專利名稱：制造波長變換器的方法和波長變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造波長變換器的方法和波長變換器本身。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器和固體激光器在它們的構(gòu)成材料中擁有獨特的出射波長，所述波長的范圍寬度直接決定了激光器應(yīng)用領(lǐng)域的寬度。在環(huán)境感應(yīng)和醫(yī)療/生物技術(shù)應(yīng)用中使用紅外光源，同時對包括汽車排放物測試、激光電離質(zhì)譜法、水果糖度分析、牙科治療、非侵害性血液檢驗和腦內(nèi)血流測量的領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用也正在進(jìn)行研究。然而，光源如紅寶石激光器、釔鋁石榴石(YAG)激光器和二氧化碳?xì)怏w激光器例如僅能夠發(fā)射特定波長的光。且盡管諸如鈦-藍(lán)寶石激光器的光源可調(diào)諧，但其僅能夠發(fā)射約650 nm 1100 nm波長的光。因而，不可能獲得跨越整個波長范圍的激光。因此，正在研究能夠?qū)⒂杉す庠此l(fā)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(fā)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。并且由于不能對作為晶體固有性能的雙折射進(jìn)行調(diào)節(jié)，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(xiàn)l)公開了一種使用化合物半導(dǎo)體晶體的波長變換器，所述化合物半導(dǎo)體晶體包含氮(N)和至少鎵(Ga)或鋁(Al)或銦(In)并且展示了自發(fā) 極化性能。在專利文獻(xiàn)l中，在化合物半導(dǎo)體晶體中形成了極化結(jié)構(gòu)， 在所述極化結(jié)構(gòu)中自發(fā)極化在二維晶格結(jié)構(gòu)中周期性反轉(zhuǎn)，所述極化 結(jié)構(gòu)對于第一波長入射光束二維滿足準(zhǔn)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(jìn)行波長變換。前述專利文獻(xiàn)1還公開了一種制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(dǎo)體晶體形成的二維疇相反結(jié)構(gòu)。特 別地，在具有+c面的氮化鎵(GaN)襯底上形成構(gòu)圖成與二維疇相反結(jié)構(gòu) 的圖案相對應(yīng)的掩模。其后在所述構(gòu)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(qū)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(qū)域。由此形成 二維疇相反結(jié)構(gòu)。
專利文獻(xiàn)1:日本未審査專利申請2008-170710號公報

發(fā)明內(nèi)容
然而，在上述專利文獻(xiàn)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(jié)晶度與在構(gòu)圖的掩模上生長的GaN 晶體的結(jié)晶度不同。作為深入研究努力的結(jié)果，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)波長變 換器中結(jié)晶度不同所帶來的問題在于在不同晶體界面處的光發(fā)生發(fā) 射，因此證明光透射率變差。考慮到上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種制造波長變換 器的方法和借此能夠提高透射率的波長變換器。本發(fā)明一個方面中的制造波長變換器的方法為制造具有光 波導(dǎo)且對通過所述光波導(dǎo)一端輸入至光波導(dǎo)內(nèi)的入射光束的波長進(jìn)行變換，并通過所述光波導(dǎo)的另一端輸出出射光束的波長變換器的方法， 所述制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(jié)構(gòu)且所述疇相反結(jié)構(gòu)對于所述入射光束滿足準(zhǔn)相 位匹配條件的方式對所述第一晶體和第二晶體進(jìn)行嵌合，其中在所述 疇相反結(jié)構(gòu)中所述第一晶體和第二晶體的極向沿光波導(dǎo)周期性反轉(zhuǎn)。根據(jù)本發(fā)明一個方面中的制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(jìn)行嵌合 以形成疇相反結(jié)構(gòu)，因而當(dāng)通過光波導(dǎo)傳輸入射光束時，能夠最小化 光波導(dǎo)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制造穿過光波導(dǎo)的 光透射率得到提高的波長變換器成為可能。在上述制造波長變換器的方法中，優(yōu)選在形成第一晶體和 第二晶體的步驟之后，還提供對第一晶體和第二晶體的至少一個的表 面進(jìn)行腐蝕的步驟。由此能夠進(jìn)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。在上述制造波長變換器的方法中，優(yōu)選在形成第一晶體和 第二晶體的步驟之后，還提供對第一晶體和第二晶體的至少一個的表 面進(jìn)行研磨的步驟。由此能夠進(jìn)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(fā)明另一個方面中制造波長變換器的方法為制造具有光波導(dǎo)且對通過所述光波導(dǎo)的一端輸入至所述光波導(dǎo)內(nèi)的入射光束的 波長進(jìn)行變換，并通過所述光波導(dǎo)的另一端輸出出射光束的波長變換 器的方法，所述制造波長變換器方法包括下列步驟。準(zhǔn)備第一晶體。 準(zhǔn)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(jié)構(gòu)且所述疇相反結(jié)構(gòu) 對于入射光束滿足準(zhǔn)相位匹配條件的方式進(jìn)行嵌合，在所述疇相反結(jié) 構(gòu)中第一晶體和第二晶體的極向沿光波導(dǎo)周期性反轉(zhuǎn)。根據(jù)本發(fā)明另一個方面中的制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(jié)構(gòu)，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(dāng)使入射光束穿過光波導(dǎo)時， 能夠?qū)⒐獠▽?dǎo)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制造 透射率提高的波長變換器成為可能。在本發(fā)明還另一個方面中的制造波長變換器的方法為制造 具有光波導(dǎo)且對通過所述光波導(dǎo)的一端輸入至所述光波導(dǎo)內(nèi)的入射光 束的波長進(jìn)行變換，并通過所述光波導(dǎo)的另一端輸出出射光束的波長 變換器的方法，所述制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(guī)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(chǎn)生疇相反結(jié)構(gòu)且所述疇相反結(jié)構(gòu)對于所述
入射光束滿足準(zhǔn)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(jié)構(gòu)中第一晶體和第二晶體的極向沿光波導(dǎo)周期性反轉(zhuǎn)。根據(jù)本發(fā)明還另一個方面的制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 于形成極化結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)通過光波導(dǎo)傳輸入射光束時，能夠最小化 光波導(dǎo)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，由此使得制造透射率得
到提高的波長變換器成為可能。就前述制造波長變換器的方法而言，在生長第二晶體的步
驟中，優(yōu)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 得制造透射率提高的波長變換器成為可能。本發(fā)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(dǎo)且對通過所述光波導(dǎo)的一端輸入至所述光波導(dǎo)內(nèi)的入射光束的波長 進(jìn)行變換，并通過所述光波導(dǎo)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(jié)構(gòu)，其中極向沿光波導(dǎo)周期性 反轉(zhuǎn)，且所述疇相反結(jié)構(gòu)對于入射光束滿足準(zhǔn)相位匹配條件。根據(jù)本發(fā)明的波長變換器，形成疇相反結(jié)構(gòu)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(dāng)通過光波導(dǎo)傳輸入 射光束時，能夠?qū)⒐獠▽?dǎo)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(xiàn)透射率得到提高的波長變換器。在前述波長變換器中，優(yōu)選對第一晶體和第二晶體進(jìn)行嵌 合。在這種情況下，通過上述一個或其它方面中制造波長變換器的方 法可以容易地制造波長變換器。
在前述波長變換器中，優(yōu)選所述第一晶體和第二晶體具有 規(guī)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?qū)崿F(xiàn)通過上述還另一個方面中制造波 長變換器的方法簡單而又方便地制造的波長變換器。根據(jù)本發(fā)明制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?shù)墓獾姆瓷渥钚』?。因此，能夠制造透射?提高的波長變換器。



圖1為顯示本發(fā)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(fā)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(fā)明實施方式1中起始襯底的簡化透視圖。 圖4為顯示本發(fā)明實施方式1中已經(jīng)生長了晶體的狀況的簡化透 視圖。
圖5為顯示本發(fā)明實施方式1中對晶體進(jìn)行分割的狀況的簡化透 視圖。
圖6為顯示本發(fā)明實施方式1中已經(jīng)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(fā)明實施方式1中晶體已經(jīng)被分割的獨立狀態(tài)的簡 化透視圖。
圖8為顯示本發(fā)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(fā)明實施方式4中已經(jīng)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(jù)附圖對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行描述。應(yīng)當(dāng)理 解，在下文中，附圖中相同或相應(yīng)部分用相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示，因此 不再進(jìn)行重復(fù)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(jìn)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(dǎo)13。所述光波導(dǎo)13對通過所述光波導(dǎo)的一端13a輸入至所述光波導(dǎo) 13內(nèi)的入射光束101的波長進(jìn)行變換，并通過所述光波導(dǎo)13的另一端 13b從光波導(dǎo)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(yōu)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(jié)構(gòu)，其中極 向沿光波導(dǎo)13周期性反轉(zhuǎn)。也就是，在產(chǎn)生疇相反結(jié)構(gòu)的第一晶體和 第二晶體11、 12中形成用于限制光波的光波導(dǎo)13。所述疇相反結(jié)構(gòu)對 于入射光束101滿足準(zhǔn)相位匹配條件。本文中，"準(zhǔn)相位匹配條件" 為，在給定結(jié)構(gòu)的情況下，通過利用周期性結(jié)構(gòu)的波矢補(bǔ)償非線性疇 的波矢和待產(chǎn)生光波的波矢之差而得到相位匹配的條件，在所述給定 結(jié)構(gòu)中，沿非線性光學(xué)晶體中的傳播軸，非線性光學(xué)系數(shù)的符號周期 性改變。關(guān)于用于形成疇相反結(jié)構(gòu)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(jìn)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(dǎo)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(yōu)選具有 五個以上的周期。優(yōu)選第一晶體和第二晶體11、 12的界面14無縫隙，所述 界面構(gòu)成光波導(dǎo)13且與所述光波導(dǎo)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(dǎo)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。由于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(dǎo)13的縱軸 (入射光束101的前進(jìn)方向)交叉。這可降低穿過光波導(dǎo)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(guī)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 小于lxl07 cm—2，優(yōu)選為1><103 cm—2 小于 lx105 cnf2。在本實施方式中，所述第一晶體和第二晶體11、 12的位 錯密度在所述范圍內(nèi)。位錯密度小于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(qiáng)度基于使用(Use-based)的劣 化，從而提高了壽命，在所述壽命期間可保持特性。位錯密度小于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。盡管從 便于制造的角度來看，優(yōu)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堿腐蝕法而確定的值(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(xiàn)的 坑的數(shù)進(jìn)行計數(shù)并用單位表面積來除而得到的值。盡管第一晶體和第二晶體11、 12可以具有不同的化學(xué)組 成，但是優(yōu)選它們具有相同的組成。此外，所述第一和第二晶體11、 12優(yōu)選由AlxGa(1_x)N (0.5 l)構(gòu)成。在這種情況下，由于Al的原子 分?jǐn)?shù)x為0.5 1時的熱導(dǎo)率，讓晶體具有前述位錯密度確保將證明如 下結(jié)果壽命將得到提高。此處，AlxGa(^)N中的原子分?jǐn)?shù)x為Al的 摩爾比率?，F(xiàn)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制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(zhǔn)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(yōu)選準(zhǔn)備的起始襯底21的化學(xué)組成與生長的晶體22的化 學(xué)組成相同。還優(yōu)選準(zhǔn)備由AlxGa(1.x)N (0.5 ^ x S l)構(gòu)成的起始襯底21 。參考圖4，顯示本實施方式中已經(jīng)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(xué)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(yōu)選為lxl03cm—2 小于lxl07cm—2，更優(yōu)選為lxl03cm—2 小 于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(jìn)行特別限制，能夠采用氣相淀積法如升華 淀積、氫化物氣相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)和金屬有機(jī)化學(xué)氣 相淀積(MOCVD);或包括助溶劑法和高氮壓力生長的溶液淀積法?，F(xiàn)在參考圖5，顯示本實施方式中將晶體22進(jìn)行分割的狀 況的簡化透視圖，并參考圖6，顯示本實施方式中已經(jīng)進(jìn)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。由于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(xué)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(yōu)選為lxl03cm—2 小于lxl07cm—2、更優(yōu)選為lxl03cm—2 小 于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(jìn)行分割使得成為梳狀形狀。當(dāng)以這種方式進(jìn)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(cè)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。盡管未對分割方法進(jìn)行特別限制，但是能夠使用激光或線 狀鋸。利用激光進(jìn)行分割的優(yōu)點在于會提高機(jī)械加工精確度。使用線 狀鋸的優(yōu)點在于會降低成本。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(jìn)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(jìn)的方向為正極。參考圖7，顯示本實施方式中獨立狀態(tài)的簡化透視圖，其 中已經(jīng)對晶體22進(jìn)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(jìn)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(jìn)行 分割，如圖2中所示。在這種情況下，優(yōu)點在于機(jī)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(jìn) 行腐蝕。由此能夠進(jìn)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。所述腐蝕可以為濕法腐蝕或干法腐蝕。例如，如果第一晶體和第二晶體11、 12為A1N，那么作為 濕法腐蝕的在KOH中進(jìn)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 為干法腐蝕的反應(yīng)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(yīng)當(dāng)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(jìn) 行研磨。研磨的表面使得更可靠的極化成為可能。盡管未對研磨方法 進(jìn)行特別限制，但例如可釆用諸如化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)的方法。應(yīng)當(dāng)理 解，所述研磨步驟可以省略。此外，可以單獨進(jìn)行腐蝕步驟或研磨步 驟，或者可以進(jìn)行兩個步驟。在進(jìn)行兩個步驟時，可以在腐蝕步驟之 前進(jìn)行研磨步驟。然后，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(jié)構(gòu)，其中所述第一晶體和第二晶體11、 12的極向沿光波導(dǎo)13 周期性反轉(zhuǎn)，從而所述疇相反結(jié)構(gòu)對于入射光束101滿足準(zhǔn)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(zhuǎn)180° ，且設(shè)置梳狀面彼此相對。在這種狀態(tài)下，第一晶體和第二晶體ll、 12嵌合。由于本實施方式中的 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。然后，可以進(jìn)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(jù)前述，如圖1和圖2中所述，通過形成極向沿光波導(dǎo) 13周期性反轉(zhuǎn)的疇相反結(jié)構(gòu)，能夠制造波長變換器10a和10b，其中所 述疇相反結(jié)構(gòu)對于入射光束101滿足準(zhǔn)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(dǎo)13的一端13a輸入入射光束101。 所述入射光束101優(yōu)選垂直于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(dǎo)13，朝向光波導(dǎo)13的另一 端13b前進(jìn)。此時，在光波導(dǎo)13中，通過具有疇相反結(jié)構(gòu)的第一晶體 和第二晶體ll、 12對所述入射光束101的相位進(jìn)行變換，所述疇相反 結(jié)構(gòu)滿足準(zhǔn)相位匹配條件。然后通過光波導(dǎo)13的另一端13b輸出波長 已經(jīng)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(dǎo)13并對從光波導(dǎo)13的一端13a輸入的 入射光束101的波長進(jìn)行變換，并通過光波導(dǎo)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(jié)構(gòu)，在所述疇相反結(jié)構(gòu)中極向沿光波導(dǎo) 13周期性反轉(zhuǎn)，所述疇相反結(jié)構(gòu)對于入射光束101滿足準(zhǔn)相位匹配條 件。
本實施方式中制造波長變換器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(jié)構(gòu)對于所述入射光束101滿足準(zhǔn)相位匹配條件的方式對所述第 一晶體和第二晶體ll、 12進(jìn)行嵌合以形成疇相反結(jié)構(gòu)的步驟，在所述疇相反結(jié)構(gòu)中所述第一晶體和第二晶體11、 12的極向沿所述光波導(dǎo)13周期性反轉(zhuǎn)。
根據(jù)本實施方式中制造波長變換器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(jìn)行嵌合以形成疇相反結(jié)構(gòu)，因而當(dāng)通過光波導(dǎo)13傳輸入 射光束101時，能夠使在光波導(dǎo)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制造透射率提高的波長變換 器10a和10b成為可能，所述透射率用相對于通過光波導(dǎo)13的一端13a 輸入的入射光束101強(qiáng)度的通過另一端13b輸出的出射光束102強(qiáng)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(zhuǎn)其中一個并將它們嵌合在一起，能夠制造波長變換器10a和10b。 因此，能夠容易地制造利用由例如AlxGa(1.x)N (0.5 S x S l)構(gòu)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，將對本實施方式中制造波長變換器10a和10b的 方法進(jìn)行描述。本實施方式制造波長變換器10a和10b的方法包括基本上與實施方式1相類似的操作，不同之處在于未使用由晶體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(zhǔn)備了起始襯底21。 然后，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(zhǔn)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，并準(zhǔn)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(jié)構(gòu)。
關(guān)于準(zhǔn)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(zhǔn)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?；蛘?，為了準(zhǔn)備第二晶體12，可以生長晶體22使得不具有 極性，并進(jìn)行機(jī)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(xué)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(xué)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 小于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(jié) 構(gòu)對于入射光束101滿足準(zhǔn)相位匹配條件的方式對第一和第二晶體11、 12進(jìn)行嵌合以形成疇相反結(jié)構(gòu)，在所述疇相反結(jié)構(gòu)中所述第一晶體和 第二晶體11、 12的極向沿光波導(dǎo)13周期性反轉(zhuǎn)。由此能夠制造本實 施方式的波長變換器10a和10b。
如上所述本實施方式中制造波長變換器10a和10b的方法， 包括準(zhǔn)備第一晶體11的步驟和準(zhǔn)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(jié) 構(gòu)。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(dǎo)13時也能使光波導(dǎo)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，從而使得制造 透射率提高的波長變換器10a和10b成為可能。
特別的優(yōu)點在于，僅極化第一晶體ll、由另一種材料形成 第二晶體12并對第一晶體11和第二晶體12進(jìn)行嵌合可容易地制造波 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(gòu)造，但是不同之處在于所述 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(yōu)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(yōu)選所述第一晶體11為單晶體，且位錯 密度優(yōu)選為lx103 cm—2 小于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(guī)則排列的凸起llc和凹陷。所述兩個以上凸起llc 以相同構(gòu)型突出，且沿光波導(dǎo)13的與縱軸(入射光束101穿過光波導(dǎo) 13的方向)交叉的線取向。如圖8中所示，在所述凸起llc中，構(gòu)成光 波導(dǎo)13壁面部分的寬度Wn優(yōu)選至少為預(yù)定尺寸。所述預(yù)定尺寸為例如至少26iam。此外，在所述凸起中，優(yōu)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(xiàn)在將對本實施方式中制造波長變換器的方法進(jìn)行描述。 首先，以與實施方式1中相同的方式準(zhǔn)備起始襯底21。其次，在所述 起始襯底21上生長第一晶體11。然后，在所述第一晶體11表面中形 成兩個以上規(guī)則排列的凸起。在這些步驟中，在起始襯底21上生長晶 體22，并以與例如實施方式1中相同的方式由所述晶體22分割具有至 少兩個規(guī)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。然后，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(jié)構(gòu)，并以所述 疇相反結(jié)構(gòu)對于入射光束101滿足準(zhǔn)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(jié)構(gòu)中，第一晶體和第二晶體11、 12的極向沿光波導(dǎo)13周期性反轉(zhuǎn)。
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(xué)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(yōu)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(jìn)行特別限制。
當(dāng)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(chǎn)生疇相反結(jié)構(gòu)。該步 驟使得制造圖8中所示的波長變換器10d成為可能。根據(jù)如上所述本實施方式中制造波長變換器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能夠有助于形 成極化結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)入射光束101通過光波導(dǎo)13傳輸時，能夠使光 波導(dǎo)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， 由此使得制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(jìn)行研究。
本發(fā)明實施例1和2基本上按照實施方式1制造了本發(fā)明實施例1和2中的波 長變換器。具體地，首先，分別準(zhǔn)備A1N單晶體襯底和Alo.5Gao.sN單 晶體襯底作為本發(fā)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，通過升華淀積在所述起始襯底21上生長具有與起始 襯底21相同化學(xué)組成的晶體22。其后在所述晶體22的表面上進(jìn)行CMP 研磨。然后，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(gòu)成光波導(dǎo)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)的熔融堿腐蝕分別 對所得到的第一晶體和第二晶體11、 12中的位錯密度進(jìn)行表征。結(jié)果 為本發(fā)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(jié)構(gòu)，在所述疇相反結(jié)構(gòu)中第一晶體和第二晶體11、 12如圖1中所示沿光波導(dǎo)13周期性反轉(zhuǎn)，所述疇相反結(jié)構(gòu)對于入射光 束101滿足準(zhǔn)相位匹配條件。由此制造了本發(fā)明實施例1和2的波長 變換器10a。
評價結(jié)果關(guān)于本發(fā)明實施例1和2的波長變換器，將源自1064 nm 波長的Nd-YAG激光器(釹YAG激光器)的光束以垂直于第一晶體和 第二晶體11、12的極化界面14的方式輸入光波導(dǎo)13內(nèi)作為入射光束。 結(jié)果輸出532 nm波長的出射光束102。根據(jù)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(fā)明實施例1和2的波長變換器，通過光波導(dǎo)13能夠傳輸輸入的入 射光束101，且輸出經(jīng)波長變換的出射光束102。盡管以前述方式對本發(fā)明的實施方式和實施例進(jìn)行了描 述，但是從開始就預(yù)期將適合的各個實施方式和實施例的特征組合起 來。此外，此處公開的實施方式和實施例在各方面都認(rèn)為是說明性的而非限制性的。本發(fā)明的范圍不是由前述實施方式確定而是由本權(quán)利 要求書的范圍確定，且本發(fā)明的范圍旨在包括與本權(quán)利要求書的范圍 等價的含義以及所述范圍內(nèi)的所有變體。
權(quán)利要求
1.一種制造波長變換器的方法，所述波長變換器具有光波導(dǎo)且對通過所述光波導(dǎo)的一端輸入至所述光波導(dǎo)內(nèi)的入射光束的波長進(jìn)行變換，并通過所述光波導(dǎo)的另一端輸出出射光束，所述制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(jié)構(gòu)且所述疇相反結(jié)構(gòu)對于所述入射光束滿足準(zhǔn)相位匹配條件的方式對所述第一晶體和第二晶體進(jìn)行嵌合的步驟，在所述疇相反結(jié)構(gòu)中所述第一晶體和第二晶體的極向沿所述光波導(dǎo)周期性反轉(zhuǎn)。
2. 如權(quán)利要求l所述的制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后，對所述第一晶體和第二晶體中至少一個的表面進(jìn)行腐蝕的步驟。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的制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后，對所述第一晶體和第二晶體中至少一個的表面進(jìn)行研磨的步驟。
4. 一種制造波長變換器的方法，所述波長變換器具有光波導(dǎo)且對通過所述光波導(dǎo)的一端輸入至所述光波導(dǎo)內(nèi)的入射光束的波長進(jìn)行變換，并通過所述光波導(dǎo)的另一端輸出出射光束，所述制造波長變換器的方法包括準(zhǔn)備第一晶體的步驟；準(zhǔn)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(jié)構(gòu)且所述疇相反結(jié)構(gòu)對于所述入射光束滿足準(zhǔn)相位匹配條件的方式對所述第一晶體和第二晶體進(jìn)行嵌合的步驟，在所述疇相反結(jié)構(gòu)中所述第一晶體和第二晶體的極向沿所述光波導(dǎo)周期性反轉(zhuǎn)。
5. —種制造波長變換器的方法，所述波長變換器具有光波導(dǎo)且對通過所述光波導(dǎo)的一端輸入至所述光波導(dǎo)內(nèi)的入射光束的波長進(jìn)行變換，并通過所述光波導(dǎo)的另一端輸出出射光束，所述制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(guī)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(chǎn)生疇相反結(jié)構(gòu)且所述疇相反結(jié)構(gòu)對于所述入射光束滿足準(zhǔn)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(jié)構(gòu)中所述第一晶體和第二晶體的極向沿所述光波導(dǎo)周期性反轉(zhuǎn)。
6. 如權(quán)利要求5所述的制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(dǎo)且對通過所述光波導(dǎo)的一端輸入至所述光波導(dǎo)內(nèi)的入射光束的波長進(jìn)行變換，并通過所述光波導(dǎo)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(jié)構(gòu)，其中極向沿所述光波導(dǎo)周期性反轉(zhuǎn)，所述疇相反結(jié)構(gòu)對于所述入射光束滿足準(zhǔn)相位匹配條件。
8. 如權(quán)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(quán)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(guī)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(fā)明提供一種制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。制造波長變換器(10a)的方法包括下列步驟。首先，生長晶體。然后，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(jié)構(gòu)且所述疇相反結(jié)構(gòu)對于所述入射光束(101)滿足準(zhǔn)相位匹配條件的方式對所述第一晶體(11)和第二晶體(12)進(jìn)行嵌合，在所述疇相反結(jié)構(gòu)中所述第一晶體(11)和第二晶體(12)的極向沿光波導(dǎo)(13)周期性反轉(zhuǎn)。
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(yōu)先權(quán)日2008年8月6日
發(fā)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(yè)株式會社