JP2001066652A - Method for formation of polarization inverted structure and production of wavelength converting device using the same - Google Patents

Method for formation of polarization inverted structure and production of wavelength converting device using the same

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JP2001066652A
JP2001066652A JP24227899A JP24227899A JP2001066652A JP 2001066652 A JP2001066652 A JP 2001066652A JP 24227899 A JP24227899 A JP 24227899A JP 24227899 A JP24227899 A JP 24227899A JP 2001066652 A JP2001066652 A JP 2001066652A
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electrode
domain
inverted structure
forming
crystal substrate
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JP24227899A
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Tomoya Sugita
知也 杉田
Kiminori Mizuuchi
公典 水内
Kazuhisa Yamamoto
和久 山本
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent fracture in a crystal when an electric field is applied and to form a thick polarization inversed structure having a high aspect ratio by including a process for the formation of polarization inversed structure to apply a pulse electric field on a ferroelectric crystal substrate twice or more times to form a polarization inversed structure in the ferroelectric crystal substrate, and other processes. SOLUTION: The insulating film 4 is formed to several 100 to 3000 Å thickness which is enough thick than the thickness of a comb-like electrode 2 and an electrode 3. The comb-like electrode 2 and the electrode 3 are easily obtained by forming a Ta thin film on the surface of a MgO; LN crystal substrate 1 by vapor deposition or sputtering and by using a photolithographic process and an etching process or a lift-off process. The insulating film 4 can be also easily formed by sputtering or the like. By applying an electric field on the MgO; LN crystal substrate 1 by using a power supply 5 through the comb-like electrode 2 and the electrode 3 thus formed, the polarization inversed structure 6 is formed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体結晶基板
中に分極反転構造を形成する際に、任意の領域に均一な
分極反転領域を形成することができる分極反転構造の形
成方法に関する。特に、本発明は、強誘電体結晶のＸカ
ット基板、Ｙカット基板、及びオフカット基板におい
て、基板の厚さ方向に厚い分極反転領域を形成すること
ができる分極反転構造の形成方法に関する。更に、本発
明は、上記の分極反転構造の形成方法を利用して形成し
た周期状の分極反転構造を有する、波長変換素子の製造
方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a domain-inverted structure that can form a uniform domain-inverted region in an arbitrary region when a domain-inverted structure is formed in a ferroelectric crystal substrate. In particular, the present invention relates to a method for forming a domain-inverted structure capable of forming a domain-inverted region in a thickness direction of a substrate of an X-cut substrate, a Y-cut substrate, and an off-cut substrate of a ferroelectric crystal. Further, the present invention relates to a method for manufacturing a wavelength conversion element having a periodic domain-inverted structure formed by using the above-described method for forming a domain-inverted structure.

【０００２】[0002]

【従来の技術】強誘電体材料は、絶縁性及び高誘電率を
持つことに加えて、自発分極の反転という現象を生じ
る。分極反転構造は、強誘電体結晶特性の制御を可能に
する現象であって、この分極反転現象を利用することに
よって、光スイッチ、光偏光器、表面弾性波デバイス、
焦点素子、非線形光学デバイス等、多くの分野への応用
が可能である。2. Description of the Related Art A ferroelectric material has a phenomenon of inversion of spontaneous polarization in addition to having insulating properties and a high dielectric constant. The domain-inverted structure is a phenomenon that enables control of ferroelectric crystal characteristics. By using this domain-inverted phenomenon, an optical switch, an optical polarizer, a surface acoustic wave device,
It can be applied to many fields such as focusing elements and nonlinear optical devices.

【０００３】この分極反転現象を利用したデバイスの１
つとして、波長λのレーザ光を入射させて波長λ／２の
出力光を得る波長変換素子（以下、「ＳＨＧ素子」と呼
ぶ）がある。ＳＨＧ素子の開発に関して、これまで様々
なアプローチがなされてきた。One of the devices utilizing this polarization reversal phenomenon is
One example is a wavelength conversion element (hereinafter, referred to as an "SHG element") that obtains output light having a wavelength of λ / 2 by injecting laser light having a wavelength of λ. Various approaches have been taken for the development of SHG devices.

【０００４】例えば、強誘電体結晶であるＬｉＮｂＯ3
やＬｉＴａＯ3に周期状の分極反転構造を形成して擬似
的に位相整合状態（基本波の位相速度と第２高調波の位
相速度とが等しい状態）を作ることによって、高効率の
波長変換が達成できることが報告されている。このＳＨ
Ｇ素子においては、出射光波長に見合った周期を有する
周期状の分極反転構造を形成することが必要であり、出
力波長として例えば波長４００ｎｍ〜４５０ｎｍの青色
光を得る場合には、分極反転周期として約３μｍ程度の
ものが必要である。また、完全に位相整合をとるために
は、均一な周期を有する分極反転構造を形成するという
ことが重要である。For example, LiNbO 3 which is a ferroelectric crystal
By forming a periodic domain-inverted structure in LiTaO 3 or LiTaO 3 to create a pseudo-phase matching state (a state in which the phase velocity of the fundamental wave is equal to the phase velocity of the second harmonic), highly efficient wavelength conversion can be achieved. It is reported that it can be achieved. This SH
In the G element, it is necessary to form a periodic domain-inverted structure having a period commensurate with the wavelength of the emitted light, and when obtaining blue light with a wavelength of, for example, 400 nm to 450 nm as the output wavelength, the About 3 μm is required. In order to achieve perfect phase matching, it is important to form a domain-inverted structure having a uniform period.

【０００５】一方、更に高効率の波長変換を行うため
に、光導波路型のＳＨＧ素子も提案されてきている。こ
れは、光の伝搬方向に周期状の分極反転構造を形成する
ものであり、光導波路内に光を閉じ込めることにより、
バルク型のＳＨＧ素子よりもはるかに高効率の波長変換
が達成される。光導波路型ＳＨＧ素子では、光閉じ込め
による高効率化のために、光導波路内を伝搬する導波光
と分極反転部との十分なオーバーラップを図ることが重
要であり、光導波路の断面方向での分極反転構造の大き
さが、光導波路の断面よりも大きくなることが望まし
い。On the other hand, in order to perform wavelength conversion with higher efficiency, an optical waveguide type SHG element has been proposed. This is to form a periodic domain-inverted structure in the light propagation direction. By confining the light in the optical waveguide,
Much more efficient wavelength conversion is achieved than bulk-type SHG devices. In the optical waveguide type SHG element, it is important to sufficiently overlap the guided light propagating in the optical waveguide and the polarization inversion section in order to increase the efficiency by confining the light, and the cross section of the optical waveguide in the cross-sectional direction of the optical waveguide is required. It is desirable that the size of the domain-inverted structure be larger than the cross section of the optical waveguide.

【０００６】強誘電体材料、特に強誘電体結晶基板中に
分極反転領域を形成する有効な方法の１つとして、基板
表面に周期状の分極反転構造に対応するパターンを持つ
接触電極を作製し、高真空中或いは不活性絶縁液中で電
界を印加する方法が提案されている。具体的には、特開
平２−１８７７３５号公報、特開平３−１２１４２８号
公報、及び特開平４−１９７１９号公報などにおいて、
強誘電体結晶基板のドメイン制御方法（分極反転構造の
形成方法）が提案されている。これらの方法は、主にＺ
カット基板に対する分極反転構造の形成方法に関してお
り、具体的には、単一分極化された強誘電体結晶を挟ん
で対向する両主面（＋Ｃ及び−Ｃ面）に、対向する一対
の電極（電極対）をそれぞれ配置し、その電極対の間に
直流電圧を印加することによって局部的に分極反転部分
を形成して、周期状の分極反転構造を得る。上記のうち
で特開平４−１９７１９号公報では、数１００℃〜１２
００℃の雰囲気中で直流電界或いはパルス電界の印加を
行うことにより、強誘電体材料の抗電界を減じる方法が
提案されている。As one of effective methods for forming a domain-inverted region in a ferroelectric material, particularly a ferroelectric crystal substrate, a contact electrode having a pattern corresponding to a periodic domain-inverted structure on a substrate surface is manufactured. A method of applying an electric field in a high vacuum or in an inert insulating liquid has been proposed. Specifically, JP-A-2-187735, JP-A-3-121428, and JP-A-4-19719, for example,
A method of controlling a domain of a ferroelectric crystal substrate (a method of forming a domain-inverted structure) has been proposed. These methods are mainly based on Z
The present invention relates to a method for forming a domain-inverted structure on a cut substrate. Specifically, a pair of electrodes (+ C and −C planes) opposed to each other with a single-polarized ferroelectric crystal interposed therebetween are provided. Each pair of electrodes is disposed, and a domain-inverted portion is locally formed by applying a DC voltage between the electrode pairs to obtain a periodic domain-inverted structure. Among the above, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-19719, several hundred degrees Celsius
A method of reducing a coercive electric field of a ferroelectric material by applying a DC electric field or a pulse electric field in an atmosphere of 00 ° C. has been proposed.

【０００７】また、特開平５−２１０１３２号公報で
は、面内方向に単一分極化されたＬｉＮｂＯ3結晶基板
に分極反転構造を形成する分極反転構造の形成方法が提
案されており、ここでは、基板の同一主面上の分極方向
に７μｍ〜２００μｍの間隔で対向電極対を配置し、１
５ｋＶ以上／ｍｍの電圧によって電界を印加する方法、
及び、これらの条件下で２つ以上のパルス電界を印加す
る方法が提案されている。Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 5-210132 proposes a method of forming a domain-inverted structure on a LiNbO 3 crystal substrate that is monopolarized in an in-plane direction. Counter electrode pairs are arranged at intervals of 7 μm to 200 μm in the polarization direction on the same main surface of the substrate.
A method of applying an electric field with a voltage of 5 kV or more / mm,
Further, a method of applying two or more pulse electric fields under these conditions has been proposed.

【０００８】更に、特開平９−２１８４３１号公報で
は、強誘電体結晶基板に厚い分極反転構造を形成して高
効率の波長変換を行う手段として、オフカット基板、す
なわち、強誘電体結晶の自発分極の向きに対して角度θ
（０°＜θ＜９０°）をなす面でカットした基板を用い
た、光導波路型波長変換素子が提案されている。具体的
には、オフカット基板の同一主面或いは分極方向と平行
な方向に所定パターンを有する電極を配置し、外部から
電場を印加して、周期的分極反転部を形成するという方
法が示されている。Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 9-218431 discloses an off-cut substrate, that is, a spontaneous ferroelectric crystal, as means for forming a thick domain-inverted structure on a ferroelectric crystal substrate and performing wavelength conversion with high efficiency. Angle θ to the direction of polarization
There has been proposed an optical waveguide type wavelength conversion element using a substrate cut on a plane satisfying (0 ° <θ <90 °). Specifically, a method is shown in which electrodes having a predetermined pattern are arranged on the same main surface of the off-cut substrate or in a direction parallel to the polarization direction, and an electric field is applied from the outside to form a periodically poled portion. ing.

【０００９】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の従来の
分極反転構造の形成方法において、強誘電体結晶のＸカ
ット基板やＹカット基板、或いはオフカット基板に分極
反転構造を形成する場合には、同一主面内に電極対を形
成するために、高電圧の電界を印加する際に結晶破壊が
生じることがある。However, in the above-mentioned conventional method for forming a domain-inverted structure, when a domain-inverted structure is formed on an X-cut substrate, a Y-cut substrate, or an off-cut substrate made of a ferroelectric crystal. When a high-voltage electric field is applied to form an electrode pair in the same main surface, crystal breakdown may occur.

【００１０】また、従来技術によれば、分極反転部の反
転幅（周期状の分極反転構造をなす各分極反転部分の周
期方向広がり）が電極の線幅よりも大きく形成されるた
めに、分極反転部の幅を正確に制御することができず、
従って、分極反転部のアスペクト比（各分極反転部分の
周期方向広がりＷと分極反転部の厚さｄとの比ｄ／Ｗ）
が小さくなるという課題がある。例えば、Ｘカット基板
においては、反転幅Ｗ＝１．５μｍに対して反転厚さｄ
＝０．５μｍ程度にしかならない。このため、例えば、
光導波路型波長変換素子において光導波路の厚さを２μ
ｍ程度とする場合、光導波路の断面に対して周期状の分
極反転構造が充分に形成されずに、変換効率の低下の原
因となる。特に、Ｘカット基板やＹカット基板において
は、同一主面内に電極対を形成するため、厚い分極反転
構造を形成することが困難であり、厚い周期状の分極反
転構造を形成することが課題である。In addition, according to the prior art, the inversion width of the domain-inverted portion (the width of each domain-inverted portion forming the periodic domain-inverted structure in the periodic direction) is formed larger than the line width of the electrode. The width of the reversing part cannot be controlled accurately,
Accordingly, the aspect ratio of the domain-inverted portion (the ratio d / W between the width W of each domain-inverted portion in the periodic direction and the thickness d of the domain-inverted portion)
There is a problem that becomes smaller. For example, in the case of an X-cut substrate, the inversion thickness W is 1.5 μm and the inversion thickness d
= 0.5 μm. Thus, for example,
In the optical waveguide type wavelength conversion element, the thickness of the optical waveguide is 2 μm.
In the case of about m, a periodic polarization inversion structure is not sufficiently formed with respect to the cross section of the optical waveguide, which causes a decrease in conversion efficiency. In particular, in the case of an X-cut substrate or a Y-cut substrate, it is difficult to form a thick domain-inverted structure because an electrode pair is formed in the same main surface. It is.

【００１１】また、従来の方法には、所望の分極反転周
期が３〜４μｍ程度と短い場合に、分極反転構造の形状
が不均一になるという課題も存在する。Further, the conventional method also has a problem that the shape of the domain-inverted structure becomes non-uniform when the desired domain-inverted period is as short as about 3 to 4 μm.

【００１２】上記の特開平５−２１０１３２号公報に提
案された方法では、ＬｉＮｂＯ3結晶基板において電極
間隔が２００μｍ以下に限定されているため、高電圧の
電界印加の際に上記の結晶破壊が生じやすいという問題
があり、また、厚い分極反転構造を形成することが難し
く、特に、短周期の分極反転構造の形成において、高ア
スペクト比（反転幅／反転厚さ）の分極反転構造の形成
が困難であるという課題がある。また、上記の特開平９
−２１８４３１号公報では、その実施形態の中で、オフ
カット基板内に２μｍ〜３μｍの厚さの分極反転構造を
形成する旨が記載されている。しかし、このときの分極
反転周期は４．７５μｍと大きく、また、分極反転部の
周期方向の幅は２．５μｍであり、波長４００ｎｍ〜４
５０ｎｍ程度の短波長光の発生に必要な分極反転周期３
μｍ程度の短周期の周期状の分極反転構造の形成が、難
しいという課題がある。In the method proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-210132, since the electrode spacing is limited to 200 μm or less in the LiNbO 3 crystal substrate, the above-described crystal breakdown occurs when a high-voltage electric field is applied. In addition, it is difficult to form a thick domain-inverted structure, and particularly in the formation of a short-period domain-inverted structure, it is difficult to form a domain-inverted structure having a high aspect ratio (inversion width / inversion thickness). There is a problem that is. In addition, the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open
Japanese Patent Application Laid-Open No. 218431 discloses that in this embodiment, a domain-inverted structure having a thickness of 2 μm to 3 μm is formed in an off-cut substrate. However, the domain inversion period at this time is as large as 4.75 μm, the width of the domain inversion part in the period direction is 2.5 μm, and the wavelength is 400 nm to 4 nm.
Polarization inversion period 3 required for generation of short-wavelength light of about 50 nm
There is a problem that it is difficult to form a periodically poled structure having a short period of about μm.

【００１３】更に、上記の特開平３−１２１４２８号公
報及び特開平４−１９７１９号公報には、主にＺカット
基板における分極反転構造の形成方法が示されている
が、これらに提案されている方法では高温雰囲気中で電
界印加を行うため、例えば、均一な分極反転構造を形成
するためには強誘電体結晶基板内の温度分布を均一に保
つ必要があるという課題がある。また、Ｚカット基板に
おいて、分極方向に電極対を配置するため、例えば＋Ｃ
面から成長した分極反転構造の一部が−Ｃ面上に配置さ
れた電極に達した瞬間に分極反転構造の成長が止まるこ
とになって、所望の領域に均一な周期状の分極反転構造
を形成することが困難であるという課題がある。Furthermore, the above-mentioned JP-A-3-121428 and JP-A-4-19719 mainly show a method of forming a domain-inverted structure on a Z-cut substrate, which has been proposed. In the method, since an electric field is applied in a high-temperature atmosphere, there is a problem that, for example, in order to form a uniform domain-inverted structure, it is necessary to maintain a uniform temperature distribution in the ferroelectric crystal substrate. In the Z-cut substrate, since the electrode pairs are arranged in the polarization direction, for example, + C
The moment the part of the domain-inverted structure grown from the surface reaches the electrode arranged on the -C plane, the growth of the domain-inverted structure stops, and a uniform periodic domain-inverted structure is formed in a desired region. There is a problem that it is difficult to form.

【００１４】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであって、その目的は、（１）電界印加により
強誘電体中に分極反転構造を形成する方法において、電
界印加時の結晶破壊を防止しながら、高アスペクト比を
有する厚い分極反転構造の形成を可能にする分極反転構
造の形成方法を提供すること、並びに、（２）上記のよ
うな分極反転構造の形成方法を用いて形成した周期状の
分極反転構造を有する、波長変換素子の製造方法を提供
すること、である。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. It is an object of the present invention to provide a method for forming a domain-inverted structure in a ferroelectric by applying an electric field. To provide a method of forming a domain-inverted structure capable of forming a thick domain-inverted structure having a high aspect ratio while preventing breakdown, and (2) using the method of forming a domain-inverted structure as described above. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a wavelength conversion element having a formed periodically poled structure.

【００１５】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明の分極反転構造の
形成方法は、対向する第１及び第２の主面を有し且つ該
第１及び第２の主面にほぼ平行な方向に単一分極化され
た強誘電体結晶基板の、該第１の主面に第１の電極を形
成する、第１電極形成工程と、該強誘電体結晶基板の該
第２の主面に第２の電極を形成する、第２電極形成工程
と、該第１及び第２の電極に接続された電界印加手段を
用いて、該第１及び第２の電極を介して該強誘電体結晶
基板にパルス電界を２回以上にわたって印加して、該強
誘電体結晶基板の内部に分極反転構造を形成する分極反
転形成工程と、を含んでおり、そのことによって、前述
の目的が達成される。According to the present invention, there is provided a method of forming a domain-inverted structure, comprising first and second main surfaces facing each other and a single plane in a direction substantially parallel to the first and second main surfaces. Forming a first electrode on the first main surface of the monopolarized ferroelectric crystal substrate; and forming a second electrode on the second main surface of the ferroelectric crystal substrate. A second electrode forming step of forming an electrode, and an electric field applying means connected to the first and second electrodes, to the ferroelectric crystal substrate via the first and second electrodes. A step of applying a pulsed electric field two or more times to form a domain-inverted structure inside the ferroelectric crystal substrate, thereby achieving the object described above.

【００１６】好ましくは、前記第２の電極の面積が、少
なくとも前記第１の電極の面積よりも大きく、該第２の
電極の少なくとも一部が、該第１の電極を前記第２の主
面へ前記強誘電体結晶基板の厚さ方向に投影したときの
投影領域よりも該強誘電体結晶基板の−Ｃ軸側に位置し
ている。Preferably, the area of the second electrode is larger than at least the area of the first electrode, and at least a part of the second electrode is connected to the second main surface by the second main surface. The ferroelectric crystal substrate is located on the −C-axis side of the ferroelectric crystal substrate with respect to a projection area when the ferroelectric crystal substrate is projected in the thickness direction.

【００１７】本発明の他の分極反転構造の形成方法は、
対向する第１及び第２の主面を有し且つ該第１及び第２
の主面にほぼ垂直な方向に単一分極化された強誘電体結
晶基板の、＋Ｃ軸側に位置する該第１の主面に第１の電
極を形成する、第１電極形成工程と、該強誘電体結晶基
板の−Ｃ軸側に位置する該第２の主面に第２の電極を形
成する、第２電極形成工程と、該第１及び第２の電極に
接続された電界印加手段を用いて、該第１及び第２の電
極を介して該強誘電体結晶基板にパルス電界を２回以上
にわたって印加して、該強誘電体結晶基板の内部に分極
反転構造を形成する、分極反転形成工程と、を含み、該
第２の電極の面積が、少なくとも該第１の電極の面積よ
りも大きく、該第２の電極が、該第２の主面において、
該第１の電極を該第２の主面へ該分極方向に投影したと
きの投影領域を含まないように配置されていて、そのこ
とによって、前述の目的が達成される。Another method of forming a domain-inverted structure according to the present invention is as follows.
Having opposing first and second main surfaces and the first and second
Forming a first electrode on the first main surface located on the + C axis side of the ferroelectric crystal substrate monopolarized in a direction substantially perpendicular to the main surface of the first electrode; Forming a second electrode on the second main surface located on the −C axis side of the ferroelectric crystal substrate, and applying an electric field connected to the first and second electrodes; Means for applying a pulse electric field to the ferroelectric crystal substrate through the first and second electrodes two or more times to form a domain-inverted structure inside the ferroelectric crystal substrate; A polarization inversion forming step, wherein the area of the second electrode is at least larger than the area of the first electrode, and the second electrode is formed on the second main surface by:
The first electrode is arranged so as not to include a projection area when the first electrode is projected onto the second main surface in the polarization direction, thereby achieving the above object.

【００１８】前記第２電極形成工程が、前記第２の電極
と前記強誘電体結晶基板との間に中間絶縁膜を形成する
工程を含み、前記分極反転形成工程では、前記第１及び
第２の電極と更に該中間絶縁膜を介して、該強誘電体結
晶基板に前記パルス電界を印加してもよい。The second electrode forming step includes a step of forming an intermediate insulating film between the second electrode and the ferroelectric crystal substrate. In the polarization inversion forming step, the first and second electrodes are formed. The pulsed electric field may be applied to the ferroelectric crystal substrate via the electrode and the intermediate insulating film.

【００１９】ある実施形態では、前記第１の電極が、２
つ以上のお互いにほぼ平行な電極列から構成されてお
り、該ほぼ平行な電極列の間の間隔が２００μｍより大
きい。In one embodiment, the first electrode is 2
It consists of two or more substantially parallel electrode rows, the spacing between said substantially parallel electrode rows being greater than 200 μm.

【００２０】ある実施形態では、前記第１の主面の上
に、前記第１の電極とほぼ平行に配置されているが該第
１の電極から電気的に絶縁されているストライプ状の導
電性膜を形成する工程を更に含む。In one embodiment, a stripe-shaped conductive material is disposed on the first main surface substantially in parallel with the first electrode, but is electrically insulated from the first electrode. The method further includes a step of forming a film.

【００２１】前記第１の電極が、２つ以上のお互いにほ
ぼ平行な電極列から構成されており、前記ストライプ状
の導電性膜は、その一部が該第１の電極を構成する各電
極列の間に位置するように配置されていてもよい。The first electrode is composed of two or more rows of electrodes that are substantially parallel to each other, and each of the stripe-shaped conductive films has a part of each of the electrodes forming the first electrode. It may be arranged to be located between the rows.

【００２２】例えば、前記第１の電極と前記ストライプ
状の導電性膜との間隔が、２００μｍより大きい。For example, the distance between the first electrode and the stripe-shaped conductive film is larger than 200 μm.

【００２３】ある実施形態では、前記第１の電極を含む
前記強誘電体結晶基板の表面を少なくとも覆うように、
第１の絶縁膜を形成する工程を更に含み、前記分極反転
形成工程では、前記第１及び第２の電極と更に該第１の
絶縁膜を介して、該強誘電体結晶基板に前記パルス電界
を印加する。In one embodiment, at least a surface of the ferroelectric crystal substrate including the first electrode is covered.
Forming a first insulating film, wherein in the polarization inversion forming step, the pulse electric field is applied to the ferroelectric crystal substrate via the first and second electrodes and the first insulating film. Is applied.

【００２４】前記第１の電極が、少なくとも一部に尖塔
部が設けられた形状を有しており、前記分極反転形成工
程では、該尖塔部より前記分極反転構造が形成されても
よい。The first electrode may have a shape in which a spire portion is provided at least partially, and in the polarization inversion forming step, the polarization inversion structure may be formed from the spire portion.

【００２５】ある実施形態では、前記分極反転構造が、
周期状形状を有しており、前記第１の電極が、形成され
る該分極反転構造の該周期状形状に対応する周期状パタ
ーンを有する電極である。In one embodiment, the domain-inverted structure is:
A first electrode having a periodic shape, wherein the first electrode has a periodic pattern corresponding to the periodic shape of the domain-inverted structure to be formed.

【００２６】例えば、前記周期状パターンを有する電極
が櫛形電極である。For example, the electrode having the periodic pattern is a comb electrode.

【００２７】好ましくは、前記周期状パターンを有する
電極の前記周期状パターンの長手方向の長さＬが、４０
μｍ≦Ｌ≦５００μｍである。Preferably, the length L of the electrode having the periodic pattern in the longitudinal direction of the periodic pattern is 40.
μm ≦ L ≦ 500 μm.

【００２８】好ましくは、前記第１の電極及び前記第２
の電極が、その抵抗率が１．０×１０-7Ωｍ以下の材料
から形成されている。Preferably, the first electrode and the second electrode
Is formed of a material having a resistivity of 1.0 × 10 −7 Ωm or less.

【００２９】好ましくは、前記ストライプ状の導電性膜
が、その抵抗率が１．０×１０-7Ωｍ以下の材料から形
成されている。Preferably, the striped conductive film is formed of a material having a resistivity of 1.0 × 10 −7 Ωm or less.

【００３０】好ましくは、前記第１の電極及び前記第２
の電極の各々の抵抗値が、測定位置に依存せずに２００
Ω以下である。Preferably, the first electrode and the second electrode
Resistance of each of the electrodes is 200 independent of the measurement position.
Ω or less.

【００３１】好ましくは、前記ストライプ状の導電性膜
の抵抗値が、測定位置に依存せずに２００Ω以下であ
る。Preferably, the resistance value of the striped conductive film is 200 Ω or less irrespective of the measurement position.

【００３２】好ましくは、前記分極反転形成工程におい
て、前記パルス電界のパルス幅が２０ｍｓ以下である。Preferably, in the polarization inversion forming step, a pulse width of the pulse electric field is 20 ms or less.

【００３３】好ましくは、前記分極反転形成工程におい
て、前記パルス電界の立ち上がり速度が５ｋＶ／ｍｓ以
上である。Preferably, in the polarization inversion forming step, a rising speed of the pulse electric field is 5 kV / ms or more.

【００３４】好ましくは、前記分極反転形成工程におい
て、前記パルス電界の繰り返し印加間隔が３０ｍｓ以上
である。Preferably, in the polarization inversion forming step, a repetitive application interval of the pulse electric field is 30 ms or more.

【００３５】前記強誘電体結晶基板が、ＬｉＮｂＯ3結
晶基板、或いは、ＭｇＯ、Ｚｎ、Ｓｃの何れかをドープ
したＬｉＮｂＯ3結晶基板であってもよい。The ferroelectric crystal substrate may be a LiNbO 3 crystal substrate or a LiNbO 3 crystal substrate doped with any of MgO, Zn, and Sc.

【００３６】或いは、前記強誘電体結晶基板が、液相成
長により形成された強誘電体結晶膜を含んでいてもよ
い。Alternatively, the ferroelectric crystal substrate may include a ferroelectric crystal film formed by liquid phase growth.

【００３７】本発明の他の局面によれば、強誘電体結晶
基板の中に形成された周期状の分極反転構造を有する波
長変換素子の製造方法が提供される。この製造方法で
は、該分極反転構造を、上記に記載の特徴を有する本発
明の分極反転構造の形成方法によって形成する工程を含
んでおり、そのことによって、前述の目的が達成され
る。According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a wavelength conversion element having a periodically poled structure formed in a ferroelectric crystal substrate. This manufacturing method includes a step of forming the domain-inverted structure by the method for forming a domain-inverted structure of the present invention having the above-described features, thereby achieving the above-described object.

【００３８】本発明の他の局面によれば、強誘電体結晶
基板の中に、周期状の分極反転構造を形成する工程と、
該強誘電体結晶基板の中に、該周期状の分極反転構造を
ほぼ垂直に横切る方向に、光導波路を形成する工程と、
を少なくとも含む波長変換素子の製造方法が提供され
る。この製造方法では、該分極反転構造を、上記に記載
の特徴を有する本発明の分極反転構造の形成方法によっ
て形成する工程を含んでおり、そのことによって、前述
の目的が達成される。According to another aspect of the present invention, a step of forming a periodically poled structure in a ferroelectric crystal substrate;
Forming an optical waveguide in the ferroelectric crystal substrate in a direction substantially perpendicular to the periodic domain-inverted structure;
Is provided. This manufacturing method includes a step of forming the domain-inverted structure by the method for forming a domain-inverted structure of the present invention having the above-described features, thereby achieving the above-described object.

【００３９】ある実施形態では、前記分極反転構造は、
前記強誘電体結晶基板の上に該分極反転構造に対応する
パターンを有するように形成された電極を用いて形成さ
れ、前記光導波路は、該電極が形成された領域以外の部
分に形成される。In one embodiment, the domain-inverted structure is:
An electrode formed on the ferroelectric crystal substrate to have a pattern corresponding to the domain-inverted structure is formed, and the optical waveguide is formed in a portion other than a region where the electrode is formed. .

【００４０】ある実施形態では、前記光導波路と、前記
分極反転構造に対応するパターンを有する電極の電極指
の先端との間の距離が、１０μｍ以下である。In one embodiment, a distance between the optical waveguide and a tip of an electrode finger of an electrode having a pattern corresponding to the domain-inverted structure is 10 μm or less.

【００４１】[0041]

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）単一分極化さ
れた強誘電体材料、特に強誘電体結晶基板に、自発分極
と対向する電界を印加し、この自発分極を部分的に反転
させる分極反転構造の形成方法は、従来より広く行われ
ていた。その方法としては、自発分極（以下、単に「分
極」と称する）に対向する電界を形成するために、分極
方向の＋Ｃ側及び−Ｃ側にほぼ平行に配置された正負の
電極（電極対）を形成し、これを介して強誘電体結晶基
板に電界を印加する。また、分極方向の電界に更に、分
極方向と垂直な電界成分を加えることで、形成される分
極反転構造の均一化を図った例もある。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (First Embodiment) An electric field opposing spontaneous polarization is applied to a single-polarized ferroelectric material, particularly a ferroelectric crystal substrate, and the spontaneous polarization is partially reduced. A method of forming a domain-inverted structure for inversion has been widely performed conventionally. In order to form an electric field opposing spontaneous polarization (hereinafter, simply referred to as “polarization”), a positive / negative electrode (electrode pair) arranged substantially parallel to the + C side and −C side of the polarization direction is used as the method. Is formed, and an electric field is applied to the ferroelectric crystal substrate through this. There is also an example in which an electric field component perpendicular to the polarization direction is further added to the electric field in the polarization direction to make the domain-inverted structure formed uniform.

【００４２】但し、従来は、上記の何れの方法において
も、分極を反転させるためには、分極方向に沿って配置
された電極対が必要であると考えられてきた。例えば、
分極方向が基板主面に対して垂直であるＺカット基板の
場合には、分極方向に沿うように、基板の対向する２つ
の主面に一対の正負の電極を形成する。また、分極方向
が基板主面に平行であるＸカット或いはＹカット基板の
場合には、分極方向に沿うように、基板の同一主面上に
一対の正負の電極を形成していた。However, conventionally, in any of the above methods, it has been considered that in order to invert the polarization, an electrode pair disposed along the polarization direction is required. For example,
In the case of a Z-cut substrate whose polarization direction is perpendicular to the main surface of the substrate, a pair of positive and negative electrodes are formed on two opposing main surfaces of the substrate along the polarization direction. In the case of an X-cut or Y-cut substrate whose polarization direction is parallel to the main surface of the substrate, a pair of positive and negative electrodes are formed on the same main surface of the substrate along the polarization direction.

【００４３】これに対して、本発明の第１の実施形態で
は、一対の正負の電極を、強誘電体結晶基板の分極方向
に対してほぼ垂直な方向に配置形成し、この電極を介し
て強誘電体結晶基板に電界を印加することにより、分極
反転構造を形成する。具体的には、Ｘカット、Ｙカッ
ト、或いはオフカット基板（Ｚ軸と、Ｘ軸或いはＹ軸の
何れかの結晶軸とに平行でない面で切り出した基板であ
り、強誘電体結晶の自発分極の向きに対して角度θ（０
°＜θ＜９０°）をなす面でカットした基板）など、基
板主面に対してほぼ平行な分極方向を有する強誘電体結
晶基板においては、対向する２つの主面に対をなすよう
に電極をそれぞれ形成し、この電極対の間、すなわち分
極方向とほぼ直交する方向に電界を印加することで、分
極反転構造を形成する。On the other hand, according to the first embodiment of the present invention, a pair of positive and negative electrodes are arranged and formed in a direction substantially perpendicular to the polarization direction of the ferroelectric crystal substrate. A domain-inverted structure is formed by applying an electric field to the ferroelectric crystal substrate. Specifically, an X-cut, Y-cut or off-cut substrate (a substrate cut out on a plane that is not parallel to the Z axis and either the X axis or the Y axis, and the spontaneous polarization of the ferroelectric crystal Angle θ (0
° <θ <90 °), a ferroelectric crystal substrate having a polarization direction substantially parallel to the main surface of the substrate, such that two opposite main surfaces are paired. Electrodes are formed, and an electric field is applied between the electrode pairs, that is, in a direction substantially perpendicular to the polarization direction, to form a domain-inverted structure.

【００４４】以下、本実施形態について、添付の図面を
参照して説明する。なお、以下の説明では、強誘電体結
晶としてＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3結晶（以下、「Ｍｇ
Ｏ：ＬＮ結晶」と称する）を例にとって、本実施形態を
説明する。Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description, a MgO-doped LiNbO 3 crystal (hereinafter, “Mg
This embodiment will be described with reference to an example of “O: LN crystal”).

【００４５】図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態と
して、オフカットのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板に分極反転構
造を形成するための電界印加系の構成を模式的に示す斜
視図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）を−Ｙ面
から見た場合の断面図である。FIG. 1A is a perspective view schematically showing a configuration of an electric field application system for forming a domain-inverted structure on an off-cut MgO: LN crystal substrate as a first embodiment of the present invention. is there. FIG. 1B is a cross-sectional view when FIG. 1A is viewed from the −Y plane.

【００４６】図１（ａ）及び（ｂ）において、１は単一
分極化されたオフカットのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板、２は
ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１の第１の主面に形成された櫛形
電極、３はＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１の第２の主面に形成
された電極、４は電極２を含むＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１
の第１の主面を覆うように形成された絶縁膜、５は電
源、６は形成される周期状の分極反転構造である。櫛形
電極２は、形成される分極反転構造６の周期に対応する
周期状パターンを持つ。電極３の面積は、少なくとも櫛
形電極２の面積よりも大きい。また、電極３は、櫛形電
極２を第２の主面に投影した領域（投影領域）に重なる
ように配置されており、少なくともその一部は、この投
影領域よりも、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１の−Ｃ軸側にな
るような位置に配置されている。但し、電極３の少なく
とも一部が、櫛形電極２の第２の主面への投影領域より
もＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１の−Ｃ軸側に位置していれ
ば、電極３が上記投影領域に重なっている必要はない。1 (a) and 1 (b), reference numeral 1 denotes a single-polarized off-cut MgO: LN crystal substrate, and 2 denotes a comb formed on the first main surface of the MgO: LN crystal substrate 1. Electrodes 3 are electrodes formed on the second main surface of the MgO: LN crystal substrate 1, and 4 is an MgO: LN crystal substrate 1 including the electrode 2
An insulating film 5 is formed so as to cover the first main surface of the first embodiment, a power supply 5 is provided, and a periodic domain-inverted structure 6 is formed. The comb electrode 2 has a periodic pattern corresponding to the period of the domain-inverted structure 6 to be formed. The area of the electrode 3 is at least larger than the area of the comb electrode 2. The electrode 3 is disposed so as to overlap a region (projection region) where the comb-shaped electrode 2 is projected on the second main surface, and at least a part of the electrode 3 is larger than the projection region in the MgO: LN crystal substrate 1. It is arranged at a position that is on the −C axis side. However, if at least a part of the electrode 3 is located on the −C axis side of the MgO: LN crystal substrate 1 with respect to the projection area of the comb-shaped electrode 2 on the second main surface, the electrode 3 is located in the projection area. They do not need to overlap.

【００４７】なお、電源５は、印加電圧、印加時間、及
び立ち上がり速度を制御することが可能な、パルス電界
発生源である。The power supply 5 is a pulse electric field generation source capable of controlling the applied voltage, the applied time, and the rising speed.

【００４８】本実施形態においては、ＭｇＯ：ＬＮ結晶
基板１として、厚さ約５００μｍの３°カット基板（結
晶基板表面に対して分極軸方向が３°傾くように切り出
されたオフカット基板）を用い、櫛形電極２の電極指
は、長さ４０〜１００μｍ、幅１μｍ、周期３μｍで形
成する。櫛形電極２及び電極３を形成する材料として
は、Ｔａ（タンタル）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ
（銅）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）等をはじめとする導電
性材料の利用が可能であるが、特に抵抗率が１．０×１
０-7Ωｍ以下の材料を用いると、電界印加時の電極直下
の電界強度分布を均一にすることができるため、形成さ
れる分極反転構造６の均一性を高めることができる。ま
た、特に、櫛形電極２及び電極３の抵抗値が、その測定
位置に依存せずに、電極の何れの部分においても２００
Ωを超えないようにすることにより、上記の均一性を更
に向上することができる。すなわち、櫛形電極２及び電
極３の抵抗値は、その測定位置に依存して異なる値を示
すことがあり、例えば、櫛形電極２ではその電極指（周
期状パターンの部分）で測定すると最も高い測定値を示
すが、そのような部分での測定値であっても上記のよう
に２００Ωを超えないようにすることにより、形成され
る分極反転構造６の均一性を向上することができる。In this embodiment, as the MgO: LN crystal substrate 1, a 3 ° cut substrate (off-cut substrate cut so that the polarization axis direction is inclined at 3 ° with respect to the crystal substrate surface) having a thickness of about 500 μm is used. The electrode fingers of the comb-shaped electrode 2 are formed with a length of 40 to 100 μm, a width of 1 μm, and a period of 3 μm. Materials for forming the comb-shaped electrode 2 and the electrode 3 include Ta (tantalum), Al (aluminum), Cu
Although conductive materials such as (copper), Au (gold), and Ag (silver) can be used, the resistivity is particularly 1.0 × 1.
When a material of 0 -7 Ωm or less is used, the electric field intensity distribution immediately below the electrode when an electric field is applied can be made uniform, and thus the uniformity of the domain-inverted structure 6 formed can be improved. Further, in particular, the resistance value of the comb-shaped electrode 2 and the electrode 3 is 200
By not exceeding Ω, the above uniformity can be further improved. That is, the resistance values of the comb-shaped electrode 2 and the electrode 3 may show different values depending on the measurement positions. For example, the highest measurement is obtained when the comb-shaped electrode 2 is measured with its electrode finger (the portion of the periodic pattern). Although the value is shown, even if the measured value at such a portion does not exceed 200Ω as described above, the uniformity of the domain-inverted structure 6 to be formed can be improved.

【００４９】或いは、櫛形電極２及び電極３の低抵抗化
は、構成材料として低抵抗材料を使用する他に、櫛形電
極２及び電極３の厚さを増すことによっても達成するこ
とができる。なお、電極厚さによる低抵抗化は、特に、
上記の電極指の様な数μｍオーダの微細なパターン部分
において、大きな効果が得られた。Alternatively, lowering the resistance of the comb-shaped electrode 2 and the electrode 3 can be achieved by increasing the thickness of the comb-shaped electrode 2 and the electrode 3 in addition to using a low-resistance material as a constituent material. In addition, lowering the resistance by the electrode thickness is particularly
A great effect was obtained in a fine pattern portion on the order of several μm like the above-mentioned electrode finger.

【００５０】以下、本実施形態においてＴａ電極を用い
た場合について、説明する。Hereinafter, a case where a Ta electrode is used in this embodiment will be described.

【００５１】このとき、櫛形電極２及び電極３が厚さ数
１００Å〜２０００Åになるように形成し、また、絶縁
膜４は、例えばＳｉＯ2やＮｂ2Ｏ5などを用いて、櫛形
電極２及びＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１の第１の主面を完全
に覆うように被着形成する。絶縁膜４の厚さは、櫛形電
極２及び電極３の厚さよりも十分大きくなるように、数
１００Å〜３０００Åとする。櫛形電極２及び電極３の
形成は、蒸着やスパッタリング等によりＭｇＯ：ＬＮ結
晶基板１の表面にＴａ薄膜を成膜し、フォトリソグラフ
ィープロセス及びエッチングプロセス、或いはリフトオ
フ等を用いることにより、容易に行うことができる。絶
縁膜４の被着形成も、スパッタリング等を用いることに
より、容易に実現できる。このようにして形成された櫛
形電極２及び電極３を介して、電源５を用いてＭｇＯ：
ＬＮ結晶基板１に電界印加を行うことにより、分極反転
構造６が形成される。At this time, the comb-shaped electrode 2 and the electrode 3 are formed so as to have a thickness of several hundreds to 2000 °, and the insulating film 4 is made of, for example, SiO 2 or Nb 2 O 5. The MgO: LN crystal substrate 1 is formed so as to completely cover the first main surface. The thickness of the insulating film 4 is set to several hundred degrees to 3000 degrees so as to be sufficiently larger than the thicknesses of the comb-shaped electrode 2 and the electrode 3. The comb-shaped electrode 2 and the electrode 3 can be easily formed by forming a Ta thin film on the surface of the MgO: LN crystal substrate 1 by vapor deposition, sputtering, or the like, and using a photolithography process and an etching process, or a lift-off or the like. Can be. The deposition of the insulating film 4 can also be easily realized by using sputtering or the like. Through the comb-shaped electrode 2 and the electrode 3 formed in this manner, a power source 5 is used to supply MgO:
By applying an electric field to the LN crystal substrate 1, a domain-inverted structure 6 is formed.

【００５２】次に、図２を参照して、本発明による分極
反転構造の形成方法の原理について、説明する。Next, the principle of the method for forming a domain-inverted structure according to the present invention will be described with reference to FIG.

【００５３】図２は、強誘電体結晶基板の分極方向と垂
直な方向に配置された電極を用いて電界印加を行う際に
形成される電界の様子を示す模式図であり、７はＸカッ
トのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板であり、８及び９は、Ｍｇ
Ｏ：ＬＮ結晶基板７の対向する２つの主面にそれぞれ形
成された電極である。また、１０は電源であって、１１
は、電源１０により電極８及び電極９を介してＭｇＯ：
ＬＮ結晶基板７に電界が印加された時に、ＭｇＯ：ＬＮ
結晶基板７の中に形成される電界である。更に、１２
は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板７の分極方向である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the state of an electric field formed when an electric field is applied using electrodes arranged in a direction perpendicular to the polarization direction of the ferroelectric crystal substrate. 8 and 9 are MgO: LN crystal substrates.
O: electrodes formed on two opposing main surfaces of the LN crystal substrate 7, respectively. Reference numeral 10 denotes a power supply, and 11
Is MgO from the power supply 10 via the electrodes 8 and 9:
When an electric field is applied to the LN crystal substrate 7, MgO: LN
An electric field formed in the crystal substrate 7. In addition, 12
Is the polarization direction of the MgO: LN crystal substrate 7.

【００５４】図２に示す構成を用いてＸカットＭｇＯ：
ＬＮ結晶基板７に電界印加を行ったところ、分極方向１
２と垂直な方向に配置された電極８及び９を用いている
にもかかわらず、電極８のエッジ直下の領域には分極反
転部（図２には不図示）が形成された。X-cut MgO using the configuration shown in FIG.
When an electric field was applied to the LN crystal substrate 7, the polarization direction 1
Despite the use of the electrodes 8 and 9 arranged in the direction perpendicular to 2, a domain-inverted portion (not shown in FIG. 2) was formed in a region immediately below the edge of the electrode 8.

【００５５】本願発明者は、更なる検討を通じて、電界
印加時には、電極８及び電極９のエッジ部分に電界が集
中し、かつ、その集中箇所における電界成分として、Ｍ
ｇＯ：ＬＮ結晶基板７の主面（すなわちＸカット及びＹ
カット基板における分極方向１２）に平行な電界成分が
存在すること、及び、この電界成分により、分極反転構
造が形成されるということを見いだした。そこで、上記
の電界成分を用いて、所望の分極反転構造を形成するこ
とを試みた。また、電極８の面積に対して電極９の面積
を大きくし、且つ、電極９を、その少なくとも一部が、
電極８を対向する主面に投影した領域（投影領域）より
も−Ｃ軸側に存在するように配置することにより、電極
８のエッジ近傍において電界印加時の分極方向電界成分
を大きくすることができ、結果として、形成される分極
反転構造の分極方向に沿った長さを大きくすることがで
きることを確認した。また、特に、オフカット基板を用
いる場合においては、基板の分極方向が基板主面に対し
て傾いているため、本実施形態に示した分極反転構造の
形成方法において、分極方向の電界成分と分極方向に垂
直な電界成分との相乗効果により、基板厚さ方向に対し
て厚い分極反転構造を形成することが可能である。The inventor of the present application has further studied that when an electric field is applied, the electric field concentrates on the edge portions of the electrodes 8 and 9, and the electric field component at the concentrated portion is M
gO: Main surface of LN crystal substrate 7 (that is, X cut and Y
It has been found that an electric field component parallel to the polarization direction 12) exists on the cut substrate, and that the electric field component forms a domain-inverted structure. Therefore, an attempt was made to form a desired domain-inverted structure using the above-described electric field component. Further, the area of the electrode 9 is made larger than the area of the electrode 8, and at least a part of the electrode 9 is
By arranging the electrode 8 so as to be located on the −C axis side of a region (projection region) projected on the main surface facing the electrode 8, the polarization direction electric field component when an electric field is applied near the edge of the electrode 8 can be increased. As a result, it was confirmed that the length of the domain-inverted structure to be formed along the polarization direction can be increased. In particular, when an off-cut substrate is used, since the polarization direction of the substrate is inclined with respect to the main surface of the substrate, the electric field component in the polarization direction and the polarization By a synergistic effect with an electric field component perpendicular to the direction, it is possible to form a domain-inverted structure that is thicker in the substrate thickness direction.

【００５６】次に、従来の電界印加による分極反転構造
の形成方法に対して、本発明の分極反転構造の形成方法
を用いた場合の効果及び利点について述べる。Next, the effects and advantages of the case where the method of forming a domain-inverted structure of the present invention is used in comparison with the conventional method of forming a domain-inverted structure by applying an electric field will be described.

【００５７】本発明が解決した従来の分極反転構造の形
成方法における問題点としては、（１） 電界印加時に
生じる結晶破壊の低減、及び（２） 電界印加時に電極
対の間で生じる放電の防止がある。更に、本発明の構成
上の利点としては、（１） 分極反転構造の集積度の向
上、及び（２） 分極反転構造の形成のスループットの
向上がある。以下では、それぞれについて詳しく説明す
る。The problems in the conventional method of forming a domain-inverted structure solved by the present invention include (1) reduction of crystal breakage occurring when an electric field is applied, and (2) prevention of discharge occurring between electrode pairs when an electric field is applied. There is. Further, the advantages of the configuration of the present invention include (1) an improvement in the degree of integration of the domain-inverted structure and (2) an improvement in the throughput of forming the domain-inverted structure. Hereinafter, each will be described in detail.

【００５８】まず、電界印加による分極反転構造の形成
におけるＭｇＯ：ＬＮ結晶基板の破壊について、以下に
説明する。First, the destruction of the MgO: LN crystal substrate in the formation of the domain-inverted structure by applying an electric field will be described below.

【００５９】接触電極による電界印加法によりＭｇＯ：
ＬＮ結晶基板の中に周期状の分極反転構造を形成するに
は、一般に、分極方向、或いは分極方向とほぼ平行な方
向になるように、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板の主面上に正負
の電極（電極対）を形成配置する。この際、Ｘカット基
板、Ｙカット基板、及びオフカット基板においては、同
一主面内に、正負の電極が数１００μｍの間隔で形成さ
れることになる。このように形成された電極対を用いて
ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板に電界を印加すると、結晶基板の
持つ圧電性により、結晶基板に歪みを生じる。このとき
の歪みの大きさは、電界強度の大きさに比例する。従来
から行われてきた電界印加による分極反転構造の形成方
法では、数ｋＶ／ｍｍ〜数１０ｋＶ／ｍｍという大きな
電圧を印加するため、この変形量が大きくなり、Ｍｇ
Ｏ：ＬＮ結晶基板が破壊されるという問題がある。特
に、電極直下及びその近傍においては、電界強度が大き
いために結晶基板の破壊が著しい。このため、例えば、
従来の分極反転構造の形成方法により周期状の分極反転
構造を形成した後に、周期状の分極反転構造と直交する
ように光導波路を形成して光導波路型波長変換素子を作
製すると、結晶が破壊されている部分で、散乱による導
波ロスが大きくなる。An MgO:
In order to form a periodic domain-inverted structure in the LN crystal substrate, generally, a positive electrode and a negative electrode are formed on the main surface of the MgO: LN crystal substrate so as to be in a polarization direction or a direction substantially parallel to the polarization direction. (Electrode pair). At this time, in the X-cut substrate, the Y-cut substrate, and the off-cut substrate, positive and negative electrodes are formed at intervals of several 100 μm in the same main surface. When an electric field is applied to the MgO: LN crystal substrate using the electrode pair thus formed, the crystal substrate is distorted due to the piezoelectricity of the crystal substrate. The magnitude of the distortion at this time is proportional to the magnitude of the electric field strength. In a conventional method of forming a domain-inverted structure by applying an electric field, a large voltage of several kV / mm to several tens of kV / mm is applied.
O: There is a problem that the LN crystal substrate is broken. In particular, immediately below and near the electrodes, the crystal substrate is significantly destroyed due to the large electric field strength. Thus, for example,
After a periodic domain-inverted structure is formed by the conventional domain-inverted structure forming method, an optical waveguide is formed so as to be orthogonal to the periodic domain-inverted structure to produce an optical waveguide type wavelength conversion element. In the portion where the light emission is performed, waveguide loss due to scattering increases.

【００６０】そこで、本願発明者は、先に図１（ａ）及
び（ｂ）に示したように、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板の対向
する２つの主面にそれぞれ電極を形成し、これらの電極
間に電界を印加することで、結晶破壊を防止することを
試みた。Therefore, as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the inventor of the present application formed electrodes on two opposing main surfaces of a MgO: LN crystal substrate, respectively. We tried to prevent crystal destruction by applying an electric field to.

【００６１】前述したように、強誘電体に高電圧を印加
すると、結晶基板の持つ圧電性により、結晶基板に電界
強度の大きさに比例した歪みを生じる。例えば、オフカ
ット基板における電界印加法では、従来はＭｇＯ：ＬＮ
結晶基板の第１の主面上に、対をなす正負の電極を配置
していた。このとき、電界はＭｇＯ：ＬＮ結晶基板の主
面に沿うように形成され、従って、上記の結晶基板の歪
みは、電極を配置した第１の主面及びその近傍において
非常に大きく（特に電界強度が大きくなる電極直下の歪
みがもっとも大きい）、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板の厚さ方
向に対しては、急激に小さくなる。このように結晶の歪
みが局所的に存在することが、結晶破壊の原因になって
いる。そこで本発明においては、図１（ａ）及び（ｂ）
に示すように、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１の対向する主面
に櫛形電極２及び電極３をそれぞれ形成し、これらの電
極２及び３の間に電界を印加したところ、高電圧の電界
印加による結晶破壊を緩和することができた。これは、
ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１の対向する主面に配置された櫛
形電極２と電極３との間に電界を形成することにより、
局所的な結晶の歪みを防止することができるためと考え
られる。同一主面内に電極対を配置した場合には、各電
極のエッジ部分（例えば櫛形電極を形成した場合には電
極指先端）に電界が集中するのに対して、本実施形態の
ように、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１の対向する２つの主面
に櫛形電極２及び電極３をそれぞれ配置した場合には、
結晶の歪みは、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１の厚さ方向に対
して、電極を形成した領域全体に渡ってほぼ均一に生じ
て、上記の電界集中を緩和することができる。これによ
り、電界印加の際に生じるＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１の破
壊を防止することができ、高電圧の電界を印加すること
で、結晶破壊を防止しながら厚い分極反転構造６を形成
することが可能になる。As described above, when a high voltage is applied to the ferroelectric, a distortion proportional to the magnitude of the electric field intensity occurs in the crystal substrate due to the piezoelectricity of the crystal substrate. For example, in an electric field application method on an off-cut substrate, conventionally, MgO: LN
A pair of positive and negative electrodes is disposed on the first main surface of the crystal substrate. At this time, the electric field is formed along the main surface of the MgO: LN crystal substrate. Therefore, the distortion of the crystal substrate is very large on the first main surface where the electrodes are arranged and in the vicinity thereof (particularly, the electric field strength). Is the largest under the electrode where the strain increases), and decreases sharply in the thickness direction of the MgO: LN crystal substrate. Such local presence of crystal distortion causes crystal destruction. Therefore, in the present invention, FIGS. 1 (a) and 1 (b)
As shown in FIG. 2, a comb-shaped electrode 2 and an electrode 3 are formed on the opposing main surfaces of the MgO: LN crystal substrate 1, respectively, and an electric field is applied between these electrodes 2 and 3. Destruction could be mitigated. this is,
By forming an electric field between the comb-shaped electrode 2 and the electrode 3 disposed on the opposing main surfaces of the MgO: LN crystal substrate 1,
This is considered to be because local crystal distortion can be prevented. When the electrode pairs are arranged on the same main surface, the electric field concentrates on the edge portion of each electrode (for example, the tip of the electrode finger when a comb-shaped electrode is formed). When the comb-shaped electrode 2 and the electrode 3 are respectively arranged on two opposing main surfaces of the MgO: LN crystal substrate 1,
Crystal distortion occurs almost uniformly in the thickness direction of the MgO: LN crystal substrate 1 over the entire region where the electrode is formed, and the above-described electric field concentration can be reduced. This can prevent the MgO: LN crystal substrate 1 from being destroyed when an electric field is applied. By applying a high-voltage electric field, it is possible to form the thick domain-inverted structure 6 while preventing crystal breakdown. Will be possible.

【００６２】更に、本実施形態で示した分極反転構造の
形成方法は、高電圧パルス電界を複数回に渡って印加す
る方法（以下、「多重パルス電界印加」或いは「多重パ
ルス電界印加法」と称する）に対して、特に有効であ
り、多重パルス電界印加を行うことにより、更に厚い分
極反転構造を形成することができる。Further, the method of forming the domain-inverted structure shown in the present embodiment includes a method of applying a high-voltage pulsed electric field a plurality of times (hereinafter, “multiple-pulse electric field application” or “multiple-pulse electric field application method”). This is particularly effective, and a thicker domain-inverted structure can be formed by applying a multi-pulse electric field.

【００６３】第２の実施形態において更に詳しく述べる
ように、単一分極化されたＭｇＯ：ＬＮ結晶基板におい
て多重パルス電界印加を行うことにより、形成される分
極反転部の周期方向での広がりを抑えながら、その厚さ
を増大することが可能になる。一般に、多重パルス電界
印加では、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板の結晶破壊が生じ易
く、従来のようにＭｇＯ：ＬＮ結晶基板の同一主面内に
対をなす正負の電極を形成すると、電極近傍の結晶表面
が著しく破壊されていたが、本実施形態の手法を取るこ
とにより、上記の結晶破壊をなくすことができる。As will be described in more detail in the second embodiment, by applying a multi-pulse electric field on a single-polarized MgO: LN crystal substrate, the spread of the domain-inverted portions formed in the periodic direction is suppressed. However, the thickness can be increased. In general, when a multi-pulse electric field is applied, crystal breakage of the MgO: LN crystal substrate is likely to occur, and if a pair of positive and negative electrodes are formed in the same main surface of the MgO: LN crystal substrate as in the related art, the crystal surface in the vicinity of the electrode becomes Was remarkably destroyed, but the above-described crystal destruction can be eliminated by employing the method of the present embodiment.

【００６４】また、上記のように、オフカットのＭｇ
Ｏ：ＬＮ結晶基板１の対向する主面にそれぞれ形成した
櫛形電極２及び電極３による電界印加で分極反転構造６
を形成する方法においては、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１の
分極方向に電界が形成されることが重要であるが、第２
の主面に形成する電極３の面積を第１の主面に形成する
櫛形電極２よりも大きくし、かつ、電極３の少なくとも
一部を、櫛形電極２を第２の主面へ基板の厚さ方向に投
影したときの投影領域よりも−Ｃ軸側に配置することに
より、形成される電界ベクトルの分極方向成分を大きく
することができる。なお、このときに、電極３が上記の
投影領域に重なるように配置されてもよく、或いは重な
っていなくても良い。この際、電極３が櫛形電極２に対
して完全に分極方向にずれて位置するような配置を取る
必要はないので、例えば、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１のエ
ッジ付近においても、厚い分極反転構造の形成が可能で
あるという利点を有する。As described above, the off-cut Mg
O: The domain-inverted structure 6 is formed by applying an electric field to the comb-shaped electrodes 2 and 3 formed on the opposing main surfaces of the LN crystal substrate 1, respectively.
It is important that an electric field is formed in the polarization direction of the MgO: LN crystal substrate 1 in the method of forming
The area of the electrode 3 formed on the main surface of the substrate is made larger than the area of the comb electrode 2 formed on the first main surface, and at least a part of the electrode 3 is transferred from the comb-shaped electrode 2 to the second main surface. By arranging the electric field vector on the −C-axis side of the projection area when projected in the vertical direction, it is possible to increase the polarization direction component of the formed electric field vector. At this time, the electrodes 3 may be arranged so as to overlap the above-mentioned projection area, or may not overlap. At this time, it is not necessary to take an arrangement such that the electrode 3 is completely deviated from the comb-shaped electrode 2 in the polarization direction. For example, even in the vicinity of the edge of the MgO: LN crystal substrate 1, the electrode 3 has a thick polarization inversion structure. It has the advantage that it can be formed.

【００６５】また、形成される分極反転構造６の厚さ
は、櫛形電極２の電極指の直下の分極反転発生領域の大
きさに対応している。本実施形態で用いた３°カット基
板にて厚さ２．０μｍ以上の分極反転構造を得るために
は、電極指の直下に約４０μｍ以上の分極反転領域が形
成される必要があるため、電極指の長さ（すなわち、櫛
形電極２の周期状パターンの長手方向の長さ）を４０μ
ｍ以上とすることが好ましい。櫛形電極２の電極指の長
さを４０μｍ〜１０００μｍの範囲で変化させて検討を
行ったところ、電極指長さが長くなるにつれて電極指部
分の抵抗値が大きくなり、電極指長さが５００μｍより
大きくなると、分極反転領域が電極指に沿って小さくな
り、また、形成される分極反転構造６が不均一になると
いう問題が生じた。従って、櫛形電極２の電極指長さ
（櫛形電極２の周期状パターンの長手方向の長さ）は、
４０μｍ〜５００μｍであることが望ましい。The thickness of the domain-inverted structure 6 to be formed corresponds to the size of the domain-inverted region immediately below the electrode fingers of the comb-shaped electrode 2. In order to obtain a domain-inverted structure with a thickness of 2.0 μm or more with the 3 ° cut substrate used in the present embodiment, it is necessary to form a domain-inverted region of about 40 μm or more immediately below the electrode finger. The length of the finger (that is, the length in the longitudinal direction of the periodic pattern of the comb-shaped electrode 2) is set to 40 μm.
m or more. A study was conducted by changing the length of the electrode fingers of the comb-shaped electrode 2 in the range of 40 μm to 1000 μm. As the electrode finger length increased, the resistance value of the electrode finger portion increased, and the electrode finger length was increased from 500 μm. As the size increases, the domain-inverted region becomes smaller along the electrode fingers, and the domain-inverted structure 6 to be formed becomes non-uniform. Therefore, the electrode finger length of the comb-shaped electrode 2 (the length in the longitudinal direction of the periodic pattern of the comb-shaped electrode 2) is
It is desirable that the thickness be 40 μm to 500 μm.

【００６６】上記のような本実施形態の分極反転構造の
形成方法により、具体的には、３°カット基板におい
て、周期３μｍ、厚さ２．２μｍ以上、分極反転幅１．
５μｍの周期状の分極反転構造を形成することができ
た。このようにして、分極反転部と非反転部との割合が
ほぼ１：１であり、周期３μｍ、厚さ２μｍ以上である
周期状の分極反転構造を実現できたことにより、例え
ば、導波路型波長変換素子において、最も効率のよい疑
似位相整合状態を形成し、かつ、導波路断面に対して分
極反転部分との重なりを大きくすることができ、より高
効率の波長変換素子を作製することができた。According to the method of forming the domain-inverted structure of this embodiment as described above, specifically, a 3 ° cut substrate has a period of 3 μm, a thickness of 2.2 μm or more, and a domain-inverted width of 1.
A 5 μm periodic polarization inversion structure could be formed. In this manner, the ratio of the domain-inverted portions to the non-inverted portions is approximately 1: 1, and a periodic domain-inverted structure having a period of 3 μm and a thickness of 2 μm or more can be realized. In the wavelength conversion element, the most efficient quasi-phase matching state can be formed, and the overlap with the domain-inverted portion can be increased with respect to the waveguide section, so that a more efficient wavelength conversion element can be manufactured. did it.

【００６７】次に、電界印加時に電極間で生じる絶縁破
壊について、説明する。Next, a description will be given of dielectric breakdown occurring between the electrodes when an electric field is applied.

【００６８】Ｘカット、Ｙカット、及びオフカット基板
に対する従来の分極反転構造の形成方法においては、真
空雰囲気中或いは絶縁液内で電界印加を行っているが、
結晶表面の不純物等によって、高電圧電界印加により電
極間で絶縁破壊が生じることがある。また、電極パター
ンに不均一部分があると電極間で放電が生じ、これも絶
縁破壊の原因になる。これに対して、本発明の分極反転
構造の形成方法においては、結晶基板の２つの対向する
主面に電極対を形成するため、高い絶縁性を有する強誘
電体基板を介して電極が存在する形になり、結晶表面の
不純物等に起因する放電を防止することができる。これ
により、電界印加時に生じる絶縁破壊を大幅に低減する
ことができ、分極反転構造の形成の歩留まりを一桁以上
向上することができる。In the conventional method of forming a domain-inverted structure on X-cut, Y-cut, and off-cut substrates, an electric field is applied in a vacuum atmosphere or in an insulating liquid.
Due to impurities on the crystal surface, dielectric breakdown may occur between electrodes due to application of a high-voltage electric field. Also, if there is a non-uniform portion in the electrode pattern, discharge occurs between the electrodes, which also causes dielectric breakdown. In contrast, in the method of forming a domain-inverted structure of the present invention, electrodes are formed on a ferroelectric substrate having high insulating properties because an electrode pair is formed on two opposing main surfaces of a crystal substrate. Thus, discharge due to impurities or the like on the crystal surface can be prevented. As a result, the dielectric breakdown that occurs when an electric field is applied can be significantly reduced, and the yield of forming the domain-inverted structure can be improved by one digit or more.

【００６９】また、本実施形態に示したように、Ｍｇ
Ｏ：ＬＮ結晶基板の対向する主面に電極対を配置するこ
とによる別の効果として、形成される周期状の分極反転
領域の集積度を向上することができるという利点があ
る。これは、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板の同一主面に正負の
電極を配置する必要が無いことにより、可能になった特
徴である。Also, as shown in this embodiment, Mg
Another advantage of arranging the electrode pairs on the opposing main surfaces of the O: LN crystal substrate is that the degree of integration of the periodically formed domain-inverted regions can be improved. This is a feature made possible by eliminating the necessity of disposing positive and negative electrodes on the same main surface of the MgO: LN crystal substrate.

【００７０】従来の分極反転構造の形成方法と本発明の
分極反転構造の形成方法とにおける分極反転構造の形成
領域の集積度の違いを、図３（ａ）及び（ｂ）を参照し
て説明する。The difference in the degree of integration of the domain-inverted structure formation region between the conventional method of forming the domain-inverted structure and the method of forming the domain-inverted structure of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 (a) and 3 (b). I do.

【００７１】図３（ａ）は、従来の分極反転構造の形成
方法の場合における電界印加系の構成例を模式的に示
し、図３（ｂ）は、本発明の分極反転構造の形成方法の
場合における電界印加系の構成例を模式的に示す。図３
（ａ）及び（ｂ）において、１３はオフカットのＭｇ
Ｏ：ＬＮ結晶基板、１４及び１６は周期状パターンを有
する櫛形電極、１５及び１７は電極、１８は電源であ
る。FIG. 3A schematically shows an example of the configuration of an electric field application system in the case of a conventional method of forming a domain-inverted structure, and FIG. 3B shows a method of forming a domain-inverted structure of the present invention. An example of the configuration of an electric field application system in such a case is schematically shown. FIG.
In (a) and (b), 13 is off-cut Mg.
O: LN crystal substrate, 14 and 16 are comb-shaped electrodes having a periodic pattern, 15 and 17 are electrodes, and 18 is a power supply.

【００７２】図３（ａ）の従来技術における構成では、
櫛形電極１４及び電極１５は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１
３の同一主面上に形成配置される。一方、本発明による
図３（ｂ）の構成では、櫛形電極１６及び電極１７は、
ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１３の対向する主面に、それぞれ
形成配置されている。櫛形電極１４及び櫛形電極１６
は、それぞれ電極１５及び電極１７に対して、＋Ｃ軸側
に配置されている。図中のＬ１、Ｌ２、及びＬ３はそれ
ぞれ、隣接する電極間の間隔を示す。また、図３（ａ）
及び（ｂ）の双方において、形成される分極反転構造の
形成領域の集積化のために、櫛形電極１４及び櫛形電極
１６に、複数の電極からなる電極列を構成している。ま
た、電極１５は、櫛形電極１４の各電極と１対１の対応
関係を持つように配置されている。In the configuration of the prior art shown in FIG.
The comb-shaped electrode 14 and the electrode 15 are made of the MgO: LN crystal substrate 1
3 on the same main surface. On the other hand, in the configuration of FIG. 3B according to the present invention, the comb-shaped electrode 16 and the electrode 17
The MgO: LN crystal substrate 13 is formed and arranged on opposing main surfaces. Comb electrode 14 and comb electrode 16
Are arranged on the + C axis side with respect to the electrode 15 and the electrode 17, respectively. L1, L2, and L3 in the drawing each indicate the interval between adjacent electrodes. FIG. 3 (a)
In both (b) and (b), an electrode row including a plurality of electrodes is formed on the comb-shaped electrode 14 and the comb-shaped electrode 16 in order to integrate the formation region of the domain-inverted structure to be formed. The electrodes 15 are arranged so as to have a one-to-one correspondence with the respective electrodes of the comb-shaped electrode 14.

【００７３】このような構成において、電源１８を用い
て電界印加を行うと、形成される分極反転構造は、櫛形
電極１４及び櫛形電極１６の各電極指の先端部の直下に
発生し、−Ｃ軸方向に向かって成長する。前述のよう
に、図３（ａ）の場合には、電界印加における絶縁破壊
を防止するために、電極の間隔Ｌ１及びＬ２を２００μ
ｍ以上とする必要があり、更に望ましくは、絶縁破壊を
大幅に低減するために、間隔Ｌ１及びＬ２を４００μｍ
以上とする必要がある。従って、上記の間隔に依存し
て、周期状の分極反転構造の形成領域の密度（単位面積
あたりの周期状の分極反転構造の数）が制限される。こ
れに対して、図３（ｂ）の場合には、構造的に同一主面
内での絶縁破壊は生じないため、櫛形電極１６の電極列
の間隔Ｌ３を２００μｍ以下に設定することが可能であ
る。本実施形態においては、この間隔Ｌ３を５０μｍ〜
４００μｍの間で様々に変化させて形成プロセスを実施
したが、上記の範囲内で均一な周期状の分極反転構造の
形成が確認された。In such a configuration, when an electric field is applied using the power supply 18, the formed domain-inverted structure is generated immediately below the tips of the electrode fingers of the comb-shaped electrode 14 and the comb-shaped electrode 16, and -C Grow axially. As described above, in the case of FIG. 3A, the distances L1 and L2 between the electrodes are set to 200 μm in order to prevent dielectric breakdown when an electric field is applied.
m, and more desirably, the distances L1 and L2 are set to 400 μm in order to greatly reduce dielectric breakdown.
It is necessary to do above. Therefore, the density of the regions where the periodic domain-inverted structures are formed (the number of the domain-type domain-inverted structures per unit area) is limited depending on the above-mentioned interval. On the other hand, in the case of FIG. 3B, since the dielectric breakdown does not occur in the same main surface structurally, the interval L3 between the electrode rows of the comb-shaped electrode 16 can be set to 200 μm or less. is there. In the present embodiment, the interval L3 is set to 50 μm or more.
The formation process was performed with various changes between 400 μm, but formation of a uniform periodic domain-inverted structure within the above range was confirmed.

【００７４】以上のように、本実施形態においては、周
期状の分極反転構造の集積度を向上することができる。
これにより、本実施形態では、例えば、ウェハ状のＭｇ
Ｏ：ＬＮ結晶基板から光導波路型波長変換素子を作製す
る場合に、同一結晶基板から作製可能な素子の数を、従
来の４倍以上にすることができる。As described above, in the present embodiment, the degree of integration of the periodically poled structure can be improved.
Thereby, in the present embodiment, for example, a wafer-shaped Mg
When an optical waveguide type wavelength conversion element is manufactured from an O: LN crystal substrate, the number of elements that can be manufactured from the same crystal substrate can be made four times or more as compared with the conventional case.

【００７５】また、従来の分極反転構造の形成方法にお
いては、例えば電極パターニングの不良による正負電極
の接触があった場合には電界印加が不可能となる恐れが
あるため、ウェハ内で電極形成領域を分割し、各分割領
域に対して電界印加を行う必要があるが、本発明の分極
反転構造の形成方法においては、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板
の対向する主面に正負の電極をそれぞれ形成するため、
構造的に電極パターニングの不良による正負の電極の接
触がない。このため、例えばウェハ全面に一度に電界印
加を行って、分極反転構造を形成することが可能であ
る。これにより、本発明によれば、１プロセスで大面積
に渡って分極反転構造の形成を行って、分極反転構造の
形成のスループットを大幅に向上することができる。In the conventional method of forming the domain-inverted structure, if there is a contact between the positive and negative electrodes due to, for example, poor electrode patterning, there is a possibility that the electric field cannot be applied. It is necessary to apply an electric field to each of the divided regions. However, in the method of forming the domain-inverted structure of the present invention, since the positive and negative electrodes are formed on the opposing main surfaces of the MgO: LN crystal substrate, respectively. ,
There is no structural contact between the positive and negative electrodes due to poor electrode patterning. Therefore, it is possible to form a domain-inverted structure by, for example, applying an electric field all over the wafer at one time. Thus, according to the present invention, the domain-inverted structure can be formed over a large area in one process, and the throughput of the domain-inverted structure can be greatly improved.

【００７６】なお、本実施形態においては、ＭｇＯ：Ｌ
Ｎ結晶基板のオフカット基板における分極反転構造の形
成方法を例に取って説明してきたが、ＭｇＯ：ＬＮ結晶
基板のＸカット基板、或いはＹカット基板においても、
同様の効果が得られる。更に、強誘電体結晶として、Ｌ
ｉＮｂＯ3結晶（以下、「ＬＮ結晶」と称する）、Ｌｉ
ＴａＯ3結晶（以下、「ＬＴ結晶」と称する）、或い
は、ＺｎやＩｎ、Ｓｃ等をドープしたＬＮ結晶やＬＴ結
晶等を用いた場合においても、本発明の分極反転構造の
形成方法による分極反転構造の形成が可能である。ま
た、上記の各結晶のＸカット基板、Ｙカット基板、及び
オフカット基板を用いた場合においてもに、本発明に従
って結晶基板の対向する２つの主面に電極対を形成する
ことにより、多重パルス電界印加による結晶破壊及び絶
縁破壊を防止しながら、周期状の厚い分極反転構造を形
成することができる。これにより、形成される分極反転
部の厚さを、従来の値に比べて約１．５倍に増大するこ
とができる。In this embodiment, MgO: L
Although a method of forming a domain-inverted structure in an N-crystal off-cut substrate has been described as an example, an X-cut substrate or a Y-cut substrate of a MgO: LN crystal substrate may also be used.
Similar effects can be obtained. Further, as a ferroelectric crystal, L
iNbO 3 crystal (hereinafter referred to as “LN crystal”), Li
Even when a TaO 3 crystal (hereinafter, referred to as an “LT crystal”), an LN crystal or an LT crystal doped with Zn, In, Sc, or the like is used, the domain inversion by the method of forming a domain inversion structure according to the present invention. The formation of the structure is possible. Further, even when the X-cut substrate, the Y-cut substrate, and the off-cut substrate of each of the above crystals are used, by forming an electrode pair on two opposite main surfaces of the crystal substrate according to the present invention, a multi-pulse can be obtained. A periodic thick domain-inverted structure can be formed while preventing crystal and dielectric breakdown due to electric field application. Thereby, the thickness of the domain-inverted portion to be formed can be increased about 1.5 times as compared with the conventional value.

【００７７】また、本実施形態においては、櫛形電極を
用いて周期状の分極反転構造を形成する場合について述
べたが、例えばＭｇＯ：ＬＮ結晶の＋Ｃ軸側に配置する
電極として、電極の少なくとも一部を尖塔形状（例え
ば、他の部分よりも数μｍだけ−Ｃ軸側に突出した凸型
の形状）にしたものを用いることにより、その尖塔部の
先端直下より分極反転構造を形成することができ、Ｍｇ
Ｏ：ＬＮ結晶基板の任意の場所に分極反転構造の形成を
行うことができる。これは、電界印加の際に電極の尖塔
部に電界が集中することにより、尖塔部の先端近傍の電
界強度が大きくなることに起因している。In this embodiment, the case where the periodic domain-inverted structure is formed using the comb-shaped electrodes has been described. For example, at least one of the electrodes is disposed on the + C axis side of the MgO: LN crystal. By using a part having a spire shape (for example, a convex shape protruding toward the −C axis side by several μm from other parts), it is possible to form a polarization inversion structure immediately below the tip of the spire part. Yes, Mg
O: The domain-inverted structure can be formed at an arbitrary position on the LN crystal substrate. This is because when the electric field is applied, the electric field concentrates on the spire of the electrode, so that the electric field intensity near the tip of the spire increases.

【００７８】（第２の実施形態）本実施形態において
は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板の同一主面上に形成された電
極対を介して電界印加を行って分極反転構造を形成する
方法において、印加パルス電界波形の制御、及びパルス
電界の複数回繰り返し印加（多重パルス電界印加）を行
う。これにより、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板の厚さ方向に対
して厚い周期状の分極反転構造の形成が可能になる。こ
れらの特徴について、以下に詳しく説明する。(Second Embodiment) In this embodiment, a method of forming a domain-inverted structure by applying an electric field through an electrode pair formed on the same main surface of a MgO: LN crystal substrate is described. The pulse electric field waveform is controlled and the pulse electric field is repeatedly applied a plurality of times (multiple pulse electric field application). This makes it possible to form a periodically poled structure that is thick in the thickness direction of the MgO: LN crystal substrate. These features are described in detail below.

【００７９】ＭｇＯ：ＬＮ結晶は、ＬｉＮｂＯ3結晶に
ＭｇＯを数ｍｏｌ％ドープすることにより形成される。
一般に、ドープ量が多いほど、結晶中の電子移動度が大
きくなり、これにより抗電界が低くなる傾向にある。従
って、分極反転構造に必要な電圧（以下、「反転電圧」
と呼ぶ）が低くなって、低電圧での分極反転構造の形成
が可能にある。また、ＭｇＯ：ＬＮ結晶の光学的性質と
して非線形定数が大きく、更に、５ｍｏｌ％程度以上の
ＭｇＯドープ量においては耐光損傷強度が大きいという
特徴がある。なお、ＭｇＯ：ＬＮ結晶の結晶引き上げに
関しては、その方法が確立されており、単一分極化され
たＭｇＯ：ＬＮ結晶が形成可能である。The MgO: LN crystal is formed by doping the LiNbO 3 crystal with MgO by several mol%.
In general, as the doping amount increases, the electron mobility in the crystal increases, which tends to decrease the coercive electric field. Therefore, the voltage required for the domain-inverted structure (hereinafter, “inversion voltage”)
) Can be formed, and a domain-inverted structure can be formed at a low voltage. The optical property of the MgO: LN crystal is such that the nonlinear constant is large, and the light damage resistance is high when the MgO doping amount is about 5 mol% or more. A method for pulling the MgO: LN crystal has been established, and a single-polarized MgO: LN crystal can be formed.

【００８０】接触電極による電界印加法によりＭｇＯ：
ＬＮ結晶中に周期状の分極反転構造を形成するには、一
般に、ＭｇＯ：ＬＮ結晶表面の分極方向とほぼ平行な方
向に電極対を形成する。すなわち、Ｚカット基板におい
ては、対向する２つの主面に電極対が形成され、一方、
Ｘカット基板、Ｙカット基板、及びオフカット基板にお
いては、同一主面内に電極対が形成されることになる。
この時、少なくとも結晶の＋Ｃ軸側に配置されている電
極を、所望の周期状の分極反転構造に対応するパターン
にする必要がある。これは、形成される分極反転構造
が、＋Ｃ軸側から発生して成長するためである。このよ
うに形成された電極対の間に、ＭｇＯ：ＬＮ結晶の自発
分極の負側（−Ｃ軸側）にある電極の電位が低くなるよ
うに数ｋＶ／ｍｍ〜数１０ｋＶ／ｍｍの電圧を印加する
ことによって、自発分極の反転を生じさせることができ
る。The MgO:
In order to form a periodic domain-inverted structure in the LN crystal, an electrode pair is generally formed in a direction substantially parallel to the polarization direction of the MgO: LN crystal surface. That is, in the Z-cut substrate, an electrode pair is formed on two opposing main surfaces.
In the X-cut substrate, the Y-cut substrate, and the off-cut substrate, an electrode pair is formed in the same main surface.
At this time, at least the electrode arranged on the + C-axis side of the crystal needs to have a pattern corresponding to a desired periodic domain-inverted structure. This is because the domain-inverted structure to be formed is generated and grown from the + C axis side. A voltage of several kV / mm to several tens of kV / mm is applied between the electrode pair formed in this manner so that the potential of the electrode on the negative side (−C axis side) of the spontaneous polarization of the MgO: LN crystal becomes low. The application can cause the spontaneous polarization to be inverted.

【００８１】しかし、従来の電界印加による分極反転構
造の形成方法においては、（ａ） 形成される周期状の
分極反転構造の各分極反転部の幅が、周期状パターン電
極の各電極指の幅よりも太く形成される（例えば、１μ
ｍの電極指の幅に対して、形成される分極反転構造の幅
が２μｍ以上になる）、（ｂ） 同じ電界印加工程によ
って同時に形成される各分極反転部の幅及び形状に、ば
らつきが生じる、並びに、（ｃ） 短周期の分極反転構
造形成において、基板の厚さ方向の分極反転部の厚さの
増大が困難である、といった問題があった。特に、３〜
４μｍ程度という短周期の周期状の分極反転構造を形成
する場合には、分極反転部の周期方向への広がりを抑え
ながら、より厚い分極反転構造を形成することが、困難
であった。However, in the conventional method of forming a domain-inverted structure by applying an electric field, (a) the width of each domain-inverted portion of the formed periodic domain-inverted structure is equal to the width of each electrode finger of the periodic pattern electrode. (For example, 1 μm)
(The width of the domain-inverted structure formed is 2 μm or more with respect to the width of the electrode finger m.) (b) Variations occur in the width and shape of domain-inverted portions formed simultaneously by the same electric field application step. And (c) In forming a short-period domain-inverted structure, there is a problem that it is difficult to increase the thickness of the domain-inverted portion in the thickness direction of the substrate. In particular,
When a periodic domain-inverted structure having a short period of about 4 μm is formed, it is difficult to form a thick domain-inverted structure while suppressing the domain-inverted portions from spreading in the periodic direction.

【００８２】そこで本願発明者は、従来の電界印加法に
おけるＸカットのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板への周期状の分
極反転構造の形成プロセスについて、上記の課題の原因
を調査した。The inventors of the present application investigated the causes of the above-mentioned problems in the process of forming a periodically poled structure on an X-cut MgO: LN crystal substrate in the conventional electric field application method.

【００８３】この場合の電界印加は、図４に示す構成で
行った。図４において、１９は単一分極化されたＸカッ
トのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板、２０は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶
基板１９において同一主面内の分極方向に配置されてい
る電極対、２１は、電極対２０を含むＭｇＯ：ＬＮ結晶
表面を覆うように形成された絶縁膜、２２は電源、２３
は形成される分極反転構造である。また、２４は、Ｍｇ
Ｏ：ＬＮ結晶基板１９の分極方向である。In this case, the electric field was applied with the configuration shown in FIG. In FIG. 4, reference numeral 19 denotes a single-polarized X-cut MgO: LN crystal substrate, reference numeral 20 denotes an electrode pair arranged in the same principal plane in the MgO: LN crystal substrate 19, and reference numeral 21 denotes an electrode. An insulating film formed so as to cover the MgO: LN crystal surface including the pair 20;
Is a domain-inverted structure to be formed. 24 is Mg
O: polarization direction of the LN crystal substrate 19.

【００８４】このとき、電極対２０は、周期状パターン
を持つ櫛形電極２０ａとストライプ電極２０ｂとからな
り、櫛形電極２０ａがＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１９の＋Ｃ
軸側に配置されており、電極指の周期は、形成される分
極反転構造２３の周期と対応している。また、このとき
の印加する電圧は、約１０〜１５ｋＶ／ｍｍであり、パ
ルス幅を２ｍｓ〜１０ｓとした。印加する電圧波形は、
ほぼ矩形のパルス電圧であった。At this time, the electrode pair 20 is composed of a comb-shaped electrode 20 a having a periodic pattern and a stripe electrode 20 b, and the comb-shaped electrode 20 a is formed on the + C of the MgO: LN crystal substrate 19.
The electrode fingers are arranged on the axis side, and the cycle of the electrode fingers corresponds to the cycle of the domain-inverted structure 23 to be formed. The voltage applied at this time was about 10 to 15 kV / mm, and the pulse width was 2 ms to 10 s. The voltage waveform to be applied is
The pulse voltage was almost rectangular.

【００８５】上記の方法で分極反転構造の形成を行った
結果、形成される分極反転構造の形状が、印加電界波形
（印加電圧の大きさ、印加パルス幅、パルス電界の立ち
上がり速度）、及び、電極構造（材料、電極厚さ、櫛形
電極の電極指長さ）に依存することを見出した。そこ
で、それぞれの条件が、形成される分極反転構造２３の
形状に与える影響について、更に検討を行った。As a result of the formation of the domain-inverted structure by the above-described method, the shape of the domain-inverted structure formed is such that the applied electric field waveform (applied voltage magnitude, applied pulse width, pulse electric field rising speed) and It has been found that it depends on the electrode structure (material, electrode thickness, electrode finger length of the comb-shaped electrode). Therefore, the influence of each condition on the shape of the domain-inverted structure 23 to be formed was further studied.

【００８６】まず、本願発明者は、印加パルス波形に関
する検討より、印加パルス電界のパルス幅と、形成され
る分極反転部のアスペクト比（分極反転構造２３の周期
方向の広がりＷと分極反転構造２３の厚さｄとの比ｄ／
Ｗ）との間に、相関があることを見出した。例えば、同
一電圧のパルス電界の印加においては、そのパルス幅が
小さい場合、すなわち印加時間が短い場合には、形成さ
れる分極反転構造２３の分極方向長さは短くなり、基板
の厚さ方向及び分極反転構造２３の周期方向への広がり
も小さくなるが、その一方で、パルス幅が小さい場合に
は、形成される分極反転構造２３のアスペクト比は高く
なり、また、分極反転構造２３の均一性が高くなる。First, the inventor of the present application examined the applied pulse waveform and found that the pulse width of the applied pulse electric field and the aspect ratio of the domain-inverted portion to be formed (the width W of the domain-inverted structure 23 in the periodic direction and the domain-inverted structure 23). Of the thickness d /
And W). For example, when a pulse electric field of the same voltage is applied, when the pulse width is small, that is, when the application time is short, the length of the polarization inversion structure 23 to be formed in the polarization direction is short, and the thickness direction of the substrate and Although the spread of the domain-inverted structure 23 in the periodic direction is small, on the other hand, when the pulse width is small, the aspect ratio of the domain-inverted structure 23 to be formed is high, and the uniformity of the domain-inverted structure 23 is high. Will be higher.

【００８７】ここで、形成された分極反転構造２３のア
スペクト比（ｄ／Ｗ）及び基板厚さ方向への分極反転構
造２３の厚さｄと、印加パルス電界のパルス幅との関係
を、図５に示す。図５において、横軸は印加パルス電界
のパルス幅、縦軸は形成される分極反転構造２３のアス
ペクト比（ｄ／Ｗ）及び分極反転構造２３の厚さｄを、
それぞれ示している。Here, the relationship between the aspect ratio (d / W) of the formed domain-inverted structure 23, the thickness d of the domain-inverted structure 23 in the substrate thickness direction, and the pulse width of the applied pulse electric field is shown in FIG. It is shown in FIG. In FIG. 5, the horizontal axis represents the pulse width of the applied pulse electric field, and the vertical axis represents the aspect ratio (d / W) of the domain-inverted structure 23 to be formed and the thickness d of the domain-inverted structure 23.
Each is shown.

【００８８】図５から分かるように、形成された分極反
転構造２３のアスペクト比（ｄ／Ｗ）は、印加パルス電
界のパルス幅に対応しており、パルス幅を制御すること
により、分極反転構造２３の形状を制御することが可能
である。特に、２０ｍｓ以下のパルス幅においてアスペ
クト比が著しく大きくなり、更に、５ｍｓ以下のパルス
幅に対しては、高アスペクト比の分極反転構造２３が得
られる。As can be seen from FIG. 5, the aspect ratio (d / W) of the formed domain-inverted structure 23 corresponds to the pulse width of the applied pulse electric field, and by controlling the pulse width, the domain-inverted structure 23 is obtained. 23 can be controlled. In particular, the aspect ratio is significantly increased at a pulse width of 20 ms or less, and the domain-inverted structure 23 having a high aspect ratio is obtained at a pulse width of 5 ms or less.

【００８９】また、分極反転構造２３の厚さｄは、パル
ス幅を短くするに伴って減少する傾向にある。その原因
としては、以下のように考えることができる。一般に、
高温下においては、分極反転構造の形成に必要な電圧
（以下、「反転電圧」と称する）が低くなり、分極反転
構造２３が生じ易くなることが分かっている。今回の検
討のように、電界印加によってＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１
９の内部に分極反転構造２３が形成される際には、電極
直下のＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１９、及びＭｇＯ：ＬＮ結
晶基板１９の内部であって分極反転構造２３が形成され
た近傍に熱が発生する。その場合には、低い電圧が印加
されている箇所（すなわち電界強度の低い部分）であっ
ても、分極反転構造が生じやすくなる。これが、分極反
転構造２３の周期方向の広がりの原因になると考えられ
る。また、同様の原因により、例えば櫛形電極２０ａの
パターニングに不均一部分があったり、電極対２０を形
成する際に電極厚さが不均一であったりした場合には、
分極反転構造の形状が不均一になる。ここで、上記で発
生する熱量は、印加電圧と印加の際に流れる電流と印加
時間との積に比例し、パルス電界のパルス幅が大きいほ
ど、発生する熱量は大きくなり、分極反転構造２３の広
がりも大きくなる。すなわち、分極反転構造の形成の際
にＭｇＯ：ＬＮ結晶基板内に流れる電流（反転電流）Ｉ
1とＭｇＯ：ＬＮ結晶の電気抵抗Ｒ1とにより生じる熱量
Ｑ1（＝Ｒ1×Ｉ1 2）という要因により、電界印加の際に
ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１９の内部の分極反転構造の形成
領域の近傍の温度が局所的に上昇し、分極反転構造の形
状の制御や形成される分極反転構造２３のアスペクト比
の制御が困難になると考えられる。The thickness d of the domain-inverted structure 23 tends to decrease as the pulse width is shortened. The cause can be considered as follows. In general,
It has been found that at a high temperature, the voltage required for forming the domain-inverted structure (hereinafter, referred to as “inversion voltage”) decreases, and the domain-inverted structure 23 is easily generated. As described in this study, the MgO: LN crystal substrate 1
When the domain-inverted structure 23 is formed inside the substrate 9, heat is generated in the MgO: LN crystal substrate 19 immediately below the electrodes and in the vicinity of the domain-inverted structure 23 inside the MgO: LN crystal substrate 19. appear. In that case, a domain-inverted structure is likely to occur even in a portion where a low voltage is applied (that is, a portion where the electric field strength is low). This is considered to cause the domain-inverted structure 23 to expand in the periodic direction. For the same reason, for example, when there is an uneven portion in the patterning of the comb-shaped electrode 20a or when the electrode thickness is uneven when the electrode pair 20 is formed,
The shape of the domain-inverted structure becomes non-uniform. Here, the amount of heat generated above is proportional to the product of the applied voltage, the current flowing at the time of application, and the application time. The larger the pulse width of the pulse electric field, the larger the amount of generated heat becomes, Spread also increases. That is, the current (inversion current) I flowing in the MgO: LN crystal substrate when the domain-inverted structure is formed
1 and MgO: the factor of heat Q 1 caused by the electrical resistance R 1 of LN crystal (= R 1 × I 1 2 ), MgO when the electric field is applied: LN formation region inside the poled structure of the crystal substrate 19 It is considered that the temperature in the vicinity of is locally increased, and it becomes difficult to control the shape of the domain-inverted structure and the aspect ratio of the domain-inverted structure 23 to be formed.

【００９０】また、本願発明者の検討により、印加パル
ス電界の立ち上がり速度が、分極反転構造の形成に寄与
していることも明らかになった。今回の検討において、
印加電界の大きさを４〜７ｋＶ、印加パルス幅２０ｍｓ
として、パルス電界の立ち上がり速度による分極反転特
性の比較を行ったところ、立ち上がり速度が遅い場合に
は、形成される分極反転構造２３が小さく、また不均一
になるということがわかった。特に、５ｋＶ／ｍｓ未満
の立ち上がり速度にした場合に、この傾向が強く、逆に
５ｋＶ／ｍｓ以上の立ち上がり速度においては、分極反
転領域の大きさ、及び分極反転構造の形状がほとんど変
わらず、均一性も高いという結果が得られた。Further, the study by the present inventors has revealed that the rising speed of the applied pulse electric field contributes to the formation of the domain-inverted structure. In this study,
The magnitude of the applied electric field is 4-7 kV and the applied pulse width is 20 ms
As a result of comparison of the polarization inversion characteristics depending on the rising speed of the pulse electric field, it was found that when the rising speed was low, the formed domain-inverted structure 23 was small and non-uniform. In particular, when the rising speed is less than 5 kV / ms, this tendency is strong. Conversely, when the rising speed is 5 kV / ms or more, the size of the domain-inverted region and the shape of the domain-inverted structure are almost the same and uniform. The result was high.

【００９１】次に、電極構造と形成される分極反転構造
の形状との関係について述べる。Next, the relationship between the electrode structure and the shape of the domain-inverted structure to be formed will be described.

【００９２】前述したように、分極反転構造の形成時に
発生する熱は、分極反転構造の形状に大きな影響を与え
る。ここで、電界印加の際には、反転電流として基板内
部を流れる電流と同時に、電極の中を流れる電流が存在
する。従って、電極の中を流れるこの電流Ｉ2と電極の
電気抵抗Ｒ2とに起因する熱量Ｑ2（＝Ｒ2×Ｉ1 2）が発
生することになる。特に、分極反転構造２３が発生する
部分の電極（例えば櫛形電極２０ａの電極指の先端部な
ど）の抵抗値は、分極反転構造２３の形状に与える影響
が大きい。As described above, the heat generated during the formation of the domain-inverted structure greatly affects the shape of the domain-inverted structure. Here, when an electric field is applied, there is a current flowing through the electrodes as well as a current flowing inside the substrate as a reversal current. Therefore, the heat quantity Q 2 to which due to the electric resistance R 2 of the current I 2 and the electrodes flowing through the electrode (= R 2 × I 1 2 ) occurs. In particular, the resistance of the electrode where the domain-inverted structure 23 is generated (for example, the tip of the electrode finger of the comb-shaped electrode 20a) has a large effect on the shape of the domain-inverted structure 23.

【００９３】幾つかの材料を用いて実験を行ったとこ
ろ、このような熱的影響を低減するためには、電極対２
０の構成材料として、その抵抗率が１．０×１０-7Ωｍ
以下のものを用いる必要があるということが分かった。
これより大きな抵抗率を有する電極構成材料を用いた場
合には、分極反転構造２３のアスペクト比の制御が難し
く、反転周期４μｍ以下の周期状の分極反転構造が形成
できないことが分かった。具体的には、電極対２０を形
成する材料としては、例えばＴａ（タンタル）、Ａｌ
（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｇ
（銀）等をはじめとする導電性材料の利用が可能であ
る。また、低抵抗の電極材料の使用は、電界印加時の電
極直下の電界強度分布を均一になるため、形成される分
極反転構造２３の均一性を高めるためにも、有効であ
る。Experiments were conducted using several materials. In order to reduce such thermal effects, the electrode pair 2 was used.
0, the resistivity is 1.0 × 10 −7 Ωm
It turns out that it is necessary to use:
It was found that when an electrode constituent material having a higher resistivity was used, it was difficult to control the aspect ratio of the domain-inverted structure 23, and a periodic domain-inverted structure with an inversion period of 4 μm or less could not be formed. Specifically, as a material for forming the electrode pair 20, for example, Ta (tantalum), Al
(Aluminum), Cu (copper), Au (gold), Ag
It is possible to use conductive materials such as (silver). Also, the use of a low-resistance electrode material is effective in increasing the uniformity of the domain-inverted structure 23 formed because the electric field intensity distribution immediately below the electrode when an electric field is applied becomes uniform.

【００９４】なお、電極の抵抗を小さくする方法として
は、先述のように、電極の厚さを増大させることも有効
な手段である。例えば、Ｔａを用いた場合においては、
電極厚さを１０００Å以上とすることにより、上記の熱
的影響を低減して高アスペクト比の分極反転構造２３を
得ることができ、また、分極反転構造２３の均一性を向
上することができた。As a method of reducing the resistance of the electrode, increasing the thickness of the electrode is also an effective means as described above. For example, when Ta is used,
By setting the electrode thickness to 1000 ° or more, it was possible to obtain the domain-inverted structure 23 having a high aspect ratio by reducing the above-mentioned thermal influence, and to improve the uniformity of the domain-inverted structure 23. .

【００９５】以上のような検討結果をふまえて、本発明
において、印加パルス電界を短パルス化する（すなわ
ち、印加時間を短くする）ことにより、電界印加時の発
生熱量を低減し、また、低抵抗の電極材料を選択するこ
とにより、分極反転構造の形成に寄与する熱的影響を除
去することを試みた。その結果、上記の検討結果に基づ
いて、パルス幅２０ｍｓ以下の短パルス電界を印加し、
また、低抵抗を導電材料であるＴａ、Ｃｕ，Ａｌ等を電
極材料に選ぶことにより、高アスペクト比の分極反転構
造２３を得ることができた。Based on the above examination results, in the present invention, by shortening the applied pulse electric field (that is, by shortening the application time), the amount of heat generated at the time of applying the electric field can be reduced. An attempt was made to eliminate the thermal effect that contributes to the formation of the domain-inverted structure by selecting the electrode material of the resistor. As a result, based on the above examination results, a short pulse electric field with a pulse width of 20 ms or less was applied,
Further, by selecting a low resistance conductive material such as Ta, Cu, or Al as the electrode material, the domain-inverted structure 23 having a high aspect ratio could be obtained.

【００９６】しかし、単一パルス電界の印加において
は、形成される分極反転部の厚さは約１．２μｍ程度で
あり、例えば光導波路型波長変換素子を作製した場合
に、十分な変換効率を得ることができない。そこで、２
０ｍｓ以下のパルス電界を複数回印加（多重パルス電界
印加）することにより、形成される分極反転構造２３の
周期方向の広がりを抑え且つ均一性を保ったままで、分
極反転構造２３の厚さの増大を図ることを試みた。印加
パルス幅を１０ｍｓとして多重パルス電界印加を行った
場合の分極反転部の厚さの比較を行ったところ、図６に
示すように、印加回数の増加とともに分極反転部の厚さ
が増大していることが分かった。このとき、形成された
分極反転構造２３のアスペクト比は、印加回数によら
ず、ほぼ一定であった。すなわち、本発明に従った多重
パルス電界印加によって、高アスペクト比で且つ厚い分
極反転構造２３を形成することができた。However, when a single-pulse electric field is applied, the thickness of the domain-inverted portion formed is about 1.2 μm. For example, when an optical waveguide type wavelength conversion element is manufactured, sufficient conversion efficiency is obtained. I can't get it. So 2
By applying a pulse electric field of 0 ms or less a plurality of times (multiple pulse electric field application), the thickness of the domain-inverted structure 23 is increased while suppressing the spread of the domain-inverted structure 23 formed in the periodic direction and maintaining uniformity. Tried to plan. A comparison of the thickness of the domain-inverted portion when applying a multiple pulse electric field with an applied pulse width of 10 ms was performed. As shown in FIG. 6, the thickness of the domain-inverted portion increased as the number of applications increased. I knew it was there. At this time, the aspect ratio of the formed domain-inverted structure 23 was substantially constant regardless of the number of times of application. That is, by applying the multiple pulse electric field according to the present invention, the thick domain-inverted structure 23 having a high aspect ratio can be formed.

【００９７】更に、例えば１０ｍｓのパルス電界で１０
回の多重パルス印加を行った場合と、１００ｍｓのパル
ス電界で１回の電界印加を行った場合とを比較すると、
形成される分極反転構造２３の形状に大きな差が見られ
た。具体的には、１００ｍｓのパルス電界を用いた場合
には、形成された分極反転構造２３の周期方向広がりが
大きく、隣接する分極反転部が接触している部分が多く
見られたが、多重パルス印加を行った場合は、均一性が
高く、分極反転構造２３の周期方向への広がりはわずか
であった。同様の検討をパルス電界のパルス幅を変えて
行ったところ、２０ｍｓ以下のパルス電界で、アスペク
ト比及び均一性の向上が著しく、特に５ｍｓ以下のパル
ス電界においては、形成された分極反転構造２３の周期
方向への広がりはほとんどなかった。Further, for example, a pulse electric field of 10 ms
Comparing the case where the multiple pulse application is performed one time and the case where one electric field application is performed with the pulse electric field of 100 ms,
A large difference was found in the shape of the domain-inverted structure 23 formed. Specifically, when a pulse electric field of 100 ms is used, the formed domain-inverted structure 23 has a large spread in the periodic direction and many portions where adjacent domain-inverted portions are in contact with each other. When the application was performed, the uniformity was high, and the spread of the domain-inverted structure 23 in the periodic direction was slight. When the same examination was performed by changing the pulse width of the pulse electric field, the aspect ratio and the uniformity were remarkably improved at a pulse electric field of 20 ms or less. There was almost no spread in the periodic direction.

【００９８】また、短パルスの多重パルス印加において
は、パルス間隔が分極反転構造の形状に与える影響も大
きかった。短パルス化することによって、電界印加時に
発生する熱量は小さくなっているが、実際には、わずか
な熱量が依然として発生する。このため、パルス印加間
隔が短い場合には、発生した熱が拡散されるより先に新
たに熱が発生し、これが徐々に蓄積されることになる。
この結果、パルス電界印加数が多い場合には、徐々に熱
的影響が出てくることになる。そこで、これを回避する
ために、多重パルス電界印加のインターバル（印加間
隔）を十分大きく取る（例えば数秒間隔で印加する）こ
とにより、発生した熱の影響を完全に除去することがで
きた。具体的には、パルス間隔を３０ｍｓ以上とするこ
とが望ましく、更に、パルス間隔を１秒以上にした場合
には、上記のような徐々に蓄積される熱的影響は全く見
られなかった。In addition, when multiple short pulse pulses were applied, the influence of the pulse interval on the shape of the domain-inverted structure was large. Although the amount of heat generated when the electric field is applied is reduced by shortening the pulse, a small amount of heat is still generated in practice. Therefore, when the pulse application interval is short, heat is newly generated before the generated heat is diffused, and this heat is gradually accumulated.
As a result, when the number of pulsed electric fields applied is large, thermal effects gradually appear. In order to avoid this, the effect of the generated heat can be completely removed by setting the interval (application interval) of the application of the multi-pulse electric field to be sufficiently large (for example, application is performed at intervals of several seconds). Specifically, it is desirable to set the pulse interval to 30 ms or longer, and when the pulse interval is set to 1 second or longer, there is no thermal effect that is gradually accumulated as described above.

【００９９】本発明の第２の実施形態における、Ｍｇ
Ｏ：ＬＮ結晶のＸカット基板に分極反転構造を形成する
ための装置構成は、先に図４として示した通りである。
本実施形態においては、強誘電体結晶１９の分極方向２
４に電極対２０を形成して、電界印加を行う。In the second embodiment of the present invention, Mg
The apparatus configuration for forming the domain-inverted structure on the X-cut substrate of the O: LN crystal is as shown in FIG.
In the present embodiment, the polarization direction 2 of the ferroelectric crystal 19 is
4, an electrode pair 20 is formed, and an electric field is applied.

【０１００】本実施形態では、電極対２０を形成する材
料としてＴａを用いた場合について説明する。このとき
の電極対２０の厚さを数１００Å〜２０００Åとして、
櫛形電極２０ａとストライプ電極２０ｂとの電極間隔は
１００μｍ〜２０００μｍとした。In the present embodiment, a case where Ta is used as a material for forming the electrode pair 20 will be described. At this time, the thickness of the electrode pair 20 is set to several hundreds to 2,000, and
The electrode interval between the comb electrode 20a and the stripe electrode 20b was set to 100 μm to 2000 μm.

【０１０１】分極反転構造２３の厚さを増大させるため
には、高電圧の電界を印加することが有効な手段の一つ
である。しかし、例えば特開平５−２１３１３２号公報
で提案された分極反転構造の形成方法における電極間隔
（１９０μｍ以下の場合）では、電界印加の際に電極間
で放電が生じ、結晶の絶縁破壊が生じ易くなるという問
題があった。また、特にＸカット及びＹカット基板にお
いては、分極反転構造２３が成長する際に、櫛形電極２
０ａ直下から発生して成長した分極反転構造２３が対向
するストライプ電極２０ｂに達した瞬間に、電極対２０
が導通した状態になるために分極反転構造２３の分極方
向への成長が止まり、これが、周期方向への不均一な広
がりが増大する原因になっていた。In order to increase the thickness of the domain-inverted structure 23, application of a high-voltage electric field is one of effective means. However, for example, in the electrode spacing (in the case of 190 μm or less) in the method of forming a domain-inverted structure proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-213132, a discharge occurs between the electrodes when an electric field is applied, and dielectric breakdown of a crystal is likely to occur. There was a problem of becoming. In particular, in the case of the X-cut and Y-cut substrates, the comb-shaped electrode 2
At the moment when the domain-inverted structure 23 generated and grown from just below 0a reaches the opposing stripe electrode 20b, the electrode pair 20
Is in a conductive state, the growth of the domain-inverted structure 23 in the polarization direction is stopped, and this has caused an increase in uneven spread in the periodic direction.

【０１０２】これに対して、本実施形態においては、電
極間隔を大きく設定することにより、これらの問題を回
避することができる。但し、電極間隔が１０００μｍを
超えると、分極反転構造２３が形成されにくく、また不
均一になった。従って、電極間隔としては２００μｍ〜
１０００μｍとすることが望ましく、特に３００μｍ〜
５００μｍの場合に、均一で高アスペクト比の厚い分極
反転構造が形成できた。On the other hand, in the present embodiment, these problems can be avoided by setting the electrode interval to be large. However, when the electrode interval exceeded 1000 μm, the domain-inverted structure 23 was difficult to be formed and became non-uniform. Therefore, the electrode spacing is 200 μm
It is desirable to be 1000 μm, especially 300 μm or more.
In the case of 500 μm, a thick domain-inverted structure having a uniform and high aspect ratio could be formed.

【０１０３】絶縁膜２１は、例えばＳｉＯ2やＮｂ2Ｏ5
などの誘電体材料を用いて、電極対２０及びＭｇＯ：Ｌ
Ｎ結晶基板１９の表面を完全に覆うように被着形成す
る。絶縁膜２１の厚さは、電極の厚さよりも十分大きく
なるように、数１００Å〜３０００Åとする。The insulating film 21 is made of, for example, SiO 2 or Nb 2 O 5
The electrode pair 20 and MgO: L are formed using a dielectric material such as
It is formed so as to completely cover the surface of N crystal substrate 19. The thickness of the insulating film 21 is set to several hundreds to 3000 degrees so as to be sufficiently larger than the thickness of the electrode.

【０１０４】以上のように、周期状のパターンを持つ櫛
形電極２０ａを絶縁膜２１で覆い、特に電極指間のＭｇ
Ｏ：ＬＮ結晶基板１９の表面を絶縁膜２１で埋めること
により、電極指間のセパレーションを高め、不均一性の
原因となる隣り合う電極指からの電界の影響を減じるこ
とができる。これは、絶縁膜２１として誘電率の高い絶
縁材料を用いることによって、電極指からの漏れ電界の
電極指間領域への浸入を減じることができるためであ
り、電極指以外の領域の電界強度は、大きく減少するこ
とになる。なお、電源２２は、印加電圧、立ち上がり時
間及び印加時間を制御することが可能なパルス電界発生
源である。As described above, the comb-shaped electrode 20a having a periodic pattern is covered with the insulating film 21, and especially the Mg-electrode between the electrode fingers is formed.
By filling the surface of the O: LN crystal substrate 19 with the insulating film 21, the separation between the electrode fingers can be increased, and the influence of the electric field from the adjacent electrode fingers, which causes non-uniformity, can be reduced. This is because the use of an insulating material having a high dielectric constant as the insulating film 21 can reduce the penetration of a leaked electric field from the electrode finger into the inter-electrode-finger region. , Will be greatly reduced. The power supply 22 is a pulse electric field generation source capable of controlling an applied voltage, a rise time, and an application time.

【０１０５】以上のような構成を利用して実施される本
実施形態の分極反転構造の形成方法について、以下で、
その動作を述べる。The method of forming the domain-inverted structure of this embodiment, which is performed by using the above-described configuration, will be described below.
The operation will be described.

【０１０６】電極対２０は、蒸着やスパッタリング等に
より、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１９の表面に導電材料から
なる薄膜を製膜し、フォトリソグラフィープロセス及び
エッチングプロセス、或いはリフトオフ等を用いること
により、容易に形成できる。絶縁膜２１の被着形成も、
スパッタリングを用いることにより容易に実現できる。
このようにして、電極対２０及び絶縁膜２１を形成した
ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１９に対して電界印加を行うこと
により、均一で厚い周期状の分極反転構造２３を形成す
ることができる。電界印加は、不活性絶縁液の中で、Ｍ
ｇＯ：ＬＮ結晶基板１９の上に被着形成された絶縁膜２
１を介して電極対２０に外部電極を接触させ、この電極
対２０を介して、電源２２からのパルス電界をＭｇＯ：
ＬＮ結晶基板１９に印加することによって実施する。こ
のとき、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１９の＋Ｃ軸側に配置さ
れた櫛形電極２０ａの電位が、−Ｃ軸側に配置されたス
トライプ電極２０ｂの電位よりも高くなるようにして、
印加電圧が数ｋＶ／ｍｍ〜数１０ｋＶ／ｍｍ、印加時間
が２０ｍｓ以下のパルス電界を複数回印加することによ
り、電界印加を行う。The electrode pair 20 can be easily formed by forming a thin film made of a conductive material on the surface of the MgO: LN crystal substrate 19 by vapor deposition or sputtering, and using a photolithography process and an etching process, or a lift-off process. Can be formed. The deposition of the insulating film 21 is also performed as follows.
It can be easily realized by using sputtering.
In this way, by applying an electric field to the MgO: LN crystal substrate 19 on which the electrode pair 20 and the insulating film 21 are formed, a uniform and thick periodic domain-inverted structure 23 can be formed. The electric field is applied in the inert insulating liquid by M
gO: Insulating film 2 formed on LN crystal substrate 19
1 and an external electrode is brought into contact with the electrode pair 20 via the electrode pair 20.
This is performed by applying a voltage to the LN crystal substrate 19. At this time, the potential of the comb electrode 20a arranged on the + C-axis side of the MgO: LN crystal substrate 19 is set higher than the potential of the stripe electrode 20b arranged on the -C-axis side.
An electric field is applied by applying a pulse electric field having an applied voltage of several kV / mm to several tens of kV / mm and an application time of 20 ms or less a plurality of times.

【０１０７】例えば、電圧１０ｋＶ／ｍｍ、パルス幅５
ｍｓのパルス電界を用いることにより、約１．２μｍの
電極指の幅に対して、形成される分極反転構造２３の幅
を約１．５μｍ以下にすることができた。また、このと
きの分極反転構造２３の厚さは約１．５μｍであった。For example, a voltage of 10 kV / mm and a pulse width of 5
By using a pulse electric field of ms, the width of the domain-inverted structure 23 formed could be reduced to about 1.5 μm or less with respect to the width of the electrode finger of about 1.2 μm. At this time, the thickness of the domain-inverted structure 23 was about 1.5 μm.

【０１０８】これにより、例えば３μｍ周期の周期状の
分極反転構造において、分極のデューティー比（非反転
領域幅と反転領域幅との比）が１：１となる周期状の分
極反転構造を形成することができ、波長変換素子を構成
する場合の位相整合を完全に満たす均一な周期状の分極
反転構造が達成できた。Thus, in a periodically poled structure having a period of, for example, 3 μm, a periodically poled structure in which the polarization duty ratio (the ratio of the width of the non-reversed region to the width of the reversed region) is 1: 1 is formed. As a result, a uniform periodic domain-inverted structure that completely satisfies the phase matching in the case of configuring the wavelength conversion element was achieved.

【０１０９】上記のような多重パルス電界印加において
形成される分極反転部の厚さを更に増大する方法とし
て、２次元電界印加法による分極反転構造の形成を試み
た。図７に、本発明の第２の実施形態における、２次元
電界印加法を用いてＭｇＯ：ＬＮ結晶基板内に分極反転
構造を形成するための装置構成例を示す。As a method of further increasing the thickness of the domain-inverted portion formed by the application of the multiple pulse electric field as described above, an attempt was made to form a domain-inverted structure by a two-dimensional electric field application method. FIG. 7 shows an example of an apparatus configuration for forming a domain-inverted structure in an MgO: LN crystal substrate using a two-dimensional electric field application method according to the second embodiment of the present invention.

【０１１０】図７において、２５は単一分極化されたＸ
カットのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板、２６は、ＭｇＯ：ＬＮ
結晶基板２５において第１の主面内の分極方向に配置さ
れている電極対、２７は、電極対２６を含むＭｇＯ：Ｌ
Ｎ結晶表面を覆うように形成された絶縁膜、２８は第２
の主面に形成されている電極、２９は電源である。ま
た、３０は形成される分極反転構造である。このとき、
電極対２６は、周期状パターンを持つ櫛形電極２６ａと
ストライプ電極２６ｂとからなり、櫛形電極２６ａがＭ
ｇＯ：ＬＮ結晶基板２６の＋Ｃ軸側に配置されており、
電極指の周期は、形成される分極反転構造３０の周期と
対応している。また、ストライプ電極２６ｂと電極２８
とを導通することにより、電界印加の際には、ＭｇＯ：
ＬＮ結晶基板２６の面内方向と厚さ方向とに同時に電界
が印加されることになる。このような電界印加法を、２
次元電界印加法と呼ぶ。In FIG. 7, 25 indicates a single polarized X.
Cut MgO: LN crystal substrate, 26 is MgO: LN
The electrode pair 27 arranged in the polarization direction in the first main surface of the crystal substrate 25 is formed of MgO: L including the electrode pair 26.
An insulating film formed so as to cover the surface of the N crystal,
The electrode 29 formed on the main surface of the power supply is a power supply. Reference numeral 30 denotes a domain-inverted structure to be formed. At this time,
The electrode pair 26 includes a comb-shaped electrode 26a having a periodic pattern and a stripe electrode 26b.
gO: disposed on the + C axis side of the LN crystal substrate 26,
The period of the electrode fingers corresponds to the period of the domain-inverted structure 30 to be formed. Also, the stripe electrode 26b and the electrode 28
And, when an electric field is applied, MgO:
An electric field is applied simultaneously in the in-plane direction and the thickness direction of the LN crystal substrate 26. Such an electric field application method is referred to as 2
This is called a two-dimensional electric field application method.

【０１１１】なお、本実施形態では、電極対２６及び電
極２８の構成材料をＴａとし、これらの各電極２６及び
２８の厚さを１０００Åとした。また、絶縁膜２７の材
料はＳｉＯ2であり、その厚さを２０００Åとした。In this embodiment, the constituent material of the electrode pair 26 and the electrode 28 is Ta, and the thickness of each of the electrodes 26 and 28 is 1000 °. The material of the insulating film 27 was SiO 2 , and its thickness was set to 2000 °.

【０１１２】以上のような構成において、上述した多重
パルス電界印加を行うことにより、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基
板２５の内部に生じる電界分布をコントロールすること
が可能になる。これより、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板２５の
より深い部分において、電界強度を強めることができ
て、結果として、形成される分極反転構造３０の厚さを
増すことができる。このとき、前述したように多重パル
ス電界印加を行うことにより、形成される分極反転構造
３０の周期方向への広がりを抑えることができる。これ
により、電圧１０ｋＶ／ｍｍ、パルス幅５ｍｓのパルス
電界を用いて、約１．２μｍの電極指の幅に対して、形
成される分極反転構造３０の幅を約１．５μｍ以下にす
ることができた。またこのときの分極反転構造３０の厚
さは、約１．７μｍであった。In the above configuration, by applying the above-described multi-pulse electric field, it becomes possible to control the electric field distribution generated inside the MgO: LN crystal substrate 25. Thus, the electric field strength can be increased in the deeper portion of the MgO: LN crystal substrate 25, and as a result, the thickness of the domain-inverted structure 30 formed can be increased. At this time, by applying the multiple pulse electric field as described above, the spreading of the domain-inverted structure 30 to be formed in the periodic direction can be suppressed. Thus, using a pulse electric field having a voltage of 10 kV / mm and a pulse width of 5 ms, the width of the domain-inverted structure 30 to be formed can be reduced to about 1.5 μm or less with respect to the width of the electrode finger of about 1.2 μm. did it. At this time, the thickness of the domain-inverted structure 30 was about 1.7 μm.

【０１１３】以上のように、本発明の第２の実施形態に
おいては、第１の実施形態とは異なって、強誘電体結晶
の分極方向に沿って配置された電極対を形成し、この電
極対を介して強誘電体に電界を印加することにより、分
極反転構造を形成する。As described above, in the second embodiment of the present invention, unlike the first embodiment, an electrode pair arranged along the polarization direction of the ferroelectric crystal is formed. By applying an electric field to the ferroelectric through the pair, a domain-inverted structure is formed.

【０１１４】或いは、第１の実施形態で説明したよう
に、強誘電体結晶の分極方向にほぼ垂直な方向に沿って
配置された電極配置に対して、本実施形態で述べたよう
に、印加電界として短パルス電界を用いて多重パルス電
界印加を行って、高アスペクト比の厚い分極反転構造を
形成することも可能である。Alternatively, as described in the first embodiment, the voltage applied to the electrodes arranged along the direction substantially perpendicular to the polarization direction of the ferroelectric crystal is applied as described in the present embodiment. It is also possible to form a thick domain-inverted structure with a high aspect ratio by applying a multi-pulse electric field using a short pulse electric field as the electric field.

【０１１５】しかし、多重パルス電界印加においては、
例えば、量産時の工程に必要になる処理時間の短時間化
という観点から考えた場合、できるだけ印加回数を少な
くすることが望ましい。そこで、本願発明者は、短パル
ス電界印加において、電極構造に依存して形成される電
界分布について、更に検討した。However, in the application of a multi-pulse electric field,
For example, from the viewpoint of shortening the processing time required for the steps of mass production, it is desirable to reduce the number of times of application as much as possible. Then, the inventor of the present application has further studied the electric field distribution formed depending on the electrode structure when a short pulse electric field is applied.

【０１１６】具体的には、本実施形態で述べた分極反転
構造方法において、（１） 分極反転構造の成長方向の
電界ベクトルを大きくすることにより、多重パルス電界
印加において、１回の印加あたりに形成される分極反転
構造を大きくする（すなわち印加回数を少なくする）、
（２） 均一性の高い分極反転構造を形成する、及び
（３） 高アスペクト比を有する分極反転構造を形成す
る、という３つの条件を満たす方法として、図１４
（ａ）及び（ｂ）に示す構成を有する電界印加系を用い
て、分極反転構造の形成を試みた。図１４（ａ）及び
（ｂ）は、本発明の第２の実施形態において、電気的に
独立したストライプ状の導電体膜を有する電極構造を用
いて多重パルス電界印加を行うことによって、ＭｇＯ：
ＬＮ結晶基板内に分極反転構造を形成するための、電界
印加系の構成（電極配置）の一例を模式的に示してい
る。More specifically, in the domain-inverted structure method described in the present embodiment, (1) by increasing the electric field vector in the growth direction of the domain-inverted structure, it is possible to apply a multi-pulse electric field per application. Increasing the domain-inverted structure to be formed (ie, reducing the number of applications),
FIG. 14 shows a method that satisfies the three conditions of (2) forming a domain-inverted structure having high uniformity and (3) forming a domain-inverted structure having a high aspect ratio.
An attempt was made to form a domain-inverted structure using an electric field application system having the configuration shown in FIGS. FIGS. 14A and 14B show a second embodiment of the present invention, in which a multi-pulse electric field is applied by using an electrode structure having an electrically independent stripe-shaped conductor film, whereby MgO:
1 schematically illustrates an example of a configuration (electrode arrangement) of an electric field application system for forming a domain-inverted structure in an LN crystal substrate.

【０１１７】その結果、この電極構成において、基板の
対向する２つの主面にそれぞれ形成された電極に対し
て、垂直方向に電界印加を行うことにより、少ない電界
印加回数で高アスペクト比の厚い分極反転構造を得るこ
とができた。As a result, in this electrode configuration, by applying an electric field in the vertical direction to the electrodes formed on the two opposing main surfaces of the substrate, the number of electric field applications can be reduced and the high aspect ratio thick polarization can be achieved. An inverted structure was obtained.

【０１１８】図１４（ａ）及び（ｂ）において、５９は
単一分極化されたＸカットのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板、６
０は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板５９において第１の主面上
に形成された周期状パターンを持つ櫛形電極、６１は、
ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板５９において第２の主面上に形成
された電極、６２は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板５９におい
て第１の主面上に形成された導電性膜、６３は、電極６
０及び導電性膜６２を含むＭｇＯ：ＬＮ結晶表面を覆う
ように形成された絶縁膜、６４は電源である。また、６
５は、形成される分極反転構造である。このとき、櫛形
電極６０の電極指の周期は、形成される分極反転構造６
５の周期と対応している。また、導電性膜６２は、スト
ライプ状の形状を有しており、電界印加時には、電源６
４、櫛形電極６０、及び電極６１の何れとも結線されて
いない。櫛形電極６０及び導電性膜６２の位置関係とし
ては、櫛形電極６０がＭｇＯ：ＬＮ結晶基板５９の＋Ｃ
軸側に配置されており、導電性膜６２は−Ｃ軸側に配置
されている。なお、図１４（ａ）及び（ｂ）に示される
構成における櫛形電極６０、電極６１、及び導電性膜６
２は、すべてＴａで形成し、それらの厚さを何れも１０
００Åとした。また、絶縁膜６３の材料はＳｉＯ2であ
り、厚さを２０００Åとした。14A and 14B, reference numeral 59 denotes a monopolarized X-cut MgO: LN crystal substrate, 6
0 is a comb-shaped electrode having a periodic pattern formed on the first main surface of the MgO: LN crystal substrate 59, 61 is
An electrode formed on the second main surface of the MgO: LN crystal substrate 59, 62 is a conductive film formed on the first main surface of the MgO: LN crystal substrate 59, and 63 is an electrode 6
An insulating film 64 formed so as to cover the surface of the MgO: LN crystal including the O and the conductive film 62 is a power supply. Also, 6
Reference numeral 5 denotes a domain-inverted structure to be formed. At this time, the period of the electrode fingers of the comb-shaped electrode 60 depends on the domain-inverted structure 6 to be formed.
5 periods. Further, the conductive film 62 has a stripe shape, and when an electric field is applied, the power source 6 is turned off.
4, not connected to any of the comb-shaped electrode 60 and the electrode 61. As for the positional relationship between the comb-shaped electrode 60 and the conductive film 62, the comb-shaped electrode 60 is located at + C of the MgO: LN crystal substrate 59.
The conductive film 62 is disposed on the axis side, and the conductive film 62 is disposed on the −C axis side. The comb-shaped electrode 60, the electrode 61, and the conductive film 6 in the configuration shown in FIGS.
2 are all made of Ta, and their thicknesses are all 10
00 °. The material of the insulating film 63 was SiO 2 , and the thickness was 2000 °.

【０１１９】なお、図１４（ｂ）においては、櫛形電極
６０は複数の櫛形電極の列から構成されており、ストラ
イプ状の導電性膜６２は、各櫛形電極に対して一対一に
対応するように配置されている。In FIG. 14B, the comb-shaped electrode 60 is composed of a row of a plurality of comb-shaped electrodes, and the stripe-shaped conductive films 62 correspond to the respective comb-shaped electrodes one-to-one. Are located in

【０１２０】以上のような構成において、櫛形電極６０
と電極６１との間に多重パルス電界印加を行うことによ
り、（１） 形成される分極反転構造６５の周期方向へ
の広がりを抑えて、高アスペクト比の分極反転構造６５
を均一に形成することが可能であり、また、（２） 電
界印加時に形成される電界分布の分極方向電界ベクトル
成分を大きくすることが可能になり、導電性膜６２がな
い場合に比べて、少ない印加回数で厚い分極反転構造６
５を得ることができる、という利点が得られる。分極方
向の電界ベクトル成分が大きくなるのは、電界印加に使
用する櫛形電極６０の近傍に電気的に独立した導電性膜
６２（金属をはじめとする導電性材料の膜）が存在する
ことにより、電界印加時に形成される電界分布が変化す
ることに起因する。これにより、櫛形電極６０の電極指
に沿った分極方向の広い領域において分極反転構造６５
が発生し、多重パルス電界印加において、少ない印加回
数で厚い分極反転構造６５を形成することが可能にな
る。また、分極反転構造６５を形成する主たる電界成分
となるのは、分極方向とほぼ垂直な電界成分であるた
め、本発明の第１の実施形態で示したように、結晶破壊
が生じることなく、高アスペクト比の均一な分極反転構
造の形成が可能である。In the above configuration, the comb-shaped electrode 60
(1) Spreading of the domain-inverted structure 65 formed in the periodic direction is suppressed, and the domain-inverted structure 65 having a high aspect ratio is applied.
Can be formed uniformly, and (2) the polarization direction electric field vector component of the electric field distribution formed when an electric field is applied can be increased. Thick domain-inverted structure 6 with few application times
5 can be obtained. The increase in the electric field vector component in the polarization direction is caused by the presence of the electrically independent conductive film 62 (a film of a conductive material such as a metal) near the comb-shaped electrode 60 used for applying the electric field. This is because the electric field distribution formed when an electric field is applied changes. Thereby, the domain-inverted structure 65 is formed in a wide region in the polarization direction along the electrode fingers of the comb-shaped electrode 60.
Is generated, and it becomes possible to form a thick domain-inverted structure 65 with a small number of times of application of a multi-pulse electric field. In addition, since the main electric field component forming the domain-inverted structure 65 is an electric field component substantially perpendicular to the polarization direction, as described in the first embodiment of the present invention, crystal breakage does not occur. A uniform domain-inverted structure with a high aspect ratio can be formed.

【０１２１】図１４（ｂ）においても同様の分極反転構
造の形成が可能であり、複数の周期状の分極反転構造の
列を同時に形成することができる。In FIG. 14B, a similar domain-inverted structure can be formed, and a plurality of rows of periodic domain-inverted structures can be simultaneously formed.

【０１２２】以上のような図１４（ａ）及び（ｂ）の何
れの配置においても、導電性膜６２（金属をはじめとす
る導電性材料の膜）を形成する材料としては、Ｔａ（タ
ンタル）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ
（金）、Ａｇ（銀）等をはじめとする導電性材料の利用
が可能であるが、特に抵抗率が１．０×１０-7Ωｍ以下
の材料を用いると、先に第１の実施形態で櫛形電極２及
び電極３に関連して説明したように、電界印加時の電界
強度分布を均一にして、形成される分極反転構造６５の
均一性を高めることができる。また、特に、導電性膜６
２の抵抗値が、測定位置に依存せずに、その何れの部分
においても２００Ωを超えないようにすることにより、
上記の均一性を更に向上することができる。In any of the arrangements shown in FIGS. 14A and 14B as described above, the material for forming the conductive film 62 (film of a conductive material including metal) is Ta (tantalum). , Al (aluminum), Cu (copper), Au
Although it is possible to use conductive materials such as (Gold) and Ag (silver), it is possible to use a material having a resistivity of 1.0 × 10 −7 Ωm or less, particularly if the first embodiment is used. As described with reference to the comb-shaped electrode 2 and the electrode 3, the electric field intensity distribution when an electric field is applied can be made uniform, and the uniformity of the domain-inverted structure 65 formed can be increased. Further, in particular, the conductive film 6
By making sure that the resistance value of No. 2 does not exceed 200Ω in any part thereof, regardless of the measurement position,
The above uniformity can be further improved.

【０１２３】更に、図１４（ａ）及び（ｂ）の何れの配
置においても、導電性膜６２と櫛形電極６０との間の間
隔を２００μｍよりも大きく設定すれば、より大きなサ
イズを有する分極反転構造６５の形成が可能になると共
に、電界印加時に導電性膜６２と櫛形電極６０との間で
絶縁破壊が生じて放電が発生することを防ぐことができ
て、好ましい。Further, in any of the arrangements shown in FIGS. 14A and 14B, if the distance between the conductive film 62 and the comb electrode 60 is set to be larger than 200 μm, the polarization inversion having a larger size will be obtained. This is preferable because the structure 65 can be formed, and the occurrence of electric discharge due to dielectric breakdown between the conductive film 62 and the comb-shaped electrode 60 when an electric field is applied can be prevented.

【０１２４】なお、本実施形態においては、ＭｇＯ：Ｌ
Ｎ結晶基板２５として単一分極化されたＸカットのＭｇ
Ｏ：ＬＮ結晶基板を用いたが、Ｙカット基板やオフカッ
ト基板を用いた場合においても、同様の方法により、均
一で厚い分極反転構造の形成が可能である。In this embodiment, MgO: L
Single-polarized X-cut Mg as N-crystal substrate 25
Although an O: LN crystal substrate is used, a uniform and thick domain-inverted structure can be formed by a similar method when a Y-cut substrate or an off-cut substrate is used.

【０１２５】また、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板２５として、
液相成長により形成されたＭｇＯ：ＬＮ結晶膜を用いた
場合においても、同様の分極反転構造の形成方法が適用
可能であり、均一で厚い分極反転構造が形成できる。液
相成長により形成した結晶膜は、通常の結晶に比べ機械
的強度が弱いという欠点がある。これは、基板結晶と液
相成長結晶との間での格子定数のミスマッチに起因す
る。この機械的強度の問題が、従来の電界印加による分
極反転構造の形成法において、電界印加時に結晶破壊が
生じる原因になっていた。これに対して、前述したよう
に、本発明の分極反転構造の形成方法を用いる場合に
は、電界の集中を防止して結晶破壊を防止することがで
きるため、液相成長の結晶膜にも分極反転構造の形成が
可能になる。この場合には、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板に比
べて安価な基板、例えばＬｉＮｂＯ3結晶基板の表面
に、数μｍ〜数１０μｍの厚さでＭｇＯ：ＬＮ結晶膜を
形成することができ、低コスト化を図ることができると
いう利点も有している。また、更に、液相成長により形
成されたＭｇＯ：ＬＮ結晶膜においては、結晶膜の組成
比を比較的自由に操作・選択することが可能であり、例
えば耐光損傷性が大きいといわれるストイキオメトリー
結晶構造（組成比がＬｉ：Ｎｂ＝１：１の結晶）が容易
に形成できるという長所も有する。Further, as the MgO: LN crystal substrate 25,
Even when an MgO: LN crystal film formed by liquid phase growth is used, a similar method of forming a domain-inverted structure can be applied, and a uniform and thick domain-inverted structure can be formed. A crystal film formed by liquid phase growth has a disadvantage that its mechanical strength is lower than that of a normal crystal. This is due to a mismatch in lattice constant between the substrate crystal and the liquid phase grown crystal. This problem of mechanical strength has caused crystal destruction when applying an electric field in the conventional method of forming a domain-inverted structure by applying an electric field. On the other hand, as described above, when the method of forming the domain-inverted structure of the present invention is used, concentration of an electric field can be prevented and crystal breakage can be prevented. It becomes possible to form a domain-inverted structure. In this case, a MgO: LN crystal film having a thickness of several μm to several tens μm can be formed on the surface of an inexpensive substrate, for example, a LiNbO 3 crystal substrate as compared with the MgO: LN crystal substrate. It also has the advantage that it can be achieved. Further, in the MgO: LN crystal film formed by the liquid phase growth, the composition ratio of the crystal film can be relatively freely operated and selected. For example, stoichiometry which is said to have high light damage resistance is possible. There is also an advantage that a crystal structure (a crystal having a composition ratio of Li: Nb = 1: 1) can be easily formed.

【０１２６】なお、本実施形態においては、周期状の分
極反転構造の形成について述べたが、例えばＭｇＯ：Ｌ
Ｎ結晶の＋Ｃ軸側に配置する電極として、電極の少なく
とも一部を尖塔部形状にしたものを用いることにより、
その尖塔部の先端直下より分極反転構造を形成すること
ができ、任意の場所に高アスペクト比の分極反転構造を
形成することができる。In this embodiment, the formation of the periodic domain-inverted structure has been described.
By using an electrode in which at least a part of the electrode has a spire shape as an electrode arranged on the + C axis side of the N crystal,
A domain-inverted structure can be formed immediately below the tip of the spire section, and a domain-inverted structure with a high aspect ratio can be formed at any location.

【０１２７】また、本実施形態においては、強誘電体結
晶の分極方向に電極を形成して電界印加を行う場合につ
いて説明したが、第１の実施形態で示したように、分極
方向と垂直な方向に電極を形成した場合においても、本
実施形態で述べた短パルスの多重パルス電界印加を行う
ことにより、高アスペクト比で厚い分極反転構造の形成
が可能である。Further, in the present embodiment, the case where the electrodes are formed in the polarization direction of the ferroelectric crystal and the electric field is applied has been described, but as described in the first embodiment, the direction perpendicular to the polarization direction is perpendicular to the polarization direction. Even when the electrodes are formed in the directions, it is possible to form a thick domain-inverted structure with a high aspect ratio by applying the short-pulse multi-pulse electric field described in the present embodiment.

【０１２８】（第３の実施形態）本実施形態において
は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板のＺカット基板において、対
向する主面に電極対を形成し、これらの電極対の間にパ
ルス電界を複数回繰り返し印加する。この方法を用いる
ことにより、電極指に沿った所望の広い領域に、周期状
の分極反転構造を形成することが可能になる。(Third Embodiment) In the present embodiment, in a Z-cut substrate of an MgO: LN crystal substrate, electrode pairs are formed on opposing main surfaces, and a pulsed electric field is applied between these electrode pairs a plurality of times. Apply repeatedly. By using this method, it is possible to form a periodically poled structure in a desired wide area along the electrode finger.

【０１２９】図８（ａ）は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶のＺカッ
ト基板に分極反転構造を形成する従来の電界印加系（電
極配置）を模式的に説明するための斜視図である。ま
た、図８（ｂ）は、図８（ａ）を−Ｙ面から見た場合の
断面図である。FIG. 8A is a perspective view schematically illustrating a conventional electric field application system (electrode arrangement) for forming a domain-inverted structure on a Z-cut substrate of MgO: LN crystal. FIG. 8B is a cross-sectional view when FIG. 8A is viewed from the −Y plane.

【０１３０】ＭｇＯ：ＬＮ結晶のＺカット基板において
は、結晶基板の分極方向が基板表面と垂直方向にある。
このため、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、従来の
電界印加による分極反転構造の形成方法においては、結
晶基板の対向する２つの主面に電極対を形成し、分極反
転構造を形成してきた。In the MgO: LN crystal Z-cut substrate, the polarization direction of the crystal substrate is perpendicular to the substrate surface.
For this reason, as shown in FIGS. 8A and 8B, in the conventional method of forming a domain-inverted structure by applying an electric field, an electrode pair is formed on two opposing main surfaces of a crystal substrate to form a domain-inverted structure. Has been formed.

【０１３１】図８（ａ）及び（ｂ）において、３１は単
一分極化されたＺカットのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板、３２
は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３１の＋Ｃ軸側の主面に形成
された周期状パターンを持つ櫛形電極３２ａとＭｇＯ：
ＬＮ結晶基板３１の−Ｃ軸側の主面に形成された電極３
２ｂとからなる電極対、３３は、櫛形電極３２ａを含む
ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３１の第１の主面を覆うように形
成された絶縁膜であり、また、３４は電源、３５は形成
される周期状の分極反転構造である。このとき、櫛形電
極３２ａの電極指周期は、形成される分極反転構造３５
の周期に対応している。また、電極３２ｂの面積は、少
なくとも櫛形電極３２ａの面積よりも大きく、かつ電極
３２ｂの位置が、櫛形電極３２ａを第２の主面に投影し
た位置にある。なお、電源３４は、印加電圧及び印加時
間を制御することが可能なパルス電界発生源である。8A and 8B, reference numeral 31 denotes a single-polarized Z-cut MgO: LN crystal substrate;
Is a comb-shaped electrode 32a having a periodic pattern formed on the main surface on the + C-axis side of the MgO: LN crystal substrate 31 and MgO:
Electrode 3 formed on main surface on −C axis side of LN crystal substrate 31
2b, an electrode pair 33 is an insulating film formed so as to cover the first main surface of the MgO: LN crystal substrate 31 including the comb-shaped electrode 32a, a power source 34 and a power source 35 are formed. It has a periodically poled structure. At this time, the electrode finger period of the comb-shaped electrode 32a is determined by the polarization inversion structure 35 to be formed.
Cycle. The area of the electrode 32b is at least larger than the area of the comb-shaped electrode 32a, and the position of the electrode 32b is at a position where the comb-shaped electrode 32a is projected onto the second main surface. The power supply 34 is a pulse electric field generation source capable of controlling the applied voltage and the applied time.

【０１３２】本願発明者の検討により、このような従来
の系において、例えば第１の実施形態或いは第２の実施
形態で述べたような多重パルス電界印加を用いて分極反
転構造３５を形成する場合には、印加回数が増加するに
つれて、電極指に沿って、分極反転構造の形成領域が拡
大されることがわかった。しかし、上記の従来の系にお
いては、電極指に沿って広い領域に分極反転構造を形成
することは、困難であった。これは、分極反転構造３５
が、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３１の厚さ方向に成長するた
め、電極指の先端直下の結晶基板３１の＋Ｃ軸側主面に
発生して−Ｃ軸方向に向かって成長した分極反転構造３
５が−Ｃ軸側の主面（−Ｃ軸側の電極）に到達した瞬間
に、電極間が導通した状態になり、分極反転構造３５の
成長が止まるためであるということが明らかになった。According to the study of the inventor of the present invention, in such a conventional system, for example, when the domain-inverted structure 35 is formed by using a multiple pulse electric field application as described in the first embodiment or the second embodiment. It was found that the domain in which the domain-inverted structure was formed expanded along the electrode fingers as the number of times of application increased. However, in the above-described conventional system, it was difficult to form a domain-inverted structure in a wide area along an electrode finger. This is because the polarization inversion structure 35
Grows in the thickness direction of the MgO: LN crystal substrate 31, so that the domain-inverted structure 3 is generated on the + C axis side main surface of the crystal substrate 31 immediately below the tip of the electrode finger and grows in the −C axis direction.
At the moment when 5 reaches the main surface on the -C-axis side (electrode on the -C-axis side), it is clear that the conduction between the electrodes is brought about and the growth of the domain-inverted structure 35 stops. .

【０１３３】そこで、本実施形態では、図９（ａ）及び
（ｂ）に示すような電界印加系（電極配置）として、こ
の構成で多重パルス電界印加を行うことにより、上記の
課題の解決を図った。Therefore, in the present embodiment, the above-mentioned problem is solved by applying a multi-pulse electric field with this configuration as an electric field application system (electrode arrangement) as shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b). planned.

【０１３４】図９（ａ）は、本発明の第３の実施形態と
して、ＺカットのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板に分極反転構造
を形成するための電界印加系の構成（電極配置）の一例
を、模式的に説明するための斜視図である。また、図９
（ｂ）は、図９（ａ）を−Ｙ面から見た場合の断面図で
ある。FIG. 9A shows an example of the configuration (electrode arrangement) of an electric field application system for forming a domain-inverted structure on a Z-cut MgO: LN crystal substrate as a third embodiment of the present invention. It is a perspective view for explaining typically. FIG.
FIG. 9B is a cross-sectional view when FIG. 9A is viewed from the −Y plane.

【０１３５】図９（ａ）及び（ｂ）において、３６は、
単一分極化されたＺカットのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板、３
７ａは、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３６の＋Ｃ軸側の主面に
形成された周期状パターンを持つ櫛形電極、３７ｂは、
ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３６の−Ｃ軸側の主面に形成され
た電極、３８は、櫛形電極３７ａを含むＭｇＯ：ＬＮ結
晶基板３６の第１の主面を覆うように形成された絶縁膜
である。また、３９は電源、４０は、形成される周期状
の分極反転構造である。このとき、櫛形電極３７ａの電
極指の周期は、形成される分極反転構造４０の周期に対
応している。また、電極３７ｂの面積は、少なくとも櫛
形電極３７ａの面積よりも大きく、かつ電極３７ｂの位
置が、櫛形電極３７ａを第２の主面に投影した位置を含
まないＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３６の−Ｃ軸側主面上に配
置されている。図中のＡは、この電極３７ｂと櫛形電極
３７ａとの間の配置ずれの大きさを表している。なお、
電源３９は、印加電圧及び印加時間を制御することが可
能なパルス電界発生源である。In FIGS. 9A and 9B, reference numeral 36 denotes
Single-polarized Z-cut MgO: LN crystal substrate, 3
7a is a comb-shaped electrode having a periodic pattern formed on the + C-axis side main surface of the MgO: LN crystal substrate 36, and 37b is
An electrode formed on the main surface of the MgO: LN crystal substrate 36 on the −C-axis side, and 38 is an insulating film formed so as to cover the first main surface of the MgO: LN crystal substrate 36 including the comb-shaped electrode 37a. is there. Reference numeral 39 denotes a power supply, and reference numeral 40 denotes a periodic polarization inversion structure to be formed. At this time, the cycle of the electrode fingers of the comb-shaped electrode 37a corresponds to the cycle of the domain-inverted structure 40 to be formed. The area of the electrode 37b is at least larger than the area of the comb-shaped electrode 37a, and the position of the electrode 37b does not include the position where the comb-shaped electrode 37a is projected onto the second main surface. It is arranged on the shaft-side main surface. A in the figure indicates the magnitude of the misalignment between the electrode 37b and the comb-shaped electrode 37a. In addition,
The power supply 39 is a pulse electric field generation source capable of controlling an applied voltage and an applied time.

【０１３６】本実施形態においては、ＭｇＯ：ＬＮ結晶
基板３６として厚さ約５００μｍのＺカット基板を用
い、櫛形電極３７ａの電極指は、長さ４０〜２５０μ
ｍ、幅１μｍ、周期３μｍで形成した。また、電極３７
ｂは、櫛形電極３７ａを第２の主面に投影した位置より
も０〜１００μｍずらして（すなわちＡ＝０〜１００μ
ｍとして）配置した。In this embodiment, a Z-cut substrate having a thickness of about 500 μm is used as the MgO: LN crystal substrate 36, and the electrode fingers of the comb-shaped electrode 37a have a length of 40 to 250 μm.
m, width 1 μm, period 3 μm. The electrode 37
b is shifted from the position where the comb-shaped electrode 37a is projected on the second main surface by 0 to 100 μm (that is, A = 0 to 100 μm).
m)).

【０１３７】櫛形電極３７ａ及び電極３７ｂを形成する
材料としては、Ｔａ（タンタル）、Ａｌ（アルミニウ
ム）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）等をはじめ
とする導電性材料の利用が可能であるが、特に抵抗率が
１０×１０-8Ωｍ以下の材料を用いることにより、電界
印加時の電極直下の電界強度分布を均一にすることがで
きるため、形成される分極反転構造４０の均一性を高め
ることができる。以下の本実施形態の説明においては、
Ｔａ電極を用いた場合について説明する。このとき、電
極３７ａ及び３７ｂの厚さを数１００Å〜３４００Åと
し、また、絶縁膜３８は、例えばＳｉＯ2やＮｂ2Ｏ5な
どを用いて、櫛形電極３７ａ及びＭｇＯ：ＬＮ結晶基板
３６の第１の主面を完全に覆うように被着形成する。絶
縁膜３８の厚さは、電極厚さよりも十分大きくなるよう
に数１００Å〜３０００Åとする。As a material for forming the comb-shaped electrode 37a and the electrode 37b, use of a conductive material such as Ta (tantalum), Al (aluminum), Cu (copper), Au (gold), Ag (silver) and the like. However, in particular, by using a material having a resistivity of 10 × 10 −8 Ωm or less, the electric field intensity distribution immediately below the electrode can be made uniform when an electric field is applied. Can be improved. In the following description of the present embodiment,
The case where a Ta electrode is used will be described. At this time, the thickness of the electrodes 37a and 37b is set to several hundreds to 3400 °, and the insulating film 38 is made of, for example, SiO 2 or Nb 2 O 5 , using the comb-shaped electrode 37a and the first electrode of the MgO: LN crystal substrate 36. Is formed so as to completely cover the main surface. The thickness of the insulating film 38 is set to several hundred degrees to 3000 degrees so as to be sufficiently larger than the electrode thickness.

【０１３８】以上のような装置構成による本実施形態の
分極反転構造の形成方法について、以下でその動作を述
べる。The operation of the method for forming the domain-inverted structure of this embodiment with the above-described apparatus configuration will be described below.

【０１３９】櫛形電極３７ａ及び電極３７ｂは、蒸着や
スパッタリング等によりＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３６表面
にＴａ薄膜を製膜し、フォトリソグラフィープロセス及
びエッチングプロセス、或いはリフトオフ等を用いるこ
とにより、容易に形成することができる。絶縁膜３８の
被着形成も、スパッタリング等を用いることにより、容
易に実現できる。このようにして形成された電極３７ａ
及び３７ｂを介して、電源４０を用いてＭｇＯ：ＬＮ結
晶基板３６に対して多重パルス電界印加を行うことによ
り、櫛形電極３７ａの電極指に沿って分極反転構造の形
成領域を拡大することができ、Ｚカット基板において、
均一性の高い周期状の分極反転構造４０を広範囲に形成
することが可能になる。電界印加にあたっては、不活性
絶縁液の中で、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３６の上に被着形
成された櫛形電極３７ａ及び電極３７ｂに、絶縁膜３８
を介して外部電極を接触させ、これらの電極３７ａ及び
電極３７ｂを介して、電源３９からのパルス電界をＭｇ
Ｏ：ＬＮ結晶基板３６に印加する。具体的には、Ｍｇ
Ｏ：ＬＮ結晶基板３６の＋Ｃ軸側に配置された櫛形電極
３７ａの電位が、−Ｃ軸側に配置された電極３７ｂの電
位よりも高くなるようにして、印加電圧が数ｋＶ／ｍｍ
〜数１０ｋＶ／ｍｍで印加時間が２０ｍｓ以下のパルス
電界を複数回印加することにより、電界印加を行う。The comb-shaped electrodes 37a and 37b are easily formed by forming a Ta thin film on the surface of the MgO: LN crystal substrate 36 by vapor deposition, sputtering, or the like, and using a photolithography process, an etching process, a lift-off, or the like. be able to. The formation of the insulating film 38 can be easily realized by using sputtering or the like. The electrode 37a thus formed
And a multi-pulse electric field applied to the MgO: LN crystal substrate 36 using the power supply 40 via the power source 40, the region where the domain-inverted structure is formed can be enlarged along the electrode fingers of the comb-shaped electrode 37a. , Z-cut substrate,
It is possible to form a highly uniform periodic domain-inverted structure 40 over a wide range. In applying the electric field, the insulating film 38 is applied to the comb-shaped electrodes 37a and 37b formed on the MgO: LN crystal substrate 36 in an inert insulating liquid.
Through the electrodes 37a and 37b, the pulse electric field from the power source 39 is changed to Mg.
O: Applied to the LN crystal substrate 36. Specifically, Mg
O: The potential of the comb electrode 37a arranged on the + C axis side of the LN crystal substrate 36 is higher than the potential of the electrode 37b arranged on the -C axis side, and the applied voltage is several kV / mm.
The electric field application is performed by applying a pulse electric field having an application time of 20 ms or less at several to several tens kV / mm a plurality of times.

【０１４０】前述したように、ＭｇＯ：ＬＮ結晶のＺカ
ット基板において分極反転構造４０を形成する場合、分
極反転構造４０がＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３６の厚さ方向
に成長する。このため、−Ｃ軸側の主面上の電極３７ｂ
が、＋Ｃ軸側の櫛形電極３７ａを−Ｃ軸側の面へ投影し
た位置と重なっている場合には、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板
３６の＋Ｃ軸側の主面に発生して−Ｃ軸方向に向かって
成長した分極反転構造４０の一部が−Ｃ軸側の主面（−
Ｃ軸側の電極）に到達した瞬間に、櫛形電極３７ａと電
極３７ｂとが導通した状態になり、分極反転構造４０の
成長が止まってしまうという問題があった。このような
場合には、電極指の長さ２５０μｍに対して、電極指に
沿った分極反転構造の形成領域の広がりの大きさは約４
０μｍ程度であった。As described above, when the domain-inverted structure 40 is formed on the MgO: LN crystal Z-cut substrate, the domain-inverted structure 40 grows in the thickness direction of the MgO: LN crystal substrate 36. For this reason, the electrode 37b on the main surface on the −C-axis side
Is generated on the main surface of the MgO: LN crystal substrate 36 on the + C-axis side in the -C-axis direction when the comb-shaped electrode 37a on the + C-axis side is projected on the surface on the -C-axis side. A part of the domain-inverted structure 40 grown toward the -C-axis side main surface (-
At the moment of reaching the (C-axis side electrode), there is a problem that the comb-shaped electrode 37a and the electrode 37b become conductive, and the growth of the domain-inverted structure 40 stops. In such a case, for the electrode finger length of 250 μm, the extent of the spread of the domain inversion structure along the electrode finger is about 4 μm.
It was about 0 μm.

【０１４１】これに対して、本実施形態では、上記のよ
うに、−Ｃ軸側の主面に形成される電極３７ｂを櫛形電
極３７ａの投影位置と重ならないように配置することに
よって、上記のような導通状態を回避することができ
る。この結果、多重パルス電界印加を行ったときの電極
指に沿った分極反転構造の形成領域を拡大することが可
能になる。特に、櫛形電極３７ａと電極３７ｂとの配置
ずれの大きさＡを２０μｍ以上にすることにより、電極
指の長さ２５０μｍに対して、分極反転構造の形成領域
の広がりを、電極指に沿って１００μｍ以上にすること
ができる。なお、上記のように電極３７ｂを櫛形電極３
７ａの投影位置から離れた位置に配置することにより、
図９に示した従来の電極配置の場合に比べて、ＭｇＯ：
ＬＮ結晶基板３６の分極方向に形成される電界強度はわ
ずかに弱くなるが、電界の分極方向成分の大きさは、分
極反転構造４０の形成に十分な大きさである。On the other hand, in the present embodiment, as described above, the electrode 37b formed on the main surface on the -C axis side is arranged so as not to overlap with the projection position of the comb-shaped electrode 37a. Such a conductive state can be avoided. As a result, it becomes possible to enlarge the region where the domain-inverted structure is formed along the electrode fingers when the multiple pulse electric field is applied. In particular, by setting the size A of the misalignment between the comb-shaped electrode 37a and the electrode 37b to 20 μm or more, the extension of the domain-inverted structure formation region is increased by 100 μm along the electrode finger for the electrode finger length of 250 μm. Or more. Note that, as described above, the electrode 37b is
By arranging it at a position away from the projection position of 7a,
As compared with the conventional electrode arrangement shown in FIG.
Although the electric field intensity formed in the polarization direction of the LN crystal substrate 36 is slightly weakened, the magnitude of the polarization direction component of the electric field is large enough to form the domain-inverted structure 40.

【０１４２】本実施形態では、分極反転周期が約３μ
ｍ、分極反転構造４０の周期方向の幅が１．５μｍ、電
極指に沿った方向の分極反転構造の広がりが１００μｍ
である場合に、５００μｍ厚の基板の＋Ｃ面から−Ｃ面
まで、均一な周期状の分極反転構造４０を形成すること
ができた。In this embodiment, the polarization inversion period is about 3 μm.
m, the width of the domain-inverted structure 40 in the periodic direction is 1.5 μm, and the spread of the domain-inverted structure in the direction along the electrode fingers is 100 μm.
In this case, a uniform periodic domain-inverted structure 40 could be formed from the + C plane to the −C plane of the substrate having a thickness of 500 μm.

【０１４３】上記のような分極反転構造４０の成長によ
る電極間の導通状態を回避する方法として、例えば、電
極３７ｂをＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３６の−Ｃ軸側の主面
上に形成する際に、電極３７ｂとＭｇＯ：ＬＮ結晶基板
３６との間に絶縁材料を被着形成してもよい。例えば、
ＳｉＯ2等をスパッタにより被着することで、上記の目
的の絶縁膜を容易に形成することが可能である。また、
この際には、分極反転構造の形成のための印加電圧を多
少大きくする必要があるものの、均一な周期状の分極反
転構造４０を形成することができる。具体的には、電極
指の長さ２５０μｍに対して、分極反転構造の形成領域
の電極指に沿った広がりを、８０μｍ以上にすることが
できた。As a method of avoiding the conduction state between the electrodes due to the growth of the domain-inverted structure 40 as described above, for example, when forming the electrode 37b on the main surface on the −C axis side of the MgO: LN crystal substrate 36, An insulating material may be formed between the electrode 37b and the MgO: LN crystal substrate 36. For example,
By depositing SiO 2 or the like by sputtering, the above-described insulating film can be easily formed. Also,
In this case, although it is necessary to slightly increase the applied voltage for forming the domain-inverted structure, a uniform periodic domain-inverted structure 40 can be formed. Specifically, for the electrode finger length of 250 μm, the extent of the domain inversion structure along the electrode finger could be increased to 80 μm or more.

【０１４４】（第４の実施形態）本実施形態において
は、上述の第１〜第３の実施形態に示した方法を用いて
形成した周期状の分極反転構造と光導波路とを用いて、
高変換効率の波長変換素子を作製する方法について、詳
しく説明する。(Fourth Embodiment) In this embodiment, a periodic domain-inverted structure and an optical waveguide formed by using the method described in the first to third embodiments are used.
A method for manufacturing a wavelength conversion element with high conversion efficiency will be described in detail.

【０１４５】周期状の分極反転構造を利用して波長変換
を行う波長変換素子には、大きく分けて、光導波路型波
長変換素子とバルク型波長変換素子とがある。Wavelength conversion elements that perform wavelength conversion using a periodic polarization inversion structure are roughly classified into an optical waveguide type wavelength conversion element and a bulk type wavelength conversion element.

【０１４６】光導波路型波長変換素子の場合には、Ｍｇ
Ｏ：ＬＮ結晶中に光導波路を形成し、この光導波路に基
本波となるレーザ光を入射して、波長変換を行う。この
とき、高効率の波長変換を行うためには、光導波路中を
伝搬する導波光と周期状の分極反転構造との間に、十分
なオーバーラップをとる必要がある。また、光導波路型
波長変換素子及びバルク型波長変換素子の両方におい
て、分極反転部と非分極反転部との割合(デューティー
比)が１：１に近いほど、擬似位相整合状態が良好に形
成されていることになり、これも、高変換効率をもたら
す要因の一つとなっている。In the case of an optical waveguide type wavelength conversion element, Mg
O: An optical waveguide is formed in an LN crystal, and laser light serving as a fundamental wave is incident on the optical waveguide to perform wavelength conversion. At this time, in order to perform wavelength conversion with high efficiency, it is necessary to make a sufficient overlap between the guided light propagating in the optical waveguide and the periodically poled structure. In both the optical waveguide type wavelength conversion element and the bulk type wavelength conversion element, the closer the ratio (duty ratio) between the domain-inverted portion and the non-domain-inverted portion is to 1, the better the quasi-phase matching state is formed. This is also one of the factors leading to high conversion efficiency.

【０１４７】更に、例えば発生される高調波を光ディス
ク用光源として用いる場合においては、波長広がりが小
さいことが望まれる。また、大きな波長広がりは、変換
効率の低下の原因にもなる。従って、波長変換により得
られる高調波の波長広がりを小さくするために、形成さ
れる分極反転周期が均一であることが重要である。Further, for example, when the generated harmonic is used as a light source for an optical disk, it is desired that the wavelength spread is small. In addition, a large wavelength spread causes a reduction in conversion efficiency. Therefore, in order to reduce the wavelength spread of harmonics obtained by wavelength conversion, it is important that the formed domain inversion period is uniform.

【０１４８】そこで、本発明の分極反転構造の形成方法
を用いて形成した周期状の分極反転構造を用いて、波長
変換素子を作製し、その特性を評価した。図１０には、
本発明の第４の実施形態とおいて形成される光導波路型
波長変換素子の構成の一例を示す。Thus, a wavelength conversion element was manufactured using a periodic domain-inverted structure formed by using the domain-inverted structure forming method of the present invention, and its characteristics were evaluated. In FIG.
An example of the configuration of an optical waveguide type wavelength conversion element formed in the fourth embodiment of the present invention is shown.

【０１４９】図１０において、４１は、強誘電体結晶基
板４１０としてのオフカットのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板４
１０に作製された光導波路型波長変換素子であり、４２
は周期状の分極反転構造、４３は光導波路である。この
とき、周期状の分極反転構造４２の周期方向と光導波路
４３の導波方向とがほぼ平行になるように配置され、光
導波路４３の中を伝搬する導波光とＭｇＯ：ＬＮ結晶４
１０との非線形相互作用により、波長変換が行われる。
また、光導波路４３の端面（ＭｇＯ：ＬＮ結晶４１０の
端面４１１及び４１２）は、周期状の分極反転構造４２
の周期方向とほぼ垂直になるように、研磨されている。
なお、本実施形態においては、光導波路型波長変換素子
４１の作用長は１０ｍｍとした。In FIG. 10, reference numeral 41 denotes an off-cut MgO: LN crystal substrate 4 as a ferroelectric crystal substrate 410.
10 is an optical waveguide type wavelength conversion element manufactured in FIG.
Denotes a periodically poled structure, and 43 denotes an optical waveguide. At this time, the periodic direction of the periodically domain-inverted structure 42 and the waveguide direction of the optical waveguide 43 are arranged so as to be substantially parallel, and the guided light propagating through the optical waveguide 43 and the MgO: LN crystal 4
The wavelength conversion is performed by the non-linear interaction with 10.
Further, the end faces of the optical waveguide 43 (the end faces 411 and 412 of the MgO: LN crystal 410) are formed on the periodic polarization inversion structure 42.
Has been polished so as to be substantially perpendicular to the periodic direction of.
In the present embodiment, the working length of the optical waveguide type wavelength conversion element 41 is set to 10 mm.

【０１５０】以上のように構成された波長変換素子４１
について、以下では、その動作を述べる。The wavelength conversion element 41 configured as described above
In the following, the operation will be described.

【０１５１】光導波路４３は、蒸着やスパッタリング等
によりＭｇＯ：ＬＮ結晶基板４１０の表面にＴａ薄膜を
製膜し、フォトリソグラフィープロセス及びエッチング
プロセスによって所定の導波路パターンにパターニング
した上で、この状態のＭｇＯ：ＬＮ結晶基板４１０を高
温の安息香酸やピロ燐酸等に浸してアニール処理を施す
ことにより、形成することができる。例えば、光導波路
４３の幅を５μｍ、基板厚さ方向での深さを２．５μｍ
とする。このとき、形成される周期状の分極反転構造４
２の厚さは、電極指の先端部の分極反転領域において最
も大きく、反転の成長方向に向かって徐々に小さくなる
ので、光導波路４３と周期状の分極反転構造４２とが十
分重なるようにするためには、周期状の分極反転構造４
２の形成に用いたパターン電極の電極指先端と光導波路
パターンとの間の距離が、小さい方がよい。また、電極
形成部分は、エッチングプロセス等により基板表面が不
均一になっているため、導波ロスが大きい。従って、具
体的には、電極指先端と光導波路４３との間の距離は、
０〜１０μｍであることが望ましい。具体的には、周期
状の分極反転構造４２を、第１の実施形態で述べた多重
パルス電界印加を用いる方法により形成した場合には、
分極反転周期が３μｍ、分極反転部の周期方向の広がり
（以下、「分極反転幅」と称する）が約１．５μｍ、分
極反転部の厚さが約１．５μｍである、均一な周期状の
分極反転構造が得られた。The optical waveguide 43 is formed by forming a Ta thin film on the surface of the MgO: LN crystal substrate 410 by vapor deposition, sputtering, or the like, patterning it into a predetermined waveguide pattern by a photolithography process and an etching process. It can be formed by immersing the MgO: LN crystal substrate 410 in high-temperature benzoic acid, pyrophosphoric acid, or the like and performing an annealing treatment. For example, the width of the optical waveguide 43 is 5 μm, and the depth in the substrate thickness direction is 2.5 μm.
And At this time, the periodically formed domain-inverted structure 4 is formed.
2 is the largest in the domain-inverted region at the tip of the electrode finger, and gradually decreases in the direction of growth of the domain inversion. Therefore, the optical waveguide 43 and the periodic domain-inverted structure 42 are sufficiently overlapped. In order to achieve this, the periodic domain-inverted structure 4
It is preferable that the distance between the tip of the electrode finger of the pattern electrode used to form the second electrode and the optical waveguide pattern is small. In addition, since the substrate surface becomes non-uniform due to an etching process or the like in the electrode forming portion, waveguide loss is large. Therefore, specifically, the distance between the electrode finger tip and the optical waveguide 43 is:
Desirably, it is 0 to 10 μm. Specifically, when the periodic domain-inverted structure 42 is formed by the method using the multi-pulse electric field application described in the first embodiment,
A uniform periodic pattern having a domain inversion period of 3 μm, a domain direction inversion (hereinafter referred to as “domain inversion width”) of about 1.5 μm, and a domain inversion section thickness of about 1.5 μm. A domain-inverted structure was obtained.

【０１５２】更に、上記のようにして周期状の分極反転
構造４２及び光導波路４３を形成した後に、導波方向と
ほぼ垂直になるようにＭｇＯ：ＬＮ結晶基板４１０の端
面４１１及び４１２を研磨する。その後、研磨された端
面４１１及び４１２にスパッタリングによって反射防止
膜（ＡＲコート）を形成して、光導波路型波長変換素子
４１を作製する（但し、図中に反射防止膜は不図示であ
る）。上記の反射防止膜としては、例えば、ＳｉＯ2膜
を用いることができる。Further, after the periodic domain-inverted structure 42 and the optical waveguide 43 are formed as described above, the end faces 411 and 412 of the MgO: LN crystal substrate 410 are polished so as to be substantially perpendicular to the waveguide direction. . Thereafter, an anti-reflection film (AR coat) is formed on the polished end faces 411 and 412 by sputtering to produce the optical waveguide type wavelength conversion element 41 (however, the anti-reflection film is not shown in the drawing). As the antireflection film, for example, a SiO 2 film can be used.

【０１５３】このようにして形成された光導波路型波長
変換素子４１においては、厚さ方向に約２．５μｍの光
導波路を導波する導波光と周期状の分極反転構造とのオ
ーバーラップが向上されて、波長変換効率が大幅に向上
される。In the optical waveguide type wavelength conversion element 41 thus formed, the overlap between the guided light guided through the optical waveguide of about 2.5 μm in the thickness direction and the periodic domain-inverted structure is improved. As a result, the wavelength conversion efficiency is greatly improved.

【０１５４】この光導波路型波長変換素子４１を用い
て、図１１に示すような高調波発生光源を構成する。図
１１において、４４は図１０に示す光導波路型波長変換
素子であり、４５は周期状の分極反転構造、４６は光導
波路である。また、４７はレーザ光源、４８はレーザ光
源４７からのレーザ光、４９は光導波路型波長変換素子
４４により得られるレーザ光４８の高調波である。ま
た、５０は、レーザ光４８を光導波路４６に入射するた
めのカップリングレンズである。Using this optical waveguide type wavelength conversion element 41, a harmonic generation light source as shown in FIG. 11 is formed. 11, reference numeral 44 denotes the optical waveguide type wavelength conversion element shown in FIG. 10, reference numeral 45 denotes a periodic domain-inverted structure, and reference numeral 46 denotes an optical waveguide. 47 is a laser light source, 48 is a laser beam from the laser light source 47, and 49 is a harmonic of the laser beam 48 obtained by the optical waveguide type wavelength conversion element 44. Reference numeral 50 denotes a coupling lens for causing the laser light 48 to enter the optical waveguide 46.

【０１５５】このようにして構成された高調波発生光源
の光学系において、光導波路型波長変換素子４４の特性
を評価したところ、従来の光導波路型波長変換素子にお
いて８００％／Ｗ程度であった規格化変換効率が、１２
００％／Ｗ以上に向上することが確認された。また、均
一な周期状の分極反転構造４５により、出射高調波４９
の波長広がりを、半値全幅で１．０ｎｍ以下に抑えるこ
とができた。When the characteristics of the optical waveguide type wavelength conversion element 44 in the optical system of the harmonic generation light source thus configured were evaluated, it was about 800% / W in the conventional optical waveguide type wavelength conversion element. Normalized conversion efficiency is 12
It was confirmed that the ratio was improved to 00% / W or more. In addition, the output harmonics 49
Was suppressed to 1.0 nm or less in full width at half maximum.

【０１５６】更に、第１の実施形態で述べたように、Ｍ
ｇＯ：ＬＮ結晶基板の対向する主面に電極対を形成し、
これらの電極対の間にパルス電界を複数回繰り返し印加
する方法によって周期状の分極反転構造を形成すると、
３°カットＸ基板に、周期３μｍ、厚さ２．２μｍ以
上、分極反転幅１．５μｍの周期状の分極反転構造を形
成することができる。このようにして形成される周期３
μｍで厚さ２μｍ以上の周期状の分極反転構造を利用す
ることにより、図１１に示す光導波路型波長変換素子４
４において、最も効率の良い疑似位相整合状態を実現
し、かつ、光導波路４６の断面と分極反転部分４５との
重なり（オーバーラップ）を大きくすることができる。
この結果、より高効率の波長変換を実現することが可能
になり、具体的には、規格化変換効率として１８００％
／Ｗ以上の値が得られた。また、均一な周期状の分極反
転構造４５によって、出射高調波４９の波長広がりを、
半値全幅で１．０ｎｍ以下に抑えることができた。Further, as described in the first embodiment, M
forming electrode pairs on opposing main surfaces of the gO: LN crystal substrate;
When a periodic domain-inverted structure is formed by a method of repeatedly applying a pulsed electric field between these pairs of electrodes,
A periodic domain-inverted structure having a period of 3 μm, a thickness of 2.2 μm or more, and a domain inversion width of 1.5 μm can be formed on a 3 ° cut X substrate. Period 3 formed in this way
By using a periodic domain-inverted structure having a thickness of 2 μm and a thickness of 2 μm, the optical waveguide type wavelength conversion element 4 shown in FIG.
4, the most efficient quasi phase matching state can be realized, and the overlap (overlap) between the cross section of the optical waveguide 46 and the domain-inverted portion 45 can be increased.
As a result, wavelength conversion with higher efficiency can be realized. Specifically, the standardized conversion efficiency is 1800%
/ W or more was obtained. Further, by the uniform periodic polarization inversion structure 45, the wavelength spread of the output harmonic 49 is
The full width at half maximum could be suppressed to 1.0 nm or less.

【０１５７】更に、強誘電体結晶基板としてＭｇＯ：Ｌ
Ｎ結晶基板を用いる場合には、耐光損傷性が高い光導波
路型波長変換素子を作製することができて、高出力で且
つ高変換効率を有する波長変換素子を作製することが可
能になる。Further, as a ferroelectric crystal substrate, MgO: L
When an N crystal substrate is used, an optical waveguide type wavelength conversion element having high light damage resistance can be manufactured, and a wavelength conversion element having high output and high conversion efficiency can be manufactured.

【０１５８】或いは、上記のような光導波路型の波長変
換素子に代えて、バルク型波長変換素子として、本発明
の第３の実施形態で示した方法に従ってＺカット基板に
周期状の分極反転構造を形成し、これを利用して波長変
換素子を作製してもよい。図１２は、そのようにして形
成されるバルク型波長変換素子５１の構成の一例を示す
斜視図である。Alternatively, instead of the above-described optical waveguide type wavelength conversion element, a periodic polarization inversion structure may be formed on a Z-cut substrate according to the method shown in the third embodiment of the present invention as a bulk type wavelength conversion element. May be formed, and a wavelength conversion element may be manufactured using this. FIG. 12 is a perspective view showing an example of the configuration of the bulk-type wavelength conversion element 51 thus formed.

【０１５９】図１２において、５１は、強誘電体結晶基
板５１０としてのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板５１０に作製さ
れたバルク型波長変換素子であり、５２は周期状の分極
反転構造である。このとき、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板５１
０の端面５１１及び５１２は、周期状の分極反転構造５
２の周期方向とほぼ垂直になるように研磨されている。
この研磨された一方の端面５１１から入射してＭｇＯ：
ＬＮ結晶基板５１０の内部を伝搬する導波光と、Ｍｇ
Ｏ：ＬＮ結晶５１０との非線形相互作用により、波長変
換が行われる。波長変換の結果として得られた光は、結
晶基板５１０の他の端面５１２から出射される。In FIG. 12, reference numeral 51 denotes a bulk-type wavelength conversion element formed on an MgO: LN crystal substrate 510 as a ferroelectric crystal substrate 510, and reference numeral 52 denotes a periodic domain-inverted structure. At this time, the MgO: LN crystal substrate 51
0 end faces 511 and 512 have periodic polarization inversion structures 5.
2 is polished so as to be substantially perpendicular to the periodic direction.
The incident light from one of the polished end faces 511 is MgO:
Waveguide light propagating inside the LN crystal substrate 510;
Wavelength conversion is performed by nonlinear interaction with the O: LN crystal 510. Light obtained as a result of the wavelength conversion is emitted from another end face 512 of crystal substrate 510.

【０１６０】以上のように構成されたバルク型波長変換
素子５１について、以下でその動作を述べる。The operation of the bulk-type wavelength conversion element 51 configured as described above will be described below.

【０１６１】周期状の分極反転構造５２を第３の実施形
態で示した方法により形成すると、分極反転構造として
は、周期３μｍ、分極反転幅１．５μｍ、及び断面積１
００μｍ×５００μｍ以上の面状の均一な周期状の分極
反転構造５２が得られる。このようにして周期状の分極
反転構造５２を形成した後に、周期状の分極反転構造５
２の周期方向とほぼ垂直になるようにＭｇＯ：ＬＮ結晶
基板５１０の端面５１１及び５１２を研磨する。その後
に、スパッタリングにより、研磨された端面５１１及び
５１２に反射防止膜（ＡＲコート）を形成して、バルク
型波長変換素子５１を作製する（但し、図中に反射防止
膜は不図示である）。なお、本実施形態においては、反
射防止膜として、例えばＳｉＯ2膜を用いることができ
る。When the periodic domain-inverted structure 52 is formed by the method described in the third embodiment, the domain-inverted structure has a period of 3 μm, a domain inversion width of 1.5 μm, and a cross-sectional area of 1 μm.
A planar and uniform domain-inverted structure 52 having a size of 00 μm × 500 μm or more can be obtained. After forming the periodic domain-inverted structure 52 in this manner, the periodic domain-inverted structure 5 is formed.
The end faces 511 and 512 of the MgO: LN crystal substrate 510 are polished so as to be substantially perpendicular to the period direction of No. 2. Thereafter, an anti-reflection film (AR coat) is formed on the polished end surfaces 511 and 512 by sputtering to produce the bulk type wavelength conversion element 51 (however, the anti-reflection film is not shown in the drawing). . In this embodiment, for example, a SiO 2 film can be used as the antireflection film.

【０１６２】このバルク型波長変換素子５１を用いて、
図１３に示すような高調波発生光源を構成する。図１３
において、５３は図１２に示すバルク型波長変換素子で
あり、５４は周期状の分極反転構造である。また、５５
はレーザ光源、５６はレーザ光源５５からのレーザ光、
５７はバルク型波長変換素子５３により得られるレーザ
光５６の高調波である。また、５８は、レーザ光５６を
バルク型波長変換素子５３のＭｇＯ：ＬＮ結晶基板の端
面に入射するためのカップリングレンズである。Using this bulk type wavelength conversion element 51,
A harmonic generation light source as shown in FIG. 13 is configured. FIG.
In the figure, 53 is a bulk-type wavelength conversion element shown in FIG. 12, and 54 is a periodic domain-inverted structure. Also, 55
Is a laser light source, 56 is a laser beam from the laser light source 55,
57 is a harmonic of the laser light 56 obtained by the bulk type wavelength conversion element 53. Reference numeral 58 denotes a coupling lens for causing the laser light 56 to enter the end surface of the MgO: LN crystal substrate of the bulk type wavelength conversion element 53.

【０１６３】このようにして構成された高調波発生光源
の光学系において、バルク型波長変換素子５３の特性を
評価したところ、従来のバルク型波長変換素子において
８００％／Ｗ程度であった規格化変換効率が、１２００
％／Ｗ以上に向上することが確認された。また、均一な
周期状の分極反転構造５４により、出射高調波５７の波
長広がりを、半値全幅で１．０ｎｍ以下に抑えることが
できた。When the characteristics of the bulk-type wavelength conversion element 53 were evaluated in the optical system of the harmonic generation light source configured as described above, it was found that the normalization was about 800% / W in the conventional bulk-type wavelength conversion element. Conversion efficiency is 1200
% / W or more was confirmed. Further, with the uniform periodic polarization inversion structure 54, the wavelength spread of the output harmonic 57 could be suppressed to 1.0 nm or less in full width at half maximum.

【０１６４】更に、強誘電体結晶基板としてＭｇＯ：Ｌ
Ｎ結晶基板を用いる場合には、耐光損傷性が高い光導波
路型波長変換素子を作製することができて、高出力で且
つ高変換効率を有する波長変換素子を作製することが可
能になる。Further, as a ferroelectric crystal substrate, MgO: L
When an N crystal substrate is used, an optical waveguide type wavelength conversion element having high light damage resistance can be manufactured, and a wavelength conversion element having high output and high conversion efficiency can be manufactured.

【０１６５】[0165]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、電界印
加による分極反転構造の形成方法において、強誘電体結
晶基板の対向する２つの主面に対をなす電極（電極対）
を形成し、これらの電極対を介して電界印加を行うこと
により、分極反転構造のための高電圧の電界印加による
結晶破壊を、緩和することができる。これにより、高電
圧の電界を印加する際に、結晶破壊を防止しながら厚い
分極反転構造を形成することが可能になる。また、結晶
表面に存在する不純物などに起因する放電も、防止され
る。これらにより、本発明によれば、電界印加時に生じ
る強誘電体結晶基板の絶縁破壊を大幅に低減することが
できて、分極反転構造の形成の歩留まりが、従来に比べ
て一桁以上向上される。As described above, according to the present invention, in a method of forming a domain-inverted structure by applying an electric field, electrodes (electrode pairs) forming pairs on two opposing main surfaces of a ferroelectric crystal substrate.
Is formed, and an electric field is applied through these electrode pairs, whereby crystal breakage due to application of a high-voltage electric field for the domain-inverted structure can be reduced. This makes it possible to form a thick domain-inverted structure while preventing crystal breakage when a high-voltage electric field is applied. In addition, discharge due to impurities or the like existing on the crystal surface is also prevented. As a result, according to the present invention, the dielectric breakdown of the ferroelectric crystal substrate that occurs when an electric field is applied can be significantly reduced, and the yield of forming the domain-inverted structure is improved by one digit or more compared to the related art. .

【０１６６】また、強誘電体結晶基板の対向する２つの
主面に対をなす電極（電極対）を形成することにより、
配置する電極列の間隔を小さな値に設定することが可能
になる。具体的には、この電極列間の間隔を５０μｍ〜
４００μｍの間で選択することで、周期状の分極反転構
造の集積度を向上することができる。これにより、例え
ばウエハ状の結晶基板から光導波路型波長変換素子を作
製する場合に、同一結晶基板から作製可能な素子の数
を、従来の４倍以上にすることができる。By forming a pair of electrodes (electrode pairs) on two opposing main surfaces of the ferroelectric crystal substrate,
It is possible to set the interval between the arranged electrode rows to a small value. Specifically, the interval between the electrode rows is set to 50 μm to
By selecting between 400 μm, the degree of integration of the periodic domain-inverted structure can be improved. Thus, for example, when fabricating an optical waveguide type wavelength conversion device from a wafer-like crystal substrate, the number of devices that can be fabricated from the same crystal substrate can be four times or more as compared with the conventional case.

【０１６７】また、本発明の分極反転構造の形成方法に
よれば、結晶基板の対向する主面に電極対（正負電極）
を形成するため、構造的に電極パターニングの不良によ
る正負電極の接触がない。このため、例えば、ウエハ全
面に一度に電界印加を行って、分極反転構造を広範囲に
渡って同時に形成することが可能である。これにより、
１プロセスで広範囲に渡って同時に分極反転構造の形成
を行うことにより、分極反転構造の形成のスループット
を大幅に向上することができる。According to the method for forming a domain-inverted structure of the present invention, an electrode pair (positive / negative electrode) is formed on the opposite main surface of the crystal substrate.
Is formed, there is no structural contact between the positive and negative electrodes due to poor electrode patterning. Therefore, for example, it is possible to simultaneously form a domain-inverted structure over a wide area by applying an electric field all over the wafer at one time. This allows
By simultaneously forming a domain-inverted structure over a wide range in one process, the throughput of the domain-inverted structure can be greatly improved.

【０１６８】或いは、本発明によれば、強誘電体結晶基
板の同一主面上に形成された電極対を介して電界印加を
行って分極反転構造を形成する場合に、印加パルス電界
波形の制御が可能になり、更に、多重パルス電界印加を
行うことにより、高アスペクト比を有して且つ厚い周期
状の分極反転構造を形成することが可能になる。上記に
おいて、印加パルス電界波形の制御により、結晶基板内
に生じる電界分布をコントロールすることが可能にな
る。特に、短パルス電界印加を行うことで、形成される
分極反転部の周期方向への広がりを抑えるという効果が
ある。また、多重パルス電界印加を行うことにより、形
成される分極反転部の厚さを増すことが可能になる。更
に、短パルス電界の印加による他の効果として、形成さ
れる分極反転構造の均一性が向上される。Alternatively, according to the present invention, when the electric field is applied through the electrode pair formed on the same main surface of the ferroelectric crystal substrate to form the domain-inverted structure, the applied pulse electric field waveform is controlled. Further, by applying a multi-pulse electric field, it is possible to form a thick periodic domain-inverted structure having a high aspect ratio. In the above, by controlling the applied pulse electric field waveform, the electric field distribution generated in the crystal substrate can be controlled. In particular, by applying a short-pulse electric field, there is an effect of suppressing the spread of the domain-inverted portions to be formed in the periodic direction. Further, by applying a multi-pulse electric field, the thickness of the domain-inverted portion to be formed can be increased. Further, as another effect of the application of the short pulse electric field, the uniformity of the domain-inverted structure formed is improved.

【０１６９】また、本発明の分極反転構造の形成方法に
よれば、通常の結晶に比べて機械的強度が弱い液相成長
結晶膜にも、分極反転構造を形成することが可能にな
る。これにより、安価な基板の表面に数μｍ〜数１０μ
ｍの厚さで所望の強誘電体結晶膜を形成することが可能
になり、例えば、上記のような液相成長結晶膜を用いて
光導波路型波長変換素子を作製する場合に、低コスト化
を図ることができる。Further, according to the method for forming a domain-inverted structure of the present invention, it is possible to form a domain-inverted structure even in a liquid-phase-grown crystal film having a lower mechanical strength than ordinary crystals. As a result, the surface of the inexpensive substrate is several μm to several tens μm.
It is possible to form a desired ferroelectric crystal film with a thickness of m. For example, when an optical waveguide type wavelength conversion element is manufactured using the liquid phase growth crystal film as described above, cost reduction is achieved. Can be achieved.

【０１７０】更に、本発明によれば、結晶基板主面とほ
ぼ垂直な方向に単一分極化された強誘電体結晶基板に分
極反転構造を形成する形成方法において、−Ｃ軸側の主
面に形成される電極を＋Ｃ軸側の主面に形成される電極
の投影位置と重ならないように配置することにより、分
極反転構造の成長に起因する電極間の導通状態を回避す
ることが可能になる。これにより、多重パルス電界印加
時に、電極指に沿って分極反転構造の形成領域を拡大す
ることができる。Further, according to the present invention, in a method for forming a domain-inverted structure on a ferroelectric crystal substrate which is monopolarized in a direction substantially perpendicular to the main surface of the crystal substrate, the main surface on the -C-axis side is provided. The electrodes formed on the main surface on the + C axis side are arranged so as not to overlap with the projected positions of the electrodes formed on the main surface on the + C axis side, thereby making it possible to avoid a conduction state between the electrodes due to the growth of the domain-inverted structure. Become. Thus, when a multi-pulse electric field is applied, the region where the domain-inverted structure is formed can be enlarged along the electrode fingers.

【０１７１】また、本発明に示した分極反転構造の形成
方法を用いて光導波路型波長変換素子を作製することに
より、高アスペクト比を有し且つ厚い周期状の分極反転
構造の形成が可能になる。この結果、従来に比べて、非
常に高い規格化変換効率を得ることができる。これによ
り、例えば小型の波長変換型短波長光源として、出力１
００ｍＷの赤外半導体レーザ光を基本波として、約２０
ｍＷの高調波出力光を得ることが可能になる。Further, by manufacturing an optical waveguide type wavelength conversion element by using the method for forming a domain-inverted structure shown in the present invention, it is possible to form a thick periodic domain-inverted structure having a high aspect ratio. Become. As a result, an extremely high standardized conversion efficiency can be obtained as compared with the related art. Thus, for example, as a small wavelength conversion type short wavelength light source, the output 1
With an infrared semiconductor laser beam of 00 mW as a fundamental wave, about 20
It is possible to obtain mW harmonic output light.

【０１７２】また、本発明に示した分極反転構造の形成
方法を用いてバルク型波長変換素子を作製することによ
り、分極反転周期３μｍ、分極反転幅１．５μｍ、断面
積１００μｍ×５００μｍ以上の面状の均一な周期状の
分極反転構造の形成が可能になる。これにより、高変換
効率を有し且つ高出力のバルク型波長変換素子を得るこ
とが可能になる。Further, by fabricating a bulk type wavelength conversion element by using the method of forming a domain-inverted structure described in the present invention, a domain having a domain-inverted period of 3 μm, domain-inverted width of 1.5 μm, and a cross-sectional area of 100 μm × 500 μm or more can be obtained. It is possible to form a uniform, periodically poled structure. This makes it possible to obtain a bulk-type wavelength conversion element having high conversion efficiency and high output.

【０１７３】また、本発明の分極反転構造の形成方法
は、強誘電体結晶基板としてＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3
結晶基板を用いる場合にも適用可能であり、この場合に
は、耐光損傷性が高い光導波路型波長変換素子及びバル
ク型波長変換素子の作製が可能である。Further, the method for forming a domain-inverted structure according to the present invention is characterized in that the ferroelectric crystal substrate is made of MgO-doped LiNbO 3
The present invention is also applicable to the case where a crystal substrate is used. In this case, an optical waveguide type wavelength conversion element and a bulk type wavelength conversion element having high light damage resistance can be manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施形態における、
オフカット強誘電体結晶基板に分極反転構造を形成する
ための電界印加系の構成を模式的に示す斜視図であり、
（ｂ）は、（ａ）を−Ｙ面から見た場合の断面図であ
る。FIG. 1 (a) is a view showing a first embodiment of the present invention;
It is a perspective view schematically showing the configuration of an electric field application system for forming a domain-inverted structure on the off-cut ferroelectric crystal substrate,
(B) is a sectional view when (a) is viewed from the -Y plane.

【図２】本発明の第１の実施形態において、強誘電体結
晶基板の分極方向と垂直な方向に配置された電極を用い
て電界印加を行う際に形成される電界の様子を模式的に
示す図である。FIG. 2 schematically shows a state of an electric field formed when an electric field is applied using electrodes arranged in a direction perpendicular to a polarization direction of a ferroelectric crystal substrate in the first embodiment of the present invention. FIG.

【図３】（ａ）は、従来の分極反転構造の形成方法の場
合における電界印加系の構成の一例を模式的に示す図で
あり、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に従った分極
反転構造の形成方法の場合における電界印加系の構成を
模式的に示す図である。FIG. 3A is a diagram schematically illustrating an example of a configuration of an electric field application system in the case of a conventional method of forming a domain-inverted structure, and FIG. 3B is a diagram illustrating a first embodiment of the present invention. It is a figure which shows typically the structure of the electric field application system in the case of the formation method of the polarization reversal structure according to it.

【図４】本発明の第２の実施形態において、Ｘカット強
誘電体結晶基板に、同一主面内の分極方向に配置されて
いる電極対を用いて分極反転構造を形成するための電界
印加系の構成を模式的に示す図である。FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention, in which an electric field is applied to an X-cut ferroelectric crystal substrate to form a domain-inverted structure using electrode pairs arranged in the same main surface in the polarization direction. It is a figure which shows the structure of a system typically.

【図５】本発明の第２の実施形態の方法に関連して、形
成される分極反転構造のアスペクト比及び基板厚さ方向
への分極反転部の厚さと印加パルス電界のパルス幅との
関係を示す図である。FIG. 5 relates to the method of the second embodiment of the present invention, and relates to the aspect ratio of the domain-inverted structure to be formed, the thickness of the domain-inverted portion in the thickness direction of the substrate, and the pulse width of the applied pulse electric field. FIG.

【図６】本発明の第２の実施形態の方法に関連して、多
重パルス電界印加の印加回数と分極反転部の厚さとの関
係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the number of times of application of a multi-pulse electric field and the thickness of a domain-inverted portion in relation to the method of the second embodiment of the present invention.

【図７】本発明の第２の実施形態において、Ｘカット強
誘電体結晶基板に２次元電界印加法を用いて分極反転構
造を形成するための電界印加系の構成を模式的に示す図
である。FIG. 7 is a diagram schematically showing a configuration of an electric field application system for forming a domain-inverted structure on an X-cut ferroelectric crystal substrate using a two-dimensional electric field application method in a second embodiment of the present invention. is there.

【図８】（ａ）は、本発明の第３の実施形態に関連し
て、従来技術による分極反転構造の形成のための電界印
加系の構成の一例を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）
は、（ａ）を−Ｙ面から見た場合の断面図である。FIG. 8A is a perspective view schematically showing an example of the configuration of an electric field application system for forming a domain-inverted structure according to the related art in relation to the third embodiment of the present invention; (B)
FIG. 3A is a cross-sectional view when (a) is viewed from the −Y plane.

【図９】（ａ）は、本発明の第３の実施形態における分
極反転構造の形成のための電界印加系の構成を模式的に
示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）を−Ｙ面から見た
場合の断面図である。FIG. 9A is a perspective view schematically showing a configuration of an electric field application system for forming a domain-inverted structure according to a third embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view when viewed from a −Y plane.

【図１０】本発明の第４の実施形態に従って形成される
光導波路型波長変換素子の構成を模式的に示す図であ
る。FIG. 10 is a diagram schematically illustrating a configuration of an optical waveguide type wavelength conversion element formed according to a fourth embodiment of the present invention.

【図１１】本発明の第４の実施形態において、図１０の
光導波路型波長変換素子を用いて構成される高調波発生
光源の構成の一例を模式的に示す図である。11 is a diagram schematically illustrating an example of a configuration of a harmonic generation light source configured using the optical waveguide type wavelength conversion element of FIG. 10 in the fourth embodiment of the present invention.

【図１２】本発明の第４の実施形態に従って形成される
バルク型波長変換素子の構成を模式的に示す図である。FIG. 12 is a diagram schematically showing a configuration of a bulk wavelength conversion element formed according to a fourth embodiment of the present invention.

【図１３】本発明の第４の実施形態において、図１２の
バルク型波長変換素子を用いて構成される高調波発生光
源の構成の一例を模式的に示す図である。FIG. 13 is a diagram schematically illustrating an example of a configuration of a harmonic generation light source configured using the bulk wavelength conversion device of FIG. 12 in the fourth embodiment of the present invention.

【図１４】本発明の第２の実施形態において、電気的に
独立したストライプ状の導電性膜を有する電極構造を用
いて分極反転構造を形成するための電界印加系の構成を
模式的に示す図である。FIG. 14 schematically shows a configuration of an electric field application system for forming a domain-inverted structure using an electrode structure having an electrically independent stripe-shaped conductive film in a second embodiment of the present invention. FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１、７、１３、１９、２５、３１、３６、５９ Ｍｇ
Ｏ：ＬＮ結晶基板 ３、８、９、１５、１７、２８、３２ｂ、３７ｂ、６１
電極 ４、２１、２７、３３、３８、６３ 絶縁膜 ５、１０、１８、２２、２９、３４、３９、６４ 電源 ６、２３、３０、３５、４０、６５ 分極反転構造 １１ 電界 １２、２４ 分極方向 ２０、２６、３２ 電極対 ２、１４、１６、２０ａ、２６ａ、３２ａ、３７ａ、６
０ 櫛形電極 ２０ｂ、２６ｂ ストライプ電極 ４１、４４ 光導波路型波長変換素子 ４２、４５、５２、５４ 周期状の分極反転構造 ４３、４６ 光導波路 ４７、５５ レーザ光源 ４８、５６ レーザ光 ４９、５７ 高調波 ５０、５８ カップリングレンズ ５１、５３ バルク型波長変換素子 ６２ 導電性膜 ４１０、５１０ 強誘電体結晶基板 ４１１、４１２、５１１、５１２ 強誘電体結晶基板の
端面 Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 電極間の間隔 Ａ 櫛形電極３７ａと電極３７ｂとの間の配置ずれの大
きさ1, 7, 13, 19, 25, 31, 36, 59 Mg
O: LN crystal substrate 3, 8, 9, 15, 17, 28, 32b, 37b, 61
Electrodes 4, 21, 27, 33, 38, 63 Insulating film 5, 10, 18, 22, 29, 34, 39, 64 Power supply 6, 23, 30, 35, 40, 65 Polarization inversion structure 11 Electric field 12, 24 Polarization Direction 20, 26, 32 Electrode pair 2, 14, 16, 20a, 26a, 32a, 37a, 6
0 Comb-shaped electrode 20b, 26b Stripe electrode 41, 44 Optical waveguide type wavelength conversion element 42, 45, 52, 54 Periodic polarization inversion structure 43, 46 Optical waveguide 47, 55 Laser light source 48, 56 Laser light 49, 57 Harmonic wave 50, 58 Coupling lens 51, 53 Bulk type wavelength conversion element 62 Conductive film 410, 510 Ferroelectric crystal substrate 411, 412, 511, 512 End face of ferroelectric crystal substrate L1, L2, L3 Distance between electrodes A Size of misalignment between comb-shaped electrode 37a and electrode 37b

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 和久 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 2K002 AB12 CA03 FA27 HA20  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Kazuhisa Yamamoto 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. F-term (reference) 2K002 AB12 CA03 FA27 HA20

Claims (26)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 対向する第１及び第２の主面を有し且つ
該第１及び第２の主面にほぼ平行な方向に単一分極化さ
れた強誘電体結晶基板の、該第１の主面に第１の電極を
形成する、第１電極形成工程と、 該強誘電体結晶基板の該第２の主面に第２の電極を形成
する、第２電極形成工程と、 該第１及び第２の電極に接続された電界印加手段を用い
て、該第１及び第２の電極を介して該強誘電体結晶基板
にパルス電界を２回以上にわたって印加して、該強誘電
体結晶基板の内部に分極反転構造を形成する分極反転形
成工程と、を含む、分極反転構造の形成方法。A first ferroelectric crystal substrate having opposing first and second main surfaces and unipolarly polarized in a direction substantially parallel to the first and second main surfaces; A first electrode forming step of forming a first electrode on the main surface of the ferroelectric crystal substrate; a second electrode forming step of forming a second electrode on the second main surface of the ferroelectric crystal substrate; A pulse electric field is applied to the ferroelectric crystal substrate two or more times through the first and second electrodes using an electric field applying means connected to the first and second electrodes, and the ferroelectric substance is applied. A method of forming a domain-inverted structure, comprising: a domain-inverted formation step of forming a domain-inverted structure inside a crystal substrate. 【請求項２】 前記第２の電極の面積が、少なくとも前
記第１の電極の面積よりも大きく、 該第２の電極の少なくとも一部が、該第１の電極を前記
第２の主面へ前記強誘電体結晶基板の厚さ方向に投影し
たときの投影領域よりも該強誘電体結晶基板の−Ｃ軸側
に位置している、請求項１に記載の分極反転構造の形成
方法。2. An area of the second electrode is at least larger than an area of the first electrode, and at least a part of the second electrode moves the first electrode to the second main surface. The method for forming a domain-inverted structure according to claim 1, wherein the domain-inverted structure is located on a −C axis side of the ferroelectric crystal substrate with respect to a projection area when the ferroelectric crystal substrate is projected in a thickness direction. 【請求項３】 対向する第１及び第２の主面を有し且つ
該第１及び第２の主面にほぼ垂直な方向に単一分極化さ
れた強誘電体結晶基板の、＋Ｃ軸側に位置する該第１の
主面に第１の電極を形成する、第１電極形成工程と、 該強誘電体結晶基板の−Ｃ軸側に位置する該第２の主面
に第２の電極を形成する、第２電極形成工程と、 該第１及び第２の電極に接続された電界印加手段を用い
て、該第１及び第２の電極を介して該強誘電体結晶基板
にパルス電界を２回以上にわたって印加して、該強誘電
体結晶基板の内部に分極反転構造を形成する、分極反転
形成工程と、を含み、 該第２の電極の面積が、少なくとも該第１の電極の面積
よりも大きく、 該第２の電極が、該第２の主面において、該第１の電極
を該第２の主面へ該分極方向に投影したときの投影領域
を含まないように配置されている、分極反転構造の形成
方法。3. A + C-axis side of a ferroelectric crystal substrate having first and second main surfaces facing each other and monopolarized in a direction substantially perpendicular to the first and second main surfaces. Forming a first electrode on the first main surface located on the first main surface; and forming a second electrode on the second main surface on the −C-axis side of the ferroelectric crystal substrate. Forming a second electrode, and applying a pulsed electric field to the ferroelectric crystal substrate via the first and second electrodes by using an electric field applying means connected to the first and second electrodes. Is applied two or more times to form a domain-inverted structure inside the ferroelectric crystal substrate, wherein the area of the second electrode is at least the area of the first electrode. Larger than the area, the second electrode projects the first electrode onto the second main surface in the polarization direction on the second main surface. It is arranged so as not to include the projection area of the method for forming a domain-inverted structure. 【請求項４】 前記第２電極形成工程が、前記第２の電
極と前記強誘電体結晶基板との間に中間絶縁膜を形成す
る工程を含み、 前記分極反転形成工程では、前記第１及び第２の電極と
更に該中間絶縁膜を介して、該強誘電体結晶基板に前記
パルス電界を印加する、請求項１から３の何れか一つに
記載の分極反転構造の形成方法。4. The step of forming the second electrode includes the step of forming an intermediate insulating film between the second electrode and the ferroelectric crystal substrate. 4. The method according to claim 1, wherein the pulse electric field is applied to the ferroelectric crystal substrate via a second electrode and the intermediate insulating film. 【請求項５】 前記第１の電極が、２つ以上のお互いに
ほぼ平行な電極列から構成されており、該ほぼ平行な電
極列の間の間隔が２００μｍより大きい、請求項１から
４の何れか一つに記載の分極反転構造の形成方法。5. The method according to claim 1, wherein the first electrode comprises two or more substantially parallel electrode rows, and a distance between the substantially parallel electrode rows is greater than 200 μm. A method for forming a domain-inverted structure according to any one of the above. 【請求項６】 前記第１の主面の上に、前記第１の電極
とほぼ平行に配置されているが該第１の電極から電気的
に絶縁されているストライプ状の導電性膜を形成する工
程を更に含む、請求項１から５の何れか一つに記載の分
極反転構造の形成方法。6. A stripe-shaped conductive film that is disposed substantially parallel to the first electrode but is electrically insulated from the first electrode is formed on the first main surface. The method for forming a domain-inverted structure according to any one of claims 1 to 5, further comprising the step of: 【請求項７】 前記第１の電極が、２つ以上のお互いに
ほぼ平行な電極列から構成されており、前記ストライプ
状の導電性膜は、その一部が該第１の電極を構成する各
電極列の間に位置するように配置されている、請求項６
に記載の分極反転構造の形成方法。7. The first electrode is composed of two or more electrode rows that are substantially parallel to each other, and a part of the stripe-shaped conductive film constitutes the first electrode. 7. The electrode according to claim 6, wherein the electrodes are arranged between the electrode rows.
3. The method for forming a domain-inverted structure according to item 1. 【請求項８】 前記第１の電極と前記ストライプ状の導
電性膜との間隔が、２００μｍより大きい、請求項６或
いは７に記載の分極反転構造の形成方法。8. The method for forming a domain-inverted structure according to claim 6, wherein a distance between the first electrode and the stripe-shaped conductive film is larger than 200 μm. 【請求項９】 前記第１の電極を含む前記強誘電体結晶
基板の表面を少なくとも覆うように、第１の絶縁膜を形
成する工程を更に含み、 前記分極反転形成工程では、前記第１及び第２の電極と
更に該第１の絶縁膜を介して、該強誘電体結晶基板に前
記パルス電界を印加する、請求項１から８の何れか一つ
に記載の分極反転構造の形成方法。9. The method according to claim 9, further comprising: forming a first insulating film so as to cover at least a surface of the ferroelectric crystal substrate including the first electrode. The method for forming a domain-inverted structure according to any one of claims 1 to 8, wherein the pulse electric field is applied to the ferroelectric crystal substrate via a second electrode and the first insulating film. 【請求項１０】 前記第１の電極が、少なくとも一部に
尖塔部が設けられた形状を有しており、 前記分極反転形成工程では、該尖塔部より前記分極反転
構造が形成される、請求項１から９の何れか一つに記載
の分極反転構造の形成方法。10. The first electrode has a shape in which a spire portion is provided at least partially, and in the polarization inversion forming step, the domain inversion structure is formed from the spire portion. Item 10. The method for forming a domain-inverted structure according to any one of Items 1 to 9. 【請求項１１】 前記分極反転構造が、周期状形状を有
しており、 前記第１の電極が、形成される該分極反転構造の該周期
状形状に対応する周期状パターンを有する電極である、
請求項１から１０の何れか一つに記載の分極反転構造の
形成方法。11. The domain-inverted structure has a periodic shape, and the first electrode is an electrode having a periodic pattern corresponding to the periodic shape of the domain-inverted structure to be formed. ,
A method for forming a domain-inverted structure according to claim 1. 【請求項１２】 前記周期状パターンを有する電極が櫛
形電極である、請求項１１に記載の分極反転構造の形成
方法。12. The method according to claim 11, wherein the electrode having the periodic pattern is a comb-shaped electrode. 【請求項１３】 前記周期状パターンを有する電極の前
記周期状パターンの長手方向の長さＬが、４０μｍ≦Ｌ
≦５００μｍである、請求項１１或いは１２に記載の分
極反転構造の形成方法。13. The length L of the electrode having the periodic pattern in the longitudinal direction of the periodic pattern is 40 μm ≦ L.
The method for forming a domain-inverted structure according to claim 11, wherein ≦ 500 μm. 【請求項１４】 前記第１の電極及び前記第２の電極
が、その抵抗率が１．０×１０-7Ωｍ以下の材料から形
成されている、請求項１から１３の何れか一つに記載の
分極反転構造の形成方法。14. The method according to claim 1, wherein the first electrode and the second electrode are formed of a material having a resistivity of 1.0 × 10 −7 Ωm or less. A method for forming the domain-inverted structure according to the above. 【請求項１５】 前記ストライプ状の導電性膜が、その
抵抗率が１．０×１０-7Ωｍ以下の材料から形成されて
いる、請求項６から８の何れか一つに記載の分極反転構
造の形成方法。15. The polarization inversion according to claim 6, wherein the stripe-shaped conductive film is formed of a material having a resistivity of 1.0 × 10 −7 Ωm or less. The method of forming the structure. 【請求項１６】 前記第１の電極及び前記第２の電極の
各々の抵抗値が、測定位置に依存せずに２００Ω以下で
ある、請求項１から１３の何れか一つに記載の分極反転
構造の形成方法。16. The polarization inversion according to claim 1, wherein a resistance value of each of the first electrode and the second electrode is 200Ω or less regardless of a measurement position. The method of forming the structure. 【請求項１７】 前記ストライプ状の導電性膜の抵抗値
が、測定位置に依存せずに２００Ω以下である、請求項
６から８の何れか一つに記載の分極反転構造の形成方
法。17. The method for forming a domain-inverted structure according to claim 6, wherein the resistance value of the stripe-shaped conductive film is 200 Ω or less regardless of a measurement position. 【請求項１８】 前記分極反転形成工程において、前記
パルス電界のパルス幅が２０ｍｓ以下である、請求項１
から１７の何れか一つに記載の分極反転構造の形成方
法。18. The method according to claim 1, wherein in the polarization inversion forming step, a pulse width of the pulse electric field is 20 ms or less.
18. The method for forming a domain-inverted structure according to any one of items 17 to 17. 【請求項１９】 前記分極反転形成工程において、前記
パルス電界の立ち上がり速度が５ｋＶ／ｍｓ以上であ
る、請求項１から１８の何れか一つに記載の分極反転構
造の形成方法。19. The method of forming a domain-inverted structure according to claim 1, wherein in the domain-inverted forming step, a rising speed of the pulse electric field is 5 kV / ms or more. 【請求項２０】 前記分極反転形成工程において、前記
パルス電界の繰り返し印加間隔が３０ｍｓ以上である、
請求項１から１９の何れか一つに記載の分極反転構造の
形成方法。20. In the polarization inversion forming step, a repetitive application interval of the pulse electric field is 30 ms or more.
A method for forming a domain-inverted structure according to claim 1. 【請求項２１】 前記強誘電体結晶基板が、ＬｉＮｂＯ
3結晶基板、或いは、ＭｇＯ、Ｚｎ、Ｓｃの何れかをド
ープしたＬｉＮｂＯ3結晶基板である、請求項１から２
０の何れか一つに記載の分極反転構造の形成方法。21. The ferroelectric crystal substrate is made of LiNbO.
3. A three- crystal substrate or a LiNbO 3 crystal substrate doped with any of MgO, Zn, and Sc.
0. The method for forming a domain-inverted structure according to any one of items 0 to 0. 【請求項２２】 前記強誘電体結晶基板が、液相成長に
より形成された強誘電体結晶膜を含む、請求項１から２
０の何れか一つに記載の分極反転構造の形成方法。22. The ferroelectric crystal substrate according to claim 1, wherein the ferroelectric crystal substrate includes a ferroelectric crystal film formed by liquid phase growth.
0. The method for forming a domain-inverted structure according to any one of items 0 to 0. 【請求項２３】 強誘電体結晶基板の中に形成された周
期状の分極反転構造を有する波長変換素子の製造方法で
あって、 該分極反転構造を、請求項１から２２の何れか一つに記
載の分極反転構造の形成方法によって形成する工程を含
む、波長変換素子の製造方法。23. A method of manufacturing a wavelength conversion element having a periodic domain-inverted structure formed in a ferroelectric crystal substrate, wherein the domain-inverted structure is any one of claims 1 to 22. 9. A method for manufacturing a wavelength conversion element, comprising a step of forming the domain-inverted structure according to the above. 【請求項２４】 強誘電体結晶基板の中に、周期状の分
極反転構造を形成する工程と、 該強誘電体結晶基板の中に、該周期状の分極反転構造を
ほぼ垂直に横切る方向に、光導波路を形成する工程と、
を少なくとも含む波長変換素子の製造方法であって、 該分極反転構造を、請求項１から２２の何れか一つに記
載の分極反転構造の形成方法によって形成する、波長変
換素子の製造方法。24. A step of forming a periodic domain-inverted structure in a ferroelectric crystal substrate; and forming a periodic domain-inverted structure in the ferroelectric crystal substrate in a direction substantially perpendicular to the periodic domain-inverted structure. Forming an optical waveguide,
A method for manufacturing a wavelength conversion element, comprising at least: a method for forming the domain-inverted structure by the method for forming a domain-inverted structure according to any one of claims 1 to 22. 【請求項２５】 前記分極反転構造は、前記強誘電体結
晶基板の上に該分極反転構造に対応するパターンを有す
るように形成された電極を用いて形成され、前記光導波
路は、該電極が形成された領域以外の部分に形成され
る、請求項２４に記載の波長変換素子の製造方法。25. The polarization-inverted structure is formed using an electrode formed on the ferroelectric crystal substrate so as to have a pattern corresponding to the polarization-inverted structure. The method for manufacturing a wavelength conversion element according to claim 24, wherein the method is formed in a portion other than the formed region. 【請求項２６】 前記光導波路と、前記分極反転構造に
対応するパターンを有する電極の電極指の先端との間の
距離が、１０μｍ以下である、請求項２５に記載の波長
変換素子の製造方法。26. The method according to claim 25, wherein a distance between the optical waveguide and a tip of an electrode finger of an electrode having a pattern corresponding to the domain-inverted structure is 10 μm or less. .
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