波长变换元件和制造波长变换元件的方法技术

本发明专利技术公开了一种具有提高的性能保持寿命的波长变换元件。也公开了一种制造波长变换元件的方法。波长变换元件（１０ａ）具有光波导（１３），并对从所述光波导（１３）的一端（１３ａ）侧输入的入射光（１０１）的波长进行变换，使得从所述光波导（１３）的另一端（１３ｂ）侧输出出射光（１０２）。所述波长变换元件（１０ａ）包含由ＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ｎ（０．５≤ｘ≤１）构成的第一晶体（１１）和组成与所述第一晶体（１１）相同的第二晶体（１２）。所述第一晶体和第二晶体（１１，１２）形成畴相反结构，在所述畴反转结构中极化方向沿所述光波导（１３）周期性反转。所述畴相反结构对于所述入射光（１０１）满足准相位匹配条件。所述第一晶体和第二晶体（１１，１２）中的至少一种晶体具有１×１０３ｃｍ－２以上且小于１×１０７ｃｍ－２的位错密度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及。
技术介绍
半导体激光器和固态激光器具有材料特有的发射波长，因此其波长范围的扩展与 应用领域的扩展直接相连。尽管已经将红外光源用于环境测试和医疗及生物
，但 是目前正在研究其在汽车排气检测、激光电离质谱、果糖分析、牙齿治疗、非侵害性血液测 试和脑内血流测试中的应用。然而，诸如红宝石激光器、钇铝石榴石(YAG)激光器和二氧化碳激光器的光源仅 能够发射特定波长的光。尽管诸如钛蓝宝石激光器的其它光源的波长是可调的，但是这种 光源仅能够发射波长在650nm IlOOnm附近的光。因此，不能在全部波长区域内获得激光 束。因此，期望能够将从激光束源发射的特定波长的光变换成具有不同波长的光的波长变 换元件。通常，使用硼酸盐基晶体如硼酸钡(BBO)和硼酸锂(LBO)的波长变换元件是已知 的。根据这种波长变化元件，通过使用晶体双折射的相匹配来进行波长变换。然而，利用使 用晶体双折射的波长变换元件难以获得足够的波长变换效率。而且，由于晶体的双折射是 晶体本身固有的且不能进行调节，所以使用双折射的波长变换元件在波长选择性等方面的 灵活性差。另外，使用铁电体氧化物晶体如铌酸锂(LiNbO3)和钽酸锂(LiTaO3)的波长变换元 件也是已知的。这些铁电体氧化物晶体在原子排列的特定方向上具有偏压(极化)，且由于 这种偏压而在两端处分别发生正向极化和负向极化。通过施加电场能够使所述极化部分反 转。因此，当在铁电体氧化物晶体中形成周期性畴相反结构时，与使用硼酸盐晶体的双折射 匹配时相比，能够提高相互作用长度，从而能够更高效地进行波长变换。日本特开2008-170710号公报(专利文献1)公开了一种波长变换元件，其使用含 有氮(N)以及镓(( )、铝(Al)和铟(In)中的至少一种且具有自发极化的化合物半导体晶 体。在专利文献1中，在所述化合物半导体晶体中形成了具有周期性反转成二维晶格几何 形态的自发极化的极化结构，且这种极化结构对于第一波长的入射光在二维上满足准相位 匹配(QPM)条件。因此，由于与使用硼酸盐晶体的双折射匹配时相比能够提高相互作用长 度，所以可以实现高效波长变换。专利文献1公开了一种通过使用化合物半导体晶体形成二维畴相反结构来制备 波长变换元件的方法。具体来说，在具有+c面的氮化镓(GaN)衬底上形成与二维畴相反结 构图案相对应的掩模图案。然后，在所述GaN衬底的+c面和所述掩模图案上在+c轴方向 上形成GaN层。在这种情况下，在所述GaN衬底的+c面上外延生长+c区域，使得所述GaN 层的厚度在+c轴方向上增大，且在所述掩模层上外延生长-C区域，使得所述GaN层的厚度 在-C轴方向上增大。由此，形成了二维畴相反结构。引用列表专利文献专利文献1 日本特开2008-170710号公报
技术实现思路
技术问题然而，诸如LiNbO3和LiTaO3的铁电体氧化物晶体具有带有中心离子如铌(Nb)和 钽(Ta)的钙钛矿型晶体结构。为了在铁电体氧化物晶体中形成极化结构，根据极化来施加 电压，从而移动所述中心离子。本专利技术的专利技术人首先表明，使用铁电体氧化物晶体的波长变 换元件不能在长时间内保持其性能，因为通过施加电压会造成晶体的弱化。已经将具有6. 2eV能量带隙、约3. SffK^1Cm"1的热导率和高电阻的AlxGa(1_x) N(0. 5彡χ彡1)(下文中也称作“AWaN”)晶体如氮化铝(AlN)晶体用作短波长光学器件用 材料。因此，预期可将AlGaN晶体用于波长变换元件中。然而，当通过专利文献1中公开的 制造波长变换元件的方法在GaN衬底上形成AlGaN层时，所形成的AWaN层的结晶度发生 劣化，因为在GaN衬底与AWaN之间的组成不同。本专利技术的专利技术人首先表明，当所述AlGaN 层具有低结晶度时，波长变换元件的性能因结晶度低而不能长期保持。进行了本专利技术以解决上述问题。其目的是提供具有提高的性能保持寿命的波长变 换元件和制造所述波长变换元件的方法。解决问题的手段本专利技术的专利技术人已经发现，当位错密度高时，波长变换元件不能在长时间内保持 其性能。换言之，由入射光的能量诱发的热被位错吸收且因这种热而缩短了波长变换元件 的性能保持寿命。本专利技术人对在可有效提高波长变换元件的性能保持寿命时降低位错密度的程度 进行了仔细研究。结果，本专利技术人发现，形成畴相反结构的至少一种晶体的位错密度应小于IX IO7CnT2。本专利技术的波长变换元件是具有光波导，并对从所述光波导的一端输入的入射光的 波长进行变换且从所述光波导的另一端输出出射光的波长变换元件。所述波长变换元件包 含由AlxGa(1_x)N(0. 5彡χ彡1)构成的第一晶体和组成与所述第一晶体的组成相同的第二 晶体。所述第一晶体和第二晶体形成畴相反结构，其中极化方向沿所述光波导周期性反转。 所述畴相反结构对于所述入射光满足准相位匹配条件。所述第一晶体和第二晶体中的至少 一种晶体具有IXlO3cnT2以上且小于IXlO7cnT2的位错密度。根据本专利技术的波长变换元件，所述第一晶体和第二晶体中的至少一种晶体具有 IXioW以上且小于IXlO7CnT2的位错密度。由于所述位错密度小于lX107cm_2，所以能 够抑制位错对入射光能量的吸收。由此，能够抑制构成光波导的晶体的温度升高。当使用波 长变换元件时，能够抑制因热而造成的出射光强度的下降(衰减比)。因此，使用AlxGa(1_x) N(0. 1)的波长变换元件具有提高的性能保持寿命。在上述波长变换元件中，所述第一晶体和第二晶体中的至少一种优选具有 1 X IO3CnT2以上且小于1 X IO5CnT2的位错密度。根据这种特征，能够进一步抑制位错对入射光能量的吸收。因此，能够实现具有更 加提高的性能保持寿命的波长变换元件。本专利技术的另一个方面提供了一种制造波长变换元件的方法，所述波长变换元件具 有光波导并对从所述光波导的一端输入的入射光的波长进行变换且从所述光波导的另一 端输出出射光。所述方法包括下列步骤准备由AlxGaa_x)N(0. 5彡χ彡1)构成的底部衬底； 在所述底部衬底上生长组成与所述底部衬底的组成相同的晶体；将所述晶体分成两个以上 的部分使其极化发生反转，从而形成第一晶体和第二晶体；以及形成畴相反结构并以所述 畴相反结构对于所述入射光满足准相位匹配条件的方式将所述第一晶体和第二晶体结合 在一起，在所述畴相反结构中所述第一晶体和第二晶体的极化方向沿所述光波导周期性反 转。本专利技术的另一个方面提供了一种制造波长变换元件的方法，所述波长变换元件具 有光波导并对从所述光波导的一端输入的入射光的波长进行变换且从所述光波导的另一 端输出出射光。所述方法包括下列步骤准备由AlxGaa_x)N(0. 5彡χ彡1)构成的底部衬底； 在所述底部衬底上生长组成与所述底部衬底的组成相同的第一晶体；准备组成与所述第一 晶体的组成相同的第二晶体；以及形成畴相反结构并以所述畴相反结构对于所述入射光满 足准相位匹配条件的方式将所述第一晶体和第二晶体结合在一起，在所述畴相反结构中所 述第一晶体和第二晶体的极化方向沿所述光波导周期性反转。本专利技术的还一个方面提供了一种制造波长变换元件的方法，所述波长变换元件具 有光波导并对从所述光波导的一端输入的入射光本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种波长变换元件，所述波长变换元件具有光波导并对从所述光波导的一端输入的入射光的波长进行变换且从所述光波导的另一端输出出射光，所述波长变换元件包含：由ＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ｎ（０．５≤ｘ≤１）构成的第一晶体；和组成与所述第一晶体的组成相同的第二晶体，其中所述第一晶体和第二晶体形成畴相反结构，在该畴相反结构中极化方向沿所述光波导周期性反转，所述畴相反结构对于所述入射光满足准相位匹配条件，且所述第一晶体和第二晶体中的至少一种晶体具有１×１０３ｃｍ－２以上且小于１×１０７ｃｍ－２的位错密度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：佐藤一成，
申请(专利权)人：住友电气工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP