JP2852831B2 - 強誘電体のドメイン反転構造形成方法 - Google Patents
強誘電体のドメイン反転構造形成方法Info
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Description
を有する光波長変換素子を作成する等のために、強誘電
体に所定パターンのドメイン反転構造を形成する方法に
関するものである。
分極(ドメイン)を周期的に反転させた領域を設けた光
波長変換素子を用いて、基本波を第2高調波に波長変換
する方法が既にBleombergenらによって提案されている
(Phys.Rev.,vol.127,No.6,1918(1962)参照)。
この方法においては、ドメイン反転部の周期Λを、 Λc=2π/{β(2ω)−2β(ω)} ……(1) ただしβ(2ω)は第2高調波の伝搬定数 2β(ω)は基本波の伝搬定数 で与えられるコヒーレント長Λcの整数倍になるように
設定することで、基本波と第2高調波との位相整合を取
ることができる。周期ドメイン反転構造を持たない非線
形光学材料のバルク結晶を用いて波長変換する場合は、
位相整合する波長が結晶固有の特定波長に限られるが、
上記の方法によれば、任意の波長に対して(1) を満足す
る周期Λを選択することにより、効率良く位相整合(い
わゆる疑似位相整合)を取ることが可能となる。
する方法としては従来より、 1)LiTaO3 の−z面に周期的にプロトン交換を施
し、キュリー点近傍の温度で熱処理する方法(K.Yam
amoto ,K.Mizuuchi ,and T.Taniuchi ,Optic
s Letters,vol.16, No.15,1156(1991)参照) 2)室温下で電子線ビームを直接単分極化されたLiT
aO3 やLiNbO3 の−z面に照射する方法(H.I
to,C.Takyu,and H.Inaba,ElectronicsLette
rs, vol.27, No.14,1221(1991)参照) 3)単分極化されたLiTaO3 やLiNbO3 等の表
面に電荷を遮断する所定パターンのレジストを配置した
上で、コロナ放電により該表面に全体的に電荷を作用さ
せる方法 等が知られている。
に強誘電体に荷電粒子線を照射する方法は、比較的簡便
に実施可能となっているが、その半面、ドメイン反転が
起こり難い、さらには強誘電体表面近傍でのドメイン反
転が不確実になりやすいといった問題が認められてい
た。
ていると、その強誘電体を用いて前述の光波長変換素子
を形成した場合には、周期ドメイン反転構造が全く形成
されなかったり、あるいはその周期が不正確になるか
ら、効率良く波長変換を行なうことが不可能となる。
不確実になっていると、その強誘電体を用いて特に光導
波路型の光波長変換素子を形成した場合には特有の問題
が生じる。すなわち光導波路はこの強誘電体の表面近傍
に形成されるから、たとえこの表面近傍以外では正確に
ドメイン反転が生じていても、肝腎の光導波路において
は周期ドメイン反転構造が形成されなかったり、あるい
はその周期が不正確になってしまう。そのような光導波
路型の光波長変換素子では、効率良く波長変換を行なう
ことは当然不可能である。
であり、荷電粒子線照射により所定パターンのドメイン
反転部を確実に、特に強誘電体表面近傍において確実に
形成することができる強誘電体のドメイン反転構造形成
方法を提供することを目的とするものである。
ドメイン反転構造形成方法は、単分極化された強誘電体
に荷電粒子線を照射して、この照射方向に延びるドメイ
ン反転部を形成する方法において、荷電粒子線が照射さ
れる強誘電体の表面部分に、該強誘電体よりも電気抵抗
が高い高抵抗層を堆積しておくことを特徴とするもので
ある。
強誘電体に荷電粒子線を照射してもドメイン反転が起こ
らないという問題は、強誘電体の電気抵抗が低いことに
起因していることが判った。すなわちそのような場合
は、強誘電体に荷電粒子線を作用させてもその表面電位
がすぐに減衰したり、表面から深さ方向(つまり荷電粒
子線の照射方向)に電子が移動し難くて表面に沿った方
向に電流が流れてしまうのである。
体の表面部分に高抵抗層を堆積しておくと、表面電位が
すぐに減衰することがなくなり、また電子が強誘電体の
表面から深さ方向に移動しやすくなって、荷電粒子線照
射方向に延びるドメイン反転部が確実に形成されるよう
になる。
反転が生じ難いという問題は、特に高エネルギーの荷電
粒子線が用いられた際に、表面からの電子注入深さが数
μm程度とかなり大きくなることに起因していることが
判った。そこで上述のような高抵抗層を設けておけば、
強誘電体表面からの電子注入深さがほぼこの高抵抗層の
厚さ分だけ浅くなり、この強誘電体の表面近傍で良好に
ドメインが反転するようになる。したがって、高抵抗層
を除去して強誘電体表面に光導波路を形成すれば、この
光導波路部分に確実にドメイン反転部が存在することに
なる。
詳細に説明する。まず図1を参照して、本発明の第1実
施例について説明する。この図1中、1は非線形光学効
果を有する強誘電体であるLiNbO3 の基板(以下、
LN基板と称する)である。このLN基板1は単分極化
処理がなされて、例えば0.5 mm程度の所定厚さとさ
れ、最も大きい非線形光学定数d33が有効に利用できる
ようにz面で光学研磨されている。このLN基板1の−
z面1a上には、同図(a)に示すように、スパッタ法
により厚さ0.5 μmの高抵抗層としてのSiO2 膜2が
堆積される。またこのLN基板1の+z面1b上には電
極としてのCr膜3が形成され、このCr膜3が接地さ
れる。
2 膜2越しにLN基板1の−z面1aに向けて電子線ビ
ーム4を照射し、この照射方向つまり−z面1aから深
さ方向に延びるドメイン反転部5を形成する。本実施例
においては、電子線ビーム4は20kV、0.2 nAの条件
で照射される。また1ケ所当りの電子線照射時間は3m
sec で、1ケ所照射する毎に照射位置が等ピッチで移動
される。本例ではこの照射ピッチは4μmである。以上
の処理によりLN基板1には、ドメイン反転部5が所定
周期Λ=4μmで周期的に並ぶ周期ドメイン反転構造が
形成される。
2を除去するとともに、LN基板1の−z面1aをエッ
チングする(同図(c)参照)。このように−z面1a
をエッチング処理すると、図2に示すように、ドメイン
反転部5とそうでない部分とでは化学的特性の違いによ
り、エッチングの程度に差が生じる。そこでこの−z面
1a部分を顕微鏡で観察することにより、ドメイン反転
部5が所定ピッチ、所定サイズで確実に生じているか否
か、そして特にLN基板1の表面近傍でも確実にドメイ
ン反転が生じているか否かを確認することができる。
4μmの周期で−z面から+z面まで貫通するドメイン
反転部5が確実に形成されているのが確認された。また
このドメイン反転部5は、LN基板1の−z面1a近傍
においても確実に形成されているのが確認された。なお
図1(c)および図2の矢印10は、分極の方向を示して
いる。
LiNbO3 よりも電気抵抗が均一なSiO2 膜2が用
いられているので、電子線ビーム4を照射する際の表面
抵抗がより均一になる。そこで、このようなSiO2 膜
2を堆積しない場合と比べると、各ドメイン反転部5の
大きさがより一様になり、周期ドメイン反転構造の周期
精度が向上する。
説明する。本実施例は第1実施例と比べると、電子線照
射の仕方が異なる。すなわち本実施例では、高抵抗層と
してのSiO2 膜2の上に電子線を遮断するレジスト6
が所定ピッチで堆積され、コロナ放電ワイヤ7を用いて
電子線8がLN基板1の−z面1aに照射される。そこ
でLN基板に1には、レジスト6が無い部分において周
期的にドメイン反転部5が形成される。
1実施例におけるのと同様のエッチングを施し、LN基
板1の−z面1aを顕微鏡で観察したところ、ドメイン
反転部が、基板を貫通する状態で良好に形成されている
ことが確認された。
構造を用いた導波路型光波長変換素子について説明す
る。図4にこの導波路型光波長変換素子の概略構成を示
す。第1実施例の通りにしてLN基板1に周期ドメイン
反転部5を形成した後、x方向に光が伝搬するようにチ
ャンネル導波路12を形成する。このチャンネル導波路12
は、プロトン交換等の公知の方法を適宜用いて形成する
ことができる。
変換素子20に、基本波として波長λのレーザ光を入力端
20aから入射させると、導波−導波モードの位相整合が
取られて、出力端20bから波長λ/2の第2高調波を効
率良く出射させることができる。一例として、基本波光
源にレーザダイオードを用いた場合について、図5を参
照して説明する。レーザダイオード13から出射した基本
波としてのレーザビーム14(波長=880 nm)はコリメ
ートレンズ15によって平行光化された後、λ/2板16で
チャンネル導波路12のz軸方向に偏光方向を合わせ、集
光レンズ17により集光されてチャンネル導波路12の端面
12aにおいて収束する。それにより基本波14はチャンネ
ル導波路12内に入射し、そこを導波する。
12中の周期ドメイン反転領域で位相整合して第2高調波
18に波長変換される。この第2高調波18もチャンネル導
波路12を導波モードで伝搬し、出力端20bから効率良く
出射する。出力された第2高調波18の偏光方向もz軸方
向であるので、LiNbO3 の最も大きい非線形光学定
数d33が利用されていることになる。
上記LiNbO3 以外のもの、例えばLiTaO3 、M
gO:LiNbO3 、MgO:LiTaO3 、KNbO
3 、MgO:KNbO3 、KTP等を用いる場合に適用
することもできる。
造を有するバルク結晶形光波長変換素子を作成するため
に適用することもできる。さらに本発明の方法は、周期
ドメイン反転構造以外のドメイン反転構造を形成するた
めに適用することも可能である。
造を形成する工程を示す概略図
表面部分を示す概略側面図
造を形成する様子を示す概略図
変換素子の概略斜視図
面図
Claims (1)
- 【請求項1】 単分極化された強誘電体に荷電粒子線を
照射して、この照射方向に延びるドメイン反転部を形成
する方法において、 前記荷電粒子線が照射される強誘電体の表面部分に、該
強誘電体よりも電気抵抗が高い高抵抗層を堆積しておく
ことを特徴とする強誘電体のドメイン反転構造形成方
法。
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- 1992-04-16 JP JP4096571A patent/JP2852831B2/ja not_active Expired - Fee Related
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