製造波長變換器的方法和波長變換器的製作方法
2023-09-16 17:05:50
專利名稱：製造波長變換器的方法和波長變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及製造波長變換器的方法和波長變換器本身。
背景技術：
半導體雷射器和固體雷射器在它們的構成材料中擁有獨特的出射波長，所述波長的範圍寬度直接決定了雷射器應用領域的寬度。在環境感應和醫療/生物技術應用中使用紅外光源，同時對包括汽車排放物測試、雷射電離質譜法、水果糖度分析、牙科治療、非侵害性血液檢驗和腦內血流測量的領域內的應用也正在進行研究。然而，光源如紅寶石雷射器、釔鋁石榴石(YAG)雷射器和二氧化碳氣體雷射器例如僅能夠發射特定波長的光。且儘管諸如鈦-藍寶石雷射器的光源可調諧，但其僅能夠發射約650 nm 1100 nm波長的光。因而，不可能獲得跨越整個波長範圍的雷射。因此，正在研究能夠將由雷射源所發射的特定波長的光變換成不同波長的光的波長變換器。時至今日，廣泛熟知使用硼酸鹽晶體如硼酸鋇(BBO)或硼酸鋰(LBO)的波長變換器。在這種類型的波長變換器中，通過利用晶體雙折射的相位匹配而發生波長變換。然而，就利用晶體雙折射的波長變換器而言，難以獲得足夠的波長變換效率。並且由於不能對作為晶體固有性能的雙折射進行調節，所以利用雙折射的波長變換器的自由度低，所述自由度包括波長選擇性。在這一點上，日本未審查專利申請2008-170710號公報(專利文獻l)公開了一種使用化合物半導體晶體的波長變換器，所述化合物半導體晶體包含氮(N)和至少鎵(Ga)或鋁(Al)或銦(In)並且展示了自發 極化性能。在專利文獻l中，在化合物半導體晶體中形成了極化結構， 在所述極化結構中自發極化在二維晶格結構中周期性反轉，所述極化 結構對於第一波長入射光束二維滿足準相位匹配(QPM)條件。因此與利 用硼酸鹽晶體雙折射匹配的變換相比，得到了長互作用長度，從而能 夠高效地進行波長變換。前述專利文獻1還公開了一種製造波長變換器的方法，所 述波長變換器具有使用化合物半導體晶體形成的二維疇相反結構。特 別地，在具有+c面的氮化鎵(GaN)襯底上形成構圖成與二維疇相反結構 的圖案相對應的掩模。其後在所述構圖的掩模和GaN襯底的+c面上形 成+c軸取向的GaN層。在這種情況下，在GaN襯底的+c面上以GaN 層的厚度在+c軸方向上增加的方式外延生長+c區域，同時在掩模層上 以GaN層的厚度在-c軸方向上增加的方式外延生長-c區域。由此形成 二維疇相反結構。
專利文獻1:日本未審査專利申請2008-170710號公報
發明內容
然而，在上述專利文獻1中公開的波長變換器中，在GaN 襯底+c面上生長的GaN晶體的結晶度與在構圖的掩模上生長的GaN 晶體的結晶度不同。作為深入研究努力的結果，本發明人發現波長變 換器中結晶度不同所帶來的問題在於在不同晶體界面處的光發生發 射，因此證明光透射率變差。考慮到上述問題，本發明的目的是提供一種製造波長變換 器的方法和藉此能夠提高透射率的波長變換器。本發明一個方面中的製造波長變換器的方法為製造具有光 波導且對通過所述光波導一端輸入至光波導內的入射光束的波長進行變換，並通過所述光波導的另一端輸出出射光束的波長變換器的方法， 所述製造波長變換器的方法包括下列步驟。生長晶體。以使疇彼此相 反的方式將晶體分割成兩個以上的部分，從而形成第 一 晶體和第二晶 體。以形成疇相反結構且所述疇相反結構對於所述入射光束滿足準相 位匹配條件的方式對所述第一晶體和第二晶體進行嵌合，其中在所述 疇相反結構中所述第一晶體和第二晶體的極向沿光波導周期性反轉。根據本發明一個方面中的製造波長變換器的方法，通過分 割由單一晶體形成第一晶體和第二晶體。因此，所述第一晶體和第二
晶體之間的折射率基本上無差別。所述第一晶體和第二晶體進行嵌合 以形成疇相反結構，因而當通過光波導傳輸入射光束時，能夠最小化 光波導中第一晶體和第二晶體之間邊界處的反射。因此可降低第一晶 體和第二晶體之間邊界處的透射率損失的事實使得製造穿過光波導的 光透射率得到提高的波長變換器成為可能。在上述製造波長變換器的方法中，優選在形成第一晶體和 第二晶體的步驟之後，還提供對第一晶體和第二晶體的至少一個的表 面進行腐蝕的步驟。由此能夠進一步保證在所述第一晶體和第二晶體的至少一
個腐蝕表面中的極化。在上述製造波長變換器的方法中，優選在形成第一晶體和 第二晶體的步驟之後，還提供對第一晶體和第二晶體的至少一個的表 面進行研磨的步驟。由此能夠進一步保證在第一晶體和第二晶體的至少一個研 磨表面上的極化。在本發明另一個方面中製造波長變換器的方法為製造具有光波導且對通過所述光波導的一端輸入至所述光波導內的入射光束的 波長進行變換，並通過所述光波導的另一端輸出出射光束的波長變換 器的方法，所述製造波長變換器方法包括下列步驟。準備第一晶體。 準備第二晶體，其中第二晶體的折射率和第一晶體的折射率基本上無 差別。所述第一晶體和第二晶體以形成疇相反結構且所述疇相反結構 對於入射光束滿足準相位匹配條件的方式進行嵌合，在所述疇相反結 構中第一晶體和第二晶體的極向沿光波導周期性反轉。根據本發明另一個方面中的製造波長變換器的方法，通過
第一晶體和第二晶體的嵌合形成疇相反結構，所述第一晶體和第二晶 體之間的折射率基本上無差別。因此，當使入射光束穿過光波導時， 能夠將光波導中第一晶體和第二晶體邊界處的反射控制為最小。因此 可降低第一晶體和第二晶體之間邊界處的透射率損失的事實使得製造 透射率提高的波長變換器成為可能。在本發明還另一個方面中的製造波長變換器的方法為製造 具有光波導且對通過所述光波導的一端輸入至所述光波導內的入射光 束的波長進行變換，並通過所述光波導的另一端輸出出射光束的波長 變換器的方法，所述製造波長變換器的方法包括下列步驟。生長第一 晶體。在所述第一晶體的表面形成兩個以上規則排列的凸起。在所述 第一晶體的表面上生長第二晶體，所述第二晶體為無定形晶體，其中 所述第二晶體的折射率與第一晶體的折射率基本上無差別。在所述生 長第二晶體的步驟中，以產生疇相反結構且所述疇相反結構對於所述
入射光束滿足準相位匹配條件的方式形成所述第一晶體和第二晶體，
在所述疇相反結構中第一晶體和第二晶體的極向沿光波導周期性反轉。根據本發明還另一個方面的製造波長變換器的方法，在第 一晶體上生長無定形晶體作為第二晶體，所述無定形晶體的折射率與 第一晶體的折射率基本上無差別。因此，第一晶體和第二晶體之間的折射率基本上無差別。而且，利用所述第一晶體和第二晶體能夠有助 於形成極化結構。因此，當通過光波導傳輸入射光束時，能夠最小化 光波導中第一晶體和第二晶體之間邊界處的反射。因此，能夠降低第 一晶體和第二晶體之間邊界處的透射率損失，由此使得製造透射率得
到提高的波長變換器成為可能。就前述製造波長變換器的方法而言，在生長第二晶體的步
驟中，優選生長第二晶體使得在400 800 nm波長下所述第二晶體與 第一晶體的折射率之差為0.001 0.1。從而，即使第一晶體和第二晶體之間的折射率存在差別， 也能夠降低第一晶體和第二晶體之間邊界處的透射率損失。因此，使 得製造透射率提高的波長變換器成為可能。本發明的波長變換器具有第一晶體和第二晶體，所述第二 晶體和第一晶體的折射率基本上無差別，所述波長變換器為具有光波
導且對通過所述光波導的一端輸入至所述光波導內的入射光束的波長 進行變換，並通過所述光波導的另一端輸出出射光束的波長變換器。 所述第一晶體和第二晶體形成疇相反結構，其中極向沿光波導周期性 反轉，且所述疇相反結構對於入射光束滿足準相位匹配條件。根據本發明的波長變換器，形成疇相反結構的第一晶體和 第二晶體之間的折射率之差基本上為零。因此，當通過光波導傳輸入 射光束時，能夠將光波導中第一晶體和第二晶體之間邊界處的反射控 制為最小。因此，能夠降低第一晶體和第二晶體之間邊界處的透射率 損失，使得可實現透射率得到提高的波長變換器。在前述波長變換器中，優選對第一晶體和第二晶體進行嵌 合。在這種情況下，通過上述一個或其它方面中製造波長變換器的方 法可以容易地製造波長變換器。
在前述波長變換器中，優選所述第一晶體和第二晶體具有 規則排列的凸起和凹陷，其中第一晶體的凸起和第二晶體的凹陷接合 在一起。在這種情況下，能夠實現通過上述還另一個方面中製造波 長變換器的方法簡單而又方便地製造的波長變換器。根據本發明製造波長變換器的方法和波長變換器，第一晶 體和第二晶體之間的折射率之差基本上為零，使得可使沿第一晶體和 第二晶體之間邊界處傳輸的光的反射最小化。因此，能夠製造透射率 提高的波長變換器。
圖1為顯示本發明實施方式1中波長變換器的簡化透視圖。 圖2為顯示本發明實施方式1變形實施例中波長變換器的簡化透 視圖。
圖3為顯示本發明實施方式1中起始襯底的簡化透視圖。 圖4為顯示本發明實施方式1中已經生長了晶體的狀況的簡化透 視圖。
圖5為顯示本發明實施方式1中對晶體進行分割的狀況的簡化透 視圖。
圖6為顯示本發明實施方式1中已經把晶體分割而形成第一晶體 的簡化透視圖。
圖7為顯示本發明實施方式1中晶體已經被分割的獨立狀態的簡 化透視圖。
圖8為顯示本發明實施方式3中波長變換器的簡化透視圖。 圖9為顯示本發明實施方式4中已經生長無定形晶體的狀況的簡 化透視圖。
具體實施例方式下面，將根據附圖對本發明的實施方式進行描述。應當理 解，在下文中，附圖中相同或相應部分用相同的附圖標記標示，因此 不再進行重複描述。
實施方式1參考圖1，顯示本實施方式波長變換器的簡化透視圖。首 先，將對圖1中本實施方式的波長變換器10a進行描述。如圖1中所示，本實施方式中的波長變換器10a具有光波 導13。所述光波導13對通過所述光波導的一端13a輸入至所述光波導 13內的入射光束101的波長進行變換，並通過所述光波導13的另一端 13b從光波導13輸出出射光束102。所述波長變換器10a具有第一晶體11和第二晶體12，所 述第一晶體11和所述第二晶體12的折射率之間基本上無差別。優選 所述第一晶體和第二晶體11、 12為單晶體。所述第一晶體和第二晶體11、 12形成疇相反結構，其中極 向沿光波導13周期性反轉。也就是，在產生疇相反結構的第一晶體和 第二晶體11、 12中形成用於限制光波的光波導13。所述疇相反結構對 於入射光束101滿足準相位匹配條件。本文中，"準相位匹配條件" 為，在給定結構的情況下，通過利用周期性結構的波矢補償非線性疇 的波矢和待產生光波的波矢之差而得到相位匹配的條件，在所述給定 結構中，沿非線性光學晶體中的傳播軸，非線性光學係數的符號周期 性改變。關於用於形成疇相反結構的第一晶體和第二晶體11、 12， 例如以箭頭方向為正極(positive-polar)的方式分別對它們進行極化。也就是，在本實施方式中，第一晶體和第二晶體ll、 12的正極方向相反。 在第一晶體和第二晶體H、12為A1N的實施中，第一晶體11的第一(正 極)表面lla為Al極性面，而第二晶體12的第二(與所述正極相反的面) 表面12b為N極性面。此外，在光波導13中，鄰接的第一晶體和第二晶體11、 12為一個周期，所述波長變換器10a具有一個以上的周期，優選具有 五個以上的周期。優選第一晶體和第二晶體11、 12的界面14無縫隙，所述 界面構成光波導13且與所述光波導13的縱軸交叉。在界面14處疇的 極性相反。另一方面，可以在第一晶體和第二晶體11、 12的界面15 處存在縫隙，所述界面15與光波導13的縱軸平行。這些第一晶體和第二晶體11、12之間的折射率之差基本上 為零。由於折射率基本上無差別，因此能夠使第一晶體和第二晶體11、 12之間的界面14處的光反射最小化，所述界面14與光波導13的縱軸 (入射光束101的前進方向)交叉。這可降低穿過光波導13的入射光束 101的透射率損失。"折射率基本上無差別"是措例如如果第一晶體和 第二晶體11、 12為五個周期(也就是，在第一晶體和第二晶體11、 12 之間存在九個界面14),則第一晶體和第二晶體11、 12之間的折射率 之差為0.01以下，如果第一晶體和第二晶體11、 12為十個周期，則折 射率之差為0.001以下。在這種實施中，波長變換器10a的透射率為例 如90%以上。本文中，折射率為例如利用橢圓偏振光譜儀在400~800 nm波長下使用光譜橢圓光度法確定的值。本實施方式中的第一晶體和第二晶體11、 12為梳狀形狀， 其中它們在表面上具有規則排列的凸起，由此相互交叉。換句話說，所述第一晶體和第二晶體11、 12具有凸起和凹陷，第一晶體11的凸 起嵌合入第二晶體12的凹陷中，且所述第一晶體11的凹陷與第二晶
體12的凸起嵌合。此外，第一晶體和第二晶體ll、 12的至少一個或另一個的 位錯密度為lxl03 cm—2 小於lxl07 cm—2，優選為1><103 cm—2 小於 lx105 cnf2。在本實施方式中，所述第一晶體和第二晶體11、 12的位 錯密度在所述範圍內。位錯密度小於lx107 cm^使得可減少位錯處對 入射光束101能量的吸收，從而可抑制第一晶體和第二晶體11、 12的 溫度升高。因此，能夠減少出射光束102強度基於使用(Use-based)的劣 化，從而提高了壽命，在所述壽命期間可保持特性。位錯密度小於lxio5 cm—2能夠有效使在位錯處對入射光束101能量的吸收最小化。儘管從 便於製造的角度來看，優選更低的位錯密度，但是下限為lxl03cm—2。本文中，位錯密度為例如通過鹼腐蝕法而確定的值(蝕坑密 度或"EPD")，所述值為對因在熔融氫氧化鉀(KOH)中腐蝕而呈現的 坑的數進行計數並用單位表面積來除而得到的值。儘管第一晶體和第二晶體11、 12可以具有不同的化學組 成，但是優選它們具有相同的組成。此外，所述第一和第二晶體11、 12優選由AlxGa(1_x)N (0.5 l)構成。在這種情況下，由於Al的原子 分數x為0.5 1時的熱導率，讓晶體具有前述位錯密度確保將證明如 下結果壽命將得到提高。此處，AlxGa(^)N中的原子分數x為Al的 摩爾比率。現在參考圖2，顯示本實施方式一個變形實施例中的波長 變換器10b的簡化透視圖。如圖2中所示，相互嵌合的第一晶體和第 二晶體ll、 12的幾何形狀可以為鋸齒形狀。此外，所述第一晶體和第 二晶體 ll、 12可以具有波狀或其它幾何形狀，而不特別地限制為諸如 梳狀或鋸齒的幾何形狀。
接下來，將描述本實施方式中製造波長變換器的方法。參 考圖3，顯示本實施方式中起始襯底21的簡化透視圖。如圖3中所示， 準備起始襯底21。所述起始襯底21具有主表面21a。所述主表面21a 為例如(001)面(c面)。優選準備的起始襯底21的化學組成與生長的晶體22的化 學組成相同。還優選準備由AlxGa(1.x)N (0.5 ^ x S l)構成的起始襯底21 。參考圖4，顯示本實施方式中已經生長了晶體22的狀況的 簡化透視圖。接下來，如圖4中所示，在所述起始襯底21的主表面21a 上生長晶體22。在生長與起始襯底21具有相同化學組成的晶體22的實施 中，減輕了起始襯底21和晶體22之間的晶格失配等，由此使得生長 低位錯密度的晶體22成為可能。在本實施方式中，生長晶體22的位 錯密度優選為lxl03cm—2 小於lxl07cm—2，更優選為lxl03cm—2 小 於1 x 105 cnT2 。此外，生長晶體22使得與起始襯底21的主表面21a接觸。 也就是，在起始襯底21和晶體22之間未插入任何掩模或其它這樣的 層。從而，得到以箭頭方向(生長表面)為正極的方式極化的晶體22。未對生長方法進行特別限制，能夠採用氣相澱積法如升華 澱積、氫化物氣相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)和金屬有機化學氣 相澱積(MOCVD);或包括助溶劑法和高氮壓力生長的溶液澱積法。現在參考圖5，顯示本實施方式中將晶體22進行分割的狀 況的簡化透視圖，並參考圖6，顯示本實施方式中已經進行分割而形成 第一晶體11的晶體22的簡化透視圖。接下來，如圖5和6中所示，以使疇彼此相反的方式將所述晶體22分割成兩個以上的部分，從而形
成第一晶體11和第二晶體12。由於所述第一晶體和第二晶體11、 12 由單一晶體22形成，所以所述第一晶體和第二晶體11、 12的化學組 成和折射率相同。此外，在使用低位錯密度的晶體22的實施中，能夠形成位 錯密度優選為lxl03cm—2 小於lxl07cm—2、更優選為lxl03cm—2 小 於b105 cm—2的第一晶體和第二晶體11、 12。在本實施方式中，如圖5中所示，沿生長軸分割生長表面 (主表面22a)，使其成梳狀形狀。也就是，從晶體22的主表面22a來看， 對第一晶體和第二晶體11、 12進行分割使得成為梳狀形狀。當以這種方式進行分割時，晶體22的主表面22a形成第一 晶體11的第一表面lla和第二晶體12的第二表面12b。在與所述主表 面22a相反側的晶體22的背表面22b形成第一晶體11的第二表面lib 和第二晶體12的第一表面12a。儘管未對分割方法進行特別限制，但是能夠使用雷射或線 狀鋸。利用雷射進行分割的優點在於會提高機械加工精確度。使用線 狀鋸的優點在於會降低成本。由此能夠形成第一晶體11，其中如圖6中所示，從第二表 面llb朝向第一表面lla前進的方向為正極。同樣，能夠形成第二晶體 12，其中從第一表面12a朝向第二表面12b前進的方向為正極。參考圖7，顯示本實施方式中獨立狀態的簡化透視圖，其 中已經對晶體22進行了分割。如圖7中所示，可以沿生長軸以生長表 面(主表面22a)的橫截面(與生長軸平行的表面)為梳狀的方式對晶體22 進行分割，從而形成第一晶體和第二晶體11、 12。
此外，不能將晶體22分割成的幾何形狀限制為圖5和7 中所示的梳狀形狀。可以以一個表面為鋸齒形狀的方式對晶體22進行 分割，如圖2中所示。在這種情況下，優點在於機械加工非常容易。接下來，對第一晶體和第二晶體11、 12的至少一個表面進 行腐蝕。由此能夠進一步保證第一晶體和第二晶體11、 12的至少一個 表面的極化。所述腐蝕可以為溼法腐蝕或幹法腐蝕。例如，如果第一晶體和第二晶體11、 12為A1N，那麼作為 溼法腐蝕的在KOH中進行的腐蝕使得容易地形成Al原子為末端的面 成為可能，因為N原子的腐蝕速率比Al原子的腐蝕速率快。同時，作 為幹法腐蝕的反應性離子腐蝕(RIE)，以一個面作為掩模，使得容易地 在另一表面上形成一個Al原子為末端的面成為可能。應當理解，所述 腐蝕步驟可以省略。接下來，對第一晶體和第二晶體11、 12的至少一個表面進 行研磨。研磨的表面使得更可靠的極化成為可能。儘管未對研磨方法 進行特別限制，但例如可釆用諸如化學機械研磨(CMP)的方法。應當理 解，所述研磨步驟可以省略。此外，可以單獨進行腐蝕步驟或研磨步 驟，或者可以進行兩個步驟。在進行兩個步驟時，可以在腐蝕步驟之 前進行研磨步驟。然後，將所述第一晶體和第二晶體11、 12放在一起以形成 疇相反結構，其中所述第一晶體和第二晶體11、 12的極向沿光波導13 周期性反轉，從而所述疇相反結構對於入射光束101滿足準相位匹配 條件。更具體地，如圖5和圖7中所示，將分割的第一晶體和第 二晶體ll、 12中的一個獨自反轉180° ，且設置梳狀面彼此相對。在這種狀態下，第一晶體和第二晶體ll、 12嵌合。由於本實施方式中的 第一晶體和第二晶體11、 12呈梳狀或鋸齒狀，所以第一晶體11的凸起和第二晶體12的凹陷(第 一 晶體11中的凹陷和第二晶體12中的凸起)相互嵌入在一起。然後，可以進行退火以消除沿第一晶體和第二晶體11、 12之間的界面14上的任何縫隙。
根據前述，如圖1和圖2中所述，通過形成極向沿光波導 13周期性反轉的疇相反結構，能夠製造波長變換器10a和10b，其中所 述疇相反結構對於入射光束101滿足準相位匹配條件。
接下來，將描述波長變換器10a和10b的功能。首先，通 過波長變換器10a和10b中的光波導13的一端13a輸入入射光束101。 所述入射光束101優選垂直於第一晶體和第二晶體11、 12中的極化界 面14輸入。所述入射光束101穿過光波導13，朝向光波導13的另一 端13b前進。此時，在光波導13中，通過具有疇相反結構的第一晶體 和第二晶體ll、 12對所述入射光束101的相位進行變換，所述疇相反 結構滿足準相位匹配條件。然後通過光波導13的另一端13b輸出波長 已經被變換的出射光束102。由此將特定波長的入射光束101變換成不 同波長的出射光束102。
如前所述，本實施方式中的波長變換器10a和10b為波長 變換裝置，所述裝置具有光波導13並對從光波導13的一端13a輸入的 入射光束101的波長進行變換，並通過光波導13的另一端13b輸出出 射光束102，所述波長變換器具有第一晶體11和第二晶體12，所述第 一晶體11和第二晶體12的折射率之差基本上為零。所述第一晶體和 第二晶體ll、 12形成疇相反結構，在所述疇相反結構中極向沿光波導 13周期性反轉，所述疇相反結構對於入射光束101滿足準相位匹配條 件。
本實施方式中製造波長變換器10a和10b的方法包括生長晶體22的步驟；以使疇彼此相反的方式將所述晶體22分割成兩個 以上的部分，從而形成第一晶體11和第二晶體12的步驟；以及以疇 相反結構對於所述入射光束101滿足準相位匹配條件的方式對所述第 一晶體和第二晶體ll、 12進行嵌合以形成疇相反結構的步驟，在所述疇相反結構中所述第一晶體和第二晶體11、 12的極向沿所述光波導13周期性反轉。
根據本實施方式中製造波長變換器10a和10b的方法，通 過分割由單一晶體22形成了第一晶體和第二晶體11、 12。因此，所述 第一晶體和第二晶體ll、 12的折射率相同。對所述第一晶體和第二晶 體11、 12進行嵌合以形成疇相反結構，因而當通過光波導13傳輸入 射光束101時，能夠使在光波導13中所述第一晶體和第二晶體11、 12 之間界面14處的反射最小化。因此可降低在第一晶體和第二晶體11、 12之間界面14處的透射率損失的事實使得製造透射率提高的波長變換 器10a和10b成為可能，所述透射率用相對於通過光波導13的一端13a 輸入的入射光束101強度的通過另一端13b輸出的出射光束102強度 來表示。
此外，通過由晶體22分割第一晶體和第二晶體11、 12、 反轉其中一個並將它們嵌合在一起，能夠製造波長變換器10a和10b。 因此，能夠容易地製造利用由例如AlxGa(1.x)N (0.5 S x S l)構成的第一 晶體和第二晶體ll、 12的波長變換器10a和10b。實施方式2
本實施方式中的波長變換器與圖1和圖2中所示的實施方 式1的波長變換器10a和10b幾乎相同。而且，僅第一晶體11具有極 性，而允許第二晶體12不具有極性。
接下來，將對本實施方式中製造波長變換器10a和10b的 方法進行描述。本實施方式製造波長變換器10a和10b的方法包括基本上與實施方式1相類似的操作，不同之處在於未使用由晶體22形成的 第二晶體12，而第一晶體11由所述晶體22形成。
具體地，以與實施方式l中相同的方式準備了起始襯底21。 然後，以與實施方式1中相同的方式生長了第一晶體11(晶體22)。
接下來，準備第二晶體12，所述第二晶體12的折射率與 第一晶體11的折射率基本上無差別。在本實施方式中，形成了圖6中 所示的第一晶體11，並準備第二晶體12，所述第二晶體12能夠與所 述第一晶體11形成疇相反結構。
關於準備第二晶體12的方法，例如通過形成多個圖5或圖 7中所示的第一晶體和第二晶體11、 12，準備由晶體22形成的第二晶 體12，所述形成第二晶體12的晶體22與形成第一晶體11的晶體22 相互獨立。或者，為了準備第二晶體12，可以生長晶體22使得不具有 極性，並進行機械加工使其具有與第一晶體11相互嵌合的幾何形狀。 此處，第一晶體和第二晶體ll、 12的化學組成基本上相同，因此折射率之差基本上為零。
在這種情況下，在化學組成相同的起始襯底21上形成晶體 22，因而即使第一晶體和第二晶體11、 12不是由相同的晶體22形成， 但也能把所述第一晶體和第二晶體ll、12的位錯密度降至lx103 cm—2 小於lx107 cm—2。
接下來，以與實施方式1中相同的方式，以所述疇相反結 構對於入射光束101滿足準相位匹配條件的方式對第一和第二晶體11、 12進行嵌合以形成疇相反結構，在所述疇相反結構中所述第一晶體和 第二晶體11、 12的極向沿光波導13周期性反轉。由此能夠製造本實 施方式的波長變換器10a和10b。
如上所述本實施方式中製造波長變換器10a和10b的方法， 包括準備第一晶體11的步驟和準備第二晶體12的步驟，所述第二晶 體12的折射率與所述第一晶體11的折射率基本上無差別，且通過嵌 合折射率之差基本上為零的第一晶體和第二晶體11、 12形成疇相反結 構。因此，即使所述第一晶體和第二晶體11、 12由不同的晶體22形 成，在入射光束101通過光波導13時也能使光波導13中第一晶體和 第二晶體11、 12之間界面14處的反射最小化。因此，能夠降低第一 晶體和第二晶體11、 12之間界面14處的透射率損失，從而使得製造 透射率提高的波長變換器10a和10b成為可能。
特別的優點在於，僅極化第一晶體ll、由另一種材料形成 第二晶體12並對第一晶體11和第二晶體12進行嵌合可容易地製造波 長變換器10a和10b。實施方式3
參考圖8，顯示本實施方式中波長變換器的簡化透視圖。 如圖8中所示，本實施方式中的波長變換器10d包括基本上與圖1中 所示實施方式1的波長變換器10a相同的構造，但是不同之處在於所述 第二晶體為無定形晶體16。所述無定形晶體16的折射率與第一晶體 11的折射率基本上無差別，優選在400 800 nm波長下與所述第一晶 體11的折射率之差為0.001 0.1。
在本實施方式中，優選所述第一晶體11為單晶體，且位錯 密度優選為lx103 cm—2 小於lx107 cm—2。
在第一晶體11的表面(第一表面lla)中，如圖6和8中所 示，形成兩個以上規則排列的凸起llc和凹陷。所述兩個以上凸起llc 以相同構型突出，且沿光波導13的與縱軸(入射光束101穿過光波導 13的方向)交叉的線取向。如圖8中所示，在所述凸起llc中，構成光 波導13壁面部分的寬度Wn優選至少為預定尺寸。所述預定尺寸為例如至少26iam。此外，在所述凸起中，優選突出角0 為約90° 。
無定形晶體16具有與所述第一晶體11中相同形狀的凸起 和凹陷。無定形晶體16的凹陷與所述第一晶體11的凸起接合在一起， 且所述無定形晶體16的凸起與所述第一晶體11中的凹陷接合在一起。
現在將對本實施方式中製造波長變換器的方法進行描述。 首先，以與實施方式1中相同的方式準備起始襯底21。其次，在所述 起始襯底21上生長第一晶體11。然後，在所述第一晶體11表面中形 成兩個以上規則排列的凸起。在這些步驟中，在起始襯底21上生長晶 體22，並以與例如實施方式1中相同的方式由所述晶體22分割具有至 少兩個規則排列的凸起的第一晶體11。由此能夠形成如圖6中所示的 第一晶體11。
參考圖9，為顯示在本實施方式中生長了無定形晶體16的 狀況的簡化截面圖。然後，如圖9中所示，在所述第一晶體ll表面上 生長第二晶體，所述第二晶體為其與所述第一晶體11的折射率之差基 本上為零的無定形晶體16。在該步驟中，形成疇相反結構，並以所述 疇相反結構對於入射光束101滿足準相位匹配條件的方式形成第一晶 體和第二晶體11、 12，在所述疇相反結構中，第一晶體和第二晶體11、 12的極向沿光波導13周期性反轉。
在本實施方式中，生長第二晶體，所述第二晶體為與所述 第一晶體11具有相同化學組成的無定形晶體16。由此能夠生長折射率 與所述第一晶體11的折射率基本上無差別的無定形晶體16。特別地， 優選生長無定形晶體16，使得在400 800 nm波長下其與所述第一晶 體的折射率之差為0.001 0.1。此處，未對生長無定形晶體16的方法 進行特別限制。
當生長無定形晶體16時，第一晶體11的極性和所述無定形晶體16的極性的取向相反。由此能夠容易地產生疇相反結構。該步 驟使得製造圖8中所示的波長變換器10d成為可能。根據如上所述本實施方式中製造波長變換器10的方法，在 第一晶體11表面上生長無定形晶體16作為第二晶體，所述無定形晶 體16的折射率與所述第一晶體11的折射率基本上無差別。因此，所 述第一晶體11與作為第二晶體的無定形晶體16之間的折射率基本上 無差別。而且，利用所述第一晶體11和無定形晶體16能夠有助於形 成極化結構。因此，當入射光束101通過光波導13傳輸時，能夠使光 波導13中第一晶體11和無定形晶體16之間邊界處的反射最小化。因 此，能夠降低第一晶體11和無定形晶體16之間邊界處的透射率損失， 由此使得製造透射率提高的波長變換器10d成為可能。
實施例在本實施例中，對提供以使疇彼此相反的方式將晶體22 分割成兩個以上的部分從而形成第一晶體11和第二晶體12的步驟的 效果進行研究。
本發明實施例1和2基本上按照實施方式1製造了本發明實施例1和2中的波 長變換器。具體地，首先，分別準備A1N單晶體襯底和Alo.5Gao.sN單 晶體襯底作為本發明實施例1和2的起始襯底21，所述兩種單晶體襯 底的主表面22a為(001)面。其次，通過升華澱積在所述起始襯底21上生長具有與起始 襯底21相同化學組成的晶體22。其後在所述晶體22的表面上進行CMP 研磨。然後，如圖7中所示，以使疇彼此相反的方式將所述晶體 22分割成至少兩部分，從而形成梳狀的第一晶體11和第二晶體12。分別形成了 38個第一晶體11和第二晶體12。此處，在所述第一晶體
和第二晶體11、 12的凸起中，使得構成光波導13中壁面的部分的寬 度(在所述第一晶體11中的情況中，如圖8中所示的寬度Wu)為26.6 jum。此外，利用使用KOH-NaOH(氫氧化鈉)的熔融鹼腐蝕分別 對所得到的第一晶體和第二晶體11、 12中的位錯密度進行表徵。結果 為本發明實施例1和2的第一晶體和第二晶體11、 12的位錯密度為 lx103 cm一2。接下來，第一晶體和第二晶體ll、 12交替嵌合38個周期。 這形成了疇相反結構，在所述疇相反結構中第一晶體和第二晶體11、 12如圖1中所示沿光波導13周期性反轉，所述疇相反結構對於入射光 束101滿足準相位匹配條件。由此製造了本發明實施例1和2的波長 變換器10a。
評價結果關於本發明實施例1和2的波長變換器，將源自1064 nm 波長的Nd-YAG雷射器(釹YAG雷射器)的光束以垂直於第一晶體和 第二晶體11、12的極化界面14的方式輸入光波導13內作為入射光束。 結果輸出532 nm波長的出射光束102。根據前述，由同一晶體22形成第一晶體和第二晶體11、 12，因而第一晶體和第二晶體11、 12的折射率相同。因此證實，利用 本發明實施例1和2的波長變換器，通過光波導13能夠傳輸輸入的入 射光束101，且輸出經波長變換的出射光束102。儘管以前述方式對本發明的實施方式和實施例進行了描 述，但是從開始就預期將適合的各個實施方式和實施例的特徵組合起 來。此外，此處公開的實施方式和實施例在各方面都認為是說明性的而非限制性的。本發明的範圍不是由前述實施方式確定而是由本權利 要求書的範圍確定，且本發明的範圍旨在包括與本權利要求書的範圍 等價的含義以及所述範圍內的所有變體。
權利要求
1.一種製造波長變換器的方法，所述波長變換器具有光波導且對通過所述光波導的一端輸入至所述光波導內的入射光束的波長進行變換，並通過所述光波導的另一端輸出出射光束，所述製造波長變換器的方法包括生長晶體的步驟；以使疇彼此相反的方式將所述晶體分割成兩個以上的部分，從而形成第一晶體和第二晶體的步驟；以及以形成疇相反結構且所述疇相反結構對於所述入射光束滿足準相位匹配條件的方式對所述第一晶體和第二晶體進行嵌合的步驟，在所述疇相反結構中所述第一晶體和第二晶體的極向沿所述光波導周期性反轉。
2. 如權利要求l所述的製造波長變換器的方法，還包括在所述形成第一晶體和第二晶體的步驟之後，對所述第一晶體和第二晶體中至少一個的表面進行腐蝕的步驟。
3. 如權利要求1或2所述的製造波長變換器的方法，還包括在所述形成第一晶體和第二晶體的步驟之後，對所述第一晶體和第二晶體中至少一個的表面進行研磨的步驟。
4. 一種製造波長變換器的方法，所述波長變換器具有光波導且對通過所述光波導的一端輸入至所述光波導內的入射光束的波長進行變換，並通過所述光波導的另一端輸出出射光束，所述製造波長變換器的方法包括準備第一晶體的步驟；準備第二晶體的步驟，其中所述第二晶體的折射率和所述第一晶體的折射率基本上無差別；以及以形成疇相反結構且所述疇相反結構對於所述入射光束滿足準相位匹配條件的方式對所述第一晶體和第二晶體進行嵌合的步驟，在所述疇相反結構中所述第一晶體和第二晶體的極向沿所述光波導周期性反轉。
5. —種製造波長變換器的方法，所述波長變換器具有光波導且對通過所述光波導的一端輸入至所述光波導內的入射光束的波長進行變換，並通過所述光波導的另一端輸出出射光束，所述製造波長變換器的方法包括生長第一晶體的步驟；在所述第一晶體的表面形成兩個以上規則排列的凸起的步驟；以及在所述第一晶體的所述表面上生長第二晶體的步驟，所述第二晶體為無定形晶體，其中所述第二晶體的折射率和所述第一晶體的折射率基本上無差別；其中在所述生長第二晶體的步驟中，以產生疇相反結構且所述疇相反結構對於所述入射光束滿足準相位匹配條件的方式形成所述第一晶體和第二晶體，在所述疇相反結構中所述第一晶體和第二晶體的極向沿所述光波導周期性反轉。
6. 如權利要求5所述的製造波長變換器的方法，其中在所述生長第二晶體的步驟中，生長所述第二晶體使得在400 800 rnn波長下所述第二晶體與所述第一晶體的折射率之差為0.001 0.1。
7. —種波長變換器，所述波長變換器具有光波導且對通過所述光波導的一端輸入至所述光波導內的入射光束的波長進行變換，並通過所述光波導的另一端輸出出射光束，所述波長變換器包括第一晶體；和折射率與所述第一晶體基本上無差別的第二晶體；其中所述第一晶體和第二晶體形成疇相反結構，其中極向沿所述光波導周期性反轉，所述疇相反結構對於所述入射光束滿足準相位匹配條件。
8. 如權利要求7所述的波長變換器，其中所述第一晶體和所述第二晶體嵌合。
9. 如權利要求7所述的波長變換器，其中所述第一晶體和第二晶體具有規則排列的凸起和凹陷；以及所述第一晶體的所述凸起和所述第二晶體的所述凹陷接合在一
全文摘要
本發明提供一種製造波長變換器的方法和由此能夠提高透射率的波長變換器。製造波長變換器(10a)的方法包括下列步驟。首先，生長晶體。然後，以使疇彼此相反的方式將所述晶體分割成兩個以上的部分，從而形成第一晶體(11)和第二晶體(12)。接著，以形成疇相反結構且所述疇相反結構對於所述入射光束(101)滿足準相位匹配條件的方式對所述第一晶體(11)和第二晶體(12)進行嵌合，在所述疇相反結構中所述第一晶體(11)和第二晶體(12)的極向沿光波導(13)周期性反轉。
文檔編號G02F1/365GK101644871SQ20091016413
公開日2010年2月10日 申請日期2009年8月6日 優先權日2008年8月6日
發明者中幡英章, 佐藤一成, 宮永倫正, 山本喜之 申請人:住友電氣工業株式會社