta1.25からTaまで変化する傾斜組成とする。図5に、実施例6にかかるスパッタ装置の構成を示す。加熱ヒータ付の基板ホルダー31にリッジ型導波路が形成された基板32を載置する。スパッタターゲット33には、直径120mm、厚さ5mmのTa金属円板を用い、リッジ導波路基板32に対向するように配置する。さらに、2分割されたNb金属ターゲット36a,36bを独立に用い、リッジ導波路基板32に対して直上または斜め上方位置に対向して配置する。 In Example 6, x = 0.25 at the initial stage of film formation is continuously changed to x = 0. That is, the composition of the over clad is a gradient composition that changes from Nb 0.25 Ta 1.25 O 5 to Ta 2 O 5 . FIG. 5 shows the configuration of the sputtering apparatus according to Example 6. A substrate 32 on which a ridge-type waveguide is formed is placed on a substrate holder 31 with a heater. A Ta metal disc having a diameter of 120 mm and a thickness of 5 mm is used for the sputter target 33 and is disposed so as to face the ridge waveguide substrate 32. Further, the Nb metal targets 36a and 36b divided into two are used independently, and are arranged directly above or obliquely above the ridge waveguide substrate 32.

スパッタ用電源35からスパッタターゲット33(Ta金属ターゲット)に投入する電力を一定に保ち、スパッタ用電源37からNb金属ターゲット36a,36bに投入する電力を、Nb0.25Ta1.75となる電力値から連続的に零まで減少させることにより、組成制御を行った。リッジ導波路基板32は、300℃に加熱し、アルゴンスパッタガスと酸素ガスの雰囲気中において、0.1μm/分の速度で成膜する。 The power supplied from the sputtering power source 35 to the sputtering target 33 (Ta metal target) is kept constant, and the power supplied from the sputtering power source 37 to the Nb metal targets 36a and 36b is Nb 0.25 Ta 1.75 O 5 . The composition control was performed by continuously decreasing the power value to zero. The ridge waveguide substrate 32 is heated to 300 ° C. and formed at a rate of 0.1 μm / min in an atmosphere of argon sputtering gas and oxygen gas.

このようにして、透明で厚さ2μm以上のアモルファスNb(x)Ta(2−x)(0≦x≦0.25)膜を形成する。オーバークラッド層の屈折率は、リッジ型導波路のコアから外周部に向かって小さくなり、2.15から2.10まで(波長1.5μm)連続的に変化する。このようなオーバークラッド層を用いることにより、実施例1〜5よりも薄いオーバークラッド層であるにもかかわらず、光の閉じ込め、信号光と制御光の光電界の重なり積分の改善、およびシングルモード光伝播において同等の効果を得ることができる。なお、同等の効果を得るためのオーバークラッド層の厚さは、少なくとも1μm以上である。 In this way, an amorphous Nb (x) Ta (2-x) O 5 (0 ≦ x ≦ 0.25) film having a thickness of 2 μm or more is formed. The refractive index of the over clad layer decreases from the core of the ridge-type waveguide toward the outer peripheral portion, and continuously changes from 2.15 to 2.10 (wavelength: 1.5 μm). By using such an overcladding layer, although it is an overcladding layer thinner than those of Examples 1 to 5, light confinement, improvement in overlap integral of optical fields of signal light and control light, and single mode An equivalent effect can be obtained in light propagation. In addition, the thickness of the over clad layer for obtaining the same effect is at least 1 μm or more.

実施例7では、実施例1〜6で作製したリッジ導波路を、成膜時よりも高い温度環境で熱処理する。処理雰囲気は真空中または大気中で、処理温度600℃以上で行う。スパッタリング法、イオンプレーティング法、または熱分解CVD法のいずれの成膜法においても、成膜後にチャンバーあるいは反応容器から基板を取り出さずに残したまま、基板温度を上げて高温処理を行う。オーバークラッド層は、成膜時においてアモルファスであるが、600℃以上で1時間以上加熱することにより結晶化する。また、スパッタ法では、成膜時にアルゴンガスが膜中に取り込まれるが、高温処理によりアルゴンガスが膜中から外部拡散により放出されるという効果がある。   In Example 7, the ridge waveguide manufactured in Examples 1 to 6 is heat-treated in a higher temperature environment than during film formation. The treatment atmosphere is vacuum or air, and the treatment temperature is 600 ° C. or higher. In any film formation method such as sputtering, ion plating, or thermal decomposition CVD, the substrate temperature is raised and the high temperature treatment is performed without removing the substrate from the chamber or reaction vessel after film formation. The over clad layer is amorphous at the time of film formation, but is crystallized by heating at 600 ° C. or higher for 1 hour or longer. Further, in the sputtering method, argon gas is taken into the film at the time of film formation, but there is an effect that the argon gas is released from the film by external diffusion by the high temperature treatment.

膜の構造変化による緻密化とガス放出により、オーバークラッド層の内部応力が低減し、機械的強度は増加する。一般に、導波路基板上にクラッドを成膜すると、膜と基板の熱膨張係数の違いにより生ずるバイメタル効果、およびガス吸蔵による体積膨張の効果により、基板が反る傾向にある。しかしながら、実施例7によれば、緻密化とガス放出により、基板の反りを大幅に低減することができ、50mm以上の光導波路を作製することができる。   Due to the densification and gas release due to the structural change of the film, the internal stress of the over clad layer is reduced and the mechanical strength is increased. In general, when a clad is formed on a waveguide substrate, the substrate tends to warp due to a bimetallic effect caused by a difference in thermal expansion coefficient between the film and the substrate and a volume expansion effect due to gas occlusion. However, according to Example 7, warpage of the substrate can be significantly reduced by densification and gas release, and an optical waveguide of 50 mm or more can be manufactured.

実施例8では、厚さ500μmのLT単結晶板21に、厚さ300μm、Z軸方位のLN単結晶板22を真空中で直接接合させる(図2(a))。LN単結晶板22には、可視から中赤外の特定波長において波長変換が可能となるように、周期的な分極反転構造が形成されている。次に、LN結晶板22を厚さ10μm以下まで研磨する(図2(b))。さらに、ドライエッチングプロセスにより、導波路パターンを形成し、導波路幅が10μm以下のリッジ型導波路に加工する(図2(c))。   In Example 8, an LN single crystal plate 22 having a thickness of 300 μm and a Z-axis orientation is directly bonded to an LT single crystal plate 21 having a thickness of 500 μm in a vacuum (FIG. 2A). The LN single crystal plate 22 is formed with a periodic domain-inverted structure so that wavelength conversion is possible at a specific wavelength from visible to mid-infrared. Next, the LN crystal plate 22 is polished to a thickness of 10 μm or less (FIG. 2B). Further, a waveguide pattern is formed by a dry etching process and processed into a ridge waveguide having a waveguide width of 10 μm or less (FIG. 2C).

このリッジ型導波路の上面および側面にオーバークラッド層として、Ta膜をゾル・ゲル法により形成する。出発原料として、Ta(OCとエタノールアミンとを反応させた安定化アルコキシドを用いる。これに水を加えて、加水分解・重合反応させたゾル液を生成する。スピンナーを用いて回転台に固定したリッジ型導波路に、ゾル液をコーティングし、乾燥させる。さらに、大気中でリッジ型導波路を600℃に加熱し、膜の焼成を行いTa膜の単結晶化膜を得た。 A Ta 2 O 5 film is formed as an overcladding layer on the upper and side surfaces of the ridge-type waveguide by a sol-gel method. As a starting material, a stabilized alkoxide obtained by reacting Ta (OC 2 H 5 ) 5 and ethanolamine is used. Water is added to this to produce a sol liquid that is hydrolyzed and polymerized. A ridge type waveguide fixed to a turntable using a spinner is coated with a sol solution and dried. Further, the ridge-type waveguide was heated to 600 ° C. in the atmosphere, and the film was baked to obtain a single crystallized film of Ta 2 O 5 film.

この工程1回の膜厚は約0.1μmである。この工程を繰り返し、透明で屈折率が2.2〜2.1(波長633nm〜1.5μm)、厚さ5μm以上のTa膜23を形成する(図4)。薄い単結晶膜を繰り返し成膜することにより、オーバークラッド層の内部応力を緩和し、かつ緻密化できるので、基板の反りのない機械的強度の高いクラッドを形成することができる。リッジ導波路の側面にも厚いTa膜23が付着し、導波路を包み込むカバーリッジも良好となる。このようにして、光学的、構造的に高品質のクラッドを形成することができる。 The film thickness in this process is about 0.1 μm. This process is repeated to form a transparent Ta 2 O 5 film 23 having a refractive index of 2.2 to 2.1 (wavelength of 633 nm to 1.5 μm) and a thickness of 5 μm or more (FIG. 4). By repeatedly forming a thin single crystal film, the internal stress of the over clad layer can be relaxed and densified, so that a clad having high mechanical strength without warping of the substrate can be formed. A thick Ta 2 O 5 film 23 is also attached to the side surface of the ridge waveguide, and the cover ridge surrounding the waveguide is also good. In this way, an optically and structurally high quality cladding can be formed.

小型で高効率の波長変換が可能であり、かつシングルモード光伝播が可能な波長変換素子を提供することができ、出力光の波長が赤外から可視光領域まで広範囲にわたるレーザ光源に応用することができる。   A compact and highly efficient wavelength converter capable of providing a wavelength converter capable of single-mode light propagation, and being applied to a laser light source with a wide range of output light wavelengths from infrared to visible light. Can do.

従来のリッジ型導波路の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the conventional ridge type waveguide. 本発明の一実施形態にかかるリッジ型導波路の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the ridge type waveguide concerning one Embodiment of this invention. 実施例1にかかるスパッタ装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the sputtering device concerning Example 1. FIG. 本発明の一実施形態にかかる波長変換素子を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the wavelength conversion element concerning one Embodiment of this invention. 実施例6にかかるスパッタ装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the sputtering device concerning Example 6. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

11 基板
12 コア
21 LT単結晶板
22 LN単結晶板
23 Ta
31 基板ホルダー
32 リッジ型導波路基板
33 スパッタターゲット
34a,34b マグネット
35,37 スパッタ用電源
36a,36b Nb金属ターゲット
11 Substrate 12 Core 21 LT Single Crystal Plate 22 LN Single Crystal Plate 23 Ta 2 O 5 Film 31 Substrate Holder 32 Ridge Waveguide Substrate 33 Sputter Target 34a, 34b Magnet 35, 37 Sputtering Power Supply 36a, 36b Nb Metal Target

Claims (9)

非線形光学効果を有する材料からなり周期的な分極反転構造を有するコアが、基板上に形成されたリッジ型の光導波路を含む波長変換素子において、
前記コアの前記基板に接していない面に、Ta(x)Nb(2−x)0<x<2)からなる組成のアモルファス構造であって、厚さが1μm以上20μm以下であるオーバークラッド層を有することを特徴とする波長変換素子。
In a wavelength conversion element including a ridge type optical waveguide in which a core made of a material having a nonlinear optical effect and having a periodically domain-inverted structure is formed on a substrate,
The surface of the core that is not in contact with the substrate has an amorphous structure composed of Ta (x) Nb (2-x) O 5 ( 0 <x <2 ) and has a thickness of 1 μm or more and 20 μm or less. A wavelength conversion element comprising an over cladding layer.
前記非線形光学効果を有する材料は、LiNbO、KNbO、LiTaO、KTaO、LiNb(x)Ta(1−x)(0<x<1)、KNb(x)Ta(1−x)(0<x<1)、BaNaNb15、BaTiOのいずれかであり、またはこれらにMg、Zn、Scからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする請求項1に記載の波長変換素子。 The material having the nonlinear optical effect is LiNbO 3 , KNbO 3 , LiTaO 3 , KTaO 3 , LiNb (x) Ta (1-x) O 3 (0 <x <1), KNb (x) Ta (1-x ) O 3 (0 <x <1), Ba 2 NaNb 5 O 15 , BaTiO 3 , or at least one selected from the group consisting of Mg, Zn, and Sc as an additive The wavelength conversion element according to claim 1, wherein: 前記オーバークラッド層の組成(x)は、前記オーバークラッド層の屈折率が前記コアの屈折率よりも小さくなるように、一定の値に制御されていることを特徴とする請求項1または2に記載の波長変換素子。   The composition (x) of the over clad layer is controlled to a constant value so that the refractive index of the over clad layer is smaller than the refractive index of the core. The wavelength conversion element as described. 前記オーバークラッド層の組成(x)は、前記オーバークラッド層の屈折率が前記コアの屈折率よりも小さく、および前記コアから外周部に向けてなだらかに小さくなるように制御されていることを特徴とする請求項1または2に記載の波長変換素子。   The composition (x) of the over clad layer is controlled such that the refractive index of the over clad layer is smaller than the refractive index of the core and gradually decreases from the core toward the outer peripheral portion. The wavelength conversion element according to claim 1 or 2. 非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有するコアが形成されたリッジ型の光導波路を含む波長変換素子の製造方法において、
前記非線形光学効果を有する材料からなり、前記周期的な分極反転構造を有する第1の基板と第2の基板とを、熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第1の工程と、
前記第1の基板を、前記コアを形成するための所定の厚さに研磨する第2の工程と、
前記第1の基板を切削して前記コアを形成し、リッジ型の光導波路を作製する第3の工程と、
前記コアの前記第1の基板に接していない面に、Ta(x)Nb(2−x)0<x<2)からなる組成のアモルファス構造であって、厚さが1μm以上20μm以下であるオーバークラッド層を形成する第4の工程と
を備えたことを特徴とする波長変換素子の製造方法。
In a method of manufacturing a wavelength conversion element including a ridge-type optical waveguide made of a material having a nonlinear optical effect and having a core having a periodically poled structure,
A first step of bonding the first substrate and the second substrate made of a material having the nonlinear optical effect and having the periodic domain-inverted structure by diffusion bonding by heat treatment;
A second step of polishing the first substrate to a predetermined thickness for forming the core;
A third step of cutting the first substrate to form the core and producing a ridge-type optical waveguide;
The surface of the core that is not in contact with the first substrate has an amorphous structure having a composition of Ta (x) Nb (2-x) O 5 ( 0 <x <2 ), and has a thickness of 1 μm or more and 20 μm. And a fourth step of forming an overcladding layer as described below . A method for manufacturing a wavelength conversion element, comprising:
前記第4の工程は、スパッタリング法、イオンプレーティング法の物理的蒸着法、熱分解CVD法、ゾル・ゲル法の化学的蒸着法のいずれかにより、前記オーバークラッド層を形成することを特徴とする請求項5に記載の波長変換素子の製造方法。   The fourth step is characterized in that the over clad layer is formed by any one of a sputtering method, a physical vapor deposition method of an ion plating method, a thermal decomposition CVD method, and a chemical vapor deposition method of a sol-gel method. The manufacturing method of the wavelength conversion element of Claim 5. 前記第4の工程は、前記リッジ型の光導波路を600℃以上900℃以下に加熱し、前記オーバークラッド層を結晶化させ、内部応力を低減することを特徴とする請求項5または6に記載の波長変換素子の製造方法。   7. The fourth step according to claim 5, wherein the ridge type optical waveguide is heated to 600 ° C. or higher and 900 ° C. or lower to crystallize the over clad layer and reduce internal stress. Manufacturing method of the wavelength conversion element. 前記第4の工程は、前記オーバークラッド層の屈折率が前記コアの屈折率よりも小さくなるように、前記オーバークラッド層の組成(x)を一定の値に制御することを特徴とする請求項5、6または7に記載の波長変換素子の製造方法。 The fourth step is characterized in that the composition (x) of the over clad layer is controlled to a constant value so that the refractive index of the over clad layer is smaller than the refractive index of the core. The method for producing a wavelength conversion element according to 5, 6 or 7 . 前記第4の工程は、前記オーバークラッド層の屈折率が前記コアの屈折率よりも小さく、および前記コアから外周部に向けてなだらかに小さくなるように、前記オーバークラッド層の組成(x)を制御することを特徴とする請求項5、6または7に記載の波長変換素子の製造方法。 In the fourth step, the composition (x) of the over clad layer is set so that the refractive index of the over clad layer is smaller than the refractive index of the core and gradually decreases from the core toward the outer peripheral portion. The method of manufacturing a wavelength conversion element according to claim 5, 6 or 7 , wherein control is performed.
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