JP2002099009A - 分極反転領域の製造方法ならびにそれを利用した光波長変換素子 - Google Patents
分極反転領域の製造方法ならびにそれを利用した光波長変換素子Info
- Publication number
- JP2002099009A JP2002099009A JP2001226562A JP2001226562A JP2002099009A JP 2002099009 A JP2002099009 A JP 2002099009A JP 2001226562 A JP2001226562 A JP 2001226562A JP 2001226562 A JP2001226562 A JP 2001226562A JP 2002099009 A JP2002099009 A JP 2002099009A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- substrate
- domain
- inverted
- electrode
- voltage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
るために、短周期で且つ深い分極反転領域を、基板の大
面積に渡って均一に形成する。 【解決手段】 基板1の表面に櫛形電極2を、裏面には
平面電極3を形成する。そして、直流電源4とパルス電
源5とを用いて電極にパルス電圧が重畳した直流電圧を
印可して、基板にパルス電界が重畳した直流電界を印可
する。これにより、小さいパルス電界の印可で周期状の
分極反転領域が形成できる。印可電界の基板面における
均一性が高いので、均一な周期構造を有する分極反転領
域が形成される。あるいは、櫛形電極を絶縁膜で覆った
上で、パルス電源を用いて電極にパルス電圧を印可し
て、基板にパルス電界を印可する。これにより、結晶表
面の自由電荷の移動が抑制されて分極反転の横方向への
拡大が抑えられ、均一且つ短周期の分極反転構造が形成
される。
Description
る分極反転領域の製造方法、ならびにそれによって製造
された分極反転領域を有していて、光情報処理や光応用
計測制御分野に使用されるコヒーレント光源を応用した
光波長変換素子に関する。
極反転現象を利用すると、強誘電体の内部に周期的な分
極反転領域(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た分極反転領域は、表面弾性波
を利用した光周波数変調器や、非線形分極の分極反転を
利用した光波長変換素子などに利用される。特に、非線
形光学物質の非線形分極を周期的に反転することが可能
になれば、非常に変換効率の高い光波長変換素子を作製
することができる。これを用いて半導体レーザなどの光
を変換すれば、印刷、光情報処理、光応用計測制御分野
などに応用できる小型の短波長光源を実現することがで
きる。
法としては、Ti熱拡散による方法、SiO2を装荷し
た後に熱処理する方法、プロトン交換処理と熱処理とを
行う方法等が報告されている。一方、強誘電体の自発分
極が電界により反転することを利用して周期状の分極反
転領域を形成する方法も、報告されている。この電界を
利用する方法としては、例えば、C軸に沿って切り出さ
れた基板の−C面に電子ビームを照射する方法や、+C
面に正イオンを照射する方法がある。いずれの場合で
も、照射された荷電粒子により形成される電界により、
数100μmの深い分極反転領域が形成される。
としては、LiNbO3基板やLiTaO3基板に櫛形
電極を形成して、これにパルス状の電界を印加する方法
が報告されている(特開平3−121428号公報、特
開平4−19719号公報)。
の製造方法を説明する。
を利用した従来の光波長変換素子50を製造するには、
まず、LiNbO3基板55の+c面55aに周期状の
櫛形電極51を形成し、−C面55bに平面電極52を
形成する。次に、+C面55aを接地し、−C面55b
にパルス電源56によってパルス幅が典型的には100
μsのパルス電圧を印加して、基板55にパルス電界を
印加する。分極を反転させるために必要な電界は、約2
0kV/mm以上である。そのような値の電界を印加す
る際に、基板55が厚いと電界印加によって基板55の
結晶が破壊される可能性がある。しかし、基板55の厚
みを200μm程度にすることで、電界印加による結晶
破壊を回避することが可能になり、室温での分極反転領
域の形成が可能になる。
実現するには、周期が3〜4μmである短周期の分極反
転構造が必要になる。電界印加によって分極反転領域を
形成すると、電極の直下の部分の分極が反転した後に、
基板55の表面に平行な方向に分極反転領域が広がる。
このため、分極反転構造の短周期化が困難になる。この
問題を解決するために、従来の方法では、パルス幅が1
00μs程度である短時間パルス電圧を電極に印加する
ことによって電圧印加時間を短縮して、短周期の分極反
転構造を形成している。
薄くすることにより室温での電界印加による分極反転領
域の形成を可能にし、電界印加時間を短縮することによ
り分極反転構造の短周期化を実現している。
利用した光波長変換素子の製造方法は、例えば、M.Yama
da, N.Nada, M.Saitoh, and K.Watanabe :"First-order
quasi-phase matched LiNbO3 waveguide periodicall
y poled by applying an external field for efficien
t blue second-harmonic generation", Appl. Phys.Let
t., 62, pp435-436 (Feb. 1993)に開示されている。こ
の開示された方法では、周期状の分極反転領域を形成し
た後に、これに直交するように光導波路を形成し、光波
長変換素子を製造する。製造された光波長変換素子で
は、相互作用長3mmで入射する基本光のパワーが19
6mWである場合に、出力として20.7mWの第2高
調波が得られる。
組み合わせた分極反転領域の製造方法は、例えば、特開
平4−264534号公報に開示されている。この方法
によれば、基板の表面全体にプロトン交換処理を施して
プロトン交換層を形成した後に、プロトン交換層の表面
に櫛形電極を形成し、基板の裏面には平面電極を形成す
る。これらの電極間に電圧を印加することにより、分極
反転領域を形成する。プロトン交換処理を施すことによ
って分極反転領域の形成が容易になり、均一性の高い周
期的な分極反転構造を形成することができる。
極反転領域の製造方法では、高電圧(数kV)かつパル
ス幅の短い(100μs以下)パルス電圧を印加する必
要がある。この様な高電圧の短パルス電圧は形成が難し
く、印加時の再現性、信頼性及び均一性を十分確保する
のが難しい。
加すると、基板平面内で電界分布の不均一性が生じる。
これによって、形成される分極反転構造の面内での均一
性が劣化するという問題があった。また、均一な分極反
転構造を広い範囲にわたって形成することが困難である
ことから、大型基板を利用して分極反転構造を量産化す
ることができないという問題がある。
基板割れが生じることがあり、素子作製の歩留まりが低
下する。また、先に述べたように、高電圧パルスを印加
しても基板の結晶破壊を生じさせないようにするために
は、薄膜基板しか利用できない。このため、基板の取扱
いが難しく作業性が高くない。
ためには短周期の分極反転領域が必要であるが、従来の
電界印加を利用した分極反転領域の製造方法では、櫛形
電極を構成するストライプ状の電極枝を中心に分極反転
領域が広がり、隣り合う分極反転領域同志がつながるこ
とで、短周期の分極反転領域の形成が困難になる。
れたものであり、その目的は、電界印加によって分極反
転領域を形成するにあたって小さいパルス電界強度で分
極反転領域の形成を可能にする分極反転領域の製造方
法、ならびにそれを利用した光波長変換素子を提供する
ことにある。
ば、分極反転領域の製造方法が、強誘電体結晶基板の分
極方向にお互いに離れた第1及び第2の電極を形成する
工程と、該第1及び第2の電極間に直流電圧を印加する
工程と、該直流電圧にパルス電圧を重畳して、該直流電
圧と該パルス電圧との合計電圧を該第1及び第2の電極
に印加して、該強誘電体結晶基板の内部の所定の領域の
分極を反転させる工程と、を包含しており、そのことに
より上記目的が達成される。
は分極反転を生じさせる電圧レベルよりも小さく、前記
合計電圧のレベルは分極反転を生じさせる該電圧レベル
に実質的に等しいかあるいはそれよりも大きい。
極の少なくとも一方が櫛形電極である。好ましくは、前
記櫛形電極は、前記強誘電体結晶基板の+C面に設けら
れている。
晶基板の前記分極方向は基板表面に垂直である。好まし
くは、前記強誘電体結晶基板は、LiNb(1−x)T
axO3(0≦x≦1)及びKTiOPO4からなるグ
ループから選択された材料からできている。
2の電極を除去する工程と、前記強誘電体結晶基板を5
80℃以下の温度で熱処理する工程と、をさらに包含し
ている。
程に先立って、前記第1及び第2の電極の少なくとも一
方の周辺部において、前記強誘電体結晶基板の強誘電性
を劣化させる工程をさらに包含する。
の製造方法が、強誘電体結晶基板の分極方向にお互いに
離れた第1及び第2の電極を形成する工程と、該第1及
び第2の電極の少なくとも一方の周辺部において、該強
誘電体結晶基板の強誘電性を劣化させる工程と、該第1
及び第2の電極間に所定の電圧を印加して、該強誘電結
晶基板の内部の所定の領域の分極を反転させる工程と、
を包含しており、そのことにより上記目的が達成され
る。
極の少なくとも一方が櫛形電極であり、該櫛形電極の電
極枝の間隙部分で強誘電性を劣化させる。
せる工程はプロトン交換処理を行う。
晶基板は結晶のC軸に垂直な面で切り出されたC板基板
であって、前記第1及び第2の電極は、それぞれ該C板
基板の第1の面に形成された櫛形電極及び第2の面に形
成された平面電極である。
は、その近傍に分極反転のための核が発生する面であ
る。
含まれる各ストライプ電極枝の幅は、該ストライプ電極
枝の間隔の1/2に等しいかまたはそれよりも小さい。
前記第1の面及び第2の面の少なくとも一方の近傍を、
所定の深さまで除去する工程をさらに包含する。
が、LiNb(1−x)TaxO3(0≦x≦1)及び
KTiOPO4からなるグループから選択された材料か
らできている基板であって、前記第1の面が+C面であ
り前記第2の面が−C面である。
劣化させる工程はプロトン交換処理を行う。
2の電極を除去する工程と、前記強誘電体結晶基板を5
00℃以下の温度でアニールする工程と、をさらに包含
する。
電体膜である。
がパルス電圧である。あるいは、前記所定の電圧が直流
電圧にパルス電圧を重畳した合計電圧である。
2の電極の少なくとも一方が櫛形電極である。
晶基板は、LiNb(1−x)TaxO3(0≦x≦
1)及びKTiOPO4からなるグループから選択され
た材料からできている。
抗率が1015Ω/cmよりも大きい。
晶基板は結晶のC軸に垂直な面で切り出されたC板基板
であって、前記第1及び第2の電極は、それぞれ該C板
基板の第1の面に形成された櫛形電極及び第2の面に形
成された平面電極である。
は、その近傍に分極反転のための核が発生する面であ
る。
含まれる各ストライプ電極枝の幅は、該ストライプ電極
枝の間隔の1/2に等しいかまたはそれよりもよりも小
さい。
が、LiNb(1−x)TaxO3(0≦x≦1)及び
KTiOPO4からなるグループから選択された材料か
らできている基板であって、前記第1の面が+C面であ
り前記第2の面が−C面である。
転領域の製造方法が、強誘電体結晶基板の分極方向にお
互いに離れた第1及び第2の電極を形成する工程と、該
第1及び第2の電極の少なくとも一方の近傍の該強誘電
体結晶基板の表面を削る工程と、該第1及び第2の電極
間に所定の電圧を印加して、該強誘電体結晶基板の内部
の所定の領域の分極を反転させる工程と、を包含してお
り、そのことにより上記目的が達成される。
極の少なくとも一方が櫛形電極であり、該櫛形電極の電
極枝の間隙部分で前記強誘電体結晶基板の表面を削る。
極の少なくとも一方を絶縁膜で覆う工程をさらに包含す
る。
がパルス電圧である。あるいは、前記所定の電圧が直流
電圧にパルス電圧を重畳した合計電圧である。
晶基板は、LiNb(1−x)TaxO3(0≦x≦
1)及びKTiOPO4からなるグループから選択され
た材料からできている。
2の電極の少なくとも一方が櫛形電極であり、該櫛形電
極に含まれる各ストライプ電極枝の幅は、該ストライプ
電極枝の間隔の1/2に等しいかまたはそれよりも小さ
い。さらに他の実施形態では、前記強誘電体結晶基板は
結晶のC軸に垂直な面で切り出されたC板基板であっ
て、前記第1及び第2の電極は、それぞれ該C板基板の
第1の面に形成された櫛形電極及び第2の面に形成され
た平面電極であり、該櫛形電極の電極枝の間隙部分で該
強誘電体結晶基板の表面を削る。
は、その近傍に分極反転のための核が発生する面であ
る。
が、LiNb(1−x)TaxO3(0≦x≦1)及び
KTiOPO4からなるグループから選択された材料か
らできている基板であって、前記第1の面が+C面であ
り前記第2の面が−C面である。
転領域の製造方法が、強誘電体結晶基板の分極方向にお
互いに離れた第1及び第2の電極を形成する工程と、該
第1及び第2の電極間に所定の磁界を印加して、該強誘
電体結晶基板の内部の所定の領域の分極を反転させる工
程と、を包含しており、そのことにより上記目的が達成
される。
ス磁界である。
は結晶のC軸に垂直な面で切り出されたC板基板であ
る。好ましくは、前記強誘電体結晶基板は、LiNb
(1−x)TaxO3(0≦x≦1)及びKTiOPO
4からなるグループから選択された材料からできてい
る。
2の電極の少なくとも一方を絶縁膜で覆う工程をさらに
包含する。
2の電極の少なくとも一方が櫛形電極である。好ましく
は、前記櫛形電極の電極枝の間隙部分で前記強誘電体結
晶基板の強誘電性を劣化させる工程をさらに包含する。
あるいは、前記櫛形電極の電極枝の間隙部分で前記強誘
電体結晶基板の表面を削る工程をさらに包含する。
晶基板は結晶のC軸に垂直な面で切り出されたC板基板
であって、前記第1及び第2の電極は、それぞれ該C板
基板の第1の面に形成された櫛形電極及び第2の面に形
成された平面電極である。
は、その近傍に分極反転のための核が発生する面であ
る。
含まれる各ストライプ電極枝の幅は、該ストライプ電極
枝の間隔の1/2に等しいかまたはそれよりも小さい。
び平面電極の少なくとも一方の近傍の前記強誘電体結晶
基板の表面を削る工程をさらに包含する。
電極枝の間隙部分で前記強誘電体結晶基板の強誘電性を
劣化させる工程をさらに包含する。あるいは、前記櫛形
電極の電極枝の間隙部分で前記強誘電体結晶基板の表面
を削る工程をさらに包含する。
び前記平面電極の少なくとも一方を絶縁膜で覆う工程を
さらに包含する。
が、LiNb(1−x)TaxO3(0≦x≦1)及び
KTiOPO4からなるグループから選択された材料か
らできている基板であって、前記第1の面が+C面であ
り前記第2の面が−C面である。
転領域の製造方法が、結晶のC軸に垂直な面で切り出さ
れたC板基板である強誘電体結晶基板の第1面に櫛形電
極を、及び第2面に平面電極を形成する工程と、該第1
面及び第2面の少なくとも一方に光学基板を接着する工
程と、該櫛形電極及び該平面電極の間に所定の電圧を印
加して、該強誘電体結晶基板の内部の所定の領域の分極
を反転させる工程と、を包含しており、そのことにより
上記目的が達成される。
誘電体結晶基板とを接着後に、該強誘電体結晶基板を研
磨する工程をさらに包含し、前記平面電極は該研磨面に
形成する。
ス電圧である。あるいは、前記所定の電圧が直流電圧に
パルス電圧を重畳した合計電圧である。
晶基板は、LiNb(1−x)TaxO3(0≦x≦
1)及びKTiOPO4からなるグループから選択され
た材料からできている。
含まれる各ストライプ電極枝の幅は、該ストライプ電極
枝の間隔の1/2に等しいかまたはそれよりも小さい。
は、その近傍に分極反転のための核が発生する面であ
る。
電極枝の間隙部分で前記強誘電体結晶基板の強誘電性を
劣化させる工程をさらに包含する。あるいは、前記櫛形
電極の電極枝の間隙部分で前記強誘電体結晶基板の表面
を削る工程をさらに包含する。
び前記平面電極の少なくとも一方を絶縁膜で覆う工程を
さらに包含する。
転領域の製造方法が、基板表面に強誘電体結晶を成長さ
せる工程と、該強誘電体結晶の分極方向にお互いに離れ
た第1及び第2の電極を形成する工程と、該第1及び第
2の電極間に所定の電圧を印加して、該強誘電体結晶の
内部の所定の領域の分極を反転させる工程と、を包含し
ており、そのことにより上記目的が達成される。
ス電圧である。あるいは、前記所定の電圧が直流電圧に
パルス電圧を重畳した合計電圧である。
LiNb(1−x)TaxO3(0≦x≦1)及びKT
iOPO4からなるグループから選択された材料からで
きている。
晶はC軸方向に成長し、該強誘電体結晶の表面に前記櫛
形電極を、及び前記光学基板の裏面に前記平面電極をそ
れぞれ形成する。好ましくは、前記強誘電体結晶の表面
が、その近傍に分極反転のための核が発生する面であ
る。
転領域の製造方法が、強誘電体結晶基板の分極方向にお
互いに離れた第1及び第2の電極を形成する工程と、該
第1及び第2の電極の間に該分極方向に対向する第1の
電圧を印加して、該強誘電体結晶基板の内部の全体で分
極を反転させる工程と、該第1及び第2の電極の間に該
反転した分極方向に対向する第2の電圧を印加して、該
強誘電体結晶基板の内部の少なくとも一部で分極を再反
転させる工程と、を包含しており、そのことにより上記
目的が達成される。
圧の印加は室温で行われる。
ス電圧である。あるいは、前記所定の電圧が直流電圧に
パルス電圧を重畳した合計電圧である。
晶は、LiNb(1−x)TaxO3(0≦x≦1)及
びKTiOPO4からなるグループから選択された材料
からできている。
2の電極の少なくとも一方を絶縁膜で覆う工程をさらに
包含する。
転領域の製造方法が、結晶のC軸に垂直な面で切り出さ
れたC板基板である強誘電体結晶基板の第1の面及び第
2の面にそれぞれ平面電極を形成する工程と、該平面電
極間に所定の電圧を印加して、該強誘電体結晶基板の内
部の全体で分極を反転させる工程と、前記第2の面の前
記平面電極を除去して櫛形電極を形成する工程と、該櫛
形電極及び該平面電極の間に所定の電圧を印加して、該
強誘電体結晶基板の内部の少なくとも一部で分極を再反
転させる工程と、を包含しており、そのことにより上記
目的が達成される。
る各ストライプ電極枝の幅は、該ストライプ電極枝の間
隔の1/2に等しいかまたはそれよりも小さい。
近傍に分極反転のための核が発生する面である。
電極枝の間隙部分で前記強誘電体結晶基板の強誘電性を
劣化させる工程をさらに包含する。あるいは、前記櫛形
電極の電極枝の間隙部分で前記強誘電体結晶基板の表面
を削る工程をさらに包含する。
び前記平面電極の少なくとも一方を絶縁膜で覆う工程を
さらに包含する。
変換素子の製造方法が、強誘電体結晶基板の分極方向に
お互いに離れた第1及び第2の電極を形成する工程と、
該第1及び第2の電極間に所定の電圧を印加して、該強
誘電体結晶基板の内部の所定の領域の分極を反転させる
工程と、光導波路を形成する工程と、を包含しており、
そのことにより上記目的が達成される。
って前記光導波路を形成する。
ス電圧である。あるいは、前記所定の電圧が直流電圧に
パルス電圧を重畳した合計電圧である。
晶は、LiNb(1−x)TaxO3(0≦x≦1)及
びKTiOPO4からなるグループから選択された材料
からできている。
2の電極の少なくとも一方が櫛形電極である。
2の電極の少なくとも一方を絶縁膜で覆う工程をさらに
包含する。
晶基板は結晶のC軸に垂直な面で切り出されたC板基板
であって、前記第1及び第2の電極は、それぞれ該C板
基板の第1の面に形成された櫛形電極及び第2の面に形
成された平面電極である。
は、その近傍に分極反転のための核が発生する面であ
る。
含まれる各ストライプ電極枝の幅は、該ストライプ電極
枝の間隔の1/2に等しいかまたはそれよりも小さい。
電極枝の間隙部分で前記強誘電体結晶基板の強誘電性を
劣化させる工程をさらに包含する。あるいは、前記櫛形
電極の電極枝の間隙部分で前記強誘電体結晶基板の表面
を削る工程をさらに包含する。
は、前記強誘電体結晶の前記分極方向に垂直な方向に形
成される。
形成する工程は、該形成された光導波路の表面の一部を
除去する工程をさらに包含する。
する工程に先立って、前記強誘電体結晶基板の表面にス
ラブ導波路を形成する工程を包含し、前記光導波路を形
成する工程は、該形成された光導波路をリッジ形状に加
工する工程をさらに包含する。あるいは、前記電極を形
成する工程に先立って、前記強誘電体結晶基板の表面に
スラブ導波路を形成する工程を包含し、前記光導波路を
形成する工程は、該スラブ導波路の表面にストライプ状
の誘電体膜を堆積する工程を包含する。
変換素子が、強誘電体結晶基板と、該強誘電体結晶基板
の内部に周期状に形成した分極反転領域と、を備え、該
強誘電体結晶基板の該分極反転領域の間に位置する所定
の領域は、分極反転の横方向への拡大を抑制するための
処理が施された領域であり、そのことにより上記目的が
達成される。
電性が劣化している。好ましくは、前記所定の領域はプ
ロトン交換処理が施された領域である。
が形成されている。
晶は、LiNb(1−x)TaxO3(0≦x≦1)及
びKTiOPO4からなるグループから選択された材料
からできている。
を備えている。
変換素子が、強誘電体結晶基板と、該強誘電体結晶基板
の内部に周期状に形成した分極反転領域と、該強誘電体
結晶基板の表面に形成された絶縁膜と、を備えており、
そのことにより上記目的が達成される。
変換素子が、強誘電体結晶基板と、該強誘電体結晶基板
の内部に周期状に形成した分極反転領域と、該強誘電体
結晶基板の表面及び裏面のいずれか一方に接着された光
学基板と、を備えており、そのことにより上記目的が達
成される。
変換素子が、結晶基板と、該結晶基板の上に結晶成長さ
れた強誘電体結晶と、該強誘電体結晶の内部に周期状に
形成された分極反転領域と、を備えており、そのことに
より上記目的が達成される。
LiNb(1−x)TaxO3(0≦x≦1)及びKT
iOPO4からなるグループから選択された材料からで
きている。好ましくは、さらに光導波路を備えている。
変換素子が、強誘電体結晶基板と、該強誘電体結晶基板
の内部に周期状に形成した分極反転領域と、該強誘電体
結晶基板の表面に形成された光導波路と、を備えてお
り、そのことにより上記目的が達成される。
ジ状の光導波路である。あるいは、前記光導波路が、前
記強誘電体結晶基板の表面に形成されたスラブ状の光導
波路と、該スラブ状の光導波路の上に形成されたストラ
イプ状の誘電体膜と、を含んでいる。
LiNb(1−x)TaxO3(0≦x≦1)及びKT
iOPO4からなるグループから選択された材料からで
きている。
は、プロトン交換処理によって形成されているプロトン
交換導波路である。
変換素子が、強誘電体結晶基板と、該強誘電体結晶基板
の内部に周期状に形成した分極反転領域と、該強誘電体
結晶基板の端面に形成された入射面及び出射面と、を備
え、該分極反転領域は該入射面に平行ではなくある角度
を有していて、そのことにより上記目的が達成される。
LiNb(1−x)TaxO3(0≦x≦1)及びKT
iOPO4からなるグループから選択された材料からで
きている。
射面にそれぞれ設けられた反射防止膜をさらに備えてい
る。
度以上、好ましくは30度以上である。
記分極反転領域に平行であって、該出射面に反射膜が設
けられている。
に、基板に予め直流電圧を印加する。直流電圧により印
加される電界が基板結晶の自発分極を反転させる反転電
界を越えないように印加電圧値を設定すれば、電界によ
る分極反転は生じない。この状態で、直流電圧に短パル
ス電圧を重畳すると、短パルス電圧にともなう短パルス
電界と直流電圧にともなう直流電界との合計の電界によ
って、分極が反転する。重畳するパルス電圧は小さな値
でよいため、再現性の高いパルス印加が可能となる。さ
らに、パルス電圧が小さいため、基板に印加される電界
の均一性が増大する。
期状の分極反転領域を大面積に渡り均一に形成すること
を可能にする。以下に、その理由を述べる。
つの電極を形成し、両電極間に電圧を印加して分極反転
を形成する際に、形成される分極反転領域の均一性は、
印加される電界分布の均一性に依存する。そこで、本発
明によれば、電極間に基板の分極を反転させる反転電界
以下の直流電圧をあらかじめ印加しておき、この状態の
もとで、印加電圧に短パルス状の電圧を重畳することに
より、分極反転領域を製造する。電極間に印加する電圧
が直流電圧であるため、電極間の電界の均一性が高く、
大面積に渡り均一な電圧を印加できる。さらに重畳する
パルス電圧強度が小さくとれるため、パルス電圧により
電極間に印加される電界分布が均一であり、電圧制御も
容易である。従って、再現性の高い、面内均一性の優れ
た分極反転領域を大面積に渡って形成することが可能に
なる。
にする方法について説明する。
は、基板の+C面より分極が反転する。この現象をもと
に、分極反転領域の横方向の拡大を抑圧する方法につい
て種々検討を行った結果、基板の+C面の表面近傍の結
晶性(強誘電性)を劣化させることにより、分極反転の
発生を抑圧できることを発見した。さらに、基板表面
(+C面)に櫛形電極を形成し、櫛形電極を構成するス
トライプ状の電極枝以外の結晶表面近傍の強誘電性を劣
化させたところ、電極枝の下に形成される分極反転領域
の横方向拡大が抑圧され、短周期の分極反転領域の形成
が可能になる。以下にその理由を述べる。
電極枝からなる櫛形電極を、−C面に平面電極を形成
し、両電極間に電圧を印加すると、+C面より分極反転
が発生して、電極の下に針状の反転領域が形成される。
しかし、電圧印加をさらに継続すると、反転領域は時間
とともに幅方向に広がり、短周期の分極反転領域の形成
を困難にする。そこで、分極反転の形成プロセスの観測
を行ったところ、分極反転が発生する+C面近傍の結晶
性(ここでは強誘電性)を劣化させることにより、分極
反転の発生が抑圧できることを見いだした。例えば、+
C面にプロトン交換処理を施し、基板表面の結晶をプロ
トン交換領域に変えることで、分極反転に必要な反転電
圧を数kV/mm以上も高くすることができ、分極反転
の発生を抑圧できる。そこで、櫛形電極を構成している
ストライプ状の電極間の結晶の+C面の表面近傍の強誘
電性を劣化させることにより、電極枝の直下以外の部分
への分極反転の幅方向の広がりを抑制することができ
る。即ち、ストライプ状の電極枝の間に強誘電性を劣化
させた領域を設けることにより、反転領域の幅方向の広
がりを抑圧し、短周期の分極反転領域の形成が可能にな
る。
分極反転領域の形状の均一化を図るため、基板に形成し
た電極を絶縁体で被った後に、電極間に電圧を印加す
る。電極を絶縁体膜で被うことにより、電極周辺への自
由電荷の移動を抑圧することができる。そのため、分極
反転形成時に、電極の周辺部に広がる分極反転部の横方
法拡大を抑圧することが可能になり、均一な分極反転構
造が得られる。
つの電極を形成し、これに電界を印加することで分極反
転を生じさせる形成過程では、電界の印加によりまず最
初に分極反転核が形成され、次に分極反転核から分極方
向に分極反転部が成長し(前進成長)、さらに反転核の
周辺部に分極反転部が広がっていく(横方向成長)。と
ころが、電極パターンの周辺部に分極反転部が拡大する
ため、微細構造の分極反転パターンの形成が難しくな
る。特に、周期状の分極反転層を形成する場合は、短周
期の分極反転層の形成が困難になる。また、電極周辺部
への横方向成長の均一性が乏しいため、分極反転部の構
造を電極パターン通りに作製するのが困難になる。
々検討した結果、分極反転核の発生する結晶表面状態が
分極反転の形成に影響を与えることを見いだした。つま
り、強誘電体表面に存在する表面自由電荷の移動が、強
誘電体への印加電界分布の不均一性および電極周辺部へ
の電界の発生を引き起こし、これが分極反転部の横方向
成長を促進していることを発見した。即ち、結晶表面に
存在する表面自由電荷が電圧印加により、電極周辺部に
移動し、電極直下だけではなく、その周辺部にも電界が
誘起されることにより、分極反転が電極周辺部にも広が
るというメカニズムである。
るため、電極を絶縁体で被うことで、電極周辺部への表
面自由電荷の移動を抑制することを提案した。即ち、強
誘電体の分極方向に形成した電極を絶縁体膜で被うこと
により、電極周辺への分極反転部の拡大を抑圧し、均一
な分極反転層を形成することができる。
反転層を形成するにも、同様の手段が利用できる。即
ち、強誘電体表面に形成した櫛形電極と裏面に形成した
平面電極間に電圧を印加することにより、周期状の分極
反転層を形成する際、微細パターンである櫛形電極を絶
縁体膜で被うことにより、櫛形電極を構成するストライ
プ状電極周辺部への分極反転部の拡大を抑圧し、短周期
で均一な周期状分極反転層を形成することができる。
他の方法として、櫛形電極を構成するストライプ電極間
の結晶表面を削ることで、表面自由電荷の移動を抑圧す
ることができる。これによって、櫛形電極周辺部への分
極反転部の拡大を抑圧し、短周期で均一な周期状分極反
転層を形成することができる。
分極反転層を用いることにより、高効率の光波長変換素
子を製造することが可能になる。
に、まず、強誘電体の分極反転について説明する。
結晶内に有している。自発分極に対向する電界を印加す
ることにより、強誘電体における自発分極の方向を変え
ることができる。
より異なる。LiTaO3、LiNbO3等の結晶はC
軸方向のみに自発分極を有するため、これらの結晶で
は、分極はC軸に沿った+方向あるいはその逆向きの−
方向の2通りしか存在しない。電界を印加することで、
これらの結晶の分極は180度回転して、それまでとは
逆の方向を向くようになる。この現象を、分極反転とい
う。分極の反転を生じさせるために必要な電界を反転電
界と称し、LiNbO3、LiTaO3等の結晶では、
室温で約20〜30kV/mm程度の値をとる。
た結晶にすることを「分極の単分域化」と称する。この
分極の単分域化を達成するために、結晶成長後に高温中
で電界を印加する方法が一般に行われている。
の第1の実施形態にしたがった分極反転領域の形成方法
を説明するための模式的な斜視図である。
1を利用した光波長変換素子100を製造するには、ま
ず、LiTaO3基板1の+C面1aに周期状の櫛形電
極2を形成し、−c面1bに平面電極3を形成する。次
に、+C面1aの上の櫛形電極2に直流電源4を、−C
面1bの上の平面電極3にパルス電源5を接続する。こ
のような構成によって、所定の電圧レベルを有し必要に
応じてパルス電圧が重畳された直流電圧を、LiTaO
3基板1に印加することができる。
基板1を絶縁液または真空中(10−6Torr以下)に配
置して、直流電圧を印加する。分極反転が生じると、櫛
形電極2と平面電極3との間に、強誘電体の自発電極の
大きさと電極面積とに比例した電流(「反転電流」と称
する)が流れる。
界Eppと分極反転現象との関係を以下に説明する。
ルス電圧のみを印加して分極反転領域の形成を試みた例
を説明する。この場合には、図1(a)の構成で、パル
ス電源5によって平面電極3を介してLiTaO3基板
1にパルス電圧を印加する。直流電源4は使用せずに、
櫛形電極2は接地する。
0μs程度のパルス電圧を印加すると、基板1にはパル
ス電界が印加される。このとき、約20kV/mm(1
mmあたり20kVの電圧が印加されていることを意味
する)以上の電界印加により、分極が反転した。さら
に、厚さが0.3mmの基板1について同様の操作を行
ったところ、分極反転は同様に20kV/mm以上の電
界印加で発生したが、基板1の割れが生じやすく歩留ま
りが低かった。
平面電極3の面積を10mm×10mmにして、周期3
μmの周期状分極反転領域の形成を試みた。しかし、こ
のように平面電極3の面積を増大させると、厚さが0.
2mmの基板1でも割れが多発した。また、分極反転領
域が部分的にしか形成されない、或いは形成される分極
反転領域の形状が不均一であるなどの問題点が生じた。
これらは、パルス電圧が印加される平面電極3の厚さや
形状が実際には不均一性であるために、基板1への印加
電界が部分的に集中するためと考えられる。また、形成
された分極反転領域の周期構造の均一性も悪くなった。
電界のみを印加して分極反転領域を形成する場合には、
形成される周期状分極反転領域の形状を均一なものにす
るためには、分極反転構造が形成される全体の領域のサ
イズが3mm×3mm程度以下でなくてはならない。ま
た、厚さが0.3mm以上の基板では、十分な大きさの
分極反転領域の形成が難しい、或いは形成された分極反
転領域の面内均一性が悪い等の問題が生じた。
圧のみを印加して分極反転領域の形成を試みた例を説明
する。この場合には、図1(a)の構成で、直流電源4
によって櫛形電極2を介してLiTaO3基板1に直流
電圧を印加する。パルス電源5は使用せずに、平面電極
3は接地する。
加すると、基板1には直流電界が印加される。約20k
V/mm以上の電界強度に相当する電圧が印加された時
点で、反転電流が流れて分極が反転した。さらに、基板
1の厚さに対する分極反転特性を測定したところ、基板
1の厚さが0.5mm以下では分極反転領域の形成が可
能であったが、厚さが0.5mm以上になると基板1に
割れが生じて、分極反転領域の形成が困難になった。こ
れは、基板1の厚さが増加するとともに分極反転領域の
形成に必要な電界強度を得るために印加すべき電圧レベ
ルが増加するために、厚い基板に分極反転領域を形成し
ようとすると基板1の結晶の破壊電圧を越えた電圧が印
加されることにより、基板1に割れが生じたと考えられ
る。
印加される電界の面内均一性が高いため、大きな強度を
有する電界の印加が可能である。
反転領域の形成に関して、さらに以下のような様々な条
件で、約20kV/mmの直流電界を印加して周期状分
極反転領域の形成を試みた。すなわち、櫛形電極2の周
期を2μm〜10μm、基板1の厚さを0.2mm〜
0.5mm、電圧印加時間を0.5秒〜10秒としたと
ころ、何れの場合でも、周期が5μm以下である周期状
分極反転構造は形成されなかった。これは、櫛形電極2
の直下に形成される分極反転領域が横方向に速い速度で
広がるために、直流電圧のみの印加では短周期の周期構
造形成が困難であることを示している。
いはパルス電圧(電界)のみを印加する場合には、短周
期の分極反転構造を大面積に渡り均一に形成するのが難
しい。それに対して本発明によれば、直流電圧(電界)
にパルス電圧(電界)を重畳して基板に印加することに
よって、上記のような目的を達成することができる。
加によって基板1に印加される電界強度の経時変化を示
す。以下の説明では、直流電源4からの直流電圧により
印加される直流電界をEcw、パルス電源5からのパルス
電圧(ここでは単パルス)により印加されるパルス電界
をEppとする。本発明では、図1(b)に示すように、
直流電界Ecwにパルス電界Eppを重畳して基板1に印加
する。
100μs以下であり、以下の説明では0.5msとす
る。また、実際に基板に印加されるパルス電圧では、そ
の立ち上がり及び立ち下がり時における所定の振幅の電
圧変化は瞬時に行われるのではなく、ある程度の時間を
必要とする。図1(b)では、記載を簡潔にするため
に、これらの点を省略して、パルス電界Eppをインパル
ス波形として描いている。
極反転特性を測定した。また、反転電流の測定を通じ
て、分極反転が生じる電圧値(反転電圧値)の測定も行
った。その結果、EppあるいはEcwの個別の値には関係
なく、Ecw+Eppの合計値が約20kV/mm以上にな
ると分極が反転することが明らかになった。
形成にあたっては、分極の再反転現象に留意する必要が
ある。これに対して、本実施形態における分極反転領域
の製造方法によれば、分極の再反転現象に起因する従来
の問題点も解決することができる。この点を、図2
(a)〜(e)及び図3を参照して以下に説明する。
の形成にあたっては、印加するパルス電圧のパルス幅、
立ち上がり速度や立ち下がり速度を調整しても、最終的
に分極反転領域が基板内部に形成されないことがある。
この現象の原因を検討するために、本発明者らは、パル
ス電圧の印加とともに、分極反転の発生にともなって流
れる反転電流の測定を行った。図2(a)〜(d)に
は、その結果を示している。
ける基板への印加電圧波形とそれにともなって流れる反
転電流波形である。図2(a)に示すようにパルス電圧
(ここでは負のパルス電圧として描かれている)を基板
に印加し、反転電圧を越える電圧が基板に印加される
と、図2(b)に示すように反転電流が流れて、分極反
転が発生する。しかし、パルス電圧の印加が終了し、印
加電圧を零に向かって減少させていく過程で、反転電流
とは逆向きの電流が流れる。これは、一旦反転した分極
が再反転して最初の状態に戻るときに流れる再反転電流
である。このように、従来のパルス電圧(電界)のみを
印加する方法では、分極の再反転現象の影響で、分極反
転領域が結果的に形成できないことがある。この再反転
現象は、形成直後の分極反転領域が不安定であることを
示している。
値は、印加したパルス電圧を零レベルに戻す際の電圧の
変化率に依存する。この関係を図3に示す。このグラフ
は、基板として厚さが0.2mmのLiTaO3基板を
用いて、−5kVのパルス電圧を基板に印加した場合の
グラフである。なお、実際にはこの関係は電源の負荷抵
抗の値に依存して変化するが、図3のグラフは、負荷抵
抗値が1MΩである場合の関係である。図3によれば、
パルス電圧の変化率が大きくなるにつれて、分極の再反
転が発生して再反転電流が流れ始める電圧値が増加し
て、反転電圧値に次第に近づく。
図2(c)に示すように、直流電圧にパルス電圧を重畳
した電圧を基板に印加する。このとき、直流電圧の大き
さは、分極反転は生じず、かつ再反転電流が流れない電
圧値に設定する。この結果、印加電圧をパルス電圧値か
ら零レベルに向けて減少させる場合に、図2(d)に示
すように再反転電流が流れることなく、形成された分極
反転層を維持することができる。なお、この分極反転後
に印加される直流電圧は、上記のような所定の電圧レベ
ルで、少なくとも所定の時間、例えば数秒間にわたって
印加すればよい。
LiTaO3基板を用いる場合には、直流電圧を−2k
V、パルス電圧を−3kVとして、最大で−5kVの電
圧を基板に印加すればよい。また、分極反転領域形成後
の印加電圧の零レベルへの変化率は、100V/秒にす
ればよい。さらに、反転電流の波形から基板に流れ出た
総電荷量を計算することによって、パルス電圧のパルス
幅を最適化することができる。これらの設定に基づいて
本実施形態のプロセスを実施することによって、基板全
体に渡って分極反転領域を均一に形成することができ
る。
使用しているが、LiTaO3基板に対しても同様な結
果を得ることができる。
に印加された場合にのみ流れる。形成される分極反転領
域の形状(面積)を正確に制御するためには、反転電流
の総量を制御する必要がある。その様な制御は、反転電
流の大きさと、印加電圧が反転電圧値を越えている時間
とを正確に制御することによって行うことができる。そ
のためには、例えば図2(e)に示すように、印加電圧
をパルス電圧値から零レベルに変化させる際に、まずス
テップ的に反転電圧レベル以下に変化させて、その後に
漸次変化させればよい。
転領域の製造方法において、Ecw+Eppの合計値を21
kV/mm一定にして、Ecwの値と分極反転領域の形成
が可能である基板1の厚さとの関係を求めると、図4
(a)に示す結果が得られる。すなわち、Ecwの値を増
大させることにより、厚い基板に対しても、基板の割れ
を生じることなく分極反転領域の形成が可能になる。例
えば、Ecwが5kV/mm以上の場合には厚さ0.3m
mの基板において、Ecwが10kV/mm以上である場
合には厚さ0.4mm以上の基板において、分極反転領
域の形成が可能になる。
転領域における面内均一性が向上する。最も均一性が良
好な分極反転領域が形成されるのは、Ecwを、分極反転
が実際に発生する電界(すなわち反転電界)より僅かに
小さな値にした場合である。具体的な数値は基板によっ
て僅かに異なるが、反転電界が約20kV/mmである
場合には、Ecwの値を例えば19.9kV/mmにすれ
ばよい。上記のような値にEcwを設定することによっ
て、20mm×20mm以上の大きな面積に分極反転領
域を形成することができる。
流電圧(電界)の印加によって分極反転領域を形成する
場合において、形成される分極反転領域の短周期化につ
いて検討する。
は、電極の直下に発生した後に横方向に拡大する。この
ため、短周期の分極反転領域を形成しようとしても、隣
接して形成された分極反転領域がお互いに接触して、周
期構造が形成されなくなる。そこで、分極反転領域の横
方向への拡大に対する印加電圧形状の影響を以下で検討
する。
にそれぞれのストライプ状電極枝の幅が10μmである
櫛形電極2を、−C面1bに平面電極3を、それぞれ形
成し、各電極2及び3の間にパルス電圧を重畳した直流
電圧を印加する。パルス幅を5μs、電圧印加によって
印加される電界強度Ecw+Eppの合計値を21kV/m
mでそれぞれ一定として、Ecwの値をパラメータとして
変化させると、分極反転領域の幅とEcwとの間には図4
(b)に示す関係が得られる。具体的には、印加される
直流電界Ecwが大きい程、分極反転領域の横方向の拡大
が小さくなる。また、Ecwが5kV/mm以下である場
合に形成される分極反転領域の幅は、パルス電圧を単独
で印加した場合に形成される分極反転領域の幅と、実質
的に等しくなる。
畳して基板1に印加することにより、従来は20kV/
mm程度と大きなパルス電界の印加を必要としていた分
極反転領域の形成が、数kV/mmのパルス電界の印加
で形成可能になる。これにともなって、形成される分極
反転領域の均一化及び短周期化が容易になる。特に、5
kV/mm以上の直流電界を印加すること、また、パル
ス電界の印加終了後に印加している直流電界を低減する
ことが、均一で短周期の分極反転領域の形成に有効であ
る。
を印加しているが、電界の代わりに磁界を印加しても、
同様な分極反転領域を形成することができる。例えば、
+Z方向に10kH以上の強磁界を印加することで、電
界印加時と同様の分極反転領域の形成が可能となる。ま
た、磁界の印加時間を短縮してパルス形状とすること
で、短周期の分極反転領域の形成も可能である。
単パルスを重畳しているが、その代わりに複数のパルス
を重畳しても同様の効果が得られる。単パルスを重畳す
る場合には、形成される分極反転領域の形状は、印加さ
れるパルス電圧の振幅とパルス幅とで制御できる。一
方、複数のパルスを重畳する場合は、印加されるパルス
電界の個数によって形成される分極反転領域の形状を制
御することも可能であり、分極反転領域の面内均一性の
向上に有効である。
上に形成するのは、分極反転核の形成が+C面1aで生
じるためである。−C面1bの上に櫛形電極2を形成し
て周期状の分極反転構造を形成しようとしても、分極反
転領域が横方向(基板1の表面に平行な方向)へ急速に
拡大するために、短周期の分極反転構造の形成は困難で
ある。
の実施形態にしたがって作製される分極反転領域を利用
してストライプ状の光導波路を有する光波長変換素子を
作製する方法について述べる。図5(a)〜(c)は、
本実施形態における光波長変換素子200の製造方法を
示す斜視図である。
0.3mmのLiTaO3基板1の+C面に櫛形電極
を、−C面に平面電極を形成して、パルス電圧Eppを重
畳した直流電圧Ecwの印加によって周期状の分極反転領
域9を形成する。印加電圧は、例えば直流電界の大きさ
Ecw=19.5kV/mm、パルス電界の大きさEpp=
1.5kV/mmが得られる値として、パルス電圧のパ
ルス幅を0.5msとする。また、直流電源に電流検知
機能を付加して反転電流を検知し、パルス電圧の重畳に
より分極反転が形成されると同時に、直流電界を1.5
kV/mm以下に低下させる。以上の結果として、図5
(a)に示すように、周期が3.5μmである分極反転
領域9が10mm×10mmの大きさの領域の全体にわ
たって形成される。
ようにストライプ状の光導波路を形成すれば、光導波路
型の光波長変換素子が製造される。ところが、一般に分
極が反転している領域の屈折率は、基板1の屈折率より
増加している。そのため、上記のような電界印加により
作製した周期状分極反転領域9では、屈折率が周期的に
変化していて、形成される光導波路の伝搬損失が著しい
増加をもたらす。
形成する前に、基板1を酸素雰囲気中でアニール処理し
て、分極反転領域9の屈折率変化を減少させて、屈折率
分布を均一化させる。
で変化させたところ、400℃以上の温度でアニール処
理することによって、屈折率変化がかなり減少すること
が明らかになった。しかし、アニール温度をさらに上げ
て580℃以上で処理すると、一旦形成された分極反転
領域が縮小する。特に、このような高温におけるアニー
ル処理を60秒以上継続して行うと、分極反転領域がほ
ぼ完全に消滅する。
以下とすることが好ましい。また、アニール処理後に温
度を下げる際に、温度低下速度を5℃/秒以下に設定す
ることにより、屈折率の変化をさらに低減して均一な屈
折率分布を得ることができる。
反転領域を形成した後に、上記の条件でアニールを行
う。さらにその後に、図5(a)〜(c)に示す工程
で、ストライプ状の光導波路を有する光波長変換素子2
00を製造する。
する場合には、すでに形成されている周期状の分極反転
構造に影響を与えないようにするために、低温プロセス
で行われることが望ましい。例えば、LiTaO3のキ
ュリー温度は約600℃であるのでそれ以下の温度でプ
ロセスを実行することが望ましい。そこで本発明では、
低温で光導波路を作成することができるプロトン交換処
理を行う。
板を熱処理することによって、基板中の金属イオンと酸
中のプロトンとが交換されて、高い屈折率を有する層が
形成形される。例えば、LiTaO3基板の場合には、
Liとプロトンとが交換される。なお、プロトン交換処
理が施された領域は、非線形性が基板本来の値の約半分
に低下するために、プロトン交換処理後にアニール処理
を行って、非線形性を回復する必要がある。
に、周期的な分極反転領域9がその内部に形成された基
板1の表面に、Taマスク層10をスパッタリング法で
堆積する。Taマスク層10の厚さは、典型的には10
nm〜500nm、好ましくは20nm〜100nm、
例えば40nmとする。続いて、図5(b)に示すよう
に、Taマスク層10に対して、フォトリソグラフィ法
によるパターンニング及び引き続くドライエッチングを
行って、ストライプ状光導波路に対応するストライプ状
の開口部10aを形成する。その後、260℃のピロ燐
酸中で16分間熱処理することによってTaマスク層1
0の開口部10aを介してプロトン交換処理を行い、図
5(c)に示すようなプロトン交換導波路11を形成す
る。その後にTaマスク層10を除去し、さらに導波路
の低損失化及び導波路の非線形性の回復という目的から
420℃にて60秒間の熱処理を行うことによって、ス
トライプ状の光導波路11が完成する。
を、図6に示す。図6の光波長変換素子200におい
て、素子長及び作用長はともに10mmであり、分極反
転領域9の周期は3.5μmである。また、光導波路1
1は、幅4μm、深さ3μmである。また、図6に矢印
9a及び9bで示しているように、分極反転領域9とそ
れ以外の部分では、分極の方向がお互いに正反対を向い
ている。
積にわたって均一に形成できて、製造される光波長変換
素子200の動作特性が向上する。特に、光導波路11
を伝搬する光を、深い位置に至るまで形成された分極反
転領域9に十分に重ねることができ、高効率の光波長変
換素子を製造することができる。
はLiTaO3基板を用いている。あるいは、KTP
(KTiOPO4)基板、KNbO3基板、LiNbO
3基板、またはMgO、Nb、NdなどをドープしたL
iTaO3基板やLiNbO3基板を使用することがで
きる。あるいは、LiTaO3とLiNbO3との混晶
であるLiNb(1−x)TaXO3基板(0≦x≦
1)でも、同様な光波長変換素子が作製できる。特に、
上記のうちでLiNbO3基板は、高い非線形光学定数
を持つために、高効率の光波長変換素子を製造するには
有効である。
は、光導波路11を基板1の+C面1aに形成してい
る。しかし、分極反転領域9は基板1の裏面に達するま
で形成されているので、光導波路11を基板1の−C面
1bに形成しても、同様の性能を有する光波長変換素子
を製造することができる。そのように−C面に光導波路
を形成する場合、−C面には平面電極が形成されている
のみであって櫛形電極のパターンは形成されていないの
で、面の荒れが少ない。そのため、導波損失の少ない導
波路が作製でき、効率の高い光波長変換素子の作製が可
能である。
理によって形成した導波路に代わって、Ti拡散導波
路、Nb拡散導波路、イオン注入導波路など他の光導波
路を用いることができる。
いる処理の他に、オルト燐酸、安息香酸、硫酸などを用
いることができる。
Taマスクに限られるものではなく、Ta2O5、P
t、Auなど耐酸性を有する材料からなるマスクであれ
ばよい。 (第3の実施形態)短周期の分極反転
領域を形成するには、分極反転領域の幅を所望の周期以
下に抑える必要がある。基板の+C面に形成された櫛形
電極を介して電界を印加することにより形成される分極
反転は、櫛形電極を構成するストライプ状の電極枝の直
下の+C面より発生し、−C軸方向に成長する。しか
し、それと同時に、ストライプ状電極枝の幅方向(すな
わち、基板の表面に平行な方向)にも広がる。その結
果、分極反転領域の幅が広がって、短周期の分極反転構
造の形成を困難にする。
の幅方向への拡大を抑圧する方法について考察した。そ
の結果、基板の+C面において、ストライプ状の電極枝
の間隙における分極の発生を抑圧することにより、幅方
向の分極反転領域の広がりを抑圧することができると考
えた。そこで、分極反転の発生を抑圧する方法を検討し
た結果、LiTaO3結晶またはLiNbO3結晶の+
C面近傍の強誘電性を劣化させることで、その部分の分
極反転の発生を抑圧できることを見いだした。例えば、
LiTaO3の+C面の表面にプロトン交換処理を施す
ことで、分極を反転させる反転電界の値が数kV/mm
増加し、分極反転の発生が抑圧されることが明らかにな
った。
て、分極反転領域の短周期化を試みた。図7(a)〜
(c)を参照して、これを説明する。
した測定系におけるLiTaO3基板1の断面図であっ
て、図2(a)と同じ構成要素には同じ参照番号を付し
ている。
+C面1aに設けられた櫛形電極2では、幅10μmの
ストライプ状の電極枝が10μmのギャップをあけて形
成されている。一方、基板1の−C面1bには平面電極
3が形成されている。この時点では、基板1の内部の分
極は、図7(a)に矢印9bで示しているように図面中
で上方向を向いている。
加して基板1に電界を印加すると、基板1の内部におけ
る電界強度が約20kV/mm以上になった時点で、櫛
形電極2の電極枝の直下に分極反転領域9が形成され
る。この分極反転領域9における分極の向きは、図7
(b)に矢印9aで示すように図面中で下向きであっ
て、電界印加前から逆転している。
転領域6は、さらに電極枝の幅方向(すなわち基板1の
表面に平行な方向)にも広がる。このような幅方向の成
長が進展すると、最終的に、隣接する分極反転領域9が
お互いに接触してしまう可能性がある。
電極枝の間の+C面1aの表面近傍にプロトン交換処理
を施して、プロトン交換領域7を形成する。このような
プロトン交換領域7ではその強誘電性が劣化されてい
て、分極反転領域6の横方向への拡大が抑圧される。こ
の結果、図7(c)に示すように、それぞれの電極枝の
直下のみに、電極枝と同じ幅を有する分極反転領域9が
形成される。
転領域9の横方向への拡大に与える影響を、図8(a)
及び図8(b)を参照して説明する。
転領域9の幅Wを示す。この分極反転領域9は、図8
(a)に示すように、幅が10μmである櫛形電極2を
用いて形成されたものである。言い換えると、図8
(b)の縦軸に示す分極反転領域の幅Wは、分極反転領
域9の拡大の程度を表している。
平面電極3との間に印加される電圧を示す。具体的に
は、直流電圧Ecwにパルス電圧Eppを重畳した電圧を印
加し、印加電圧の直流成分Ecwは3kVで一定としてい
る。図8(b)の縦軸には、直流電圧Ecwとパルス電圧
Eppとの合計値E=Ecw+Eppの値をとっている。な
お、パルス電圧のパルス幅は3msである。
状電極枝の間隙における+C面にプロトン交換処理(2
60℃、20分間)を施したサンプル、及びそのような
プロトン交換処理を施さないサンプルにおける、分極反
転領域9の幅Wと印加電圧の大きさEとの関係を、それ
ぞれ示している。
に係わらず、分極反転領域9の幅W、すなわち横方向へ
の広がりは、印加電圧Eの増加とともに増大する。しか
し、プロトン交換処理を行わない場合には、印加電圧が
5.5kV以下では均一な分極反転が形成されない。し
たがって、この時の分極反転領域の幅Wである2.7μ
mが、得られるWの最小値である。すなわち、プロトン
交換処理を施さないサンプルでは、分極反転領域9の形
成に使用する櫛形電極2のストライプ状電極枝の幅が2
μmであるにもかかわらず、実際に形成される分極反転
領域9の幅Wは最小でも2.7μmである。
には、分極反転領域9の横方向の拡大が抑圧される。そ
の結果、幅Wが櫛形電極2のストライプ状電極枝の幅と
ほぼ等しい分極反転領域9を形成することができる。こ
のように、プロトン交換処理を施すことで、分極反転領
域9の横方向の拡大が抑圧されることが明らかになっ
た。
の形成に適用した例を、図9(a)〜(c)を参照して
説明する。図9(a)〜(c)で、これまでに示した参
照して説明した図面に置いてと同じ構成要素には、同じ
参照番号を付けている。
iTaO3基板1の+C面1aに櫛形電極2を、−C面
1bに平面電極3を、それぞれ形成する。このうち平面
電極3は、例えば厚さ約500nmのTa膜とすること
ができる。次に、櫛形電極2をマスクとして、そのスト
ライプ状の電極枝の間隙の+C面1aにプロトン交換処
理を施す。このプロトン交換処理は、典型的には、26
0℃のピロ燐酸中で30分間行う。これによって、図9
(b)に示すように、深さ約0.4μmのプロトン交換
領域7が形成される。次に、図9(c)に示すように、
上記処理が施された基板1を絶縁液中または真空中に設
置し、直流電源4及びパルス電源5を用いて櫛形電極2
と平面電極3との間に電圧を印加して、基板1に電界を
印加する。具体的な印加電界としては、例えば、直流電
界Ecw=18kV/mmに、パルス電界Epp=3kV/
mmを重畳する。
〜10μmである分極反転領域9を形成することができ
る。櫛形電極2のストライプ状電極枝の間隙にプロトン
交換処理を施さない場合には、周期が3μm以下である
分極反転領域を均一に形成することは困難である。これ
に対して、本実施形態にしたがってストライプ電極枝間
にプロトン交換を施すと、周期が2.5μm以下である
短周期の分極反転領域9を均一に形成することができ
る。
トン交換処理の時間の影響を説明する。
処理を行う場合、プロトン交換時間を5分以上にするこ
とで、分極反転領域9の広がりを抑圧する効果が表れ
る。さらに、10分間以上のプロトン交換処理を行うこ
とによって、面内均一性の良好な分極反転領域9が得ら
れる。しかし、プロトン交換処理を非常に長時間にわた
って行うと、隣接するプロトン交換領域7がお互いに接
触してしまって、周期状の分極反転構造9が形成できな
い。これより、プロトン交換処理は、10分間以上であ
って、隣接するプロトン交換領域7がお互いに接触しな
い限度内の時間だけ行うことが有効である。
板1の強誘電性の劣化とは、自発分極の反転が可能な結
晶状態の劣化を意味する。具体的には、自発分極が小さ
くなった状態、自発分極の反転電界が増大した状態、ま
たは、結晶が強誘電性を示さなくなった状態を示す。例
えば、プロトン交換処理を施すと結晶構造の歪が小さく
なるため、自発分極が非常に小さくなる。
の処理によって得ることもできる。例えば、基板1の表
面にイオン注入を施すと、結晶構造が崩れてランダムな
構造に近くなり、自発分極を示さなくなる。
に結晶構造の変化をおこすことで、分極反転領域9の拡
大を抑圧することができる。上記で説明したLiTaO
3基板やLiNbO3基板の場合には、分極反転領域9
は+C面1aから発生する。あるいは、結晶の種類によ
っては、分極反転が+C面ではなく、−C面、またはそ
れ以外の面から発生する場合もある。しかし、その場合
には、分極反転が発生する面の強誘電性を同様に劣化さ
せることで、分極反転領域の拡大を同様に抑圧すること
ができる。
誘電性を劣化させる手段としてプロトン交換処理を用い
ている。あるいは、Zn、Cd等のイオン交換、プロト
ンイオン、Heイオン、Siイオン、Auイオン等の注
入、Ti拡散などの金属拡散、あるいはMgO拡散など
によっても、同様な効果を得ることができる。
処理をピロ燐酸を用いて行っている。あるいは、オルト
燐酸、安息香酸、硫酸などを用いてプロトン交換処理を
行っても、上記説明と同様の効果を得ることができる。
また、上記説明では電極を構成する金属膜としてTa膜
を用いているが、適切な耐熱性を有する膜であれば、他
の膜でもよい。具体的には、Ti、Pt、Auなどの材
料の膜を用いることができる。
はLiTaO3基板を用いている。あるいは、LiNb
O3基板、またはMgO、Nb、Ndなどをドープした
LiTaO3基板やLiNbO3基板を使用することが
できる。あるいは、LiTaO3とLiNbO3との混
晶であるLiNb(1−x)TaXO3基板(0≦x≦
1)でも、同様な光波長変換素子が作製できる。これら
の結晶は、上記の説明で示したと同様に、プロトン交換
処理により強誘電性劣化層を容易に形成することができ
る。そのため、周期状分極反転領域を電界印加により容
易に製造することができる。特に、LiNbO3は、高
い非線形光学定数を持つために、高効率の光波長変換素
子を製造するために有効である。
PO4)基板やKNbO3基板を使用することもでき
る。これらの基板は高い非線形光学定数を持つために、
高効率の光波長変換素子を製造するには有効である。こ
のうち、KTP基板では、櫛形電極の電極枝の間隙の結
晶表面をイオン交換によって劣化させる場合に、Rbイ
オンを用いた処理によっても表面の結晶性を変えること
ができる。この後に電界を印加することで、深い分極反
転領域が形成される。
の実施形態にしたがってプロトン交換処理を施した上で
作製される周期的な分極反転領域を利用して、光波長変
換素子を作製する方法について述べる。
成した分極反転領域の上に光導波路を形成すれば、図5
(c)に示した形状を有する光波長変換素子を製造する
ことができる。しかし、第3の実施形態にしたがって周
期状分極反転領域9を形成したLiTaO3基板1の+
C面1aに対しては、周期的にプロトン交換処理が行わ
れている。そのため、周期的な屈折率分布(基板1と分
極反転領域9との間の屈折率の差)が存在する。このた
め、低損失の光導波路を形成するには、アニール処理に
より屈折率分布を均一化する必要がある。
れるアニール処理の温度が、形成された分極反転領域9
の形状に与える影響を模式的に示す断面図である。図1
0(a)はアニール処理を行っていない状態であり、図
10(b)〜(d)はそれぞれ450℃、500℃、及
び550℃でアニール処理を行った後の状態を示す。
示すように、基板1の+C面1aの表面近傍に針状のマ
イクロドメイン8が残留している。このようなマイクロ
ドメイン8は、分極反転領域9からなる周期状分極反転
構造の周期性を劣化させる。これに対して、図10
(b)〜(d)に示すように、アニール処理を行うこと
によってこのようなマイクロドメイン8は消滅する。
と、図10(c)及び図10(d)に示すように、形成
された周期状分極反転領域9が基板1の+C面1aの近
傍から消滅する。アニール温度またはアニール時間を増
すと、それだけ深い箇所に至るまでの分極反転領域9が
消滅する。
が消滅してしまうと、所期の光波長反転機能が得られな
くなる。したがって、形成した周期的分極反転構造の均
一性を向上して低損失の光導波路を形成するためには、
アニール処理温度を500℃以下に設定することが望ま
しい。
を2μmまで短くすることが可能であるために、位相整
合波長を740nmまで短波長化できる。したがって、
波長370nmの紫外光の発生が可能になる。
分極反転領域が得られるので光波長変換素子の特性向上
を図ることができる。また、分極反転領域を基板の深い
箇所にまで形成することによって、高効率の光波長変換
素子が製造できる。さらに、分極反転領域を短周期化す
ることによって、短波長の第2高調波の発生が可能にな
る。
換処理により形成された屈折率変化を、アニール処理に
よって除去しているが、他の方法によって取り除くこと
もできる。
面のプロトン交換層の厚さは、約1μm程度にすぎな
い。そこで、基板表面を光学研磨することで、プロトン
交換層を容易に取り除くことができる。具体的には、L
iNbO3基板やLiTaO3基板などの光学研磨に一
般に用いられているポリッシングダイヤ液を使用して、
研磨布の上で基板表面を研磨することで、基板表面のプ
ロトン交換層を取り除く。その後に、上述した方法でプ
ロトン交換光導波路を形成すれば、同様に高効率の光波
長変換素子を形成することができる。
ングによって、基板表面のプロトン交換層を除去するこ
ともできる。
合、エッチング液として例えばHFとHNO3とを2:
1で混合した液体を用いて、エッチング液の温度を60
℃程度にしてエッチングを行う。湿式エッチングに対す
るエッチングレートは、通常は+C面と−C面とでは異
なっているが、プロトン処理後はほぼ等しい値になって
いるために、分極反転した表面に凹凸が現れること無く
エッチングが行われる。これによって、低損失の光導波
路の形成が可能になる。
あるいはCHF3等のガスを用いてエッチングできる。
例えば、反応性イオンエッチング装置を用いてRFパワ
ーを100W程度にすれば、数10nm/分程度のエッ
チングレートが得られる。プロトン交換処理後の基板表
面のエッチングレートは、処理前の基板における値より
高くなっており、より効率の高いプロセスが行える。
率の光波長変換素子を形成する他の方法について述べ
る。
する光のパワー密度に依存する、そのため、閉じ込めの
強い光導波路を形成すれば、より高効率の光波長変換素
子が製造可能となる。本実施形態では、閉じ込めの強い
光導波路を備えた光波長変換素子を製造するために、光
導波路としてリッジ型の光導波路を用いる。
たがってリッジ型光導波路17aを分極反転領域9の上
に形成する方法を説明する。なお、分極反転領域9の形
成は、先に説明した第1の実施形態または第3の実施形
態のいずれの方法にしたがったものであってもよい。
LiTaO3基板1にプロトン交換処理を施して、図1
1(a)に示すように基板1の表面にプロトン交換層1
7を形成する。プロトン交換処理は、例えば、温度26
0℃のピロ燐酸中に基板1を20分間浸すことで実施で
きる。次に、図11(b)に示すように、プロトン交換
層17の上にフォトリソグラフィ法によって、光導波路
を形成するためのレジストパターン12を形成する。続
いて、レジストパターン12をマスクとして、CHF3
ガス雰囲気中でドライエッチングを行う。これによっ
て、プロトン交換層17を300nm程度エッチングす
る。さらに、レジストパターン12を除去することによ
って、図11(c)に示すように、一部にリッジ17a
を有するプロトン交換層17が形成される。さらに、ア
ニール処理を、例えば温度420℃で60秒間行って、
図11(d)に示すような、リッジ型光導波路17aを
備えた光波長変換素子500が得られる。
子500では、光導波路17aの厚さを従来の2μm程
度から1.5μmに、幅を従来の4μmから3μmに、
それぞれ低減することが可能になる。このような光導波
路の小型化にともなって、光導波路を伝搬する光のパワ
ー密度を従来の1.5倍に高めることができる。この結
果、光波長変換素子の変換効率が、従来の約2倍に高め
られる。
態における光波長変換素子600を、図12を参照して
説明する。
基板1の内部に周期的な分極反転領域9が形成されてい
る。基板1の表面近傍における分極反転領域9の間隙に
は、プロトン交換領域7が設けられている。さらに、周
期状分極反転領域9を形成した基板1の両端部には、研
磨後に反射膜14をそれぞれ堆積する。反射膜14は、
典型的には、波長800nmの基本波を90%以上反射
する。
体レーザ21の光(基本波)23を集光光学系22を介
して入射すると、入射した基本波23は基板1の両端面
の反射膜14で多重反射して、基板1の内部で共振す
る。すなわち、光波長変換素子600は共振器として機
能して、その内部パワーの増大により、入射された基本
波23が高効率で第2高調波24に変換されて出射され
る。
に形成された周期状分極反転領域9をそのままバルク状
で利用して、入射した光の波長変換を行う。基本波23
と分極反転領域9との十分なオーバラップが得られるの
で、高効率の光波長変換が行える。
領域9の間に形成したプロトン交換領域7は、分極反転
領域9の劣化を防止する機能を発揮する。電界印加によ
って分極反転を生じさせる場合、深い分極反転領域9を
形成できる一方で、基板1の結晶に大きな歪が与えられ
る。そのような歪は、形成された分極反転領域9の経時
変化を起こす。例えば、数週間から数カ月で、分極反転
領域9の形状が徐々に変化して、光波長変換素子600
の動作特性が変化することがある。これに対して、分極
反転領域9の間にプロトン交換領域7を形成すると、分
極反転領域9のそのような形状変化の発生が防止され
て、動作特性の経時変化の無い安定な光波長変換素子6
00を構成できる。
果を有するため、基板1の温度が変化すると、基板1の
中の結晶表面に焦電電荷が蓄積されて電界が発生する。
電界が発生すると、電気光学効果によって屈折率変化を
生じる。このため、光波長変換素子600の位相整合特
性に影響を与え、出力が不安定になる。これに対して、
プロトン交換領域7はLiTaO3基板1より一桁程度
低い電気抵抗を有するため、基板1の表面にプロトン交
換領域7を形成することによって、焦電効果により発生
する電荷の移動速度を高め、電界の発生を防止すること
ができる。これによって、外部温度が変動しても安定し
た出力特性を維持できる光波長変換素子600が構成で
きる。
器として機能させるが、そのためには、多重反射する基
本波23のビーム径より深い位置に至るまで、典型的に
は数10μm以上の深さまで、分極反転領域9が均一に
形成されていなければならない。電界印加によれば、数
100μm程度の深さまで均一な周期状分極反転領域9
が形成されるので、高効率の共振器型光波長変換素子6
00を作製することができる。
の内部に形成された分極反転領域9を利用して波長変換
を行うバルク型光波長変換素子600を説明している。
これに対して、第2、第4あるいは第5の実施形態とし
て説明したように、基板1の表面に光導波路を形成し
て、光導波路型の光波長変換素子を構成することもでき
る。その場合、第2の実施形態に関連して説明したよう
に、基板1と分極反転領域9との間に存在する周期的な
屈折率変化を低減するためのアニール処理が必要にな
る。これに対して、本実施形態では、基板1の表面近傍
における分極反転領域9の間隙に、基板1より高い屈折
率を有するプロトン交換領域7が形成されるので、上記
のような分極反転領域9と基板1との間の屈折率差が低
減される。このため、低損失の光導波路の作製が可能に
なり、高効率の光波長変換素子を構成できる。
態における分極反転領域の形成方法を、図13(a)〜
(c)を参照して説明する。
例えば200μmのC板のLiTaO3基板1(結晶の
C軸に垂直な面で切り出した基板)の+C面1aに、そ
れぞれのストライプ状の電極枝の幅が1.2μmである
櫛形電極2を形成する。一方、基板1の−C面1bに
は、平面電極3を形成する。これらの電極2及び3は、
例えば厚さ約60nmのTa膜とすることができる。次
に、図13(b)に示すように、+C面1aの表面の櫛
形電極2を覆うように、厚さ200nmのSiO2から
なる絶縁膜34をスパッタリング法により堆積する。そ
の後に、櫛形電極2を接地した上で、平面電極3に負の
パルス電圧(典型的にはパルス幅3ms)を印加する。
放電の発生をさけるため、電圧印加時には、基板1の全
体を絶縁液または10−6Torr以下の真空中に設置
する。
9の横方向への拡大を、図14(a)〜(c)を参照し
て説明する。
転領域9の幅Wを示し、横軸は櫛形電極2と平面電極3
との間に印加される電圧(絶対値)を示す。一方、図1
4(b)及び図14(c)は、形成される分極反転領域
9の形状を示す断面図である。
絶縁膜34を櫛形電極2の上に堆積しない場合のデータ
も示している。それによると、SiO2絶縁膜34を形
成しない場合には、形成される分極反転領域9の幅Wは
1.7μm以下には小さくならない。また、図14
(b)に模式的に示すように、SiO2絶縁膜34を形
成しない場合に得られる分極反転領域9は不均一な形状
を有しており、その幅Wは±30%以上の範囲で大きく
ばらつく。さらに、印加電圧が5.5kV未満である
と、基板1の内部で分極が反転しない部分が生じたり、
小さな領域のみが分極反転したりする現象が観測され
る。したがって、SiO2絶縁膜34を櫛形電極2の上
に堆積しない場合には、基板の広い範囲にわたって分極
反転領域9を安定して形成するためには、5.5kV以
上の電圧を印加する必要がある。
さ200nmのSiO2絶縁膜34を櫛形電極2の上に
堆積すると、形成される分極反転領域9の幅Wを、櫛形
電極のストライプ状電極枝の幅に近い1.5μmまで低
減することができる。また、図15(c)に示すよう
に、均一な形状の分極反転領域9が形成されて、その幅
のばらつきも±5%以下に抑えられる。さらに、4.9
kV以上の電圧を印加すれば、電極全体に対応した広い
範囲に渡って、分極反転領域9を形成することができ
る。
うことにより、印加電圧の広い範囲に渡って、分極反転
領域9の幅方向の広がりが抑制されて、均一な形状の分
極反転領域9を形成することができる。
4に要求される特性を説明する。
して上で形成した分極反転領域の幅をそれぞれ測定した
結果に基づいて、絶縁膜34の抵抗率の影響を検討す
る。その結果、抵抗率が1015Ω・cm以上の絶縁膜
を形成すると、形成される分極反転領域9の広がりが1
μm程度に抑制されて、また幅のばらつきも±10%程
度に低減する。絶縁膜の抵抗率をさらに増加させると、
1016Ω・cm以上の絶縁膜に対しては、形成される
分極反転領域9の幅の広がりがさらに抑圧され、ばらつ
きも±5%以内に抑制され、より均一な分極反転領域9
が形成される。
度の分極反転領域9は、抵抗率が1015Ω・cm程度
の絶縁膜を用いて形成することができるが、周期が4μ
m以下であるような短周期の分極反転領域9を形成する
場合には、抵抗率が1016Ω・cm以上の絶縁膜を用
いることが望ましい。
率が1017Ω・cm程度である)を異なる厚さで堆積
する場合を例にとって、絶縁膜34の厚さと形成される
分極反転領域9の幅との関係を説明する。
合に、分極反転領域9の幅方向への拡大を抑制する効果
が得られる。また、SiO2膜の厚さを100nm以上
にすると、分極反転領域9の幅のばらつきは±10%程
度に低減される。さらに、SiO2膜の厚さが200n
m以上である場合には、分極反転領域9の幅のばらつき
は±5%以下に低減され、加えて、その広がりが0.2
μm以下に抑えられる。しかし、SiO2膜の厚さを2
00nm以上にしても、それ以上の改善は認められな
い。
周囲雰囲気である絶縁液(抵抗率:1015Ω・cm)
の影響を受けて、分極反転領域9の幅方向の拡大の抑制
に対して十分な効果が得られない。
2膜を用いているが、他の材料からなる絶縁膜を用いる
ことができる。例えば、Ta2O5膜をスパッタリング
法で200nm堆積した基板において上記と同様に分極
反転領域を形成すると、SiO2膜を用いる場合と同様
の特性が得られる。しかし、有機ポリマの膜を絶縁膜と
して用いると、SiO2膜やTa2O5膜の半分程度の
抑圧効果しか得られない。
ッタリングによって堆積している。スパッタリング法で
は、堆積されるべき膜の材料がターゲットからスパッタ
されて基板に付着するときに、大きな運動エネルギーを
有している。このため、基板1の表面の自由電荷に与え
る影響が大きく、分極反転の抑圧効果に優れている。し
かし、他の成膜方法、例えば、EB蒸着法、CVD法、
イオンビームスパッタリング法、ゾルゲル法等によっ
て、絶縁膜34を堆積してもよい。
形電極2を形成している。LiNbO3基板やLiTa
O3における分極反転領域の形成は、+C面1aにおけ
る分極反転核の形成で始まる。このため、上記のように
+C面1aに櫛形電極2を設けることによって、櫛形電
極2のパターンを分極反転領域のパターンに正確に転写
することができる。これに対して基板1の−C面1bに
櫛形電極を形成しても、均一性の高い周期状の分極反転
構造は形成されない。
はLiTaO3基板を用いている。あるいは、KTP
(KTiOPO4)基板、KNbO3基板、LiNbO
3基板、またはMgO、Nb、NdなどをドープしたL
iTaO3基板やLiNbO3基板を使用することがで
きる。あるいは、LiTaO3とLiNbO3との混晶
であるLiNb(1−x)TaXO3基板(0≦x≦
1)でも、同様な光波長変換素子が作製できる。特に、
上記のうちでLiNbO3基板は、高い非線形光学定数
を持つために、高効率の光波長変換素子を製造するには
有効である。
態における分極反転領域の形成方法を、図15(a)〜
(d)を参照して説明する。
例えば200μmのC板のLiTaO3基板1(結晶の
C軸に垂直な面で切り出した基板)の+C面1aに櫛形
電極2を、−C面1bに平面電極3を、それぞれ形成す
る。これらの電極2及び3は、例えば厚さ約60nmの
Ta膜とすることができる。また、櫛形電極2は、例え
ば、ストライプ状の電極枝の周期が3.8μmで、各電
極枝の幅を1.9μmとする。
ストを堆積して、CHF3ガス雰囲気中の反応性イオン
エッチングにより、櫛形電極2で覆われていない基板1
の表面をエッチングする。その後にレジストを除去する
ことによって、図15(b)に示すように、櫛形電極2
のストライプ状の電極枝の間における基板1の+C面1
aに、溝18が形成される。エッチングによる除去深さ
は、例えば0.1μmにする。
基板1の+C面1aを覆うように、厚さ200nmのS
iO2からなる絶縁膜34をスパッタリング法により堆
積する。その後に、櫛形電極2を接地した上で、平面電
極3に負のパルス電圧(典型的には、パルス幅3ms
で、振幅5.2kVとする)を印加する。放電の発生を
さけるため、電圧印加時には、基板1の全体を絶縁液ま
たは10−6Torr以下の真空中に設置する。
の直下のみに分極反転領域9が形成され、電極2のパタ
ーンが分極反転構造に完全に転写される。特に、櫛形電
極2のストライプ状電極枝の周辺部における基板1の表
面をエッチングで除去して溝18を形成することによ
り、基板1の表面における電荷の移動が低減される。こ
の結果、分極反転領域9の幅方向の拡大が抑制されて、
均一な周期状分極反転領域9が形成される。
で説明してきたように、櫛形電極を用いて強誘電体結晶
の分極方向に電圧を印加することで、周期状の分極反転
領域の形成が可能になる。しかし、結晶によっては、容
易に分極反転が形成できない場合や、分極は反転しても
短周期の分極反転領域の形成が難しい場合がある。以下
に説明する本実施形態では、そのような従来技術では分
極反転領域の形成が困難な結晶について、分極反転領域
を容易に形成する方法を説明する。
るには、薄い基板を用いて、小さな反転電圧で大きな電
界を印加することが考えられる。しかし、薄い基板は十
分な強度を有していないので、電極作成プロセスなどの
実施が非常に難しくなる。そこで本実施形態では、薄い
基板を容易に取り扱うことができるようにするために、
図16(a)〜(e)に示す工程によって分極反転領域
を基板の中に形成する。
0.5mmであるMgOドープLiNbO3基板31の
+C面31aに、櫛形電極2を形成する。次に、図16
(b)に示すように、表面に引出し電極20を形成した
LiNbO3基板32の上に、MgOドープLiNbO
3基板31を接着する。このとき、LiNbO3基板3
2の引出し電極20とMgOドープLiNbO3基板3
1の櫛形電極2とが、電気的に接触するようにする。続
いて、そのように接着されている状態のMgOドープL
iNbO3基板31を光学研磨して、図16(c)に示
すようにその厚さを50μmまで減じる。その後、図1
6(d)に示すように、MgOドープLiNbO3基板
31の研磨面上に、平面電極3を形成する。そして、図
16(e)に示すように、LiNbO3基板32の引出
し電極20とMgOドープLiNbO3基板31の平面
電極3との間にパルス電源5を接続して、パルス電圧を
印加する。これによって、MgOドープLiNbO3基
板31の内部に短周期で分極反転領域9が形成される。
線形光学定数を有し且つ耐光損傷性に優れるため、波長
変換素子の材料として有望なものである。しかし、従来
技術では周期状の分極反転構造の形成が困難であった。
これに対して、以上に説明した本実施形態の方法によれ
ば、MgOドープLiNbO3基板31に周期3μmで
分極反転領域9を形成することができる。このようにし
て周期状の分極反転領域9が形成されたMgOドープL
iNbO3基板31を用いることにより、高効率の光波
長変換素子の作製が可能になり、高出力のSHG光の発
生が可能になる。
に、本実施形態のプロセスにおいても、櫛形電極2をS
iO2膜などの絶縁膜で覆うことによって、形成される
分極反転領域の周期構造の均一性を増すことができる。
長変換素子を焦電センサへ応用する場合には、光学基板
として熱伝導性の高い材料を用いれば、焦電センサの応
答速度を高めることができる。
転構造を利用して、光導波路型の光波長変換素子を製造
することができる。その場合には、図16(a)〜
(e)に示した一連の工程を実施する前に、まずMgO
ドープLiNbO3基板31の+C面31aに光導波路
を形成する。
る。基板31の+C面31aにスパッタリングによって
Ta膜を堆積し、フォトリソグラフィ及びドライエッチ
ングによってストライプ状の光導波路のパターンを形成
する。その後、230℃のピロ燐酸中で8分間熱処理す
ることによってプロトン交換を行い、プロトン交換導波
路を形成する。その後さらに、300℃で10分間の熱
処理を行うことによって、光導波路が形成される。その
後に、図16(a)〜(e)に示す工程を実施すると、
光導波路内に周期状の分極反転領域が形成される。これ
によって、図17に示すようなストライプ状光導波路3
3を有する光波長変換素子900が形成できる。
の入射部15から素子900の内部に入射した基本波2
3は、光導波路33の中に限定されて伝搬する。その過
程で、基本波23は第2高調波24に変換されて、出射
部16から外部に取り出される。このとき、基本波23
は光導波路33の中に限定されて伝搬するので、素子9
00の内部における基本波23のパワー密度が増加す
る。また、伝搬する基本波23と分極反転構造9との相
互作用長も増加する。この結果、高効率の波長変換素子
900が実現される。
を接着することで、光導波路33の上に塵等が堆積して
導波損失が生じることが防止される。また、光導波路3
3の上に、基板の屈折率に近い値の屈折率を有する材料
を堆積することにより、光導波路33の屈折率分布を対
称構造にすることができる。これによって、光導波路3
3を伝搬する光の電界分布が対称構造となり、基本波2
3の結合効率が高くなる。なお、図17の光波長変換素
子900の櫛形電極は、光導波路33の損失を低減する
ために透明電極で形成しなければならない。
板31としてMgOドープLiNbO3基板を用いてい
る。あるいは、その他に、MgOドープLiTaO3基
板、NdドープLiNbO3基板、NdドープLiNb
O3基板、KTP基板、KNbO3基板、NdとMgO
とをドープしたLiNbO3基板、あるいはNdとMg
OとをドープしたLiTaO3基板などであってもよ
い。
基板はレーザ発振が可能であるので、レーザ発振による
基本波の発生とその波長変換による第2高調波の発生と
が同時に行える。そのため、高効率で安定した動作特性
を有する短波長光源が作製できる。
定数を有するとともに耐光損傷性にも優れているので、
高出力の光波長変換素子が形成できる。
体基板31に張り付ける基板32としてLiNbO3基
板を用いているが、光学的に平板な基板であれば、他の
材料からなる基板も使用できる。特に、強誘電体基板3
1と等しい熱膨張係数を有する材料からなる基板32を
用いることが、強誘電体基板31に対する熱的な歪みの
印加を低減できるという点で好ましい。
結晶成長、レーザアブレージョン等の手法を用いれば、
強誘電体材料の薄膜結晶を形成できる。このような強誘
電体薄膜結晶を用いれば、周期状の分極反転領域の形成
が困難な材料に対しても、分極反転領域を形成すること
ができる。さらに、薄膜を光導波路として用いること
で、高効率な光導波路型の光波長変換素子が構成でき
る。
て、結晶成長により形成した強誘電体薄膜30に分極反
転領域9を形成する方法を説明する。
耐光損傷性に優れた高非線形材料であるが、従来技術に
よれば、周期状の分極反転領域をその内部に形成するこ
とが困難である。そこで、本実施形態では、まずLiT
aO3基板31の上にMgOドープLiNbO3層30
を結晶成長させた上で、その成長したMgOドープLi
NbO3層30の内部に周期状の分極反転領域9を形成
する。
方法を、図18(a)〜(c)を参照して説明する。
LiTaO3基板32(結晶のC軸に垂直な面で切り出
した基板)の+C面32aに、MgOを5mol%ドー
プした厚さ2μmのLiNbO3層30を液相成長によ
り堆積する。次に、図18(b)に示すように、成長さ
せたLiNbO3層30の上に櫛形電極2を、LiTa
O3基板32の−C面32bの上に平面電極3を、それ
ぞれ形成する。これらの電極2及び3は、例えば厚さ約
60nmのTa膜とすることができる。また、櫛形電極
2は、例えばストライプ状の電極枝の周期が3.8μm
で、各電極枝の幅を1.9μmとする。続いて、櫛形電
極2と平面電極3との間に、パルス電源5によってパル
ス電圧を印加する。これによって、周期状の分極反転領
域9が、MgOドープLiNbO3層30の内部に形成
される。
は、不純物濃度が低く、かつ結晶構造を変えることがで
きるため、高効率の光波長変換素子が形成できる。さら
に、薄い膜が容易に形成できるため、均一性の高い周期
状の分極反転構造が容易に形成できる。
に、本実施形態のプロセスにおいても、櫛形電極2をS
iO2などの絶縁膜で覆うことによって、形成される分
極反転領域9の周期構造の均一性を増すことができる。
周期状の分極反転領域9を用いて、リッジ型光導波路3
0aを有する光波長変換素子1000を形成する方法
を、図19(a)及び(b)を参照して説明する。
て周期状の分極反転領域9がその内部に形成されたMg
OドープLiNbO3層30上に、図19(a)に示す
ようなストライプ状のTi膜29を形成する。次に、T
i膜29をマスクとして利用して、ECRエッチング装
置でMgOドープLiNbO3層30をエッチングす
る。その後にTi膜29を除去することによって、図1
9(b)に示すように、MgOドープLiNbO3層3
0にストライプ部分30aが形成される。このTi膜2
9に覆われていてエッチングされずに残ったMgOドー
プLiNbO3層30のストライプ部分30aは、例え
ば、幅6μmで高さ0.3μmのサイズを有する。ま
た、ストライプ部分30a以外のMgOドープLiNb
O3層30の厚さは、エッチングによって典型的には1
0μmまで薄くなる。
屈折率は、LiTaO3基板32の屈折率より小さいた
めに、上記のようにして形成されたMgOドープLiN
bO3層30のストライプ部分30aは、光導波路30
aとして機能する。したがって、図19(a)及び
(b)に示す工程によって、図7(a)〜(c)の工程
で、周期状の分極反転領域9を有する光導波路30aが
形成される。
面を光学研磨することで、光波長変換素子1000が形
成される。MgOドープLiNbO3は高い非線形光学
定数を有する材料であるために、このようにして形成さ
れた光波長変換素子1000は、高効率の波長変換が可
能になる。さらに、MgOドープLiNbO3は耐光損
傷性に優れる材料であるので、高出力の波長変換が可能
になる。
よって形成した強誘電体薄膜30を用いている。あるい
は、強誘電体薄膜30の成長は、気相成長またはレーザ
アブレージョン等の他の成長方法で行うこともできる。
ブレージョンを利用すると、基板32の上に強誘電体結
晶の歪超格子の薄膜を形成することができる。超格子薄
膜は、薄膜を形成している結晶以上に大きな歪を有する
ため、非線形定数の大きな膜となる。本実施形態のプロ
セスにおいても、レーザアブレージョンによって強誘電
体薄膜30を堆積した上で周期状の分極反転領域9を形
成することで、高効率の光波長変換素子の形成が可能に
なる。
の方法によって形成してもよい。例えば、強誘電体の結
晶を光学結晶の基板の上に接合し、その後に強誘電体結
晶を研磨およびエッチングすることによって、薄膜結晶
を形成することができる。このような結晶の張り合わせ
によって形成した薄膜に対して、図18(a)〜(c)
の工程で周期状の分極反転領域を形成し、さらに図19
(a)及び図19(b)の工程で光導波路を形成する。
このような結晶の張り合わせを利用すれば、結晶成長が
難しい材料、例えば、KNbO3、KTP、BBO等の
非線形材料においても周期状の分極反転構造を形成する
ことができる。
8の実施形態で説明した工程によって形成した分極反転
領域を用いた光波長変換素子の製造方法を説明する。形
成される光波長変換素子の構成を図20に示す。
は、長い距離に渡り均一な構造を有する短周期の周期状
分極反転領域を形成する必要がある。例えば、LiNb
O3、LiTaO3、KTP等の結晶に形成した分極反
転構造を利用して、波長変換により波長400nm帯の
青色光を発生するためには、周期が3〜4μmである分
極反転領域を、長さ10mm程度に渡り均一に形成する
必要がある。すでに述べたように、短周期の分極反転領
域を形成するには、分極反転領域の電極幅方向への広が
りを極力抑える必要があり、均一な周期構造を形成する
ためには、分極反転形状の均一性が要求される。上記の
点を考慮すれば、第8の実施形態で示した製造方法によ
って得られる分極反転領域は、高効率の光波長変換素子
の製造に非常に有効である。
(a)〜(d)を参照して説明した方法と実質的に同様
である。
aO3基板1の+C1a面に櫛形電極2を、−C面1b
に平面電極3を形成する。櫛形電極2の周期は3.8μ
mとして、櫛形電極2を構成するストライプ電極枝の幅
はそれぞれ1.9μmとする。一方、平面電極3のサイ
ズは3mm×10mmとする。櫛形電極2の形成後に、
各ストライプ電極枝の周辺の基板1の表面(+C面1
a)を100nmエッチングして、溝18を形成する。
その後に、+C面1aの櫛形電極2の上に、スパッタリ
ング法で厚さ200nmのSiO2層34を堆積する。
その後に、電極2及び3の間にパルス電圧を印加する。
印加するパルス電圧は、例えば、パルス幅が約3ms
で、ピーク値が5.1kVである。
に、幅1.9μmでデューティ比が50%である周期状
の分極反転領域9が、長さ10mmに渡り均一に形成さ
れる。特に、形成される分極反転領域9は、基板1の
底、すなわち−C面1bまで達する。
入射面25及び出射面26を光学研磨して、波長850
nmの基本波23に対する反射防止膜19として機能す
る厚さ145nmのSiO2膜19を堆積する。これに
よって、図20に示す光波長変換素子1100が構成さ
れる。
波23としてTi:Al2O3レーザの光を入射して、
そのSHG特性を測定した。具体的には、レーザ21か
ら出た光(基本波)23を、集光光学系22により光波
長変換素子1100の入射面25に集光して入射する。
入射した基本波23は、素子1100の内部を伝搬する
際に波長変換されて、基本波23の半分の波長を有する
第2高調波(SHG光)24として出射面26から出射
する。基本波23から第2高調波24への変換効率は、
集光スポット径がφ37μmの場合に最大になる。
(位相整合波長)と出力される第2高調波24のパワー
(SHG出力)との関係を示す。基本波23の集光スポ
ット径は、上記のφ37μm一定としている。図21に
示されるように、位相整合波長が850nmであるとき
にSHG出力は最大になり、このときの波長許容度の半
値全幅は0.12nmである。この値は、理論値0.1
nmに非常に近い値であり、周期的な分極反転構造が、
素子長10mmに渡り均一に形成されていることを意味
している。
HG出力との関係を、図22に示す。基本波入力パワー
が300mWのとき、4.2mWのSHG出力が得られ
ている。また、このときの変換効率は1.4%である。
この値は理論値と等しく、形成された分極反転構造が理
想的な形状を有していることを示している。
領域9の間に形成した溝18は、分極反転領域9の劣化
を防止する機能を発揮する。電界印加によって分極反転
を生じさせる場合、深い分極反転領域9を形成できる一
方で、基板1の結晶に大きな歪が与えられる。そのよう
な歪は、形成された分極反転領域9の経時変化を起こ
す。例えば、数週間から数カ月で、分極反転領域9の形
状が徐々に変化して、光波長変換素子900の動作特性
が変化することがある。これに対して、分極反転領域9
の間に溝18を形成すると、分極反転領域9のそのよう
な形状変化の発生が防止されて、動作特性の経時変化の
無い安定な光波長変換素子を構成できる。
2に含まれるストライプ状電極枝の幅Wは、櫛形電極2
の周期ΛとW≦Λ/2の関係にあるのが好ましい。その
理由を以下に説明する。
る印加電圧条件下では、ストライプ状電極枝の下に形成
される分極反転領域の幅Wdは、電極枝の幅Wより僅か
にひろがる。一方、光波長変換素子の効率は、周期Λと
分極反転領域の幅Wdとの関係がΛ/2=Wdのときに最
大になる。このため、Wdの値をΛ/2にするには、分
極反転領域の幅方向の広がりを考慮して、電極の幅Wを
Λ/2の値に等しくするか、またはそれより小さく設定
することが好ましい。
光波長変換素子を形成することもできる。その場合に
は、図20の構成において、周期状分極反転領域9を形
成したLiTaO3基板1の両端面を研磨した後に、反
射防止膜19の代わりに、波長が800nmの基本波2
3を99%以上反射する反射膜14を堆積する。このよ
うな光波長変換素子に、基本波23が入射すると、基板
1の両端面に形成した反射膜14で多重反射して、基板
1の内部で共振する。すなわち、光波長変換素子は共振
器として機能して、その内部パワーの増大により、入射
された基本波23が高効率で第2高調波24に変換され
る。
機能させるためには、多重反射する基本波23のビーム
径より深い位置に至るまで、典型的には数10μm以上
の深さまで、分極反転領域9が均一に形成されていなけ
ればならない。電界印加によれば、数100μm程度の
深さまで均一な周期状分極反転領域9が形成されるの
で、高効率の共振器型光波長変換素子を作製することが
できる。
いパワー密度と長い相互作用長とを有する高効率の光波
長変換素子の製造方法を説明する。具体的には、形成さ
れた均一で短周期の分極反転領域の内部に、光導波路を
形成する。具体的には、まず、これまでに示した実施形
態で説明した方法によって、LiTaO3基板に周期状
の分極反転領域を形成する。その後に、プロトン交換処
理によって光導波路を形成する。
下のプロセスが考えられる。周期状の分極反転領域が形
成されている基板の+C面の上に、形成すべき光導波路
のパターンに対応したTaマスク層を形成し、260℃
のピロ燐酸中での16分間の熱処理、及び空気中での4
20℃における5分間の熱処理によって、プロトン交換
導波路を形成する。
光導波路の両端面を光学研磨して、光導波路に基本波を
入力して出力されるSHG光の出力特性を測定すると、
理論値の約半分の変換効率しか得られない。この低い変
換効率がもたらされる原因に関して、発明者らによる検
討によって、光導波路の内部で周期状分極反転領域の一
部が消滅していることが発見された。即ち、光導波路の
作製プロセスにより、形成されていた分極反転領域が表
面から深さ約0.6μm迄の範囲で消滅するために、変
換効率が低下していることが明らかになった。また、L
iNbO3基板、或いはLiNbO3とLiTaO3と
の混晶の基板でも、同様に、分極反転領域の表面部分か
らの後退が観測される。
極反転領域への影響を防止するために、本実施形態で
は、図23(a)〜(c)に示す工程で光導波路11を
作製する。
反転領域(不図示)が形成されている基板1の+C面1
aの上に、形成すべき光導波路11のパターンに対応し
たTaマスク層10を形成する。次に、260℃のピロ
燐酸中での20分間の熱処理、及び空気中での420℃
における5分間の熱処理によって、図23(b)に示す
ように、Taマスク層10の開口部に相当する基板1の
部分にプロトン交換導波路11を形成する。その後に、
CHF3ガス中での反応性イオンエッチングにより、T
aマスク層10を除去するとともに、基板1の表面をさ
らに0.5μmエッチングして除去する。この際に、プ
ロトン交換光導波路11の表面部分も同様にエッチング
で除去することによって、光導波路11の表面近傍に存
在する周期状分極反転領域の劣化部分を除去する。
11の両端面を光学研磨して、光導波路に基本波を入力
して出力されるSHG光の出力特性を測定すると、例え
ば、100mWの基本波入力に対して20mWの第2高
調波出力が得られた。このときの変換効率は理論値に等
しい値であり、本実施形態に基づくプロセスによって、
高効率の光波長変換素子が得られている。
は、光導波路11を基板1の+C面1aに形成してい
る。しかし、分極反転領域は基板1の裏面、すなわち−
C面1bに達するまで形成されているので、光導波路1
1を基板1の−C面1bに形成しても、同様の性能を有
する光波長変換素子を製造することができる。そのよう
に−C面1bに光導波路11を形成する場合、−C面1
bには平面電極が形成されているのみであって櫛形電極
のパターンは形成されていないので、面の荒れが少な
い。そのため、導波損失の少ない導波路が作製でき、効
率の高い光波長変換素子の作製が可能である。
理によって形成した導波路に代わって、Ti拡散導波
路、Nb拡散導波路、イオン注入導波路など他の光導波
路を用いることができる。
作製するためには、拡散温度を1000℃以上に設定す
る必要がある。しかし、LiTaO3のキュリー温度は
600℃、LiNbO3のキュリー温度は1000℃で
あって、いずれも拡散温度と同等かそれ以下である。こ
のため、分極反転領域の形成後に従来技術に従って拡散
処理によって光導波路を形成すると、形成されていた分
極反転領域がすべて消滅してしまう。それに対して、光
導波路の形成後に分極反転領域を形成することで、拡散
で形成した光導波路の内部に周期状の分極反転領域を形
成することができ、高効率の光波長変換素子の製造が可
能になる。
いる処理の他に、オルト燐酸、安息香酸、硫酸などを用
いることができる。
Taマスクに限られるものではなく、Ta2O5、P
t、Auなど耐酸性を有する材料からなるマスクであれ
ばよい。
施形態として、図24(a)及び(b)を参照して、改
変された周期型分極反転構造を有するバルク型光波長変
換素子1300を説明する。
形成された基板をバルクとして利用するバルク型の光波
長変換素子では、入射する基本波の光軸に対して素子を
ある角度で傾けることによって、素子の内部を進行する
光に対する分極反転周期を変えることができる。この点
を利用すれば、入射する基本波の発振波長の変動や環境
温度の変化による位相整合波長の変動を、調整すること
ができる。
変できる分極反転構造の周期範囲は、基板の屈折率に依
存するスネルの法則によって規定される。したがって、
周期を大きく変化させることはできない。
端面に平行に分極反転領域が形成されている光波長変換
素子の場合、基板を入射する基本波の光軸に対して12
度傾ける場合、基本波が素子の入射面に垂直に入射する
場合に比べて、分極反転構造の周期は1.02倍になる
にすぎない。
00では、図24(a)に示すように、基板1の内部
に、その入射面15及び出射面16、あるいは少なくと
も入射面15に対してある角度θで傾いた分極反転領域
9を形成する。そのためには、これまでに説明してきた
実施形態における分極反転領域9の製造工程において、
基板1の+C面1aの上に櫛形電極2を形成する際に、
基板1の端面に対して角度θだけ傾けて形成すればよ
い。形成工程の他の特徴は実質的に同じであるので、こ
こでは説明は省略する。
射面15及び出射面16、あるいは少なくとも入射面1
5に対してある角度θで傾けて設けられている光波長変
換素子1300では、入射する基本波23の光軸に対し
て素子1300を傾けることによって素子1300の内
部を進行する光に対する分極反転周期を変えて位相整合
範囲を調整する際に、より広い範囲に渡る調整が可能に
なる。
の入射面15に対して45度傾いた方向に分極反転領域
9が形成されている光波長変換素子1300の場合、レ
ーザ21から発せられて集光光学系22を介して入射す
る基本波23の光軸に対して基板1を12度傾けると、
基本波23が素子1300の入射面15に垂直に入射す
る場合に比べて、分極反転構造の周期は1.12倍にな
る。このように、従来技術による素子の場合に比べて、
角度調節の範囲が5倍以上に増大する。この結果、位相
整合波長の許容度が拡大されて、光波長変換素子130
0をより簡便に使用できるようになる。
9を傾けて作製することにより、位相整合温度の許容度
を拡大することが可能になる。これは、周期状の分極反
転構造を集光ビーム(基本波)が斜めに横切ることによ
って、集光ビームの光軸に対して角度を有する成分に対
する位相整合が、広い範囲で生じるために起こるからで
ある。
は、基板1の入射面15及び出射面16の両方に対して
傾いて形成されているが、出射面16と分極反転領域9
とは平行になるように形成してもよい。
aにおいて、出射面16から出てくる基本波23aと高
調波24とを分離する方法を、図24(b)を参照して
説明する。
光学系22を経て素子1300aの入射面15から入射
された基本波23は、素子1300aの内部を伝搬しな
がら高調波24に変換される。その後に出射面16から
変換された高調波24が出射されるが、このとき、変換
されなかった基本波成分23aも、同時に出射面16か
ら外部に出てくる。したがって、この変換されなかった
基本波成分23aを、変換された高調波24から分離す
る必要が生じる。
部に周期状の分極反転領域9が形成されているバルク型
光波長変換素子1300aの出射面16を、入射する基
本波23の光軸に対して傾けると、基本波と高調波との
波長分散によってそれぞれが感じる屈折率が異なって、
基本波23aと高調波24とを異なった出射角度(すな
わちθ1とθ2)で出射させて両者を分離することがで
きる。具体的には、素子1300aの内部では基本波が
感じる屈折率nfと高調波が感じる屈折率nsとが異な
るので、スネルの法則に基づいて、それぞれに対する出
射角度が異なることになる。
導波路の形成プロセスが周期状分極反転領域に及ぼす影
響に関する本願発明者らの検討結果をさらに説明すると
ともに、その検討結果に基づいたより好ましい光導波路
の形成プロセスを含む光波長変換素子の製造方法を説明
する。
いるLiTaO3基板の+C面にプロトン交換処理を施
して、光導波路を形成するプロセスを考える。例えば、
そのようなプロトン交換処理としては、基板を温度26
0℃のピロ燐酸に浸して16分間の熱処理を行い、その
後にアニール処理として、空気中で温度420℃で5分
間の熱処理を行う。このプロセスは、LiTaO3基板
のキュリー温度(約600℃)よりも低い温度で行われ
る低温プロセスである。
形成すると、形成されていた周期状の分極反転領域が、
基板の+C面から深さ方向に向かって消滅することがあ
る。分極反転領域が消滅する深さは、アニール時間とと
もにある程度まで増加した後に一定の値を保つようにな
るが、アニール条件が一定であれば、主として図25に
示すようにプロトン交換処理の時間に依存する。したが
って、プロトン交換時のプロトンの熱拡散によって、形
成された分極反転領域が消滅すると考えられる。アニー
ル温度を300℃まで下げても、依然として分極反転領
域の消滅が発生することがあり、高効率の波長変換を実
現する光波長変換素子を安定して製造できないという問
題が生じる。
の+C面のみで発生する。−C面では、光導波路の形成
にともなう分極反転領域の消滅は認められない。
の実施にともなう分極反転領域の消滅現象の影響を防ぐ
ために、分極反転領域の形成に先立ってプロトン交換処
理による光導波路の形成を行って、光波長変換素子を製
造する。
したがって、ストライプ状の埋込型光導波路11を有す
る光波長変換素子1410を製造する工程を模式的に示
す斜視図である。
部を有するTaマスク層(不図示)を基板1の表面に堆
積し、ピロ燐酸中での熱処理によってプロトン交換処理
を行う。これによって、図26(a)に示すようなスト
ライプ状の埋込型プロトン交換光導波路11を形成す
る。その後にアニール処理を行って、プロトン交換を施
した箇所(光導波路11)とそれ以外の箇所との間にお
ける分極反転特性の差を低減する。その後に、図26
(b)に示すように、基板1の+C面及び−C面に櫛形
電極2及び平面電極3をそれぞれ形成する。そして、こ
れらの電極2及び3を介して基板1に所定の電界を印加
して、図26(c)に示すような周期状の分極反転領域
9を基板1の内部に形成する。さらに、櫛形電極2及び
平面電極3を除去すれば、図26(d)に示す、ストラ
イプ状の埋込型光導波路11を有する光波長変換素子1
410が得られる。
したがって、リッジ形の光導波路17aを有する光波長
変換素子1420を製造する工程を模式的に示す斜視図
である。
換処理とアニール処理とを施して、図27(a)に示す
プロトン交換層(スラブ型光導波路)17を形成する。
その後に、図27(b)に示すように、プロトン交換層
17及び基板1の裏面(−C面)に櫛形電極2及び平面
電極3をそれぞれ形成する。そして、これらの電極2及
び3を介して基板1に所定の電界を印加して、図27
(c)に示すような周期状の分極反転領域9を基板1の
内部に形成する。その後に、櫛形電極2及び平面電極3
を除去するとともに、プロトン交換層17をストライプ
状に加工してリッジ型の光導波路17aを形成する。こ
れによって、図27(d)に示す、ストライプ状のリッ
ジ型光導波路17aを有する光波長変換素子1420が
得られる。
施した箇所(光導波路11)とそれ以外の箇所との間に
プロトン分布の僅かな差が存在する。これに対してリッ
ジ型光導波路17aを形成する上記プロセスでは、基板
1の表面全体にわたってプロトン交換層17が形成され
るために、分極反転領域の形成のための電界印加時に電
極面内におけるプロトン分布の不均一さが存在しない。
これより、面内分布が均一な分極反転領域を形成するこ
とができる。さらに、光導波路17aの側面にもプロト
ン交換層17が存在するので、機械的破壊に対する強度
が向上するとともに、耐光損傷性にも優れている。この
結果、埋込型光導波路11の場合に比べて、リッジ型光
導波路17aは2倍以上の耐光損傷強度を有する。
層(スラブ型光導波路)17の表面にさらにストライプ
状の高屈折率層44が装荷型の光導波路44として設け
られている光波長変換素子1430を、本実施形態にし
たがって製造する工程を模式的に示す斜視図である。
換処理とアニール処理とを施して、図28(a)に示す
プロトン交換層(スラブ型光導波路)17を形成する。
その後に、図28(b)に示すように、プロトン交換層
17及び基板1の裏面(−C面)に櫛形電極2及び平面
電極3をそれぞれ形成する。そして、これらの電極2及
び3を介して基板1に所定の電界を印加して、図28
(c)に示すような周期状の分極反転領域9を基板1の
内部に形成する。その後に、櫛形電極2及び平面電極3
を除去するとともに、プロトン交換層17の上にストラ
イプ状の高屈折率層44を形成する。これによって、図
28(d)に示す、ストライプ状光導波路44を有する
光波長変換素子1430が得られる。
44は、リッジ型光導波路17aよりもさらに強い閉じ
込め特性を示すので、高効率の光波長変換素子が得られ
る。
って光導波路を形成することによって、周期状分極反転
構造の消滅を防ぐことができる。これによって、耐光損
傷性に優れ、高効率の波長変換を実現する光波長変換素
子が得られる。
(d)を参照して、分極の前面反転及び一部領域での再
反転を利用した本実施形態における分極反転領域の形成
方法を説明する。
基板1の+C面1a及び−C面1bに、それぞれ平面電
極43及び3を形成する。このとき、基板1の内部の分
極は、図29(a)に矢印41aで示すように、図面中
で上方向を向いている。
して電界を印加して、基板1の内部のほぼ全域の分極を
反転させる。これによって、図29(b)に示すよう
に、矢印41bで示す図面中で下向きの分極方向を有す
る分極反転領域41が形成される。
極43を除去して、その代わりに、図29(c)に示す
ように櫛形電極2を形成する。そして、櫛形電極2と平
面電極3に電圧を印加して基板1に所定の電界を印加す
ることによって、櫛形電極2の各ストライプ状電極枝の
直下の領域49の分極を再反転させる。これによって、
図29(d)に示すように、矢印41aで示す方向の分
極方向を有する領域49と、矢印41bで示す逆向きの
分極方向を有する領域41とが、周期的に交互に配置さ
れた構造を形成する。
全域で分極を一旦反転させることによって、−C面1b
の近傍においても均一な周期状の分極反転構造が形成さ
れる。特に、−C面1bでは、プロトン交換処理とアニ
ール処理とを用いて光導波路を形成する際の分極反転領
域の消滅が発生しない。したがって、本実施形態にした
がって周期状の分極反転構造を形成した後に、−C面の
上に光導波路を形成することによって、高効率の光波長
変換素子を実現することができる。
基板の+C面及び−C面にそれぞれ櫛形電極及び平面電
極を形成し、両電極を介して、パルス電界を重畳した直
流電界を基板に印加する。これによって、均一な強度分
布を有する電界を基板に印加することが可能になり、均
一な周期構造を有する分極反転領域を形成することがで
きる。また、形成された周期状分極反転領域の上にさら
に光導波路を形成する、あるいは形成された周期状分極
反転領域をそのままバルクとして用いることにより、高
効率の光波長変換素子が製造される。
極反転領域が櫛形電極直下から横方向に拡大することを
抑制する必要がある。これに対しては、基板表面におけ
る櫛形電極のストライプ状電極枝の間隙部分にプロトン
交換処理を施して、その部分の強誘電性を劣化させるこ
とで、分極反転領域の横方向への拡大が抑制される。こ
れによって、分極反転領域が短周期で形成される。これ
により、高効率の光波長変換素子が製造される。
絶縁体膜で覆われた櫛形電極及び平面電極をそれぞれ形
成して、両電極間にパルス電界を印加することで、基板
表面における自由電荷の移動を抑制して、均一な強度分
布を有する電界を結晶に印加することができる。これに
より、均一な周期構造を有する分極反転領域が形成され
る。
電極枝の間の結晶表面を削って溝を形成し、その後に結
晶表面に絶縁膜を形成して電界を印加することで、均一
な周期構造を有する分極反転領域が形成できる。
波路を形成することにより、高効率の光波長変換素子の
製造が可能になる。
極反転領域が櫛形電極直下から横方向に拡大することを
抑制する必要がある。このとき、LiTaO3、LiN
bO3等の強誘電体基板の表面自由電荷は、電界印加時
に結晶表面を移動し、電極周辺部における電界分布の不
均一性を生じる。このような電界分布の不均一性が分極
反転領域の横方向拡大を促進することが、発明者らの検
討によって発見された。そこで、このような表面自由電
荷の移動を抑圧するため、分極反転核が生じる表面に形
成する櫛形電極全体を絶縁体膜で覆うことによって、分
極反転領域の横方向への拡大が抑制される。これによっ
て、分極反転領域が短周期で形成される。これにより、
高効率の光波長変換素子が製造される。
領域の形成方法を示す斜視図 (b)分極反転領域の形成のために基板に印加される電
界強度の経時変化を示す模式的なグラフ
形 (b)それにともなって流れる反転電流波形 (c)本発明における基板への印加電圧波形 (d)それにともなって流れる反転電流波形 (e)本発明における他の印加電圧波形の例
電圧値との関係を示すグラフ
転領域の形成が可能な基板の厚さとの関係を示すグラフ (b)基板に印加する直流電界の強度と分極反転領域の
幅との関係を示すグラフ
の形成工程を示す斜視図
図
形成方法を示す断面図
を示す断面図 (b)印加電圧と分極反転領域の幅との関係を示すグラ
フ
形成方法を示す断面図
関係を示す断面図
子の形成工程を示す斜視図
子を示す斜視図
の形成方法を示す断面図
を示すグラフ (b)形成される分極反転領域の形状を模式的に示す断
面図 (c)形成される分極反転領域の形状を模式的に示す断
面図
の形成方法を示す断面図
の形成方法を示す断面図
を利用して製造される光波長反転素子の斜視図
の形成方法を示す断面図
子の形成工程を示す斜視図
子を示す斜視図
基本波と出力される第2高調波のパワーとの関係を示す
グラフ
基本波のパワーと出力される第2高調波のパワーとの関
係を示すグラフ
成方法を示す断面図
変換素子を示す斜視図 (b)変換された高調波と変換されなかった基本波との
分離方法を説明する断面図
換の処理時間と分極反転が消滅する深さとの関係を示す
グラフ
子の形成工程を示す斜視図
子の形成工程を示す斜視図
子の形成工程を示す斜視図
の形成方法を示す模式的な断面図
を示す模式的な斜視図
Claims (8)
- 【請求項1】 結晶のC軸に垂直な面で切り出されたC
板基板である強誘電体結晶基板の第1面に櫛形電極を、
及び第2面に平面電極を形成する工程と、 該第1面及び第2面の少なくとも一方に光学基板を接着
する工程と、 該櫛形電極及び該平面電極の間に所定の電圧を印加し
て、該強誘電体結晶基板の内部の所定の領域の分極を反
転させる工程と、を包含する分極反転領域の製造方法。 - 【請求項2】 前記光学基板と前記強誘電体結晶基板と
を接着後に、該強誘電体結晶基板を研磨する工程をさら
に包含し、前記平面電極は該研磨面に形成する請求項1
に記載の分極反転領域の製造方法。 - 【請求項3】 基板表面に強誘電体結晶を成長させる工
程と、 該強誘電体結晶の分極方向にお互いに離れた第1及び第
2の電極を形成する工程と、 該第1及び第2の電極間に所定の電圧を印加して、該強
誘電体結晶の内部の所定の領域の分極を反転させる工程
と、を包含する分極反転領域の製造方法。 - 【請求項4】 前記強誘電体結晶はC軸方向に成長し、
該強誘電体結晶の表面に前記櫛形電極を、及び前記光学
基板の裏面に前記平面電極をそれぞれ形成する請求項3
に記載の分極反転領域の製造方法。 - 【請求項5】 前記強誘電体結晶の表面が、その近傍に
分極反転のための核が発生する面である請求項4に記載
の分極反転領域の製造方法。 - 【請求項6】 強誘電体結晶基板と、 該強誘電体結晶基板の内部に周期状に形成した分極反転
領域と、 該強誘電体結晶基板の表面及び裏面のいずれか一方に接
着された光学基板と、を備える光波長変換素子。 - 【請求項7】 結晶基板と、 該結晶基板の上に結晶成長された強誘電体結晶と、 該強誘電体結晶の内部に周期状に形成された分極反転領
域と、を備える光波長変換素子。 - 【請求項8】 さらに光導波路を備えている請求項6又
は7に記載の光波長変換素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001226562A JP3429502B2 (ja) | 1994-08-31 | 2001-07-26 | 分極反転領域の製造方法 |
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6-206748 | 1994-08-31 | ||
JP20674894 | 1994-08-31 | ||
JP6-307410 | 1994-12-12 | ||
JP30741094 | 1994-12-12 | ||
JP2001226562A JP3429502B2 (ja) | 1994-08-31 | 2001-07-26 | 分極反転領域の製造方法 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP36815299A Division JP3332363B2 (ja) | 1994-08-31 | 1999-12-24 | 分極反転領域の製造方法ならびにそれを利用した光波長変換素子及びその製造方法 |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003097300A Division JP4081398B2 (ja) | 1994-08-31 | 2003-03-31 | 光波長変換素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002099009A true JP2002099009A (ja) | 2002-04-05 |
JP3429502B2 JP3429502B2 (ja) | 2003-07-22 |
Family
ID=27328672
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001226562A Expired - Lifetime JP3429502B2 (ja) | 1994-08-31 | 2001-07-26 | 分極反転領域の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3429502B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006330661A (ja) * | 2005-04-27 | 2006-12-07 | Mitsubishi Electric Corp | 光波長変換素子および光波長変換器 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6030115A (ja) * | 1983-07-28 | 1985-02-15 | 松下電器産業株式会社 | 強誘電体薄膜素子 |
JPS6418121A (en) * | 1987-07-13 | 1989-01-20 | Nippon Telegraph & Telephone | Production of high-speed optical circuit parts |
JPH05173213A (ja) * | 1991-12-25 | 1993-07-13 | Hitachi Ltd | 導波路型第二高調波発生素子 |
JPH05289134A (ja) * | 1992-04-10 | 1993-11-05 | Sony Corp | 非線形光学装置の製造方法 |
JPH06186603A (ja) * | 1992-10-21 | 1994-07-08 | Pioneer Electron Corp | 分極反転層形成方法 |
JPH06281982A (ja) * | 1992-07-21 | 1994-10-07 | Sony Corp | レーザ光発生装置 |
-
2001
- 2001-07-26 JP JP2001226562A patent/JP3429502B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6030115A (ja) * | 1983-07-28 | 1985-02-15 | 松下電器産業株式会社 | 強誘電体薄膜素子 |
JPS6418121A (en) * | 1987-07-13 | 1989-01-20 | Nippon Telegraph & Telephone | Production of high-speed optical circuit parts |
JPH05173213A (ja) * | 1991-12-25 | 1993-07-13 | Hitachi Ltd | 導波路型第二高調波発生素子 |
JPH05289134A (ja) * | 1992-04-10 | 1993-11-05 | Sony Corp | 非線形光学装置の製造方法 |
JPH06281982A (ja) * | 1992-07-21 | 1994-10-07 | Sony Corp | レーザ光発生装置 |
JPH06186603A (ja) * | 1992-10-21 | 1994-07-08 | Pioneer Electron Corp | 分極反転層形成方法 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006330661A (ja) * | 2005-04-27 | 2006-12-07 | Mitsubishi Electric Corp | 光波長変換素子および光波長変換器 |
JP4706403B2 (ja) * | 2005-04-27 | 2011-06-22 | 三菱電機株式会社 | 光波長変換素子および光波長変換器 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP3429502B2 (ja) | 2003-07-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5652674A (en) | Method for manufacturing domain-inverted region, optical wavelength conversion device utilizing such domain-inverted region and method for fabricating such device | |
JP3059080B2 (ja) | 分極反転領域の製造方法ならびにそれを利用した光波長変換素子及び短波長光源 | |
US5522973A (en) | Fabrication of ferroelectric domain reversals | |
JP3529144B2 (ja) | 強誘電体のドメイン反転構造形成方法 | |
WO2011045893A1 (ja) | 光学素子の製造方法 | |
JP3332363B2 (ja) | 分極反転領域の製造方法ならびにそれを利用した光波長変換素子及びその製造方法 | |
US6926770B2 (en) | Method of fabricating two-dimensional ferroelectric nonlinear crystals with periodically inverted domains | |
US5323262A (en) | Wavelength conversion device | |
JP2001066652A (ja) | 分極反転構造の形成方法並びにそれを利用した波長変換素子の製造方法 | |
JP4119508B2 (ja) | 光波長変換素子とその製造方法、この素子を用いた光発生装置および光ピックアップ、ならびに分極反転部の製造方法 | |
JP4081398B2 (ja) | 光波長変換素子 | |
JP3397433B2 (ja) | 分極反転層形成方法及び光波長変換素子 | |
JP3429502B2 (ja) | 分極反転領域の製造方法 | |
JP3398144B2 (ja) | 分極反転領域の製造方法 | |
JPH10246900A (ja) | 強誘電体単結晶基板の微小構造の製造方法 | |
JPH0713008A (ja) | 回折格子およびその製造方法ならびに波長変換素子 | |
JPH06342111A (ja) | 分極反転層の製造方法および波長変換素子 | |
JPH07120798A (ja) | 光波長変換素子の作成方法 | |
JP2003215379A (ja) | 光導波路素子の製造方法 | |
JPH06186604A (ja) | 強誘電体のドメイン反転構造形成方法 | |
JP3086239B2 (ja) | プロトン交換光導波路とその製造方法及びこの導波路を用いた光偏向器 | |
JPH10161167A (ja) | 光デバイス | |
JP2890781B2 (ja) | 光導波路の作製方法 | |
JPH04264534A (ja) | 波長変換素子の製造方法 | |
JPH11258646A (ja) | 分極反転ドメイン及び光学素子、並びにこれらの作製方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20030502 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080516 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090516 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100516 Year of fee payment: 7 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110516 Year of fee payment: 8 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110516 Year of fee payment: 8 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120516 Year of fee payment: 9 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120516 Year of fee payment: 9 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130516 Year of fee payment: 10 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130516 Year of fee payment: 10 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |