專利名稱：高次諧波生成裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高次諧波生成裝置。
背景技術(shù)：
在整個光信息處理技術(shù)中，為了實現(xiàn)高密度的光記錄，要求以30mW以 上的輸出并且穩(wěn)定地振蕩輸出波長為400-430nm左右的藍光的藍光激光器， 進行開發(fā)竟?fàn)?。作為藍光光源，期待組合了將紅光作為基波來進行振蕩的激光 器和準(zhǔn)相位匹配方式的二次諧波生成元件的光波導(dǎo)型波長轉(zhuǎn)換元件。
鈮酸鋰或者鉭酸鋰單晶這樣的非線性光學(xué)晶體的二階非線性光學(xué)系數(shù)大， 通過在這些晶體中形成周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)相位匹配 (Quasi-Ph&se-Matched:QPM )方式的 二 次諧波生成 (Second-Harmonic-Generation: SHG)設(shè)備。此外，通過在該周期極化反轉(zhuǎn)結(jié) 構(gòu)內(nèi)形成波導(dǎo)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的SHG設(shè)備，可以廣泛地用于光通信、醫(yī)學(xué)、 光化學(xué)、各種光測量等。
在專利文獻l中，通過聚光透鏡系統(tǒng)對來自DFB激光二極管的基波進行 聚光，然后向PPLN光波導(dǎo)元件進行照射來得到高次諧波(綠光)，對該高次 諧波進行聚光，并使其振蕩。PPLN光波導(dǎo)元件在摻雜了 MgO的鈮酸鋰單晶 基板上形成光波導(dǎo)，并在該光波導(dǎo)內(nèi)形成了周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。對鈮酸鋰單晶 的光波導(dǎo)元件的入射側(cè)端面以及出射側(cè)端面進行研磨，使其從與光波導(dǎo)垂直的 垂直面較大地傾斜。由此，防止返回光向激光振蕩源的入射。
此外，本申請人公開了在由鈮酸鋰單晶的Z板形成的塊狀基板上形成周期 極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，制作了二次諧波生成元件(專利文獻2)。而且，公開了在鈮 酸鋰單晶的5度偏置Y板的薄板上形成溝道光波導(dǎo)，在該光波導(dǎo)內(nèi)形成周期 極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，作為二次諧波生成元件。
專利文獻1IQEC/CLEO-PR 2005， Tokyo, Japan, July 11-15， 2005, post-deadline paper PDG-專利文獻2特開2005-7019專利文獻3WO2006/41172Al

發(fā)明內(nèi)容
但是，本發(fā)明的發(fā)明者對大面積(broad area)半導(dǎo)體激光光源，光學(xué)耦 合波導(dǎo)型高次諧波生成元件，通過周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)進行波長轉(zhuǎn)換，但有時高 次諧波的振蕩變得不穩(wěn)定。
此外，在為鈮酸鋰單晶的Z板的塊狀(bulk)元件時，通過周期極化反轉(zhuǎn) 結(jié)構(gòu)對大面積半導(dǎo)體激光光源進行波長轉(zhuǎn)換，但有時高次諧波的振蕩變得不穩(wěn) 定。在為塊狀元件時，能夠通過形成光源和共振器來防止這樣的振蕩的不穩(wěn)定。 但是，判明此時周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致基波激光反射、散射，造成損失，波長 轉(zhuǎn)換效率降低。
本發(fā)明的課題是在具有用于轉(zhuǎn)換激光的波長來產(chǎn)生高次諧波的周期極化 反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的高次諧波生成元件中，防止高次諧波的振蕩變得不穩(wěn)定。
本發(fā)明的特征在為在具有用于轉(zhuǎn)換激光的波長來產(chǎn)生高次諧波的周期極 化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的高次諧波生成元件中，周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的^ l化反轉(zhuǎn)面和激光的 傳播方向形成的角度e為80°以上，89°以下。
本發(fā)明的發(fā)明者研究了作為基波的激光振蕩不穩(wěn)定的原因，得到以下的發(fā) 現(xiàn)。參照圖1、圖2進行敘述。通過交替地形成多個極化反轉(zhuǎn)部6和多個非極 化反轉(zhuǎn)部7來得到周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)8。在圖l的例子中，使溝道光波導(dǎo)2相 對于極化反轉(zhuǎn)面P垂直地通過，將激光作為基波使其沿箭頭L的方向射入， 在波導(dǎo)內(nèi)傳播。
但是，此時，發(fā)現(xiàn)了以下的情況由于周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)8內(nèi)的衍射現(xiàn)象， 入射到光波導(dǎo)中的基波的一部分成為返回光，從而入射到激光光源中，由此引 起共振，基波的振蕩變得不穩(wěn)定。這樣的衍射現(xiàn)象是由周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的周 期結(jié)構(gòu)所帶來的。但是，以前沒有觀測到這樣的衍射現(xiàn)象和返回光，因此，作 為基波振蕩變得不穩(wěn)定的原因確定為返回光，這是本發(fā)明發(fā)明者的發(fā)現(xiàn)。


圖1是模式地表示在光波導(dǎo)基板的表面上形成了周期才及化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)8的狀 態(tài)的平面圖。圖2 (a)是圖1的IIa-IIa線的斷面圖，圖2 (b)是圖1的IIb-IIb線的斷面圖。
圖3是^t式地表示在光波導(dǎo)基板的表面上形成了周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)18的 狀態(tài)的平面圖。
圖4 (a)是圖3的IVa- IVa線的斷面，圖4 (b)是圖3的IVb-IVb線的斷面。
圖5 (a)是模式地表示比較例的在塊狀的光波導(dǎo)基板10的表面10e上形 成了周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)28的狀態(tài)的平面圖，圖5 ( b )是(a)的Vb-Vb線的 斷面圖。
圖6 ( a)是模式地表示本發(fā)明的在塊狀的光波導(dǎo)基板10的表面10e上形 成了周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)38的狀態(tài)的平面圖，圖6 (b)是(a)的VIb-VIb線 的斷面圖。 符號說明
2溝道光波導(dǎo)；3供電電極；4對置電極；5、 5A電極片；6、 6A、 16、 16A極 化反轉(zhuǎn)部；7、 7A、 17、 17A非極化反轉(zhuǎn)部；35鐵電體層；40粘接層；41支 撐基板；A基波；L光傳播方向；P極化反轉(zhuǎn)面的方向；e極化反轉(zhuǎn)面與光傳 播方向形成的角
具體實施例方式
以下，更具體地i兌明本發(fā)明。
圖1、圖2 (a)、 (b)表示現(xiàn)有例子。圖1是4莫式地表示在光波導(dǎo)基^1的 表面上形成了周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)8的狀態(tài)的平面圖；圖2 (a)是圖1的IIa-IIa 線的斷面圖，圖2 (b)是圖1的IIb-IIb線的斷面圖。
在本例子中，光波導(dǎo)基板35的底面通過粘接層40與異體的支撐基板41 的上表面粘接。朝向光的傳播方向L交替地形成多個極化反轉(zhuǎn)部6和非極化 反轉(zhuǎn)部7，由此形成了周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)8。為了參考，在圖1中表示形成了 用于形成極化反轉(zhuǎn)部6的梳型電極的電極片5、供電電極3、對置電極4的狀 態(tài)。當(dāng)在供電電極3和對置電極4之間施加預(yù)定的電壓時，極化反轉(zhuǎn)部6分別 從多個電極片5的前端部分延伸。
極化反轉(zhuǎn)部和非極化反轉(zhuǎn)部的邊界是極化反轉(zhuǎn)面。然后，在現(xiàn)有的例子中，極化反轉(zhuǎn)面的方向P與光的傳播方向L垂直。此時，當(dāng)在周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) 內(nèi)產(chǎn)生了衍射現(xiàn)象，向激光光源存在返回光，成為激光(基波)的振蕩變得不 穩(wěn)定的原因。
圖3、圖4 (a)、 (b)表示本發(fā)明的例子。圖3是模式地表示在光波導(dǎo)基 板的表面上形成了周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)18的狀態(tài)的平面圖，圖4 (a)是圖3的 IVa-IVa線的斷面圖，圖4 (b)是圖3的IVb-IVb線的斷面圖。
在本例中，光波導(dǎo)基板35的底面通過粘接層40與異體的支撐基板41的 上表面粘4妄。能夠在光波導(dǎo)基板35的底面上形成下包層，此外，能夠在基板 35的上表面形成上包層或緩沖層。而且，經(jīng)由上包層能夠?qū)⒒?5的上表面 與未圖示的上側(cè)基板粘接。
朝向光的傳播方向L交替地形成多個極化反轉(zhuǎn)部6A和非極化反轉(zhuǎn)部7A, 由此形成了周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)18。為了參考，在圖3中表示形成了用于形成 極化反轉(zhuǎn)部6A的梳型電極的電極片5A、供電電極3、對置電極4的狀態(tài)。當(dāng) 在供電電極3和對置電極4之間施加預(yù)定的電壓時，極化反轉(zhuǎn)部6A分別從多 個電才及片5A的前端部分延伸。
極化反轉(zhuǎn)部6A和非極化反轉(zhuǎn)部7A的邊界是極化反轉(zhuǎn)面。例如可以通過 濕法刻蝕來觀測極化反轉(zhuǎn)面。在本例中，極化反轉(zhuǎn)面的方向P和光的傳播方向 L形成的角9為80~89° 。此時，即使在極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生了衍射現(xiàn)象，也 能夠防止向激光光源的返回光，因此能夠防止激光(基波)的振蕩不穩(wěn)定。
圖5 (a)、 (b)表示現(xiàn)有例。圖5 (a)是模式地表示在塊狀(bulk)的光 波導(dǎo)基板10的表面10e上形成了周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)28的狀態(tài)的平面圖，圖5 (b)是圖5 (a)的Vb-Vb線的斷面圖。
在本例中，朝向基波A的傳播方向L交替地形成多個極化反轉(zhuǎn)部16和非 極化反轉(zhuǎn)部17,由此形成了周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)28。極化反轉(zhuǎn)部16和非極化反 轉(zhuǎn)部17的邊界是極化反轉(zhuǎn)面?；◤娜肷涿?0a入射，高次諧波從出射面10b 出射。各極化反轉(zhuǎn)部16從基板10的上表面10e向底面10f延伸，此外，在側(cè) 面10c與10d之間延伸。
然后，在現(xiàn)有例子中，極化反轉(zhuǎn)面的方向P和光的傳播方向L垂直。此 時，當(dāng)在周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生了衍射現(xiàn)象時，向激光光源存在返回光，成為激光(基波)的振蕩不穩(wěn)定的原因。當(dāng)在該元件和激光光源之間制作了共振 器時，能夠防止返回光，但此時由于極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的反射.散射，傳播光 的損失變大。
圖6 (a)、 (b)是涉及本發(fā)明的例子。圖6 (a)是模式地表示在塊狀的光 波導(dǎo)基板10的表面10e上形成了周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)38的狀態(tài)的平面圖，圖6 (b)是圖6 (a)的VIb-VIb線的斷面圖。
在本例中，朝向基波A的傳播方向L交替地形成多個極化反轉(zhuǎn)部16A和 非極化反轉(zhuǎn)部17A，由此形成了周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)38。極化反轉(zhuǎn)部16A和非 極化反轉(zhuǎn)部17A的邊界是極化反轉(zhuǎn)面?；◤娜肷涿?0a入射，高次諧波從 出射面10b出射。各極化反轉(zhuǎn)部16A從基板10的上表面10e向底面10f延伸， 此外，在側(cè)面10c與10d之間延伸。
然后，在本發(fā)明例中，極化反轉(zhuǎn)面的方向P和光的傳播方向L形成的角e 為80~89° 。此時，即使在周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生了衍射現(xiàn)象，也能夠防 止向激光光源的返回光，因此能夠防止激光(基波)的振蕩不穩(wěn)定。此外，在 與激光光源之間形成了共振器時，還能夠抑制由周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的反 射、散射引起的光傳播損失。
作為成為基波的激光，優(yōu)選半導(dǎo)體激光器、摻雜Nd的YAG激光器、摻 雜Nd的YV04激光器。
根據(jù)本發(fā)明的觀點，周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的極化反轉(zhuǎn)面和激光的傳播方向形 成的角e為89。以下，為87°以下更好。此外，從抑制傳播光的波前擾動的 觀點出發(fā)，9為80°以上，根據(jù)該觀點，為82°以上更好。
周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)可以形成在溝道光波導(dǎo)內(nèi)。此時，波導(dǎo)可以是從粘接層 或基板突出的脊型的波長轉(zhuǎn)換元件，例如通過機械加工或激光加工這樣的物理 加工對非線性光學(xué)晶體進行加工，并進行成形來得到光波導(dǎo)。然后，三維光波 導(dǎo)經(jīng)由非晶材料形成的粘接層粘接在基板上?；蛘?，可以通過鈦擴散等金屬擴 散法或質(zhì)子交換法形成光波導(dǎo)。
此外，可以在由鐵電單晶形成的X板或偏置X板(Y板、偏置Y板)上 設(shè)置溝道光波導(dǎo)。例如，在圖3、圖4的例中，極化反轉(zhuǎn)方向P是鐵電單晶的 Z軸的方向。在該實施方式中，X板的偏置角優(yōu)選IO。以下。另外，在優(yōu)選實施方式中，在鐵電單晶的塊狀基板中設(shè)置了周期極化反轉(zhuǎn)
結(jié)構(gòu)。在該實施方式中優(yōu)選塊狀基;f反為Z板。即，如圖6 (a)的例子所示， 形成基板10的鐵電單晶向與紙面垂直的方向(Z軸)極化。
鐵電單晶只要可以進行光調(diào)制就沒有特別的限制，可以列舉鈮酸鋰、鉭酸 鋰、鈮酸鋰-鉭酸鋰固溶體，鈮酸鉀鋰、KTP、 GaAs以及石英等。
在鐵電單晶中，為了進一步提高光波導(dǎo)的耐光損傷性，可以包含從鎂 (Mg)、鋅(Zn)、鈧(Sc)以及錮(In)構(gòu)成的組中選擇出的一種以上的金 屬元素，優(yōu)選鎂。在鐵電單晶中，作為摻雜成分能夠含有稀土元素。該稀土元 素用作激光振蕩用添加元素。作為該稀土元素優(yōu)選Nd、 Er、 Tm、 Ho、 Dy、 Pr。
下包層、上包層的材質(zhì)可以列舉氧化硅、氟化鎂、氮化硅、以及氧化鋁、 五氧化二鉭。
粘接層40的材質(zhì)可以是無機粘結(jié)劑，也可以是有機粘結(jié)劑，也可以是無 機粘結(jié)劑和有機粘結(jié)劑的組合。
支撐基板41的具體材質(zhì)沒有特別的限定，可以列舉鈮酸鋰、鉭酸鋰、石 英玻璃等玻璃或水晶、Si等。此時，根據(jù)熱膨脹差的觀點，優(yōu)選4吏4失電體層和 支撐基板為相同的材質(zhì)，優(yōu)選鈮酸鋰單晶。 (實施例1)
制作了圖3、圖4所示的高次諧波生成元件。具體地:沈，在厚度為0.5mm 的摻雜了 5%的MgO的鈮酸鋰5度偏置Y基板上，形成了電極3、 4、 5A， 形成周期6.6pm的周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)18。在厚度0.5mm的未摻雜的鈮酸鋰基 板41上涂敷粘結(jié)劑40。然后，與上述的摻雜了 MgO的鈮酸鋰基板粘合，對 摻雜了 MgO的鈮酸鋰基板的表面進行磨削、研磨，直到厚度成為3.7(im為止， 從而制成薄板的光波導(dǎo)基板35。
然后，通過激光燒蝕加工法，在該基板35上形成了脊型光波導(dǎo)2。此時， 進行加工以使光的傳播方向L與晶體的Z軸成85。的角度。在形成光波導(dǎo)后， 通過濺射法形成厚度為0.5pm的Si02上包層。使用切塊機將元件切為長度 9mm、寬度l.Omm，然后對端面進行研磨施加反射防止膜。極化反轉(zhuǎn)面P和 光傳播方向L形成的角度是85。。
8在該波導(dǎo)中使用半導(dǎo)體激光器來測定光學(xué)特性。將來自激光光源的振蕩輸
出調(diào)整為350mW，通過透鏡將該基本光輸入到波導(dǎo)端面，得到110mW的SHG 輸出。此時的基本光的波長是1063.5nm。半導(dǎo)體激光的振蕩狀態(tài)穩(wěn)定，沒有 觀測到輸出變動。 (比較例1)
按照與實施例1同樣的順序制作了圖1、圖2所示的元件。但是，與實施 例1不同，在形成脊型光波導(dǎo)2時，進行加工以使光的傳播方向P與單晶的Z 軸垂直。極化反轉(zhuǎn)面P與光傳播方向L形成的角度為直角。
在測定本元件的光學(xué)特性時，半導(dǎo)體激光光源的振蕩不穩(wěn)定，在350mW 的輸入下只得到了 54mW的輸出。 (實施例2 )
制作了圖6所示的高次諧波生成元件。具體地說，在厚度為0.5mm的摻 雜了5%的MgO的鈮酸鋰單晶的Z基板上，形成了周期6.9pm的周期極化反 轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)38。使用切塊機切斷元件，形成長度2mm、寬度3.0mm的尺寸的元件。 此時，極化反轉(zhuǎn)面與光傳播方向形成的角度9成為82° 。此后，對元件的端 面進行研磨，在入射側(cè)施加1062nm和531nm的波長的反射防止膜，從而得到 塊狀元件。
將該塊狀元件和摻雜了 Nd的YAG激光元件^L置在共振器內(nèi)，通過808nm 的半導(dǎo)體激光進行激發(fā)。通過1W的激發(fā)光量得到波長531nm， 100mW輸出 的激光。
(比較例2 )
按照與實施例2相同的順序制作了圖5所示的元件。但是，在切斷上述基 板時，進行加工以使^l化反轉(zhuǎn)面P與光傳播方向L垂直。與實施例1相同地 將本元件放置在共振器內(nèi)，測定光學(xué)特性。通過1W的激發(fā)光量得到了波長 531nm的激光，^f旦只得到30mW的輸出。 (實施例3 )
與實施例1同樣地，在厚度為0.5mm的摻雜了 5%的MgO的鈮酸鋰5度 偏置Y基板上，形成了周期6.6pm的周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。然后，在厚度0.5mm 的未摻雜的鈮酸鋰基板上涂敷粘結(jié)劑，然后與上述摻雜了 MgO的鈮酸鋰基板粘合，對摻雜了 MgO的鈮酸鋰基板的表面進行磨肖1]、研磨，直到厚度成為3.7nm 為止。
通過激光燒蝕加工法，形成了脊型波導(dǎo)。此時，進行加工以使光的傳播方 向相對于結(jié)晶的Z軸形成80。的角度。在形成波導(dǎo)后，通過濺射法形成厚度 0.5jim的Si02上包層。在使用切塊機將元件切為長度12mm、寬度1.4mm后， 對端面進行研磨，施加反射防止膜。
在該波導(dǎo)中，使用半導(dǎo)體激光器來測定光學(xué)特定。將來自激光光源的振蕩 輸出調(diào)整為350mW,通過透鏡將該基本光輸入到波導(dǎo)端面，得到160mW的 SHG輸出。此時的基本光的波長是1062.9nm。 (實施例4)
制作了圖6所示的元件。在厚度為0.5mm的摻雜了 5°/。的MgO的鈮酸鋰 Z基板上，形成了周期6.9^im的周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。使用切塊機將本基板切為 長度2mm、寬度3.0mm的元件。此時，進行加工以使極化反轉(zhuǎn)面P相對于光 的傳播方向成為89度的角度。此后對端面進行研磨，在入射側(cè)施加了 1062nm 和531nm的波長的反射防止膜。
將該塊狀元件和摻雜了 Nd的YAG激光元件放置在共振器內(nèi)，通過808nm 的半導(dǎo)體激光進行激發(fā)。通過1W的激發(fā)光量，得到了 100mW的531nm的激 光輸出。
(比較例4 )
在實施例4中，在切斷上述基板時，進行加工以佳^及化反轉(zhuǎn)面相對于光的 傳播方向成為78度。同樣將本元件置于共振器內(nèi)，測定光學(xué)特性。通過1W 的激發(fā)光量，只得到了 19mW的531nm的激光輸出。
權(quán)利要求
1.一種高次諧波生成元件，其具有用于轉(zhuǎn)換激光的波長來產(chǎn)生高次諧波的周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的極化反轉(zhuǎn)面與所述激光的傳播方向形成的角度θ為80°以上，89°以下。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高次諧波生成元件，其特征在于， 在溝道光波導(dǎo)內(nèi)形成了所述周期才及化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高次諧波生成元件，其特征在于， 在由鐵電單晶形成的X板或偏置X板上設(shè)置了所述溝道光波導(dǎo)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高次諧波生成元件，其特征在于， 在鐵電單晶的塊狀基板上形成了所述周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高次諧波生成元件，其特征在于， 所述塊狀基板是Z板。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高次諧波生成元件。在具有用于轉(zhuǎn)換激光的波長來產(chǎn)生高次諧波的周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的高次諧波生成元件中，防止高次諧波的振蕩不穩(wěn)定。高次諧波生成元件具有用于轉(zhuǎn)換激光的波長來產(chǎn)生高次諧波的周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)(18)。周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)(18)的極化反轉(zhuǎn)面(P)與激光的傳播方向(L)形成的角度(θ)為80°以上，89°以下。
文檔編號G02F1/35GK101539704SQ200910126599
公開日2009年9月23日 申請日期2009年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月17日
發(fā)明者吉野隆史 申請人:日本礙子株式會社