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 sameInfo
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Abstract
Description
【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.
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)
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20061107 |